纳米材料的合成与制备 (1)摘要 (1)关键词 (1)The synthesis and preparation of nanomaterials (1)Abstract (1)Keywords (1)引言 (1)1纳米材料的化学制备 (1)1.1纳米粉体的湿化学法制备 (1)1.2纳米粉体的化学气相法制备 (2)1.2.1气体冷凝法 (2)1.2.2溅射法 (2)1.2.3真空蒸镀法 (2)1.2.4等离子体方法 (3)1.2.5激光诱导化学气相沉积法(LICVD) (3)1.2.6爆炸丝方法 (3)1.2.7燃烧合成法 (3)1.3纳米薄膜的化学法制备 (4)1.4纳米单相及复相材料的制备 (4)2纳米材料的物理法制备 (5)2.1纳米粉体(固体)的惰性气体冷凝法制备 (5)2.2纳米粉体的高能机械球磨法制备 (5)2.3纳米晶体非晶晶化方法制备 (6)2.4深度塑性变形法制备纳米晶体 (6)2.5纳米薄膜的低能团簇束沉积方法(LEBCD)制备 (6)2.6纳米薄膜物理气相沉积技术 (6)3纳米材料的应用展望 (7)4 总结 (7)参考文献 (8)纳米材料的合成与制备摘要本文综述了近年来在纳米材料合成与制备领域的一些最新研究进展，包括纳米粉体、块体及薄膜材料的物理与化学方法制备。
从纳米材料合成和制备的角度出发,较系统的阐述了纳米材料合成与制备的最新研究进展,包括气相法,液相法及固相法合成与制备纳米材料;并介绍了纳米材料在高科技领域中的应用展望。
关键词纳米材料，合成，制备The synthesis and preparation of nanomaterialsAbstract This paper summarized the recent years in the field of nanometer material synthesis and preparation of some of the latest research progress, including nano powder, bulk and thin film materials preparation physical and chemical methods. From the perspective of nano material synthesis and preparation, systematically expounds the synthesis and the latest progress in the preparation of nanometer materials, including gas phase, liquid phase method and solid phase synthesis and preparation of nano materials; And introduces the application of nanomaterials in the field of high-tech prospects.Keywords nano materials, synthesis, preparation引言纳米材料是晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻低热导率等。
正是因为纳米材料具有这些优良性能,因此纳米材料在今后一定有着广泛的应用。
本文系统地阐述纳米材料的结构、性能、制备以及应用,以获得对纳料材料更为深刻和全面的理解。
[1]纳米材料的制备科学在当前纳米材料科学研究中占据极为重要的地位。
新的材料制备工艺和过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响.纳米材料的合成与制备包括粉体、块体及薄膜材料的制备。
1纳米材料的化学制备1.1纳米粉体的湿化学法制备湿化学法制备工艺主要适用于纳米氧化物粉体,它具有无需高真空等苛刻物理条件、易放大的特点,并且得到的粉体性能比较优异。
上海硅酸盐所在采用共沉淀法、乳浊液法、水热法图等湿化学法制备氧化错超细粉体的工作中,得到了10~15nm的性能优良的纳米粉体.由于湿化学方法中对超细粒子的团聚体的形成及强度的控制是非常重要的,采用共沸蒸馏、有机溶剂洗涤等方法,有效地控制了氧化错纳米粉体的合成及硬团聚的形成.特别是有巨大比表面积的纳米粉体能达到微米粉体的素坯成型密度,并且能在比微米粉体烧结温度低500~600℃的温度下烧结致密,达到理论密度的89 5%以上,晶粒尺寸只有1 0nm左右。
其它的溶液化学方法还可包括如金属盐的还原法制备金属纳米颗粒和金属一氧化物复合材料等。
[2]1.2纳米粉体的化学气相法制备气相法制备纳米材料在较高温度下,使用固体原材料蒸发成蒸气或直接使用气体原料,经过化学反应,或者使气体直接达到过饱和状态,凝聚成固态纳米微粒并收集得到纳米材料的方法称之为气相法。
气相方法是制备纳米粉体,晶须,纤维,薄膜的主要方法,但该方法所需设备复杂,制造成本较高,气相法可以分为气体冷凝法,溅射法,真空蒸镀法,混合等离子体法,激光诱导化学气相沉积法,爆炸丝法及燃烧合成法等。
[3]1.2.1气体冷凝法气体冷凝法是在1963年由Ryozi Uyeda及其合作者提出的,即通过在纯净的惰性气体(氩,氮气)中蒸发和冷凝过程获得纳米微粒。
