納米陶瓷粉體的發(fā)展和制備

1、納米陶瓷粉體的發(fā)展和制備專業(yè)：材料學(xué) 姓名：余文鵬 學(xué)號(hào)：08102033摘要：納米材料是21世紀(jì)的高新技術(shù)，它主要是研究電子、原子和分子在0.1100nm空間運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特征，并按照人的意志操縱電子、原子和分子，制備人們所需要的具有預(yù)定特殊功能特征的產(chǎn)品和材料簡(jiǎn)單介紹了納米材料的產(chǎn)生和定義，陶瓷材料的發(fā)展以及納米陶瓷的定義、發(fā)展和現(xiàn)狀。納米陶瓷制造必須的原料有納米陶瓷粉體，這種粉體的制備技術(shù)主要介紹的是水熱法制備技術(shù)，文章介紹了水熱法的分類和制備粉體的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：納米材料；納米陶瓷粉體；水熱法；材料制備1. 前言20世紀(jì)末，物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，促進(jìn)了納米材

2、料和納米技術(shù)的產(chǎn)生，催生了納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料科學(xué)、納米礦物學(xué)等新型學(xué)科1。納米材料是21世紀(jì)的高新技術(shù)，它主要是研究電子、原子和分子在0.1100nm空間運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特征，并按照人的意志操縱電子、原子和分子，制備人們所需要的具有預(yù)定特殊功能特征的產(chǎn)品和材料2。1.1納米材料定義納米科學(xué)技術(shù)是指在納米尺寸范圍認(rèn)識(shí)和改造自然，通過(guò)直接操作和安排原子、分子創(chuàng)造新物質(zhì)3。 1.1.1表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小 而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，帶來(lái)表面原子配位數(shù)不足，使之具有很高的表面化學(xué)活性。 尺寸效應(yīng)顆粒尺寸

3、變小引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為尺寸效應(yīng)。隨著納米微粒尺寸的減小。與體積成比例的能量亦相應(yīng)降低。當(dāng)體積能與熱能相當(dāng)或更小時(shí)。會(huì)發(fā)生強(qiáng)磁狀態(tài)向超順磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變：當(dāng)顆粒尺寸與光波的波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度或投射深度等物理特征尺度相當(dāng)或更小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的等離子共振頻率、介電常數(shù)與超導(dǎo)性能的變化。 1.1.3 體積效應(yīng) 由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，因此，許多現(xiàn)象如與界面狀態(tài)有關(guān)的吸附、催化、擴(kuò)散、燒結(jié)等物理、化學(xué)性質(zhì)將顯著與大顆粒傳統(tǒng)材料的特性不同，就不能用通常有無(wú)限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說(shuō)明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。 1.1.4 量子效應(yīng)介于原子、分子與

4、大塊固體之間的納米顆粒，將大塊材料中連續(xù)的能帶分裂成分立的能級(jí)，能級(jí)問(wèn)的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或磁能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)。就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，即量子效應(yīng)。 1.1.5 幻數(shù)結(jié)構(gòu) 粒徑小于2nm的納米粒子往往被稱為原子簇。當(dāng)原子簇含有某些原子數(shù)目時(shí)，顯得特別穩(wěn)定，這個(gè)特別數(shù)目稱為幻數(shù)。原子簇的幻數(shù)與相應(yīng)粒子的對(duì)稱性、相互作用勢(shì)有關(guān)。1.2 陶瓷的發(fā)展歷程 中國(guó)的陶器可追溯到9000年前，瓷器也早在4000年前出現(xiàn)。最初利用火煅燒粘土制成陶器。經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展，陶瓷質(zhì)量有了很大提高。后來(lái)提高燃燒溫度的技術(shù)出現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)频奶掌鳎捎诰植咳刍兊酶又?/p>

