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1 引言
超聲波是指頻率范圍在lOkHz—106kHz的機械波，波速一般約為1500m／s，波長為10cm一0.01cm，其超出了人們的聽覺上限。超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體；同時超聲波又是一種能量形式，它可以加速化學反應或觸發(fā)新的反應通道。超聲波在傳播過程中與媒質相互作用，產(chǎn)生超聲效應。超聲波與媒質相互作用可分為熱機制、機械力學機制和空化機制。有關超聲技術的研究是一門新興的邊緣學科。隨著科學技術的發(fā)展，相關技術領域的相互交叉滲透和大功率超聲波儀器設備的日趨完善，使超聲技術廣泛應用于化學、化工、醫(yī)療和醫(yī)藥等許多領域成為可能。超聲波所具有的高能量在材料化學中起到了光、電、熱方法所無法達到的作用。僅從超聲波在液體中釋放的巨大能量就是其他方法望塵莫及的，更不用說超聲波定量控制的效果。在大分子材料的合成、塑料的降解等方面，超聲波的應用還剛剛起步，而超聲波在高分子溶液的乳化合成、大分子細胞分裂中的應用則較為成功。超聲波在材料合成中也具有極大的潛力，通過超聲波方法制備納米材料，達到了一些目前我們采用激光、紫外線照射和熱電作用無法實現(xiàn)的目標，具有很好的前景。
2 超聲波的作用機理
超聲波在傳播過程中與媒質相互作用，相位和振幅發(fā)生變化，可使媒質的狀態(tài)、組成、結構和性質等發(fā)生變化。這類變化稱之為超聲效應。超聲波與媒質相互作用可分為熱機制、機械力學機制和空化機制。
2．1 熱機制超聲波在媒質中傳播時，其振動能量不斷被媒質吸收轉化為熱量而使媒質溫度升高，這種使媒質溫度升高的機制稱熱機制。
2．2 機械力學機制當頻率較低，媒質吸收系數(shù)較小，超聲的作用時間很短，超聲效應的產(chǎn)生并不伴隨有明顯的熱效應。這時，超聲效應可歸結為機械力學效應。超聲波也是一種機械能量的傳播形式，波動過程中的力學量，如原點位移、振動速度、加速度及聲壓等參數(shù)可以表現(xiàn)超聲效應。
2．3 空化機制 超聲波聲化學效應的主要機制之一是聲空化。聲空化是指液體中的微小泡核在聲波作用下被激活，表現(xiàn)為泡核的震蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。其現(xiàn)象包括兩個方面，即強超聲在液體中產(chǎn)生成群的氣泡和氣泡在強超聲作用下的特殊運動。在液體內(nèi)施加超聲場，當超聲強度足夠大時，會使液體產(chǎn)生成群的氣泡，稱為“聲空化泡”，這些氣泡同時受到超聲的作用，在經(jīng)歷超聲的稀疏相和壓縮相時，氣泡生長、收縮、再：生長、再收縮，經(jīng)多次周期性振蕩，最終以高速崩裂。在其周期性振蕩或崩裂過程中，會產(chǎn)生短暫的局部高溫和高壓．氣相反應的溫度可：達(5000K)，液相反應溫度在1900K左右，局部壓力在5．05 X 107Pa以上，溫度變化率高達l09k／s，產(chǎn)生強電流，并伴有強烈的沖擊波和時速高達400km/的射流，在液固表面達到了良好的沖擊作用，特別是導致分子之間強烈的相互碰撞和聚集。這些條件足以打開結合力強的化學鍵(376.8—418.6KL/mol)并且促進“水相燃燒(aqueous combustion)反應。從而引發(fā)許多力學、熱學和生物學效應。附著在固體顆粒、微塵或容器表面上以及細縫中微氣泡或氣泡，因其結構不均勻，造成了液體內(nèi)強度減弱的微小區(qū)域，其中析出的氣體均可形成這種微小泡核。根據(jù)對聲場的響應強度，一般將聲空化分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬間空化兩種類型。
液體中的聲空化學主要取決于空化泡內(nèi)爆過程引起的迅速加熱和冷卻的物理效應。內(nèi)爆溫度及反應的特征容易改變聲波頻率、聲波強度、環(huán)境溫度、靜態(tài)壓力、采用的環(huán)境氣體等因素�？栈輧�(nèi)爆產(chǎn)生的熱量可以將水分解為氫自由基和氫氧自由基。在迅速冷卻過程中氫自
由基和氫氧自由基又重新結合為氧化氫及氫分子。各種溶液中空化泡內(nèi)爆產(chǎn)生“熱點”時，“熱點”處的溶液分子可能被激發(fā)到高能狀態(tài)，這些分子返回到基態(tài)時，就會輻射出可見光，這就是聲致發(fā)光過程。同時，超聲波對液體的作用也可用于增加液體化合物的化學活性及促進兩種不相溶液體的乳化。
液體中的固體小顆粒表面聲空化作用與空化泡內(nèi)爆的動態(tài)特性的變化有關。當液體中空化作用發(fā)生在固體小顆粒表面附近時，那么空化泡的內(nèi)爆作用與僅有液相時所觀察到的球形對稱作用大不相同，固體小顆粒表面存在使超聲波場產(chǎn)生的壓力發(fā)生畸變，于是固體表面附近的內(nèi)爆作用顯著的不對稱，這一過程會使脆性的固體粉末分散并能夠增加固體表面的化學活性，使它們具有良好的催化作用。
