纳米材料的制备方法及其研究进展纳米材料的制备及其研究进展摘要:综述了纳米材料的结构、性能及发展历史;介绍了纳米材料的制备方法及最新进展;概述了纳米材料在各方面的应用状况和前景;讨论了目前纳米材料制备中存在的问题。
关键词:纳米材料;结构与性能;制备技术;应用前景;研究进展1 引言纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，微粒具有壳层结构。
由于微粒的表面层占很大比重，所以纳米材料实际是晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量的界面，晶界原子达15%-50%。
这些特殊的结构使得纳米材料具有独特的体积效应、表面效应，量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而使其具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性，使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值，美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年纳米微粒的制备方法1纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法。
制备的关键是如何控制颗粒的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。
1.1 物理方法1.1.1 蒸发冷凝法又称为物理气相沉积法，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。
特点:纯度高、结晶组织好、粒度可控;但技术设备要求高。
根据加热源的不同有:(1)真空蒸发-冷凝法其原理是在高纯度惰性气氛(Ar,He)下，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。
1984年Leiter[2]等首次用惰性气体沉积和原位成型方法，研制成功了Pd、Cu、Fe 等纳米级金属材料。
1987 年Siegles[3]采用该法又成功地制备了纳米级TiO2 陶瓷材料。
这种方法是目前制备纳米微粒的主要方法。
特点:粒径可控，纯度较高，可制得粒径为5~10nm的微粒。
但仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在局限性。
(2)激光加热蒸发法是以激光为快速加热源，使气相反应物分子是利用高压气体雾化器将-20~-40OC的氦气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液流是以高频线圈为热源，使坩埚是用等离子体将金属等的粉末熔融、蒸发和冷凝以获得纳米微粒。
特点:微粒纯度较高，粒度均匀，是制备氧化物、氮化物、碳化物系列、金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效的方法，同时为高沸点金属纳米微粒的制备开辟了前景。
但离子枪寿命短、功率小、热效率低。
目前新开发出的电弧气化法和混合等离子体法有望克服以上缺点。
(6)电子束照射法1995年许并社等人[4]利用高能电子束照射母材，成功地获得了表面非常洁净的纳米微粒，母材一般选用该金属的氧化物，如用电子束照射Al2O3 后，表层的Al-O 键被高能电子“切断”，蒸发的Al原子通过瞬间冷凝，形核、长大，形成Al的纳米微粒，但目前该方法获得的纳米微粒限于金属纳米微粒。
1.1.2 物理粉碎法通过机械粉碎、冲击波诱导爆炸反应等方法合成单一或复合纳米粒子。
特点: 2操作简单、成本较低，但易引入杂质，降低纯度，粒度不易控制且分布不均，难以获得粒径小于100nm的微粒。
近年来随着助磨剂物理粉碎法，超声波粉碎法[5]等的采用，粒径可小于100nm，但仍存在产量较低、成本较高、粒径分布不均的缺点，有待于进一步的改进和研究。
1.1.3机械合金化法(MA法)是利用高能球磨方法，控制适当的球磨条件以获得纳米级晶粒的纯元素、合金或复合材料。
这是1970年美国INCO公司为制作Ni基氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种新工艺。
1998年shingu首先报道了用机械合金化法制备晶粒小于10nm的合金[6]。
该方法工艺简单、制备效率高，并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属和合金纳米材料，成本较低，不仅适用于制备纯金属纳米材料，还可以制得互不相溶体系的固溶体、纳米金属间化合物及纳米金属陶瓷复合材料等。
但制备中易引入杂质，纯度不高，颗粒分布也不均匀。
此外，制备纳米微粒的物理方法还有:溅射法、流动液面上真空蒸镀法、金属蒸气合成法以及混合等离子法等，详见文献,7,。
1.2 化学方法1.2.1化学气相法是利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成所需物质.特点:粒径可控、产物纯度高、粒度分布均匀且窄，无粘结。
