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1、粉碎机械力化学摘要:机械力化学作为一门专门研究物体在高能机械力作用下发生物理化学变化的交叉学科,已成为冶金、化工、材料、矿物加工、环保等高新技术领域研究的热点,其应用研究范围也在不断地拓展。综述了机械力化学的应用研究进展。阐述了机械力化学的作用机理和机械力效应。重点阐述了机械力化学在粉体材料的制备、粉体改性、锂离子电池电极材料制备等方面的应用研究进展。对今后的研究工作进行了展望。关键词:机械力化学;粉体材料;粉体改性;电极材料机械力化学涉及机械力学、无机化学、有机化学、表面化学、固体化学、结构化学、合成化学、矿物加工及材料科学等诸多学科,是一门专门研究物体在高能机械力作用和诱发下发生物理化学变
2、化的交叉学科。目前机械力化学已成为冶金、化工、材料、矿物加工、环保等高新技术领域研究的热点,可以预见机械力化学在当今的高科技领域必将呈现出不可替代的作用和应用潜力。为此,笔者对机械力化学的应用研究进行了综述。1)机械力作用等离子体模型。机械力作用导致晶格松驰与结构裂解,激发出的高能电子和离子形成等离子区。高激发状态诱发的等离子体产生的电子能量可以超过10eV,而一般热化学反应在温度高于1000时的电子能量也只有4eV,即使光化学的紫外电子的能量也不会超过6eV。因而,通过机械力化学作用有可能进行通常情况下热化学所不能进行的反应,使固体物质的热化学反应温度降低,反应速率加快。2
3、)粉体颗粒在超细磨粉过程中,因表面化学键断裂而产生不饱和键、自由离子和电子、晶格缺陷、晶型转变和非晶化等原因,导致晶体内能增高;而在物质内部,迅速发展的裂纹使其顶端温度和压力增高,顶端温度可达1000以上,最终导致物质反应的平衡常数和反应速率常数显著增大,从而易于激发化学反应或加快反应速率。机械力化学作用机理机械力对物质性质的影响过程相当复杂,其能量供给和耗散机理也不明确,以致于还没有一种理论能完全、定量且合理地解释机械力化学作用所产生的众多现象。关于机械力化学的机理,目前主要有两种理论。晶型转变、结晶度降低甚至无定形化等。而固相间的机械力化学反应,一般是在原子、分子水平上晶
4、格相互扩散及平衡时达成的,固相间的扩散、位移密度、晶格缺陷分布等都依赖于机械活性。固体内的扩散速率受控于位错数量和运动,晶格变形可增加位错数量,说明机械力作用可以直接增加自发的导向扩散速率。因此,在室温下,机械力化学和固相反应存在密切关系,诱发固体间的反应是可能的。2机械力效应2.1物理效应物理效应是最为直观的物质特征表现,由物理效应导致的物理性质的改变也最先得到关注。物理效应通常又表现为颗粒粒径和比表面积的变化、密度的变化、颗粒表面吸附能力的变化、电性和离子交换能力的变化。颗粒粒径和比表面积的变化是由于物体在受机械力的研磨作用后,最初表现出的外观变化,其表现是颗粒细化,相应的比表面积增大。但
5、是,颗粒粒径虽随粉磨时间的增加而不断地减小,然而比表面积却会在一定时间后又下降。在研究高能球磨细化氧化铝时发现,粉末粒径在开始球磨的最初几分钟内细化很快,而后随着球磨时间的增加,粒径变化并不明显;球磨时间过长,造成粉末团聚,比表面积反而下降。表明球磨时间的长短和比表面积的增大并不存在直接的正比关系。密度的变化是物料经粉碎后表观密度的变化,这是由于颗粒大小级配不一造成的;而真密度的变化,则是由于晶体物质结构的变化或是发生了化学反应。在机械力的作用下,造成了晶体结构的改变,晶体趋于无序化,造成矿物结构相对疏松,密度降低3机械力化学应用进展3.1粉体材料的制备目前超细粉体材料的制备方法较多,大致可分
6、为固相法、液相法和气相法。这些方法在过去的10多年里得到了长足发展,但存在设备昂贵、适用范围窄、流程长、收率低等缺陷。机械力化学法是将物理法和化学法相结合,为超细粉体的制备提供了新途径。纳米TiO2由于其特殊的表面效应和粒度效应,在催化剂载体、抗紫外线吸收剂、功能陶瓷以及传感器件等许多领域具有广泛的应用前景。纳米TiO2通常采用氯化法、溶胶-凝胶法制备,但存在技术和设备要求高、成本高、工艺流程较长等缺点。颗粒表面吸附能力、电性和离子交换能力的变化是矿物颗粒被粉碎后,在断裂面上出现了不饱和键和带电的结构单元,使颗粒处于不稳定的高能态,从而增加颗粒活性,提高其表面的吸附能力。同时,细磨、超细磨导致矿物表面富含不饱和键及有残余电荷的活化位,促进离子交换或置换能力的提高。在研究煤系煅烧高岭土的超细粉碎过程时发现,磨矿后产物特别是超细颗粒的吸水能力明显强于未磨试样。4展望综上所述,随着机械力化学的不断发展,其在冶金、化工、材料、矿物加工、环保等领域已显现出广阔的应用前景。进一步深入探讨机械力化学的作用机理,是科学自身发展的必然要求,具有十分重要的科学价值;对于应用而言,随着科学技术的飞速发展,机械力化学作为一种新型的反应途径,必将发挥越来越重要的作用。
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