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是80年代末剛剛誕生并正在崛起的新技術，其基本涵義是：納米 尺寸范圍（10-910-7m內認識和改造自然，通過直接 操作和安排原子、分子創(chuàng)造新 物質。由于納米材料具有奇特的力學、電學、磁學、熱學、化學性能等，目前正受到世界各國科學家的高度 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)點是：1可以制備多種納米金屬,包括高熔點和低 熔點金屬。常規(guī)的熱蒸發(fā)法只能適用于低熔點金屬；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 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特點：1產

3、生RF等離子時沒有采用電極，不會有電極物質（熔化或蒸發(fā)混入等離子體 而導致等離子體中含有雜質，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，致使反應物質在等離子空間停留時間長，物質可以充分加熱和反應；3可使用非惰性氣體制備化合物超微粒子，使產品多樣化?；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，同時通入反應氣體，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，同時通入反應氣體，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進行熱分解，再通 入反應性氣體NH 3,經反應生成Si 3N 4超微粒子。3.激光誘導化學氣相沉積法 (LVCDLVCD法具有清潔表面，離子大小可精確控制、無粘結、粒度分 布均勻等優(yōu)點， 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、化合物和復合材料超細粉末，并且已進入規(guī) 模生產階段，美國的MIT于1986年已建成年產幾十噸 的裝置。激光制備超細微粒 的工作原理是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收，引起反應氣體分子激光光解、激光熱解、激光光敏化和激光誘導化學合成反應，在一定工藝條件下，獲得 超細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，硅烷分子很容易發(fā)生熱解反應：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，工程實用價值大， 激光束與 反應氣體流向正交。 激光束照在反應氣體上形成反應焰，經反應在火 焰 中形成微粒，由氮氣攜帶進入上方微粒捕捉裝置。4 .化學蒸發(fā)凝聚法（CVC這種方法主要是利用高純惰性氣體作為載氣，攜帶有機高分子原料，通過有機高 分子熱解獲得納米陶瓷粉體。例如，六甲基二硅烷進 入鋁絲爐（溫度為1

6、1001400C, 壓力為1001000Pa熱解形成團 簇，并進一步凝聚成納米級微粒，最后附著在充滿液 氮的轉動的襯底上,經刮刀下進行納米粉收集。此法具有產量大、顆粒尺寸細小、 分布窄等優(yōu)點。5 .爆炸絲法基本原理是：先將金屬絲固定在一個充滿惰性氣體 （5MPa的反應室中,絲的兩 端卡頭為2個電極，它們與一個大電容相聯(lián)結形成回路，加15kV的高壓，金屬絲在500800kA下進行加熱，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供絲系統(tǒng) 自動進入兩卡頭之間，從而使上述過程

7、重復進行。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以及防止納米粉團聚的要求越來越迫切，相繼出現(xiàn)了一些新的制備技術。例如，氣相燃燒合成技術就是其中的一種，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聚。另一種技術是超聲等離子體沉積 法，其基本原理是：將氣體反應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行霧化獲得超微粒子的化學和物理相結合的一種方法。其基本過程包括溶液的制備、噴霧、干燥、收集和熱處理，其特點是顆粒分布比較均勻，但顆粒尺寸為亞微米級到微米 級,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，與水蒸氣反應分解后形成氫氧化物微粒，經焙 燒可獲得氧化物超細微粒。 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小；3霧化焙燒法將金屬鹽溶液由壓縮空氣經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鹽水解，溶質聚合凝膠后，再將凝膠干燥，煨 燒,最后得到無機材料。本法包括以下幾個過程: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 適當沉淀劑先沉淀出來，經凝聚，使原來團聚的沉淀顆粒 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 ，因 而可值得溶膠；二是由同樣的鹽溶液，通過對沉淀過程的仔細控制，使首先形成的顆 粒不致團聚為大顆粒沉淀，從而直接得到溶膠。2溶膠凝膠轉化 溶膠中含有大量的 水，凝膠過程中，使體系失碩研10級20班材料工程2010012014夏春亮 去流動性，形成一種開放的骨架 結構。實現(xiàn)凝膠作用的途徑一是化學 法，即通過控制溶膠中的電解質濃度來實現(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，干燥過程中凝膠結構變化很大。該方法化學均勻性好，純度高，顆粒細，可 容納不溶性組分或不沉淀組分，烘干后 容易形成硬團聚現(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 結溫度低，但凝膠 顆粒之間的燒結性差，塊狀材料燒結性能不好，干燥時收縮 大。4.濕化學法 濕化學法制備納米粉末是目前公認的具有發(fā)