(1)化学气相沉积法，是利用气体原料在气相中进行化学反应形成基本粒子( 特点:纯度高，工艺过程可控( 但粒度较大，而且颗粒易团聚和烧结( 目前开发出的等离子体CVD技术，是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区与周围环境形成的巨大温度梯度，通过急冷获得纳米微粒[8]。
新原皓一[9,10]应用Cvd复合粉末法制备了Si3N4纳米级复相陶瓷。
这种方法的特点是粒径可控，无粘结，粒度分布均匀，但成本较高，不适合工业化大规模生产。
(2)化学气相合成法是惰性气体冷凝法的一种变型，既可制备纳米非氧化物粉体SiC，也可制备纳米氧化物粉体Y2O3等( 上海硅酸盐研究所采用CVS 法制备了粒径为30~50的SiC粉体，并制备出了SiC纳米复相粉体。
[11]1.2.2沉淀法这是液相化学合成高纯度纳米微粒采用最广泛的方法之一( 它是将沉淀物加入到金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物加热分解( 包括:共沉淀法、水解法、均匀沉淀法，氧化水解法、还原法[12]等。
(1)直接沉淀法仅通过沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒;(2)均匀沉淀法通过控制生成沉淀剂的速度，减少晶粒凝集，制备出高纯度的纳米材料;(3)共沉淀法将沉淀剂加入混合后的金属盐溶液中，促使各组分均匀混合沉淀，然后加热分解以获得超微粒。
采用该法时，沉淀剂的过滤、洗涤剂溶液的PH 值、浓度、 3水解速度、干燥方式、热处理等均影响微粒的大小。
特点是操作简单，但易引入杂质，难以制备粒径小的纳米微粒。
2.纳米晶结构材料的制备方法理论上任何能制造出精细晶粒尺寸多晶体的方法都可用来制造纳米材料，但真正获得具有清洁界面的金属和合金纳米块体材料的方法并不多。
目前较成功的有以下几种方法。
2.1惰性气体蒸发、原位加压法由惰性气体蒸发制备的纳米金属或合金微粒，在真空中由聚四氟乙烯刮刀从冷肼上刮下，在低压压实装置轻度压实后，再在高压下原位加压，压制成快状试样。
该法的优点是:纳米颗粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，块体纯度高，相对密度也较高。
但利用该方法不易得到高的产量和大的试样，而且实验设备要求也较高[13]。
2.2 高能机械球磨法该法是以高能机械球磨所得金属或合金粉体为原料，再配合压制及热处理来制备纳米金属或合金块体材料。
Morris等人[14]将粗的Cu-(Zn)5% 合金粉体与一定量的添加剂一起球磨，得到纳米Cu粉中有约体积分数18.8%的Cu粒子气相沉积法利用化学气相沉积或电化学沉积技术，控制适当的工艺参数可获得纳米材料，但因沉积厚度的限制，利用该方法获得的纳米材料一般为薄膜材料。
2.4高压压制法[16]根据脆性材料在高压下的压致晶粒碎化效应[17]，通过压致碎化过程直接制备块状纳米晶体材料，其纳米晶粒间界面是由高压下晶粒内部产生的大量位错的规则排列形成的，完全清洁且非常致密，与传统制备方法得到纳米晶晶界有很大区别。
这种方法可制备出非常致密且具有一定硬度的块状纳米晶材料，并能相应地改善材料的性能。
3 应用前景尽管目前纳米材料在工业上尚未得到实际的广泛应用，但基于它们优异的性能，必将在磁性材料、电子材料、光学材料以及高强、高密度材料的烧结、催化、传感等方面有着广阔的应用前景。
纳米陶瓷的塑性高、烧结温度低，同时具有普通4陶瓷的硬度，这为在常温和次高温加工陶瓷提供了可能。
美国制造的陶瓷，可用作高效率汽轮机、航空设备、汽车等部件。
纳米材料的电磁性在工业上也有广泛的应用，巨磁阻材料用作下一代信息存储读写头材料，软磁性材料可用作饱和反应堆、高频率转换器、磁头等。
如单畴临界尺寸的强磁颗粒Fe-Co 合金和氮化铁有很高的矫磁力，用它制成的磁记录介质材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比目前的。
是领导下一代信息存储系统的首选材料。
特有的光吸收、光发射、光学非线性等特性，使其在未来的日常生活和高技术领域有广泛的应用前景。
如利用纳米氧化物对紫外线的强吸收能力，改善日用照明设备，提高照明寿命，减少对人体的损害。
纳米SiO2 材料在光传输中的低损耗可以大大地提高光传导的效率;纳米材料。
优异的光学性能有望在光存储(如感应过滤等)方面得到应用。
4 存在的问题(1)对合成纳米颗粒的过程机理缺乏深入的研究，对控制微粒的形状、分布、性能等技术的研究还很不够。
此外纳米微粒的收集、存放也是急待解决的粒度、问题;(2)对纳米颗粒合成装置缺乏工程研究，能够进行工业化生产的设备有待进一步的研究和改进，以提高微粒的产率、产量并降低成本;(3)现有纳米材料的制备技术不成熟，对制备技术中具体工艺条件的研究还很不够，已取得的成果仅停留在实验室和小规模生产阶段，对生产规模扩大时将涉及到的问题，目前研究的很少;(4)纳米材料实用化技术的研究不够系统和深入，对纳米材料的性能测试和表征手段急需改进。
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