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标  题: 水热法和等离子体制备纳米粉末(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul  9 08:59:05 2003)

--来自化工冶金研究所
　　水热法和等离子体制备纳米粉末是中科院化工冶金冶金所经过二十多年积累，形成

的研究特色和成熟技术，已经广泛应用于纳米金属、氧化物、非金属氧化物粉末的规模

化生产。现将该两项的基本技术和特色作一介绍。
　　1．水热法制备纳米粉末技术：
　　"水热"一词大约出现在一百四十年前, 原本用于地质学中描述地壳中的水在温度和

压力联合作用下的自然过程, 以后越来越多的化学过程也广泛使用这一词汇。尽管拜耳

法生产氧化铝和水热氢还原法生产镍粉已被使用了几十年, 但一般将它们看作特殊的水

热过程。直到本世纪七十年代, 水热法才被认识到是一种制备陶瓷粉末的先进方法。简

单来说, 水热法是一种在密闭容器内完成的湿化学方法, 与溶胶凝胶法、共沉淀法等其

它湿化学方法的主要区别在于温度和压力。水热法研究的温度范围在水的沸点和临界点(

374℃)之间, 但通常使用的是130～250℃之间, 相应的水蒸汽压是0.3～4 MPa。与溶胶

凝胶法和共沉淀法相比, 其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末, 从而

省去了研磨及由此带来的杂质。据不完全统计, 水热法可以制备包括金属、氧化物、和

复合氧化物在内的60多种粉末。所得粉末的粒度范围通常为0.1微米至几微米,有些可以

几十纳米, 且一般具有结晶好、团聚少、纯度高、粒度分布窄以及多数情况下形貌可控

等特点。在超细(纳米)粉末的各种制备方法中,水热法被认为是环境污染少、成本较低、

易于商业化的一种具有较强竞争力的方法。
　　水热法制备超细(纳米)粉末自七十年代兴起后, 很快受到世界上许多国家, 特别是

工业发达国家的高度重视, 纷纷成立了专门的研究所和实验室。如美国Battelle实验室

和宾州大学水热实验室; 日本高知大学水热研究所和东京工业大学水热合成实验室, 法

国Thomson-CSF研究中心等。国际上水热技术的学术活动也相当活跃, 自1982年起, 每隔

三年召开一次"水热反应"的国际会议, 并经常出版有关专著, 如"材料科学与工程中的水

热反应"。利用水热法制备超细(纳米)粉末，目前处在研究阶段的品种不下几十种，除了

铜、钴、镍、金、银、钯等几种金属粉末外，主要集中在陶瓷粉末上。基本处于扩大试

验阶段，近期可望开发成功的有氧化锆、氧化铝等氧化物、钛酸铅、锆钛酸铅等压电陶

瓷粉末，规模从几公斤/天到几百吨/年。
　　近几年, 随着"水热法制备超细(纳米)粉末"的研究被列为国家863项目、973项目和

自然科学基金等研究项目, 国内从事水热技术研究开发的单位越来越多。但与日、美等

国相比，尚存在一定差距。主要表现在重复性、模仿性的研究多，开拓性、创新性的研

究少，大部分工作停留在实验室几十毫升小高压釜水平上且多为工艺研究，基础性的研

究较少，工程化方面的研究力度不够，以致许多研究成果难以及时转化为工业规模生产

。相信随着国家纳米材料计划的实施，产学研的有力结合，在未来十几年内，水热法将

有可能成为制备超细(纳米)粉末的主要方法之一 （作者及联系人：中国科学院化工冶金

研究所，喻克宁、梁焕珍、陶昌源）。
　　2.等离子体制备纳米粉末技术：
　　等离子体作为物质存在的一种基本形态，由于在地球上很难自然存在，通常条件下

，人们使电流通过气体，这样就可以使气体这个良好的绝缘体携带充分的电荷，从而形

成"电击穿"，产生等离子体。带电的气体可以是氧化性气体还原性气体和中性气体等。

热等离子体作为高温气体具有高电导率、热导率，高粘度和高温度梯度，材料处于等离

子体中，将迅速分解成自由原子、离子和电子，这种处于高激发态的物质通过"淬冷"导

