2007级纳米材料学
第五章
2007级纳米材料学
前四章复习与回顾
1、用本课程所学知识解释“荷花出污泥而不染”的原因 2、掌握下列基本概念 纳米、纳米科技、纳米材料；零维、 一维、二维、三维纳米材料；一次颗粒、二次颗粒与三次颗粒 (能用示意图表示)，颗粒与晶粒(画出多晶颗粒示意图)，软团 聚与硬团聚 3、辩析：纳米科技是微加工技术的扩展，纳米科技是纳米材 料的问题，纳米材料只是微米材料尺寸减小的问题。
此种制备方法的优点是：纳米微粒的生成量随等离子气体 中的氢气浓度增加而上升。例如，Ar气中的H2占50％时，电 弧电压为30~40v，电流为150~170A的情况下每秒钟可获得 20mgFe超微粒子。为了制取陶瓷超微粒子，如TiN及AlN， 则掺有氢的惰性气体可采用N2，被加热蒸发的金属为Ti、Al等。
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5.2.3 溅射法
此方法的原理如图5.2所示。用两块 金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸 发用的材料，在两电极间充入Ar气(40 ~250 Pa)，两电极间施加的电压范围为 0.3~1.5kv。因两电极间的辉光放电使Ar 电离成离子，在电场的作用下Ar离子冲 击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面 蒸发出来形成超微粒子并在附着面上沉 积下来。
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4、纳米科技包括哪三个研究领域？这三个研究领域对 纳米科技有何意义？
纳米材料 纳米器件 纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制 水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标 志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的 手段和理论与实验的重要基础。
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5.2 气相法
5.2.1 低压气体中的蒸发法(气体冷凝法) 此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，
使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒。 加热源有以下几种：a、电阻加热法；b、等离子喷射法；
c、高频感应法；d、电子束法；e、极光法。
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制备方法
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化学法
物理法
存在不科学 之处
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2、按制备过程分类 ——固相法、液相法和气相法
固相法 1、固相物理法：由固体物质直接通过机械粉碎法制备纳
米粉体材料
2、固相化学法：固体物质间在机械混磨过程中发生化学 反应，进而获得纳米材料
3、复分解
金属盐
金属 氢氧化物
复分解
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5、解释：为什么所有金属纳米微粒都是黑色的？ 6、用所学知识解释：纳米材料烧结、晶化和相变温度降低的 原因 7、纳米材料的扩散与烧结性能对耐火材料烧结有何意义？ 8、什么叫超塑性？陶瓷材料具有超塑性应具备哪两处条件？ 9、纳米材料的化学成分表征可用哪两种方法？ 10、在表征纳米颗粒尺寸时，常用D50和D90，它们的意义是 什么？
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。
图5.1
气体冷凝法制备纳米 微粒原理图
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由于惰性气体的对流，烟雾向 上移动，并接近充液氮的冷却棒(冷 阱，77K)。在蒸发过程中，由原物 质蒸发出的原子与惰性气体原子碰 撞而迅速损失能量并冷却下来造成 很高的局部过饱和，导致均匀的成 核过程。首先形成原子簇，然后形 成单个纳米微粒。
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11、请解释谢乐公式 d 0.89 B con
宜测量晶粒范围为多少？
中各参数的意义，其适
12、用比表面积法计算纳米颗粒尺寸时，常用
d
6 Sm
其中 为纳米粉体的真密度，S m 为BET法测定的比表面积，
则计算得到d值一般比实际值偏小，为什么？
5.1 制备方法分类
1、一般分类
不同的加热方法制得的超微粒的量、品种、粒径大小及 分布等存在着一定的差别。
气体冷凝法早在1963年由Ryozi Oyeda及其合作者共同研 制开发成功。
气体冷凝法的最大的特点是：通过在纯净的惰性气体中的 蒸发和冷凝过程可获得较纯净的纳米微粒。
80年代初，德国萨尔蓝大学的研究人员将气体冷凝法制得 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)——纳米块材。
缺点：极易引入杂质(如部分阴 离子等) , 造成所得粉体纯度不够。
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气相法
直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使 之在气态下发生物理变化或化学变化，最后在冷凝过程 中凝聚长大形成纳米粒子。
优点：颗粒纯度高、尺寸小、团聚少、组分易控。
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纳米颗粒制备要求
不管是用那一种方法制备纳米粉体材料，均需满足下列 要求： 1、表面光洁; 2、粒子的形状规则、粒径分布均匀、粒度可控, 不易团聚; 3、易于收集; 4、热稳定性、分散性好; 5、产率较高。
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特点：
1、纳米微粒的大小可通过调节惰性气体的压力、 蒸发物的分压进行控制。 2、随着蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升 高)粒子变大或随着原物质蒸气压力的增加，粒子 变大。
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5.2.2 活性氢——熔融金属反应法
含有氢气的等离子体在金属间产生电弧，使金属熔融，电 离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气 体中形成金属的超微粒子，用离心收集器、过滤式收集器使微 粒与气体分离而获得纳米微粒。
前驱物
纳米粒子
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优点： 设备和工艺简单, 反应条件容易控制, 产率高, 成本低,
环境污染少。 缺点：
产品粒度分布不均, 易团聚。
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液相法
液相法
溶胶-凝胶法 沉淀法 水解法 微乳液法 水热/溶剂热法
液相法是在液相中合成纳米材 料，源自称湿化学法、溶液法等。优点：比较容易控制成核, 容易 控制颗粒的化学组成、形状及大小, 添加的微量成分和组成较均匀。
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气体冷凝法的原理见图5.1。整个制 备过程是在超高真空室内进行。
通过分子涡轮泵使真空度达到0.1Pa
以上，然后充入低压(约2kPa)的纯净惰
性气体(He或Ar，纯度约为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