超聲波在納米金屬粉末制備中的應用與發展＊
華南理工大學廣東省金屬新材料制備與成形重點實驗室（５１０６４０）
陳維平 葉國杰 李元元
【摘要】對近年來超聲波在納米金屬粉末制備中的應用與研究進展作了比較全面和詳細的綜
述。其中著重介紹了與超聲波有關的納米金屬粉末制備方法，包括了超聲波霧化法、超聲波化
學沉淀法、超聲波電化學法、超聲波還原法、超聲波溶膠凝膠法、超聲波微乳液法、超聲波模板
法，并就這些方法中超聲波作用的機理、特點和影響因素以及上述方法的技術問題和發展趨勢
進行了討論。
關鍵詞 超聲波 納米 金屬粉末 制備 空化效應
Ａｐｐｌｉ
ｃａｔｉ
ｏｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌ
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中圖分類號：
ＴＢ５５９
文獻標識碼：
Ａ
納米金屬粉末是現代重要的新材料之一，由于
其特殊的結構，產生出四大效應：小尺寸效應、量子
效應、表面效應和界面效應，從而具有傳統材料所不
具備的奇異或反常的特性。因此，研究開發高效、廉
價的納米金屬粉末制備新技術成為當今研究的熱
點。近年來，隨著超聲波技術的日益發展與成熟，超
聲技術在新材料合成、化學反應、傳遞過程的強化以
及廢水處理等領域都有其研究和應用 的開展。在
材料合成中，尤其是納米材料的制備中超聲波技術
有著極大的潛力，這一提法不時已，也不可能！本文
主要就超聲波在金屬納米粉末制備中的應用進行
探討。
ｌ
超聲波的機制和作用
超聲波是指頻率范圍在
１０～ｌＯ。ｋＨｚ的機械
波，波速一般約為１
５００ ｍ／ｓ，波長為１０ｔ０．０１ ｃｍ。
超聲波的波長遠大于分子尺寸，因而超聲波本身不
能直接對分子起作用，而是通過周圍環境的物理作
用而影響分子，所以超聲波的作用與其作用的環境
密切相關。超聲波有４個基本作用，這些作用導致
了５種效應：力學效應、熱學效應、光學效應、電學效
應和化學效應。這些效應座在不同的場合 ］。
第１個基本作用是線性的交變振動作用。超聲
波在媒質中傳播時，必然使媒質粒子作交變振動，并
引起媒質中的應力或聲壓發生周期性變化，從而引
起一系列次級效應。
第２個基本作用是大振幅振動在媒質中傳播時
會形成鋸齒形波面的周期性激波，在波面處造成很
大的壓強梯度，因而能產生局部高溫高壓等一系列
特殊效應。
第３個基本作用是振動的非線性會引起相互靠
近的伯努利力，由黏度的周期性變化而引起的直流
平均黏滯力等。這些力可用來說明一些定向作用、
凝聚作用等力學效應。
第４個基本作用是空化作用，這是只能在液體
媒質中出現的一種重要的基本作用。它能夠產生一
系列次級效應，如化學效應，聲致發光、分散作用和
乳化作用等。在實際應用中大部分都是利用了超聲
波的空化作用。超聲波空化產生的基本效應主要有
高溫效應、壓力效應和瞬時效應。
２ 超聲波在納米金屬粉末制備中的應用
２．１
超聲波霧化法
Ｒｕｔｈａｒｄｔ等 提出利用靜態毛細波直接霧化
金屬這種相對簡單的方法，金屬液體流至超聲聚能
器輻射面的表面形成一薄液層，這一薄液層在超聲
振動引起的毛細波作用下霧散成細小液滴。液滴破
碎能量僅來自于電能轉化過來的聲能，并且由于金
５２·
《新技術新工藝》·新材料開發與研究
２００５年 第８期
屬液體與超聲聚能器振動表面直接接觸，霧化所需
要的超聲能量很小，不像普通的超聲氣霧化那樣消
耗大量的惰性氣體，且其霧化基本以靜態模式進行，
無任何高速運動，設備和工藝簡單。
在國內，張曙光等［
４
利用這種方法制得了光潔
圓整，球形度好，質量高的Ｓｎ—Ｐｎ合金粉末。該方
法具有設備和工藝簡單，可控性高，成本低等技術優
勢。吳勝舉［
５
等進一步改進了這一試驗方法，他們
把待制粉末的金屬棒作為超聲換能器的變幅桿負
載，連接在變幅桿的輸出端，并作為氬弧等離子體發
生器的陽極，使其按照超聲換能器工作頻率振動，當
在等離子體的轟擊下，
棒的頂端表面熔化，利用超聲
波振動能量使已處于熔化狀態的金屬液體激起毛細
波，當振動面的振幅達到一定值時，熔化的金屬液體
從駐波峰上飛出形成霧滴，經冷卻后形成粉末。這
種方法著設備投資大，操作復雜，不利于在實際生產
中的采用。
