超声混合技术制备纳米颗粒

超声混合是较为成熟的简易制备方法，制备时需将颗粒在溶液中超声混合（己烷、异丙醇或其他液体），随后再将溶液挥发［PAN 05，PLA 05，SON 07b，PUS 07］。具体操作是将纳米铝和纳米氧化剂按一定的配比悬浮于溶剂中，然后将盛放溶剂的烧杯置于超声波水浴里。超声混合一定时间后，将胶体悬浮液进行低温低压干燥处理（干燥正己烷溶液需70℃），最后收集混合物待用。实验期间超声处理总共持续几分钟。为了避免溶液过热导致粉末着火，可以采取措施，如每超声2 s停留1 s。对于可能会氧化铝颗粒的溶液，如异丙醇，应减少铝颗粒与这些溶液的接触时间。

纳米粉体机械混合均匀性的评估与样品制备方法有关，目前定量评价仍有较大的困难。可以用之前章节中介绍的各类成像和热分析技术来表征混合物混合的均匀性：扫描电镜（SEM）、高分辨率透射电镜（HRTEM），更小层次上的电子能量损失谱（EELS）。

图3.2所示为纳米铝热剂扫描电镜图像，图中包含了4种纳米铝热剂粉末在正己烷中超声混合后的颗粒分布、形状和尺寸信息［GLA 14］。用于制备这些纳米铝热剂的粉末列于表3.2中。

图3.2　不同种类纳米铝热剂SEM图像

（a）铝／PTFE粉末混合物（Al／PTFE）；（b）铝／三氧化钼（Al／MoO3）；（c）铝／三氧化二铋（Al／Bi2O3）；（d）铝／氧化铜（Al／CuO）

表3.2　制备纳米铝热剂原料信息(www.xing528.com)

从Al／CuO纳米铝热剂的SEM图像中可以看到，CuO颗粒不是球形的，平均尺寸为（240±50）nm。对于其他颗粒，粒度有着不同的尺度范围。Bi2O3颗粒为卵圆形，最大尺寸平均为600 nm×400 nm，最小尺寸平均为110 nm×90 nm。MoO3颗粒形状是随机分布的，其中平均尺寸最大为2μm×6μm，最小为90 nm×90 nm。图3.2中这些SEM图像清晰地给出了不同形状粉末混合得到的纳米铝热剂的不同形貌，也可以看出混合样品的品质均匀性。

总之，采用超声混合法制备纳米铝热剂简单易行，目前已被广泛应用于实验室研究中。同时，这个制备方法也有几个明显的短板，存在反应性能跳动大、操作可靠性较差等缺点，以下详细列出：

（1）很难实现大规模制备，当处理样品批量大时不可避免地会降低混合质量。

（2）利用超声分散团聚物时可以增加体系的混合均匀度，但在干燥环节未被分散的团聚物又会加剧体系的不均匀性。此外，纳米铝颗粒表面形成的薄层氧化壳使铝颗粒表面发生钝化，阻隔了氧化剂与铝之间的界面接触，但同时也提高了低温下混合物的稳定性。

为了提高混合均匀性，研究者们提出了一些改进方法。Marioth等［MAR 06］利用超临界分散法混合了Al和Fe2O3纳米粉体。自组装技术也被用于先进溶液的精确可控制备。例如在气溶胶［KIM 04］中对Al和Fe2O3纳米颗粒进行反向充电处理，或者对Al和Fe2O3纳米颗粒进行功能化处理，使其带有相反电荷，最后通过静电自组装得到Al／Fe2O3纳米铝热剂。此外，可以使用无机溶液或借助聚合物和生物材料对Al和CuO纳米颗粒进行组装处理［SEV 12，KIM 04］。