致具有独特性质的超细粉体和晶体的核化与生长。从化学角度看，各种反应是在新的"介

质"中进行的，所以有其新特点、新规律和新用途。
　　在超微细粉体制备过程中，等离子体技术与传统的技术如燃烧法相比有许多优点：

（1）能获得比化学燃烧高5倍以上的温度（可达30,000K），而加热速度比化学燃烧大10

倍以上，这就意味着接触时间短，反应速度快，减少了热损失，提高了热效率。（2）高

温、高热使化学反应进行得非常迅速，达到平衡所需时间与在等离子体流中停留时间相

比非常短，导致化学液相法难以合成的高温相化合物快速动力学生成（如氮化物、碳化

物、硼化物等）。（3）物料离开等离子体时，表现出特别高的冷却速度（~106K/S），

这样的特殊环境把物体"冻结"在一种特殊状态，而这种状态物质的理化性质是在一般冷

却速度下所不能获得的。（4）粉体产品不需粉碎，生成的粒子很少凝聚，容易制得粒度

分布范围窄的超细粒子。（5）在较少的加工步骤下可获得高纯粉体材料而其副产品为气

相，从而使三废处理简便，不污染环境。（6）反应物选择范围宽（气态、液态、固态）

。（7）由于是电控制过程，生产过程容易实现自动控制。
　　但等离子体制备过程也有其缺点，就是加工费用相对较高，只适于制备附加值较高

的产品。但必须清除一种误解，一般认为消耗电能进行普通加热工艺在经济上是不合算

的，但在各种工艺过程中如果提高热源温度，即提高热源温度和工艺温度之差，就能提

高热效率。天然气加空气的燃烧产物与空气电弧加热器在不同的工作温度条件下加热效

率的比较，电弧加热器的加热效率可几倍于用天然气的加热效率，这样就可以弥补电能

与一次能源的差价。
　　等离子体制粉反应过程
　　等离子体制粉反应过程由两部分组成：a）等离子体发生器；b）反应器。等离子体

化学反应过程分为如下三阶段：

产生等离子体的气体（氧气　　　反应物料（气、 　　　　　气体副产品
、氩气、氢气、氮气等）　　　　液、固）　　　　　　 　　再循环
──────┐　　　　　　　　───┐　　　　　　　　　　　　　　　　↑
　　　　　　↓　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　┌───────┐　　　┌───────┐　　　┌───────┐│　　

　　│高温将气体生成│　　　│反应到平衡产品│　　　│平衡产品被冻结││
　　│带电荷的物质和├──→│＋自由基和带电├──→│＋再化合产品　├┘
　　│自由基　　　　│　　　│荷中间产品　　│　　　│　　　　　　　│
　　└───────┘　　　└───────┘　　　└───────┘
　　　等离子体发生器　　　　　　化学反应器　　　　　　　骤冷反应器
　　等离子体高温热源所激发高能粒子的化学反应，以及骤冷的应用组合成了一个制备

无机粉体材料的等离子体过程，将超高温与骤冷这两个极端参数用于制取高纯的超细粉

体，有着一般方法无可取代的优势。等离子体反应器的所有特点都有助于增加反应速度

和缩小设备的尺寸。等离子体制备技术提供了高的物料通过量，可以连续操作，这样降

低了每单位产品的投资，而且可根据市场变化生产不用种类产品，一套设备多种用途。

　　我所自1974年开展利用等离子体技术制备超微细无机粉体材料，至今已取得了多项

成果，多次获院部级奖励，其中有300吨/年、3000吨/年规模气相氧化制金红石型钛白，

国家"七五"、"八五"攻关、"863"项目的碳化硅超细粉试验研究，在湖南，江西等地建立

了300吨/年规模的锑白生产厂，为广州、昆明建立了等离子体实验室。现实验室有50kW

、100kW直流电弧等离子体制粉装置，30kW高频等离子体、5kW微波等离子体装置，并有

一支富有科研、推广、建厂经验的精干队伍，在国内处于领先地位（作者及联系人：中

国科学院化工冶金研究所，马兵、袁方利）。　

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