20世纪80年代初,Gleiter 等人提出了将该方法制备的纳米微粒在超高真空条件下紧压致密可以得到多晶体,从而进一步完善了该方法[3]。
该方法加热源有以下几种:电阻加热,等离子体喷射,高频感应,电子束,激光加热等。
该方法可以通过调节惰性气体压力,蒸发物质的分压即蒸发温度或速率,或者惰性气体的温度来控制纳米微粒的大小。
例如采用SiH4- CH3NH2- NH3系统制备了Si/C/N复合粉末,微粒粒径是30～72nm[5]。
1.2.2溅射法该方法采用金属板分别作为阴、阳极,阴极为蒸发用材料,在两电极间充入氩气(40～250Pa),两电极间电压范围是0.3～ 1.5kV。
由于电极间辉光放电使Ar 离子形成,在电场作用下Ar离子冲击阴极靶材表面,使靶材原子从其表面蒸发形成纳米粒子。
粒子大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压、电流和气体压力,靶材的表面积越大,原子的蒸发速度越高,纳米颗粒的获得量越多。
用溅射法制备纳米微粒有以下优点:(1)可制备多种纳米金属,包括高熔点和低熔点金属;(2)能制备多组元的化合物纳米微粒,例如Al52Ti48,Cu91Mn9及ZrO2等;(3)可获得较大量的纳米颗粒材料。
1.2.3真空蒸镀法该方法的原理是在高真空中采用电子束加热,使金属粒子蒸发,打开快门使粒子转入圆盘表面,从而进入圆盘表面的油膜而形成纳米粒子。
然后含微粒子的油被摔到真空室沿壁的容器中,蒸馏,浓缩溶液,得到纳米粒子的糊状物。
采用该方法制备纳米粒子有以下优点:(1)可制备单金属颗粒,例如Ag,Au,Pd,Cu,Fe,Ni,Co,Al,In 等金属粒子,粒径大约8nm。
(2)粒径分步窄,并且均匀;(3)粒径尺寸可通过调节蒸发速度,油的黏度,圆盘转速等进行控制。
1.2.4等离子体方法该方法是采用RF等离子与DC等离子组合的混和方式来获得纳米粒子的方法,该方法按照所制产物的不同又可分为如下几种方法:(1)等离子蒸发方法。
大颗粒金属和气体流入等离子室生成金属纳米颗粒;(2)反应性等离子蒸发方法。
大颗粒金属和气体流入等离子室,同时通入反应性气体,生成化合物纳米粒子;(3)等离子CVD方法。
化合物随载气流入等离子室,同时通入反应性气体,生成化合物纳米粒子。
例如吉林大学采用DC等离子体方法生产了Ti,Co,Ni,Cr,Mn等金属纳米粉;青岛化工学院采用该方法实现了年产300kg纳米材料产品的水平,可制备金属,合金,氧化物,氮化物等。
等离子体方法制备纳米粒子有以下特点:(1)可制备纯度较高的纳米粒子;(2)可以制备各种纳米粒子产品,并且可实现批量生产;(3)反应速度快,所得纳粒粒径小。
1.2.5激光诱导化学气相沉积法(LICVD)LICVD方法是一种新的制备超微颗粒的方法,其基本原理是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收,引起反应气体分子激光光解,激光热解,激光光敏化和激光化学合成反应,然后在一定条件下获得纳米粒子。
该方法具有制备的纳米粒子表面清洁,粒子大小可以控制,不团聚,粒度分布均匀等优点,并且可制备几到几十个纳米的非晶态或晶态纳米微粒。
目前,LICVD方法已制备出多种单质,无机化合物和复合材料纳米粉末,并已经进入规模生产阶段,例如美国麻省理工学院(MIT)在1986年建成年产几十吨的装置。
1.2.6爆炸丝方法该方法基本原理是先将金属丝固定在一个充满惰性气体(5×106Pa)的反应室内,丝两端的接头是两个电极,电极分别与大电容相连形成回路,加15kV高压,金属丝在500～800kA电流下加热,金属丝熔断后在电流中断的瞬间,接头处的高压放电,使熔融后的金属进一步加热变为蒸气,在惰性气体碰撞下形成纳米金属或合金粒子从而沉降在容器的底部。
该方法适用于工业上连续生产纳米金属,合金和金属氧化物粉体。
1.2.7燃烧合成法该方法的原理是通过金属有机先驱物分子热解获得纳米粉体或者金属与金属化合物在惰性气体的保护下混合,燃烧,发生置换反应生成金属纳米粉。
例如美国辛辛那提大学用针状或平板电极,以电力协助碳氢化合物燃烧来氧化卤化物蒸气制取了纳米相的TiO2,SnO2,SiO2晶粒。
近年来,随着纳米科技的深入发展及对纳米材料需求的不断扩大,纳米材料的规模化生产要求越来越迫切,从而相继出现了新的纳米制备技术和方法。
例如,超声等离子体粒子沉积方法,电火花侵蚀法,电子束蒸发方法等。
1.3纳米薄膜的化学法制备纳米薄膜的化学制备主要包括电化学方法和化学气相沉积方法。
电化学沉积可用于合成具有纳米结构的纯金属、合金、金属-陶瓷复合涂层以及块状材料。
其纳米结构的获得，关键在于制备过程中晶粒成核与生长的控制。
化学气相沉积包括常压、低压、等离子辅助气相沉积等。
这一工艺方法在半导体、氧化物、氮化物、碳化物纳米微粒薄膜中应用较多。
电化学沉积方法作为一种十分经济而又简单的传统工艺手段，可用于合成具有纳米结构的纯金属、合金、金属一陶瓷复合涂层以及块状材料，包括直流电镀、脉冲电镀、无极电镀、共沉积等技术.其纳米结构的获得，关键在于制备过程中晶粒成核与生长的控制.电化学方法制备的纳米材料在抗腐蚀、抗磨损、磁性、催化、储氢、磁记录等方面均具有良好的应用前景。
在Ni-P纳米涂层材料的研究中，通过材料纳米结构的控制，制备了不同粒径的纳米涂层，发现符合Hall 一Petch关系的晶粒临界尺寸为8nm。