２．２
超聲波化學沉淀法
Ｇａｔｕｍｅｌ等＿
６
發現了超聲波能使硫酸鋇沉淀的
平均粒徑大大減小，粒徑分布更窄。其中，超聲波的
主要作用是增加成核的速率并改變顆粒的形狀。
Ｃｈｏｉ和Ｐａｒｋ＿
７
將Ｔｉ
ｏ（Ｎ０。）。溶液加入到含草酸的
乙醇溶液中，在超聲波作用下熟化母液，結晶出了草
酸鈦沉淀。發現在熟化反應期間，超聲波能加速剛
生成的沉淀顆粒的分散，促進了新晶相的形成。Ｉ
ｉ
等 將ＡｇＮＯ。，ＣｕＩ或ＰｂＣ１
。溶液與含硒的乙二胺
溶液混合，然后使用超聲波處理，制得了Ａｇ Ｓｅ，
ＣｕＳｅ和ＰｂＳｅ納米晶體，經過ＸＲＤ和ＴＥＭ分析，
發現它們分別具有斜方體、六立方體和立方體結構。
Ｐｅｒｅｚ Ｍａｑｕｅｄａ等 在無表面活性劑的情況
下，用超聲波輻照無機鋯鹽制得了一種窄分布的納
米級水合氧化鋯。０ｓｈｉ
ｍａ等ｕ。］在將氬氣、
ＮａＡｕＣ１
和ＰｄＣ１
ｚ的飽和溶液還原的同時，采用超
聲波進行輻照制備出了粒徑為８ ｎｍ，單分散性，呈
金一鈀核殼結構的Ａｕ—Ｐｄ貴金屬合金。
２．３
超聲波電化學法
目前普遍采用在高電流密度下電解相應的電解
液來制備口 直徑在２０～５０／
，ｍ之間的金屬粉末。
為了在電解過程中獲得高的成核速率和小的成核直
徑，可以采用以下２種方法：一是對電解質溶液強烈
攪拌，另一種是采用脈沖電流得到較高的電流密度。
如果電解的速率或成核的速率很高而晶體長大的速
率相對較小，則有利于產生超細粉體。Ｄｅｌ
ｐｌ
ａｎｃｋｅ
等０ 在同一電極上同時采用脈沖超聲震動攪拌和
脈沖電流，得到了收率在８０ ～９５
９
／
６、粒徑為１００
ｎｍ分布很窄的結晶金屬粉末。這是由于在該過程
中超聲波的空化作用能夠加快電解速度，促進新相
的生成，而且對晶體的定向長大產生干擾作用，從而
得到超細的粉末。
王菊香等［
】
開發出制備超細金屬粉末的超聲
電解法，除了利用超聲波空化效應促進電解反應過
程和強化物理作用外，還利用了超聲波的振動與空
化作用產生的高壓射流，使它們作用在陰極表面沉
積的金屬顆粒上，使之迅速脫離陰極表面并以微小
顆粒懸浮于電解液中。通過控制一定的溶液濃度、
超聲功率、電流密度等工藝參數，得到了１００ ｎｍ以
下的銅粉和鎳粉，該方法增加了對超聲波在陰極表
面的粉末剝離、粉末收集等方面的作用，且超聲波又
能抑制生成粉末的團聚，因而該方法具有工藝簡單．
成本低，無毒無污染等特點，是制備超細金屬粉的一
種較好方法。
這種方法的主要優點是：加速傳質速率，促使電
極表面的清潔，加快反應速率，可以通過控制電流的
大小、反應溫度的高低、超聲功率的強弱等參數來達
到控制納米材料的尺寸和形狀的。
２．４
超聲波還原法
超聲波還原法是利用超聲的空化作用使得水溶
液或醇溶液中產生還原劑，還原相應的金屬鹽可制
備納米材料口 。水溶液中的超聲化學過程可發生
在３個不同的區域 。 ，即崩潰氣泡的內部環境（氣
相區），空化泡與本體溶液的邊界區域以及本體溶液
區。在以上的３個區域中，邊界區和本體溶液區是
化學反應進行的主要區域。
Ｄｈａｓ等人［】
使用這種方法成功地從肼羧酸銅
（Ｃｕ（Ｎ Ｈ。ＣＯＯ）。２Ｈ。ｏ）的水溶液中制備出納米銅
粒子。近年來，人們通過這種超聲化學還原的方法
已制備出了納米銀粒子（粒徑約２０ ｎｍ）
，固定在
Ａｌ
。ｏ。上的大小可控且高度分散的納米鈀（Ｐｄ）粒
子＿】
，具有催化活性的核一殼結構的金／鈀納米粒
子＿１
，納米晶硒化物＿
１
等。
２．５
超聲波溶膠凝膠法
該方法將超聲波作用與溶膠一凝膠法相結合，
利用了超聲波的空化作用所造成的促進形核效應、
高壓效應、超混合攪拌效應和高溫效應，制備出球形
度好，粒度小的金屬粉末。王建等人 。
。采用這種方
法，將四氯化錫溶于蒸餾水中作為主鹽溶液。在超
聲波作用和一定溫度下，將一定濃度的氨水溶液傾
倒于主鹽溶液中，控制一定的超聲功率、ｐＨ值、反
應溫度與反應時間，使反應形成溶膠，將膠體溶液進
行凝聚、洗滌、無水乙醇轉化與濾餅后處理。經過干
燥后，在適當的溫度下燒結可獲得粒度在２０ ｎｍ以
下的二氧化錫粉體。二氧化錫粉體顆粒呈球形，粒
《新技術新工藝》·新材料開發與研究 ２００５年 第８期
·５３·
度小，而且超聲波的空化作用對于防止團聚，減少大
顆粒存在有相當大的作用，所以試驗結果顯示基本
