复合粉体

粉体的复合技术

无机粉体除本身作为1种功能材料使用外，在新型材料的复合和开发方面也起着极其重要的作用，被广泛应用于军事、航空、航天、化工、医药等领域。近年来超细粉体特别是纳米级超细粉体以其奇特的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应日益受到人们的重视。同时人们通过试验研究，发现将2种或2种以上的粉体颗粒经表面包覆或复合处理后可以得到1种高性能复合材料——复合粉体。复合粉体除了具有单一粉体所具有的性能外，还具有复合协同多功能，改变单一粒子表面性质，增大2种或多种组分的接触面积等作用。粉体的包覆改性是伴随着粉体技术的出现和应用而发展来的1项新技术。其原理是在原来粉体颗粒的表面上，均匀地引入1种或多种其他组分的物质，形成一定厚度的吸附层或单层膜，从而改变粉体的表面特性或赋予粉体新的性能。包覆技术起初主要应用于单种粒子，对于提高其分散性能、解决其团聚问题起到了重要作用，另外，该技术还可以改善粉体粒子的活性、光学性质、耐热性、耐光性、表面色泽等。现在包覆技术已经发展到对复合粉体进行包覆。目前粉体的包覆改性研究多限于单组元粉体，而对复合粉体的包覆研究较少。本文拟对粉体粒子的复合方式以及目前复合粉体包覆制备的主要方法作一综述。

粉体粒子的复合方式

复合粉体中不同种类粒子间的复合方式有混合式和包覆式2类，据此可将复合粉体分为混合式复合粉体和包覆式复合粉体。混合式复合粉体多为物理混合物，它是借助于外力(重力或机械力等)，经对流、扩散、剪切等作用，将1种粒子均匀掺杂于另1种粒子内部而形成的混合体。主要制备方法有气相渗透法、液相渗透法及溶胶一凝胶法等。混合式复合粉体制备工艺简单，但混合物的微观不均匀性、不同粒子间的结合力较弱等因素使其应用领域受到限制。包覆式复合粉体具有核壳结构，由中心粒子和包覆层组成。包覆方式按包覆层的形态可分为层包覆、粒子沉积型包覆和粒子嵌入型包覆3种。由于对中心粒子进行包覆不但制备出了多功能复合粉体，而且也实现了对中心粒子的表面改性，因此，目前人们对包覆式复合粉体的制备研究较多，出现了多种方法，如机械化学法、气相燃烧法、异相凝聚法、异相聚合法、沉积法、相转移法等。

纳米/微米粒子的复合方法很多，按照复合过程中发生化学反应与否，可分为物

理复合法和化学复合法。在物理复合法中，根据所使用的设备不同，又可分为研磨复

合法、高速机械冲击复合法、机械搅拌复合法及等离子体复合法等;根据复合过程中

发生的化学反应方式看，化学复合法可分为溶胶一凝胶(501一Gel)法、共沉淀法、

化学气相反应(CVD)法、微胶囊法及微乳液法等。根据粒子复合过程中所处的状态

不同，纳米/微米粒子的复合方法还可分为气相法、液相法和固相法。

根据纳米/微米复合粒子的结构形式不同，通常有两类复合形式:

