开辟材料新天地的超细粉体

开辟材料新天地的超细粉体

你知道将可供食用的鲜骨加工成一种极细的骨粉或骨泥后，其附加值会成百倍地提高吗？你知道珍珠经超细化后，只需轻轻擦拭便可直接进入皮肤表层毛细孔而产生神奇的美容护肤效果吗？你是否还知道制造火箭推进剂的固体原料需粉碎到足够小的粒径后，才可使其燃烧速度提高10倍以上吗？上述的这些特细的粉体就是跨世纪基础材料——超细粉体的几个例子。制备和应用这种超细粉体的技术就叫做超细粉体技术。

超细粉体技术是伴随着现代科技进步而发展起来的一门高新技术，是当今材料科学与技术的一个重要组成部分和前沿。

对于“超细”的界定，工程上和学术上略有差异。国外较为严格并较多采用的定义是：粒径小于3微米的粉体称为超细粉体。事实上，由于通常粉体粒径分布范围都较宽，粒径表示方法也各有不同。我国普遍认可的定义是，粒径100%小于30微米的粉体为超细粉体。

按粒径，超细粉体通常又分为微米级（其粒径大于1微米）、亚微米级（粒径小于1微米，大于0.1微米）以及纳米级（粒径处于100～1纳米）粉体。广义的纳米粉体是指三维尺寸中至少有一维处于纳米尺寸水平。例如，薄膜、纤维、微粒或由其他形态所组成的固体、多层膜、颗粒膜等，其中亦包括纳米微晶材料。

通常的机械法粉碎是一种物理过程。它包括超细粉体的制备、分级、分离、干燥、输送、混合与均化、粒子复合、表面改性、检测、储运与安全技术，以及应用技术等。其中最为关键的是超细化粉碎、分级、分离（防聚集）技术。

材料经超细化，其物理、化学性能会发生显著变化。有文献报道，超细化材料，尤其是处于亚微米级或纳米级状态的超细材料，其几何尺寸介于原子、分子与块（粒）状材料之间，有人称这种物态为物质的“第四状态”。超细化后的物质表面分子排列及电子分布结构和晶体结构均会发生变化，可产生块（粒）状材料所不具备的奇特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，从而使超细粉体比其超细化前的普通材料显示出一系列优异的物理、化学及表面与界面性质。在被使用时，可取得超常的效果。

微米、亚微米及纳米超细粉体；因其比表面积增大，表面能大，表面活性高，表面与界面性质发生了很大变化。所以，当医药、食品、营养与化妆品通过超细化至微米、亚微米级之后，就极易为肠胃或皮肤所直接吸收，从而使治疗、营养、保健功效大大增加。然而，由于超细粉体表面能大、表面电位高，单个颗粒往往处于不稳定状态。颗粒之间产生相互吸引，粉体容易团聚，使整体的表面、界面特性又趋向于与块状材料相近。因此，防聚集技术始终是超细粉碎中极为重要的关键技术。

对于单一的微米或亚微米材料，虽然其物化特性与块状材料有较大差别，但当两种性质不同的微米或亚微米材料进行复合，制成复合微米或亚微米材料时，其性能将发生突飞性巨变，使用中也显现出与原材料显著不同的特性。例如，熔点下降、化学活性提高、催化效果增强等。由此，工程界已制备出许多性能优异的新型功能材料。

纳米材料的物理、化学性能与块状材料差异很大。当材料超细化后，其小颗粒尺寸进入纳米级时，该超细粉体便产生了十分显著的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应，呈现出许多“反常现象”与优异特性。有研究表明，纳米金金属粒在低温下由于量子尺寸效应会出现绝缘性；化学惰性的金属铂制成的纳米微粒（铂黑）可成为活性极强的催化剂；小尺寸和表面效应使纳米微粒表现出极强的光吸收能力；纳米银晶体作为稀释制冷剂的热交换器，效率较传统材料高30%；粒径为6纳米的铁晶体，其断裂强度较之多晶铁提高12倍。

由于许多材料在超细化后显示了优异的性能，因此，在国民经济、国防及人们日常生活中的应用已越来越广泛，例如，在军事、航空航天及电子领域。利用超细粉体可以制备隐身材料，用于制造隐形的飞机、战船、战车；用超细陶瓷粉制造的坦克装甲车复合板，不但重量较钢板轻30%～50%，且抗冲击强度提高1～3倍；超细氧化铁粉可制造高性能磁性材料；高质量的超细石墨可用来制造显像管和军事领域的电子对抗材料等。在化工医药领域，催化剂超细后，石油裂解速度可提高1～5倍；医药粉剂超细化后，外用或内服可提高吸收率以增强疗效，有时还可直接用超细药粉制成针剂使用。近几年，国内还成功地制备了茶叶、蔬果、灵芝、孢子、珍珠、蚕丝、蚂蚁、水产、动物鲜骨及脏器的超细产品。例如，国内发明的刚柔混合材料超细粉碎技术，在常温、干燥条件下，将原花粉实施纯物理过程的超细粉碎，使花粉破壳率达99%以上，具有抗肿瘤功效的灵芝孢子粉破壁率接近100%，用其制成片剂、胶囊，使其完全满足食用要求，并具备更有效的作用。再如动物鲜骨，采用煮熬等传统方法食用，鲜骨中丰富的营养难于被人体充分吸收。如果将鲜骨超细化成30微米以下的骨泥、骨粉，人食用后，容易被肠胃吸收。

总之，超细粉体材料应用前景非常广阔。德国科技部在对纳米材料未来市场潜力进行分析时认为，2000年以后，纳米材料结构器件市场容量为6375亿美元、薄膜器件市场容量为340亿美元；纳米材料、纳米复合陶器及其他复合材料市场容量为5457亿美元；纳米材料检测手段市场容量为27.2亿美元；市场的突破口很可能在信息、通信、微电子、环境、生物工程、医药等领域。

超细粉体制备方法有化学法、物理法以及物理化学法。具体的有机械及气流粉碎法、蒸发法、溶液反应法、喷雾法、气相法及等离子体法等。目前，国内外已研制成功了一系列新型超细粉碎机。但是，采用机械及气流超细粉碎方法所获得的粉体粒径分布范围很宽，为此必须进行分级处理。但普通分级筛已远不能满足工业需要，各国已相继研究出轮式、涡流式、旋流式、碟式、卧螺式等十多种类型的分级设备和相配套的分级技术。目前，通常是将分级机和粉碎机联合使用，以降低成本并提高生产效率。

在超细粉体技术领域，各国学术界还广泛深入地开展基础理论研究，创建了超细粉体表面科学与技术，以及“重力场分级理论”、“离心沉降力场分级理论”等。其学科领域涉及化学、物理、结构、力学、电学、磁学、光学、安全工程等众多学科领域。

20世纪80年代以来，我国的一些高校及研究中心先后发明及研制成功一系列性能优异的高效超细粉碎设备，制备出粒度达到纳米级的超细产品，打破了机械法只能制备微米或亚微米材料的极限，并成功地对许多易燃、易爆品安全地进行了超细化加工，使我国在这一领域进人世界先进行列。

无论从超细粉体领域基础理论，还是从设备研究、超细粉体产品开发及应用研究，目前尚未达到十分成熟的程度，都有待进一步探索、研究与完善。特别在高性能设备开发、多种超细粉体的复合材料及应用研究、检测技术（包括仪器与方法）等许多方面都尚处于初级阶段，有待我们去探索，去发展。