材料合成與制備論文納米材料

1、納米材料的制備方法納米制備技術(shù)是80年代末剛剛誕生并正在崛起的新技術(shù)，其基本涵義是：納米 尺寸范圍（10-910-7m內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過直接 操作和安排原子、分子創(chuàng)造新 物質(zhì)。由于納米材料具有奇特的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性能等，目前正受到世界各國科學(xué)家的高度 重視。一、氣相法制備納米微粒1 .濺射法此方法的原理為：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽極，陰極為蒸發(fā)用材料，在兩 電極間充入Ar（40250Pa，兩極間施加的電壓范圍 為0.31.5kV。由于兩極間的輝 光放電使Ar粒子形成，在電場(chǎng)作用 下Ar離子沖擊陽極靶材表面，使靶材原子從其表 面蒸發(fā)出來形成超 微粒子，并在附著面上沉積下來。

2、離子的大小及尺寸分布主要取決于兩極間的電壓、電流、氣體壓力。靶材的表面積愈大，原子的蒸發(fā)速 度愈高，超微粒的獲得量愈大。濺射法制備納米微粒材料的優(yōu)點(diǎn)是：1可以制備多種納米金屬,包括高熔點(diǎn)和低 熔點(diǎn)金屬。常規(guī)的熱蒸發(fā)法只能適用于低熔點(diǎn)金屬；2能制備出多組元的化合物納米微粒，如A lS2, Tl 48 , Cu 91, Mn 9, ZrO 2等；通過加大被濺射陰極表面可加大納米 微粒的獲得量。采用磁控濺射與液氮冷凝方法可在表面沉積有方案膜的電鏡載網(wǎng) 上支撐制備納米銅顆粒。2 .混合等離子法此方法是采用RF （射頻等離子與DC直流等離子組合的混合方 式來獲得超微 粒子。該制備方法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1產(chǎn)

3、生RF等離子時(shí)沒有采用電極，不會(huì)有電極物質(zhì)（熔化或蒸發(fā)混入等離子體 而導(dǎo)致等離子體中含有雜質(zhì)，故超微粒的純度較高；2等離子體所處的空間大，氣體流 速比DC直流等離子體慢，致使反應(yīng)物質(zhì)在等離子空間停留時(shí)間長，物質(zhì)可以充分加熱和反應(yīng)；3可使用非惰性氣體制備化合物超微粒子，使產(chǎn)品多樣化?；旌系入x子蒸 發(fā)法制取超微粒子有3種方法：1等離子蒸發(fā)法使大顆粒金屬和氣體流入等離子室，生成超微粒子；2反應(yīng)性等離子氣體蒸發(fā)法使大顆粒金屬和氣體流入等離子室，同時(shí)通入反應(yīng)氣體，生成化合物超微粒子；3等離子VCD法使化合物隨載氣流入等離子室，同時(shí)通入反應(yīng)氣體，生成化合物 超微粒子。例如，將原料Si 3N 4以4g/mi

4、n的速度流入等離子室，通入H 2進(jìn)行熱分解，再通 入反應(yīng)性氣體NH 3,經(jīng)反應(yīng)生成Si 3N 4超微粒子。3.激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法 (LVCDLVCD法具有清潔表面，離子大小可精確控制、無粘結(jié)、粒度分 布均勻等優(yōu)點(diǎn)， 并容易制備出幾納米至幾十納米的非晶及晶態(tài)納米微粒。目前LVCD法已制備出多種單質(zhì)、化合物和復(fù)合材料超細(xì)粉末，并且已進(jìn)入規(guī) 模生產(chǎn)階段，美國的MIT于1986年已建成年產(chǎn)幾十噸 的裝置。激光制備超細(xì)微粒 的工作原理是利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長激光束的吸收，引起反應(yīng)氣體分子激光光解、激光熱解、激光光敏化和激光誘導(dǎo)化學(xué)合成反應(yīng)，在一定工藝條件下，獲得 超細(xì)粒子空間成核和長大。例如，用

5、連續(xù)輸出CO 2激光(10.6um輻照硅烷氣體分子 (SiH4時(shí)，硅烷分子很容易發(fā)生熱解反應(yīng)：SiH 4 - Si (g + 2H2熱解生成的氣相Si (g 在一定工藝條件下開始成核長大，形成納米微粒。激光制備納米粒子的裝置一般有 2種類型:正交裝置和平行裝置。其中正交裝置使用方便，易于控制，工程實(shí)用價(jià)值大， 激光束與 反應(yīng)氣體流向正交。 激光束照在反應(yīng)氣體上形成反應(yīng)焰，經(jīng)反應(yīng)在火 焰 中形成微粒，由氮?dú)鈹y帶進(jìn)入上方微粒捕捉裝置。4 .化學(xué)蒸發(fā)凝聚法（CVC這種方法主要是利用高純惰性氣體作為載氣，攜帶有機(jī)高分子原料，通過有機(jī)高 分子熱解獲得納米陶瓷粉體。例如，六甲基二硅烷進(jìn) 入鋁絲爐（溫度為1