5、密堅(jiān)硬，完全改變了陶器多孔、透水的缺點(diǎn)。以粘土、石英、長(zhǎng)石等礦物原料燒制而成的瓷器登上了歷史舞臺(tái)。 新型陶瓷誕生于2O世紀(jì)二三十年代，科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)材料提出了更高的要求。在傳統(tǒng)陶瓷基礎(chǔ)上，一些強(qiáng)度高、性能好的新型陶瓷不斷涌現(xiàn)。 它們的玻璃相含量都低于傳統(tǒng)陶瓷。 納米陶瓷的研究始于8O年代中期。所謂納米陶瓷是指陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處于納米尺寸水平。包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都是納米級(jí)。由于納米陶瓷的晶粒細(xì)化，晶界數(shù)量大幅度增加，可使材料的韌性和塑性大為提高，并對(duì)材料的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。 1.3 納米陶瓷粉

6、體 納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米尺寸（0.1-lOOnm)的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。隨著粉體的超細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)： 1.具有極小的粒徑、大的比表面積和高的化學(xué)性能?？梢越档筒牧系臒Y(jié)致密化程度，節(jié)約能源。 2.使材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性。 3.可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次(0.1-100nm)上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。而使定向設(shè)計(jì)納米材料的組織結(jié)構(gòu)和性能成為可能。納米粉體又是制造納米陶瓷的必須原料，具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等各種效應(yīng)，所

7、以納米粉體表現(xiàn)出強(qiáng)吸光能力、高活性、高催化性、高選擇性、高擴(kuò)散性、高磁化率和矯頑力等奇特理化性能。納米粉體的所具有的特異性能使其潛在應(yīng)用價(jià)值極大。納米粉體由于尺寸小，具有高比表面積和表面能，活性點(diǎn)多，因而其催化活性和選擇性大大高于傳統(tǒng)的催化劑，納米粉體的熔點(diǎn)較低，能在比微米粉體燒結(jié)溫度低500-600的溫度下繞結(jié)致密；利用納米粉體薄而均勻的界面膜，可作火箭燃料助劑(在臨界溫度所有的粒子瞬間發(fā)生反應(yīng))；利用納米粉體可均勻分布在氣體、液體或固體物質(zhì)中，可以用作氣溶膠(煙霧劑)，利用納米粉體的鏈狀超細(xì)粒子，可以用作磁記錄材料、分子過(guò)濾器、電磁波吸收體和過(guò)濾器；利用納米粉體粒子內(nèi)電子能級(jí)離散，可以用作

8、超低溫與遠(yuǎn)紅外材料，納米粉體在冶金、化工、電子、磁性材料、精細(xì)陶瓷、傳感器以及日用化妝品和生物醫(yī)學(xué)等方面得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，顯示出誘人的前景4。2 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介目前，制備納米粉體的方法可分為三大類：物理方法、化學(xué)方法和物理化學(xué)綜合法。化學(xué)方法主要包括水解法、水熱法、溶融法和溶膠-凝膠法等。其中，用水熱法制備納米粉體技術(shù)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。本文擬對(duì)近年來(lái)水熱法制備納米陶瓷粉體作一概要介紹。2.1 水熱法 水熱法(hydrothermal preparation)是指密閉體系如高壓釜中，以水為溶劑，在一定的溫度和水的自生壓力下，原始混合物進(jìn)行反應(yīng)的的一種合成方法。由于在高溫，高壓水熱條件下，能提供

9、一個(gè)在常壓條件下無(wú)法得到的特殊的物理化學(xué)環(huán)境，使前驅(qū)物在反應(yīng)系統(tǒng)中得到充分的溶解，并達(dá)到一定的過(guò)飽和度，從而形成原子或分子生長(zhǎng)基元，進(jìn)行成核結(jié)晶生成粉體或納米晶5。 水熱法分類根據(jù)化學(xué)反應(yīng)類型的不同，水熱法制備粉體有如下幾種方法：(1) 水熱氧化(Hydrothermal Oxidation)：利用高溫高壓，水、水溶液等溶劑與金屬或合金可直接反應(yīng)生成新的化合物。 (2）水熱沉淀(Hydrothermal Precipitation）：某些化合物在通常條件下無(wú)法或很難生成沉淀，而在水熱條件下易反應(yīng)生成新的化合物沉淀。 (3)水熱晶化(Hydrothermal Crystallization)：以

