纳米材料及其制备技术

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1、纳米材料及其制备技术评述摘要纳米材料作为物质存在的一种新状态，其应用前景已逐渐被人们所认识，纳米材料的制备与研究向各个领域的渗透日益广泛和深入，近年来受到科学界的广泛重视。为适应未来纳米技术和纳米材料发展的需要，很有必要对纳米材料的制备技术进行总结。本文将从纳米材料的概况，制备工艺，及其部分应用等方面作出综合评价。关键词纳米材料，性能，制备方法，应用一概述1．纳米的基本概念及内涵纳米是一种长度单位，一纳米相当于十亿分之一米，大约相当于几十个原子的长度。纳米科学技术(Nano-ST)是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳

2、米尺寸(10-9—10-7m)范围内认识及改造自然，通过直接操作及安排原子，分子来创造新的物质。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术.纳米科技主要包括：(1).纳米体系物理学；(2).纳米化学；(3).纳米材料学；(4).纳米生物学；(5).纳米电子学；(6).纳米加工学；9(7).纳米力学；这七个部分相对独立.隧道显微镜在纳米科技之中占有重要地位，它贯穿到七个领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工的手段占有一半以上。扫描隧道显微镜(STM)工作原理简图[14]2.纳

3、米材料概述及其分类:纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料，如果按维数,纳米材料的基本单元可分为三类：1.零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。2.一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米丝，纳米管，纳米棒等。3.二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别有量子点，量子线，量子阱之称。3.纳米材料的特性(1)小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波的波长，传导电子的得布罗意波长以及超导态的相干长

4、度或透深度等物理特征尺寸相当时，晶体周期性的边界条件将破坏，声，光，电，磁，热，力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。(2)表面与界面效应纳米微粒由于尺寸小，表面积大，表面能高。因此其活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结合。(3)量子尺寸效应当粒子尺寸下降到最低值时，费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级。纳米微粒的声，光，电，磁，9热以及超导性与宏观特性有着显著的不同，这被称为量子尺寸效应。(4)宏观量子隧道效应隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力，人们发现一些宏观量，如磁化强度，量子相干器中的磁通量等具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应

5、。由于以上4个效应的存在,纳米材料呈现如下的宏观物理性能：(1)高强度和高韧性；(2)高热膨胀系数,高比热容和低熔点；(3)异常的导电率和磁化率；(4)极强的吸波性；(5)高扩散性。二.纳米材料的制备1.纳米微粒的制备方法[13]2.物理制备方法早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法，超声波粉碎法，冲击波粉碎法，蒸气快速冷却法，蒸气快速油面法，分子束外延法等等。近年来发展了一些新的物理方法，如旋转涂层法将聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于转速不同，可以得到不同的空隙度，然后用物理气相沉积法在其表面上沉积一层银膜，经过热处理，即可得到银纳米

6、颗粒的阵列。中科院物理所开发了对玻璃态合金进行压力下纳米晶化的方法[3]。例如：ZrTiCuBeC玻璃态合金在6GPa和623K的条件下进行晶化，可以制备出颗粒尺寸小于5nm的纳米晶。(1)机械粉碎机械粉碎方式制备纳米颗粒主要包括高能球磨及高能气流磨，这是在传统的机械粉碎技术中发展起来的。机械粉碎法是在给定外场力作用下，如冲击、挤压、碰撞、剪切或摩擦，使大颗粒破碎成超细微粒的一种技术。9(2)气相沉积物理气相沉积可以说是制备纳米颗粒的一种最基本的方法。物理气相沉积主要包括热蒸发法、离子溅射等方法。热蒸发法所得纳米颗粒一般在5~100nm之间。热蒸

7、发法是将欲制备纳米颗粒的原料加热、蒸发，使之成为原子或分子，然后再使原子或分子凝聚，形成纳米颗粒。3化学制备方法(1)固相法[4]固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来制备超微粒，但其粉末易固结,还需再次粉碎，成本较高.物理粉碎是通过机械粉碎，电火花爆炸等法制得纳米粒子。其原理是利用介质和物料间相互研磨和冲击，以达到微粒的超细化，但很难使粒径小于100纳米。机械合金法(MA)是1970年美国INCO公司Benjamin为制作镍的氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种新工艺。该法工艺简单，制备效率高，并能

8、制备出常规法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料，成本较低但易引进杂质，降低纯度，颗粒分布也不均匀。(2)气相法[4]气相法在纳米微粒制造