幾乎在液固相發(fā)生反應的所有場合中，超聲波都是有用的工具。此外，超聲波能夠在液體中良好地傳播，故適用于工業(yè)生產(chǎn)。
3 超聲波在制備納米粉體材料中的應用
納米粉體(粒徑在1—100nm)由納米級的粒子組成，介于宏觀物質與微觀原子、分子的中間區(qū)。由于其本身具有表面效應、體積效應、量子尺寸效應、宏觀隧道效應、光學效應、電子效應、體積效應和特殊化學及催化性能，使得人們把納米材料作為多學科交叉生長點和跨世紀“熱點”研究領域，譽之為“2l世紀最有前途的材料”，在化工、電子、冶金、宇航、生物和醫(yī)學等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。通常納米粉體的制備方法包括有化學氣相沉積法(CVD)、化學氣相合成法(CVS)、共沉淀法、水解法、均勻沉淀法、氧化水解法、還原法、溶膠一凝膠法、水熱合成法、蒸發(fā)法、微乳液法(反膠團法)、模板法等。而近年來，聲空化方法正成為制備具有殊性能新材料的一種新技術。聲空化作用引起的特殊物理和化學環(huán)境為科學家制備納米材料提供了新的途徑。用聲化學分解高沸點溶劑中的揮發(fā)性有機金屬前體時，可得到具有高沸點催化性能的各種形式納米結構材料，如納米結構金屬、合金、碳化合物和硫化合物、納米膠體和納米結構載體催化劑等。
著名聲化學家Suslick的研究小組在納米結構材料的制備與合成方面做了大量的工作，如在O℃時用超聲輻照Fe(co)5的癸烷溶液時，可產(chǎn)生暗黑色的鐵粉末，經(jīng)元素分析可知，粉末中鐵的質量分數(shù)為96％ 以上，掃描電鏡(SEM)和透視電鏡(TEM)的結果證實，這種材料是由粒徑約4—6nm 的粒子組成的聚集體。磁性研究表明，這是一種非常軟的鐵磁性材料，居里溫度高達580K。
林金谷等以溶于十氫萘的羰基鐵Fe(CO)5和六羧基鉻Cr(CO)6的溶液注入一套專門設計的超聲微粒制備裝置，在超聲功率120W，頻率20KHz下分解3．5h，得到粒徑為l7—28nm的Fe～Cr的合金納米粉末。
王菊香等開發(fā)出制備納米金屬粉末的超聲電解法，通過控制一定的溶液濃度、超聲功率、電解條件、電流密度等條件，得到10μm以下是銅體和鎳粉，該方法具有工藝簡單、成本低、無毒無污染等特點，是制備超細金屬粉末的一種新方法。馬力群等利用高能超聲波在液體中傳播時，不僅產(chǎn)生空化效應，還產(chǎn)生聲流效應的原理。使小于10μm 的微粒在溶液中均勻分散，同時潤濕改性，從而獲得組織結構良好的微細顆粒，增強鋁基質復合粉體。
陳雪梅等首次將超聲波法運用于沉淀法制備納米Al2O3粉體，利用超聲輻射工藝制得一次粒徑為12nm的Al2O3粉體。結果表明，超聲輻射通過對液體介質的空化作用而有效地細化了前驅體NH4AL(OH)2CO3沉淀顆粒，抑制了前驅體顆粒的聚集。超聲輻射延緩了前驅體向凝膠轉化過程，得到含較小包裹水和結合水的三維疏松網(wǎng)絡狀骨架結構的凝膠。
王建等人以無水四氯化錫為原料，在超聲波的作用下，用溶膠—凝膠法制得納米SnO2，并運用TEM和XRD對其結構進行了表征。在適當?shù)臈l件下制得的納米SnO2粉末平均粒徑為20nm，顆粒為球形，粒徑均勻，流動性能好，產(chǎn)品結構為四方晶系錫石結構，純度為95％以上。超聲波在控制粒徑大小和防止團聚方面起到了很好的作用。
國偉林等人利用超聲化學法在較溫和的條件下制備出不同晶形的納米二氧化鈦。結果表明，在水溶液中可以得到分散性很好的納米晶。超聲作用可促進縮聚反應，在生成的凝膠體中由于空化效應出產(chǎn)生很多的“熱點”，進一步反應可導致大量微小晶核形成，微小晶核的不斷碰撞使其長大，最后形成納米級的二氧化鈦。控制反應條件，可以得到數(shù)納米至數(shù)十納米的尺寸的二氧化鈦晶體。
4 超聲波法制備納米氧化鐵粉體展望
納米氧化鐵(nanoscaledironoxide)粒子一般小于75nm，它具有透明度高，分散性好，強烈吸收紫外線，具有良好的耐光性，耐熱性，耐堿。耐稀酸，耐腐蝕性氣體和良好的磁性。它廣泛應用作橡膠、油墨、人造大理石、地面水磨石的著色劑；塑料、石棉、人造革、拋光劑漿等著色劑和填充劑；精密儀器、光學玻璃的拋光劑；是制造磁性材料鐵氧體的重要原料；同時用于陶瓷、造紙、油墨和美術顏料等行業(yè)。通常制備的納米氧化鐵方法有很多，如水熱法、強迫水解法、凝膠— 溶膠法、化學氣相沉積法、激光熱分解法等．由于納米氧化鐵在實際應用具有優(yōu)越性能，且應用廣泛．故開發(fā)和探索納米氧化鐵的制備新方法具有極其重要的現(xiàn)實意義。利用超聲輻射的空化作而促使顆粒細化，分散，有效防止顆粒團聚，可以制備出性能優(yōu)越的納米氧化鐵．因而超聲波法運用于納米氧化鐵的制備有著極其廣闊的研究前景。