沒有團聚現象。
２．６
超聲波微乳液法
劉雪寧等人
在超聲微乳液法制備表面性的
單分散納米氧化鋅方面做了許多工作。在特定的
水／表面活性劑／疏水性有機溶劑或其混合溶劑體系
中，于特定溫度、濃度、ｐＨ值、超聲波頻率和功率條
件下，形成具有特定大小與形態的微反應器，將反應
物料溶解或增溶、分散于其中，控制化學反應和晶核
形成與晶體生長過程的機制與速率，除制備得到具
有球形、準球形的納米氧化鋅外，還制得能穩定保存
的棒狀、針狀、細胞腔狀、六角形納米氧化鋅粒子和
具有特殊螺旋結構的納米／亞微米氧化鋅棒或線。
２．７
超聲波模板法
模板法已成為制備具有新穎性能的高級納米材
料的一種極具發展前景的方法。越來越多的研究集
中于通過表面活性劑的膠束作為模板，以通過自組
裝的方法制備納米粒子。Ｇｅｄａｎｋｅｎ的研究小組口 ］
以兩性離子表面活性劑ＣＴＡＰＴＳ棒狀膠束的相連
網絡為模板，在超聲波的作用下，使銅粒子之間做高
速碰撞，導致納米銅粒子在網絡中組裝，且傾向于單
軸生長，最終得到了圓筒狀的納米銅粒子（長５００
ｒ
ｉ
ｍ，寬５０ ｒ
ｉ
ｍ）。
３ 結語
通過不同技術的有效耦合來強化制備納米金
屬粉末的過程是近年來的發展趨勢。例如激光技
術、超重力技術、離子體技術、微波技術等。這些
技術在納米材料的制備方面都有研究的前景，且
針對具體體系的特點來設計這些技術間的優化組
合，有可能以較小的代價達到預想的目的，其前景
更被看好。
超聲波的空化作用可以極大地提高非均相反應
的速率，實現非均相反應物間的微觀均勻｝
昆合，
加速
反應物和產物的擴散過程，促進固體新相的生成，抑
制晶體的生長速率，控制顆粒的尺寸和分布，減少粉
末間的團聚現象等；其次，超聲波還能利用聲能量與
物質問的獨特作用方式一一超聲空化。在某些情況
下。
超聲容化能縮短反應誘導時間，減少某些經典反
應步驟，加速反應過程，提高反應率，避免某些副反
應，降低反應條件以及進行一些用傳統方法難以實
現的反應。此外，開拓高效、節能、降耗的工藝過程，
有可能利用超聲場的強化得以實現。因而把超聲波
技術運用到材料制備的方法中和傳統的方法相比具
有明顯的優勢和獨到之處?，F在，隨著超聲波技術
的日益成熟與完善，市場產品中已經有工業規模的
超聲波發生設備。這奠定了將超聲波技術應用于納
米金屬粉末的規?；苽涞奈镔|基礎，如果我們能
夠定量地控制超聲波各種作用能量的使用，找出超
聲波與所作用物之間的定量關系和定量規律，那么
超聲波技術在這方面的應用將具有極其廣闊和不可
限量的發展前景。
但目前國內超聲波在納米金屬粉末制備中的應
用研究才剛剛起步，有很多地方需要我們深入研究
和發展，有很多不足的地方需要去改進。例如超聲
波的應用范圍還需要繼續擴大發展，應該將超聲波
技術更靈活地應用到更多的納米金屬粉末制備方法
中去；進～步完善關于超聲技術與納米金屬粉末制
備的過程有效耦合機制的系統性理論研究；在納米
金屬粉末制備過程中減低外界因素對超聲波作用的
影響，增加超聲波作用的穩定性。此外關于超聲波
各種作用能量的定量控制所產生的效果，現在的研
究還不多。例如超聲波與環境，作用物和產物之間
的關系與規律；超聲波參數對納米金屬粉末制備過
程的具體影響等。國家超聲波納米金屬粉末的制備
還處于實驗室階段，現有多數研究成果都是在實驗
室獲得的，
還沒有投入到社會化大生產中去，其巨大
的社會價值還有待開發。
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．
Ｓｃｉ
．，１９９９，３４（１５）：３ ５９１ ３ ５９６．
［８２
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Ｂ，Ｘｉ
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Ｙ，Ｈｕａｎｇ
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ｔ
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［９］Ｐｅｒｅｚ
