超微细粉体材料的研究及开发超微细粉体材料的研究及开发曹颖

超微细粉体材料的研究及开发,超微细粉体材料的研究及开发

随着科技的发展，我们经常需要既能适应高温、高压、高硬度条件的材料，又具有能发光、导电、电磁、吸附等特殊性能的材料。因此，需要人们不断地开发超细粉体这一新兴材料体系。目前研究开发超微细粉体材料受到各国重视日本超微细粉体材料的开发涉及70个公司，50多个研究机构；韩国科学技术研究院提出的科技发展战略及五年发展计划中提到对下一代技术革新起开创作用的项目，也列出了包括精细陶瓷在内的超微细粉体材料；英国成立了新型先进材料制造技术中心，研究包括陶瓷在内的超微细粉体材料；美国国家关键技术小组预测了多项对全国未来发展至关重要的关键技术，包括材料的合成与加工、电子、光学材料、陶瓷材料及复合材料，并在20世纪90年代初就把纳米技术列入"政府关键技术"及21世纪初的重要研究方向。由于各国开发力度的加大，新品种也层出不穷。近两年德国德固萨公司不断推出了不同用途的SiO2系列品种，如A200、A300用在聚酯凝胶涂料中，R972作为特种树脂流变剂和橡胶改性专用SiO2；美国PPG公司推出消光剂等系列超细SiO2新品种。据初步统计，SiO2新品种的开发涉及到十余家公司、几十个品种。另外，美国的矿物工业公司在北美范围内建立了30余家超微细碳酸钙生产厂，生产不同牌号的碳酸钙；日本开发了PTC热敏电阻用钛酸钡，还有多家公司联合开发了氮化硅新材料，并为适应电子零部件、合成树脂和绝缘体应用投资5亿日元建立了世界第一个合成云母厂；美国的金刚石公司开发了钛酸铝钴耐热冲击陶瓷；挪威开发了多种用途的ZrO2，涉及到十几家公司。超微细粉体材料具有超常效果。如果把超微细无机粉体材料或颜料添加到油墨或油漆中，它会使色彩艳丽而发光。加到涂料中可使粘合度大大加强。纳米级白碳黑能赋予橡胶极高的抗张强度、抗撕裂性和耐磨性。超微细r-Fe2O3磁粉用在录音带或录像带中，信息储存量比普通磁粉高10倍。在海湾战争中，美国的隐身战斗攻击机F-117A号由于在其表面涂敷了钨钴-铁氧体超微细粉体材料制成的吸附层，使其在执行1200多次空袭中无一损伤。另外，超微细粉体材料随着粒径的减小，比表面积增大，这种表面效应导致材料机械性能、热传导性能均比一般材料优异。超微细粉体材料可使光学性质和电学性质改变，如TiO2、ZnO、PbO等金属氧化物纳米微粒加入到化妆品或某些材料中，具有防止紫外线的效果。铜是良导体，但纳米级铜不导电，而绝缘的二氧化硅在20nm时则开始具有导电性。无机超微细粉体材料有着广泛的用途。它可在造纸、油漆、塑料、轻工、冶金等工业中作填料和功能材料；在涂料、颜料中作阻燃剂；在电子、航空工业尖端领域中还可作电容器材料、敏感元件材料、超硬材料、超导材料及光、电、磁、波的吸收材料等。由于无机超微细粉体材料用途广泛及其特殊的性能，其价值会大幅度提升。一般而言，超微细粉体材料的价格比普通粉体材料高3~5倍，有的甚至达到几十倍。因此，有针对性的开发超微细粉体材料已是大势所趋。总体上看，无机超微细粉体材料今后的发展具有以下四大趋势：---微细化在十多年前超微细粉体材料的研究对象是1um以上的粉体，而近年来超微细粉体材料的研究已进展到纳米级。随着颗粒度的变小，使其本身的性能增强，并可使光、电、磁特性兼于一身。比如，日本电子公司开发的纳米级压电陶瓷材料的强度是传统压电陶瓷材料的3倍。---高纯化高纯化是为了实现物质本身的特性，防止外来杂质的干扰，如精细陶瓷的光、电、磁材料及超导材料等均需高纯度。高纯度产品可产生巨大增值，99.998%的ZrO2价格为普通耐火材料用ZrO2的300多倍，是电子材料用ZrO2的50多倍。---功能化和复合化功能化和复合化是人们对材料性能追求的结果，也是高新技术发展的需求。如新型毛细管状苯乙烯-二乙烯基本离子交换树脂中r-Fe2O3构成的磁性材料，不仅是一种超顺磁材料，在室温下具有极强的磁性，而且有良好的光透明性。由于具有这种特种功能，使其在彩色成像和印刷中显示出非常好的效果。功能是材料的核心，科技的发展需要各种功能的材料；而复合的目的是人为地赋予材料新功能改进老功能。比如在氧化锆中添加少量的稳定剂，强度和韧性会大大提高，可使过去只能做耐火材料的ZrO2陶瓷，一跃成为结构陶瓷中的佼佼者，抗断裂强度大大提高。再如，含有氧化锑的亚微米级氧化锡，不但导电而且透明。---精细化材料的精细化是指粉体性能的精细化，如对其颗粒度、粒度分布、颗粒形状、比表面、孔容、孔径、晶相、导电、磁性、光吸收、光导等一系列性能，不同粉体有不同的要求。如对不同类型的纸张要求不同晶相的碳酸钙；封装SiO2不同的形状，会产生不同的效果。目前，我国无机超微细粉体材料的研究开发刚刚起步，无论天然非金属矿物加工，还是人工合成超微细粉体的研究开发都起步较晚。近年来在磁性记录介质、电子陶瓷、高档油漆、油墨、涂料等行业，引进了十多套以超微细粉末为原料的涂装成型加工生产线，其中许多具有国际先进水平。但至今仍未建立起与之配套的粉末产业。超微细粉体材料仍主要靠进口。另外，我国目前从事超微细粉体材料的研究开发单位很多，研究开发的品种也不少，但由于技术难度大，应用领域和产品市场的开发等多种原因，只有少部分产品已经工业化，大部分产品处于研究开发阶段。因此必须加快发展超微细粉体材料。

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