10、非晶態(tài)氫氧化物、氧化物或水凝膠為前驅(qū)物，在水熱條件下結(jié)晶成新的氧化物晶粒。 (4)水熱合成( Hydrothermal Synthesis）：允許在很寬范圍內(nèi)改變參數(shù)，使兩種或兩種以上的化合物起反應(yīng)，合成新的化合物。 (5)水熱分解(Hydrothermal Decomposition)：某些化合物在水熱條件下分解成新的化合物，進(jìn)行分離而得單一化合物微粉。 (6)水熱還原(Hydrothermal Reduction)：金屬鹽類氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或復(fù)式鹽用水調(diào)漿，只需少量或無(wú)需試劑，控制適當(dāng)溫度和氧分壓等條件，即可制得超細(xì)金屬微粉。 水熱法及其制備粉體的特點(diǎn) 水熱法為各種前驅(qū)物的反應(yīng)和結(jié)

11、晶提供了一個(gè)在常壓條件下無(wú)法得到的特殊物理、化學(xué)環(huán)境。其特點(diǎn)主要有：(1)由于反應(yīng)是在相對(duì)高的溫度和壓力下進(jìn)行，因此有可能實(shí)現(xiàn)在常規(guī)條件下不能進(jìn)行的反應(yīng)。 (2)改變反應(yīng)條件(溫度、酸堿度、原料配比等)可能得到具有不同晶體結(jié)構(gòu)、組成、形貌和顆粒尺寸的產(chǎn)物。(3)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，過(guò)程污染小。 概括起來(lái)，水熱法制備的粉體有如下特點(diǎn)： (1)粉體結(jié)晶良好，分散性好，無(wú)需作高溫?zé)Y(jié)處理，從而避免在燒結(jié)過(guò)程中可能形成的粉體硬團(tuán)聚。 (2)粉體晶粒物相和形貌與水熱反應(yīng)條件有關(guān)。 (3)晶粒線度可適度調(diào)節(jié)，當(dāng)前驅(qū)物、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間變化時(shí)，可改變晶粒尺寸。 (4)純度較高，由于水熱法可拋棄前驅(qū)物中

12、的雜質(zhì)，因而大大提高了純度。而且粉體后續(xù)處理無(wú)須煅燒可以直接用于加工成型，這就可以避免在煅燒過(guò)程中混入雜質(zhì)。 ( 5)顆粒均一，分布單一。 水熱法是制備高質(zhì)量納米陶瓷粉體極有應(yīng)用前景的方法。業(yè)已通過(guò)水熱法，在不同溫度、壓力、溶媒和礦化劑條件下實(shí)現(xiàn)了多種不同成份納米級(jí)陶瓷粉體制備。但總體說(shuō)來(lái)，水熱條件下納米粉體制備工藝，包括粉末粒徑及分布的有效控制、粉末的分散和表面處理，以及納米粉末形成過(guò)程與機(jī)理、水熱法納米材料臺(tái)成等問(wèn)題仍在探索和發(fā)展階段6。 參考文獻(xiàn)1 陳敬中,柳劍洪. 納米材料科學(xué)導(dǎo)論. M 高等教育出版社 2006年：3-72 張玉龍. 納米復(fù)合材料手冊(cè). M 中國(guó)石化出版社 2005年

13、：1-2 3 文揭白. 淺談納米陶瓷. J 科學(xué)論壇. 2006.76-774 艾德生. 納米粉體-21世紀(jì)高新材料的核心原料. J 中國(guó)粉體工業(yè). NO.2 2007.039-0435 苗鴻雁，董敏，丁常勝. 水熱法制備納米陶瓷粉體技術(shù). J 中國(guó)陶瓷. Vol.40 No.4 July 2004 25-276 王秀峰，王永蘭，金志浩. 水熱法制備納米陶瓷粉體. J 稀有金屬材料與工程 Vol.24 No.4 4-6 The development of nano-ceramic powders and preparation Abstract: Nano-materials for hig

14、h-tech 21st century, it is to study the electronic, atomic and molecular space 0.1 100nm in the movement and characteristics of the law and in accordance with the will of people to manipulate electronics, atoms and molecules, the preparation needs of people with a scheduled special functional characteristics of products and materials outlined the emergence of nano-materials and the definition of the development of ceramic materials, as well as the definition of nano-ceramics, development and the status quo. Nano-ceramic raw materials necessary to manufacture nano-ceramic powder, this powder