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Ａ，Ｍａｔ
ｉ
ｊ
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ｖｉ
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ｚｅｄ ｚｉ
ｒｃｏｎｉ
ｕｍ
（ｈｙｄｒｏｕｓ）ｏｘｉｄｅ ｐａｒｔｉ
ｃｌ
ｅｓ
ｒＩ
］．Ｉ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．．１９９７．１２（１２）：３ ２８６—３ ２９２．
·５４·
《新技術新工藝》·新材料開發與研究 ２００５年 第８期
溶膠制備條件對納米ＺｎＯ粉末粒徑的影響
山東科技大學材料科學與工程學院（２６６５１０）
季敏霞 劉立強 王淑峰
）６
【摘要】以醋酸鋅為原料。丙烯酰胺為單體，Ｎ，Ｎ 一亞甲基雙丙烯酰胺為網絡劑，采用高分子
網絡凝膠法合成了干凝膠，并以干凝膠的熱重及差熱分析（ＴＧ—ＤＴＡ）為依據，在８００℃熱處
理獲得了ＺｎＯ粉末，經Ｘ射線衍射（ＸＲＤ）分析表明，試驗終產物為納米級的ＺｎＯ粉末．平均
粒徑達到３０ ｎｍ左右。在溶膠制備中，增大單體和網絡劑的總量，能形成比較好的網絡，阻止
ＺｎＯ粒子的團聚，細化晶粒。隨著形成溶膠溶液ｐＨ值的增大，制得粉末的粒徑也增大。
關鍵詞 高分子網絡凝膠法 納米ＺｎＯ 粒徑
Ｅｆｆｅｃｔ
ｏｎ Ｎａｎｏｎｍｅｔｅｒ Ｚｉ
ｎｃ Ｏｘｉ
ｄｅ Ｐｏｗｄｅｒｓ
Ｓｉ
ｚｅ ｕｎｄｅｒ ＳｏＩ
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Ｇｅｌ
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ｚｅｄ ｂｙ ｐｏｌｙｍｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｇｅｌ
ｍｅｔｈｏｄ ｕｎｄｅｒ ｚｉｎｅ ａｃｅｔ
ａｔｅ ａｓ
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ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ａｔ ８００
℃
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ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ
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ＺｎＯ
ｐａｒｔｉｃｌ
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中圖分類號：ＴＱ１３２．４１
文獻標識碼：Ａ
納米Ｚｎ（）是一種新型高功能精細無機材料，由
于顆粒尺寸的細微化，使得納米ＺｎＯ產生了其本體
塊狀材料所不具備的表面效應、小尺寸效應、量子效
應和宏觀量子隧道效應等，因而使得納米Ｚｎ（）具有
半導體性、壓電性、熒光性和光電性等．在亞敏電阻、
導電材料、發光材料、光電子元器件、氣敏傳感器、光
催化劑、化妝品及涂料等領域具有廣泛的用途 ］。
目前制備納米Ｚｎ（）粉末的方法主要有溶膠凝
膠法、化學沉淀法、水熱法、噴霧熱解法等 。水熱
法和噴霧熱解法大多需要較特殊的設備和嚴格的反
應條件，因而給實際應用帶來一定的難度。其中化
學沉淀法最具有工藝應用前景，常照榮等一
采用化
學沉淀法制備了粒徑為３Ｏ～８０ ｎｎｌ的ＺｎＯ粉末。
這種方法操作簡單，可制得尺寸較小的氧化物細粉，
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（＊教育部科學技術研究重點項目（教技司［２００２－
１
７８號）：
廣東省高教廳“千百十工程”優秀人才培養基金（粵教人
［２００４］７４號）。）
《新技術新工藝》·新材料開發與研究 ２００５年 第８期
責任編輯
王亞昆
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