一类是颗粒复合型，就是一种纳米粒子以表面粘附、镶嵌或陷入等形式固定复合

于另一种纳米级或微米级粒子的表面或次表面的结构中，形成一种颗粒与另一种颗粒

之间复合的颗粒复合型纳米复合粒子。在这类复合粒子之中，表面的纳米粒子通常是

代表复合粒子的功能性一面的，而微米级大小的核心粒子(母粒子)则一般是起到结

构性的作用。如果材料选择恰当，母粒子是可以作为纳米子粒子功能性的补充，在纳

米粒子发挥其功能性的时候起到很好的协同作用，提高其功能作用效果。

另一类是膜复合型，就是纳米或微米粒子表面被致密的或多孔的薄膜(通常是纳

博士论文纳米了微米功能复合材料的制备及应用研究

米级厚度)包覆，形成膜复合型纳米复合粒子。

研磨复合法通常是采用研磨机对子、母粒子进行研磨复合[l’一，41。在研磨过程中，通过研磨介质与粒子、粒子与粒子间的挤压、剪切、冲击等作用而达到复合的目的。

其复合形式有嵌入(Embedding)、沉积tDeposition)和包覆(Ene即sulation)等。

在实际的复合粒子中，既可能是一种复合形式，也可是多种复合形式共存。限于机械

作用力的作用形式，研磨复合法很难在研磨过程中产生足够的高温使某种物质熔化

2颖粒复合型超细RDX为习复合粒子博士论文

(对某些特殊的有机物则有可能)，并与其它物质颗粒形成膜包覆复合;该法更多的

是使某种(或多种)较易粉碎的物质被研磨到很细微(粒径可达到纳米级)，从而以

子粒子的形式复合(嵌入、沉积、包覆)于较难粉碎的物质颗粒(母粒子，粒径较大)

的表面形成颗粒复合型复合粒子。在对研磨复合法复合机理的研究中，认为研磨过程

是母粒子在多种作用力的作用下循环变形的过程;在这过程中可导致颗粒中大角度晶

界的重新组合，使粉体的组织结构逐步细化，最后达到不同组元原子互相渗入和扩散，能够获得常规方法难以获得的非晶合金、金属间化合物、超饱和固溶体等纳米复合材

料【，31。

根据机械研磨法中所使用的研磨介质和研磨形式的不同可以选择不同的研磨设

备，有球磨、陶瓷磨、砂磨、行星磨等。其中球磨可以用钢珠、玻璃珠、陶瓷珠、错

珠等作为研磨介质。根据研磨过程中物料所处的状态来看，研磨复合法有干法和湿法

之分，其选择一般根据物料性质和结果要求而定。湿法研磨需要在研磨过程中加入液

体研磨介质，干法有时需要先将密封系统的空气抽空，再注入一定的惰性气体(如

He、凡等)。它可以防止在复合过程中粒子因研磨所产生的高温和晶格缺陷等与空气

中某些物质发生反应。采用湿法研磨的过程中，在使粒径变小时，复合组分的晶型在

长时间研磨下仍保持不变;而干法在研磨初期粒径减小，但随着研磨时间的延长就会

有团聚现象发生114】，即发生逆研磨现象。所谓逆研磨现象，就是在粉碎过程中，当物料的粒度达到一定细度时，如果继续研磨下去，就会出现物料粒度不继续减小甚至反

而增大的现象。

机械化学法

在机械研磨复合法中有一种比较特别的方法，称为机械化学法。该方法是采用

纳米粉碎及其它强烈机械力作用，有目的地对两种或两种以上的纳米粉体表面(或另

一种用于包覆或复合的纳米粉体)进行激活，在一定程度上改变粒子表面的晶体结构、溶解性能(表面无定形化)、化学吸附和反应活性(增加表面的活性点)等，使纳米

粒子相互吸附，或嵌入、或生成新相而复合。影响机械力作用强弱的主要因素有:粉

碎设备类型、机械力的作用形式、粉碎环境(干态、湿态及添加剂等)、机械力的作

用时间以及粒子粒度的大小和比表面等。许多研究表明，多数情况下对同一设备来说，干式复合机械对粒子的机械化学激活作用(晶格扰动、表面无定形化等)较湿式机械

复合要强烈，但也有例外的情况。另外，复合加工时间的长短也是影响机械化学效应

强弱的一个主要因素。机械能作用时间越长，机械化学效应就越强烈。再有，机械力

作用方式，如研磨、摩擦、剪切、冲击及打击等也影响机械化学的激活作用。

高能球磨法

高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨

和搅拌，把粉体粉碎为纳米级微粒的卞法。如果将两种或两种以上金属粉体同时放入

球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉体颗粒经压延、压合、又碾碎、再压合的反复过程，最后可获得组织和成分分布均匀的纳米复合粒子。由于这种方法是利用机械能达

到合金化，而不是用热能或电能，使某些在常规条件下不能进行反应的体系在较低温

度下直接进行化学反应。所以高能球磨制备合金粉体的方法也属于机械化学法。