超声波在粉体材料制备中的应用

　　随着化学合成方法的发展,人们为寻找更有效的手段,开始把超声波引入材料的合成。超声波所具有的高效能在材料化学中起到了光、电、热方法所无法达到的作用[1],仅从超声波在液体中空化所产生的高温、高压看,其瞬时释放的巨大能量是其它方法望尘莫及的,更不用说超声波定量控制所带来的神奇效果了。超声波早已广泛应用于金属探矿、地质找矿、海洋探测及生物降解等许多领域。在材料化学中的应用,例如大分子材料的合成、金属纳米胶体的制备、塑料的降解[2,3]等,还刚刚起步,关于超声波的定量控制所产生的效果,研究还不多。至于高分子溶液的乳化合成、大分子细胞分裂中的超声波应用则较为普遍。

　　超声波在材料合成中有着极大的潜力,特别是一些目前我们采用激光、紫外线照射和热、电作用无法实现的目标,通过超声波方法却能达到,尤其是纳米材料的制备方面。

　　1 超声化学的基本原理

　　所谓超声波是指频率范围在10kHz~10⁶kHz的机械波,波速一般约为1500m/s,波长为10cm~0.01cm。超声波的波长远大于分子尺寸,说明超声波本身不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用转而影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。

　　超声波化学又称声化学(Sonochemistry)主要是指利用声空化能加速和控制化学反应,提高反应产率和引发新的化学反应的一门新的交叉学科,是声能量与物质间的一种独特的相互作用。

　　声化学反应主要源于声空化效应以及由此引发的物理和化学变化。声空化是指液体中的微小泡核在声波作用下被激活,表现为泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。在空化泡崩溃的极短时间内,会在其周围的极小空间范围内产生出1900~5200K的高温和超过50MPa的高压,温度变化率高达109K/s,并伴有强烈的冲击波和时速高达400km/h的射流。这些条件足以打开结合力强的化学键(376.8~418.6kJ/mol),并且促进“水相燃烧”(aqueous combustion)反应。附着在固体杂质、微尘或容器表面上及细缝中微气泡或气泡,因结构不均匀造成液体内强度减弱的微小区域中析出气体等均可形成这种微小泡核。根据对声场的响应强度,一般将声空化分为稳态空化和瞬态空化两种类型。稳态空化是指那些在较低声强(小于10W/cm²)作用下即可发生的,内含气体与蒸汽的空化泡行为。稳态空化泡表现为持续的非线形振荡,在振荡过程中气泡定向扩大,当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时,发生声场与气泡的最大能量耦合,产生明显的空化效用。

　　瞬态空化则在较大的声强(大于10W/cm²)下发生,而且它大都发生在一个声波周期内。在声波负压相中,空化泡迅速扩大,随之则在正压相作用下,被迅速压缩至崩溃。在瞬态空化泡存在的时间内,不发生气体通过泡壁的质量转移,而在泡内壁上的液体蒸汽与凝聚却可自由进行。液体中的声化学主要取决于空化泡内爆过程引起的迅速加热与冷却的物理效应。内爆温度及反应的特征很容易通过改变声波频率、声波强度、环境温度、静态压力、采用的液体和采用的环境气体等因素来改变。空化泡内爆产生的热量可以将水分解为氢自由基和氢氧自由基。在迅速冷却阶段氢自由基和氢氧自由基又重新结合为过氧化氢及氢分子。在各种溶液中空化泡内爆产生/热点0时,/热点0处的液体分子可能被激发到高能状态,这些分子返回到基态时,就会辐射出可见光,这就是声致发光过程。同时,超声波对液体的作用也可用于增加液体中化合物的化学活性及促进两种不相溶液体的乳化。液体中的固体表面声空化作用与空化泡内爆的动态特性的变化有关。当液体中空化作用发生在液体中固体表面附近时,那么空化泡的内爆作用与仅有液体时所观察到的球形对称作用大不相同,固体表面的存在使超声波场产生的压力发生畸变,于是固体表面附近的内爆作用显著地不对称。这一过程会使脆性的固体粉末分散并能够增加固体表面的化学活性使它们具有良好的催化作用。