噴霧熱解法
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噴霧熱解法(spray pyrolysis)製作陶瓷粉末的方式,就像香水噴霧器製造霧氣,然後把每一滴在飛行中烤乾。你把所需的金屬溶在液體裡,把該溶液噴成細小液滴的霧,再把霧吹過一座熱爐。當每一滴飛過高溫時,溶劑蒸發,剩下的化學物分解,於是一滴變成一顆固體陶瓷顆粒。這是一個連續、單程的製程,一端進溶液,另一端出乾粉,不需過濾、洗滌或分開的反應步驟。
pyrolysis 這個字就是「以熱分解」的意思。因為每顆顆粒都是由單一液滴鑄成,而每一滴都源自同一份混合良好的溶液,所以每顆顆粒都帶著相同的配方,於是顆粒與顆粒之間的化學均勻性極佳,對多金屬化合物尤其如此。液滴是圓的,因此顆粒通常呈球形,而且常是中空或殼狀的,因為溶劑由外向內蒸發,在內部乾透之前就在外面結了一層殼。調整液滴大小、濃度與爐溫,可以操縱粒徑、以及顆粒最終是實心還是中空。同樣的概念若改用火焰而非爐子,就是火焰噴霧熱解,是量產如燻矽(fumed silica)與二氧化鈦等細氧化物的工業路線。
它的優點是連續運行、產量高、逐滴保持組成均勻、又不需麻煩的固液分離。誠實的弱點是:球形顆粒常常中空,因此密度可能較低、堆積起來也彆扭,而且細粉塵必須從氣流中乾淨地捕集。它在細、均勻、多成分的氧化物粉末,以及噴塗電極與感測器薄膜上最為出色,並與單純的噴霧乾燥(spray drying)有所重疊,後者只把液滴乾成顆粒,未必使其分解。
把混合金屬硝酸鹽的溶液噴進 700 至 900 度 C 的爐子:每一滴乾掉、硝酸鹽分解,便流出一串球形、常為中空的氧化物顆粒,每顆都精確帶著起始溶液的金屬比例。
一滴造一顆,因此組成保持均勻;顆粒是圓的,且常為中空。
由於顆粒外殼在核心乾透之前就形成,噴霧熱解的粉末往往是中空而非緻密的球。這可能封住氣體並降低堆積密度,因此它未必自動是高緻密燒結的最佳原料。