纳米材料的制备技术研究

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1、纳米材料的制备技术研究材料学si105051张玉珠摘要：纳米材料作为材料家族屮的重要一员，近年来受到科学界和工程界广泛的重视。纳米材料制备技术的不断发展，使得纳米材料的应用越來越广泛。本文综合介绍了纳米材料的主要制备方法、工艺特点及研究进展，讨论了纳米材料制备急需解决的问题及发展趋势关键字：纳米材料，制备1.前言纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1〜100nm）的固体材料，其屮包括品体、非品体、准晶体以及界而层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等

2、。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值，成为材料科学领域中的研究热点。目前，纵观世界各国对纳米材料技术的研究主要包括四个方而，即材料制备、微观结构、宏观物性和应用，这四者中，材料制备技术是关键。因为其制备工艺、过程研究与控制对纳米材料的微观结构和宏观物性以及材料的应用具有极其重要的影响。纳米粒子的制备方法很多，按照制备原理可分为物理法和化学法；按照操作方式分为干法和湿法；根据物质的聚集状态不同又可分为固相法、液相法和气相法，等等。2.纳米材料的制备技术⑴纳米材

3、料从形态上分，可分为纳米颗粒，纳米固体（块体或薄膜）和纳米结构。其中，纳米颗粒是最基木的、也是研究最早、最广泛的材料。纳米粉末比较成熟的制备方法，可分为物理法（蒸发一冷凝法、机械含重化）和化学法（化学气相法、化学沉淀法、水热法、溶胶一凝胶法、溶剂蒸发法、电解法、高温蔓延合成法等）［23。制备的关键是如何控制颗粒大小和获得较窄且均的粒度分布（即无团聚或团聚轻）以及如何保证粉末的化学纯度。至于在实际生产中选择哪i种制备方法，就要综合考虑生产条件、对粉末质量的要求、产量及成本等因素。常用的纳米粉末材料制备技术主要包括以下几种：2.1蒸

4、发一冷凝法⑷这种方法又称为物理气相沉积法（PVD）,是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。该方法的特点：纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。根据加热源的不同，该方法又分为：（1）真空蒸发一冷凝法⑹：其原理是对蒸发物质进行真空加热蒸发，然后在高纯度惰性气氛（Ar,He）屮冷凝形成超细微粒。该方法仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，是目前制备纳米金属粉末的主要方法。但该方法在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米粉末时还存在局限性。（2）气体雾化法：是利用

5、高压气体雾化器将一20~40°C的氨气和氢气以超音速射入熔融材料的液流内，熔体被破碎成极细颗粒的射流，然后急剧骤冷而得到超微粒。（3）激光加热蒸发法［习：是以激光为快速加热源，使气相反应物分了内部很快地吸收和传递能量，在瞬间完成气相反应的成核、长大和终止。但由于激光器的出粉效率低，电能消耗较大，投资大，故该方法难以实现规模化生产。（4）高频感应加热法［⑹：是以高频线圈为热源，使划圳内的物质在低压（1-lOkPa）的He、N,等惰性气体中蒸发，蒸发后的金属原子与惰性气体分子相碰撞冷却凝聚成微粒。（5）等离子体法⑺：是用等离子体将金

6、屈、化合物原料熔融、蒸发和冷凝,从而获得纳米微粒。该方法制得的纳米粉末纯度高、粒度均匀，且适于高熔点金属、金属氧化物、碳化物、氮化物等。但离子枪寿命短、功率低、热效率低。（6）电子束照射法：利用高能电子束照射母材，母材表面的材料被高能屯了“切断”，蒸发的金屈原了通过瞬间冷凝、成核、长大，最后形成纳米金屈（如A1）粉末。但目前该方法仅限于获得纳米金屈粉末。2.2机械合金化法⑻该法利用高能球磨方法控制适当的球磨条件以获得纳米级粉末是典型的固相法。该方法工艺简单、制备效率高，能制备出用常规方法难以获得的高熔点金屈和合金、金属间化合物、

7、金屈陶瓷等纳米粉末。但是，该方法在制备过程中易引入杂质，粉末纯度不高、颗粒分布也不均匀。2.3化学气相法⑼该法利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成所需粉末，是典型的气相法。适用氧化物和非氧化物粉末的制备。其主要特点冇：产物纯度高，粒度口J控,粒度分布均匀且窄，无团聚。但设备投资大、能耗高、制粉成本高。化学气相法可分为：（1）化学气相沉积法（CVD）1，0］：原料以气休方式在气相中发生化学反应形成化合物微料。普通CVD法获得的粉末一般较粗，颗粒存在再团聚和烧结现象。而等离子体增强的化学气相沉积法是利用等离子体产生的超高温激发气

8、体发生反应，同时利用等离了体高温区与其周围环境形成的巨大温度梯度，通过急冷获得纳微粒。利用该方法制备的粉末粒度可控，粒度分布均匀，无团聚，但成本较高，不适合工业化大规模生产。（2）气相分解法：一般是以金属有机物为原料，通过气相状态下的热分解而制得纳米粉末。2.4