6、1001400C, 壓力為1001000Pa熱解形成團(tuán) 簇，并進(jìn)一步凝聚成納米級(jí)微粒，最后附著在充滿液 氮的轉(zhuǎn)動(dòng)的襯底上,經(jīng)刮刀下進(jìn)行納米粉收集。此法具有產(chǎn)量大、顆粒尺寸細(xì)小、 分布窄等優(yōu)點(diǎn)。5 .爆炸絲法基本原理是：先將金屬絲固定在一個(gè)充滿惰性氣體 （5MPa的反應(yīng)室中,絲的兩 端卡頭為2個(gè)電極，它們與一個(gè)大電容相聯(lián)結(jié)形成回路，加15kV的高壓，金屬絲在500800kA下進(jìn)行加熱，熔斷后在電流 停止的一瞬間, 卡頭上的高壓在熔斷處放電，使熔斷的金屬在放電的 過程中進(jìn)一步加熱變成蒸氣， 在惰性氣體碰撞下形成納米粒子沉降在容器的底部，金屬絲可以通過一個(gè)供絲系統(tǒng) 自動(dòng)進(jìn)入兩卡頭之間，從而使上述過程

7、重復(fù)進(jìn)行。這種方法適用于制備納米金屬和 合金粉體。6.其他方法近年來，由于納米材料規(guī)?；a(chǎn)以及防止納米粉團(tuán)聚的要求越來越迫切，相繼出現(xiàn)了一些新的制備技術(shù)。例如，氣相燃燒合成技術(shù)就是其中的一種，其基本原理是: 將金屬氯化物（MCl鹽溶液噴入Na蒸氣室燃燒,在火焰中生成NaCl包敷的納米金 屬微粒，由于NaCl的包敷使得金屬納離子不團(tuán)聚。另一種技術(shù)是超聲等離子體沉積 法，其基本原理是：將氣體反應(yīng)劑噴入高溫等離子體，該等離子體通過噴 嘴后膨脹，生 成納米粒子，這種方法適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)納米粉。二、液相法制備納米微粒1 .沉淀法包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液，當(dāng)加入沉淀劑（如OH -, CrO

8、2-, CO 32-等 后，或于一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成的不溶 性氫氧化物和鹽類從溶液中析出， 將溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)分解即得所需的氧化物粉料。2 .噴霧法噴霧法是將溶液通過各種物理手段進(jìn)行霧化獲得超微粒子的化學(xué)和物理相結(jié)合的一種方法。其基本過程包括溶液的制備、噴霧、干燥、收集和熱處理，其特點(diǎn)是顆粒分布比較均勻，但顆粒尺寸為亞微米級(jí)到微米 級(jí),尺寸范圍取決于制備的工藝和噴霧方法。根據(jù)霧化和凝聚過程,噴霧法可分為3種：1噴霧干燥法將金屬鹽溶液或氫氧化物溶膠送入霧化器，由噴嘴高速噴入干燥 室獲得金屬鹽或氧化物的微粒，收集，燒成所需成分 的超微粒子；2霧化水解法 將一種鹽的超微粒子，由惰

9、性氣體載入含有金屬 醇鹽的蒸氣室， 金屬醇鹽的蒸氣附著在超微粒的表面，與水蒸氣反應(yīng)分解后形成氫氧化物微粒，經(jīng)焙 燒可獲得氧化物超細(xì)微粒。 這種方 法獲得的微粒純度高，分布窄，尺寸可控，具體尺 寸大小主要取決于鹽的微粒大??；3霧化焙燒法將金屬鹽溶液由壓縮空氣經(jīng)窄小的噴嘴噴出霧化成小液滴，霧化 溫度較高，使金屬鹽小液滴熱解形成超微粒子。3.凝膠-溶膠法此法的基本原理是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽水解，溶質(zhì)聚合凝膠后，再將凝膠干燥，煨 燒,最后得到無機(jī)材料。本法包括以下幾個(gè)過程:1溶膠的制備有兩種制備方法：一 是先將部分或全部組分用 適當(dāng)沉淀劑先沉淀出來，經(jīng)凝聚，使原來團(tuán)聚的沉淀顆粒 分散成原始 顆粒。這種原

10、始顆粒的大小一般在溶膠體系中膠核的大小范圍內(nèi) ，因 而可值得溶膠；二是由同樣的鹽溶液，通過對(duì)沉淀過程的仔細(xì)控制，使首先形成的顆 粒不致團(tuán)聚為大顆粒沉淀，從而直接得到溶膠。2溶膠凝膠轉(zhuǎn)化 溶膠中含有大量的 水，凝膠過程中，使體系失碩研10級(jí)20班材料工程2010012014夏春亮 去流動(dòng)性，形成一種開放的骨架 結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)凝膠作用的途徑一是化學(xué) 法，即通過控制溶膠中的電解質(zhì)濃度來實(shí)現(xiàn) 凝膠化；二是物理法，即 迫使膠粒間相互靠近，克服斥力，實(shí)現(xiàn)凝膠化。3凝膠干燥在一定條件下，使溶劑蒸發(fā)，得到粉料，干燥過程中凝膠結(jié)構(gòu)變化很大。該方法化學(xué)均勻性好，純度高，顆粒細(xì)，可 容納不溶性組分或不沉淀組分，烘干后 容易形成硬團(tuán)聚現(xiàn)象，在氧化 物中多數(shù)是橋氧鍵的形成，球形凝膠顆粒自身的燒 結(jié)溫度低，但凝膠 顆粒之間的燒結(jié)性差，塊狀材料燒結(jié)性能不好，干燥時(shí)收縮 大。4.濕化學(xué)法 濕化學(xué)法制備納米粉末是目前公認(rèn)的具有發(fā)