纳 米 粒 子 制 备 方 法
气相分解法 化学气相反应法气相合成法 气－固反应法 气体冷凝法 气相法 氢电弧等离子体法 溅射法 物理气相法 真空沉积法 加热蒸发法 混合等离子体法 共沉淀法 沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法 液相法 溶胶－凝胶法 冷冻干燥法 喷雾法
• C 激光加热： • 利用大功率激光器的激光束照射子反应物，反 应物分子或原子对入射激光光子的强吸收，在 瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应分 子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速 完成反应、成核凝聚、生长等过程，从而制得 相应物质的纳米微粒。 • 激光能在 10-8 秒内对任何金属都能产生高密度 蒸气，能产生一种定向的高速蒸气流。
第六章 纳米材料的制备方法
• 教学目的：讲授纳米微粒的制备方法及其原理 • 重点内容： • 气相法制备纳米微粒（气体冷凝法，氢电弧等离 子体法、化学气相沉积法） • 液相法制备纳米微粒（沉淀法，水热法，溶胶凝 胶法） • 难点内容：氢电弧等离子体法，溶胶凝胶法 • 主 要 英 文 词 汇 thermal evaporation, arc-plasma, chemical vapor deposition, precipitation, hydrothermal, sol-gel.
• 高频感应加热是利用金属材料在高频交变电磁 场中会产生涡流的原理，通过感应的涡流对金 属工件内部直接加热，因而不存在加热元件的 能量转换过程而无转换效率低的问题；加热电 源与工件不接触，因而无传导损耗；加热电源 的感应线圈自身发热量极低，不会因过热毁损 线圈，工作寿命长；加热温度均匀，加热迅速 工作效率高。
• 纳米微粒的制备方法分类： • 1 根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方 法通常分为两大类： • 物理方法和化学方法。 • 2 根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法 可以分为气相法、液相法和固相法等; • 3 按反应物状态分为干法和湿法。
• 大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简 单等优点；有的也存在可生产材料范围较窄， 反应条件较苛刻，如高温高压、真空等缺点。
• 3 气体冷凝法的原理，见图。 • 整个过程是在超高真空室内进行。通过分子涡 轮使其达到0.1Pa以上的真空度，然后充人低压 ( 约 2KPa) 的 纯 净 惰 性 气 体 (He 或 Ar ， 纯 度 为 ~99.9996％)。 • 欲蒸的物质(例如，金属，CaF2，NaCl，FeF等 离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧 化物等)置于坩埚内，通过钨电阻加热器或石墨 加热器等加热装置逐渐加热蒸发，产生原物质 烟雾，由于惰性气体的对流，烟雾向上移动， 并接近充液氦的冷却棒(冷阱，77K)。
• 3 优势： • 气相法通过控制可以制备出液相法难以制得的 金属碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微 粉。 • 4 加热源通常有以下几种： • 1）电阻加热； • 2）等离子喷射加热； • 3）高频感应加热； • 4）电子束加热； • 5）激光加热； • 6）电弧加热； • 7）微波加热。
• 不同的加热方法制备出的超微粒的量、品种、 粒径大小及分布等存在一些差别。 • A 电阻加热：(电阻丝) • 电阻加热法使用的螺旋纤维或者舟状的电阻发 热体。如图 • 金属类：如铬镍系，铁铬系，温度可达1300℃; • 钼，钨，铂，温度可达1800℃; • 非金属类： • SiC(1500℃)，石墨棒(3000℃)，MoSi2 (1700℃)。
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎 热分解法 固相法 固相反应法 其它方法
§6.1气相法制备纳米微粒
• 1 定义：气相法指直接利用气体或者通过各种手 段将物质变为气体，使之在气体状态下发生物理 或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳 米微粒的方法。 • 2 气相法法主要具有如下特点: • ①表面清洁; • ②粒度整齐,粒径分布窄; • ③粒度容易控制; • ④颗粒分散性好。
• 对于金属材料，电磁场不能透入内部而 是被反射出来，所以金属材料不能吸收 微波。水是吸收微波最好的介质，所以 凡含水的物质必定吸收微波。 • 特点： • 加热速度快；均匀加热；节能高效；易 于控制；选择性加热。
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§6.1.1 低压气体中蒸发法 [气体冷凝法]
• 1 定义： • 气体冷凝法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热金 属，使其蒸发后形成超微粒 (1—1000 nm)或纳米微 粒的方法。 • 2 气体冷凝法的研究进展： • 1963年，由Ryozi Uyeda及其合作者研制出，即通过 在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净 的纳米微粒。 • 20世纪 80年代初，Gleiter 等首先提出，将气体冷凝 法制得具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件 下紧压致密得到多晶体(纳米微晶)。
纳 米 粒 子 合 成 方 法 分 类
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
物理法
构筑法
纳 米 粒 子 制 备 方 法
气体冷凝法 溅射法 氢电弧等离子体法
气相分解法 气相反应法 气相合成法 气－固反应法
化学法
共沉淀法 沉淀法 均相沉淀法 水热法 水解沉淀法 液相反应法 溶胶－凝胶法 冷冻干燥法 喷雾法
其它方法(如球磨法)
• D 电子束轰击： • 利用静电加速器或电子直线加速得到高 能电子束，以其轰击材料，使其获得能 量，（通过与电子的碰撞）而受热气化。 在高真空中使用
• E 等离子体喷射：电离产生的等离子体 气体对原料进行加热。
• F 微波加热 • 微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波 长1米 ~1毫米）。 • 通常，介质材料由极性分子和非极性分子组成， 在微波电磁场作用下，极性分子从原来的热运 动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向。 产生类似摩擦热，在这一微观过程中交变电磁 场的能量转化为介质内的热能，使介质温度出 现宏观上的升高。 • 由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁场 能量而发热。
• 有两种情况不能使用这种方法进行加热和蒸发： • ①两种材料 ( 发热体与蒸发原料 ) 在高温熔融后 形成合金。 • ②蒸发原料的蒸发温度高于发热体的软化温度。 • 目前使用这一方法主要是进行 Ag 、 Al 、 Cu 、 Au等低熔点金属的蒸发。
• B 高频感应：电磁感应现象产生的热来加热。 类似于变压器的热损耗。