纳米材料 第二章 纳米材料的制备方法 .pptVIP

安徽工业大学 材料科学与工程学院 纳米材料 第二章 纳米材料的制备方法（1） 裴立宅 材料科学与工程学院 Email: lzpei1977@163.com, lzpei@ 第一部分 纳米粉末的制备方法 第二部分 一维无机纳米材料的制备方法 第一部分 纳米粉末的制备方法 纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料，可用于： 高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、 微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、 高能催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料及抗癌制剂等。 1.1 气相法 气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。 气相法又大致可分为：气体蒸发法、化学气相沉积法、化学气相凝聚法和溅射法等。 1.1.1 气体蒸发法 气体蒸发法是在惰性气体（或活泼性气体）中将金属、合金或陶瓷蒸发气化，然后与惰性气体冲突，冷却、凝结（或与活泼气体反应后再冷却凝结）而形成纳米微粒。 此法早在1963年由Ryozi Uyeda及其合作者研制出，即通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米微粒。 20世纪80年代初，Gleiter等首先提出，将气体冷凝法制得的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）气体冷凝法的原理，如下页图例所示。 用气体蒸发法制备纳米粉末的主要具有如下特点： （1）表面清洁， （2）粒度齐整、粒度分布窄， （3）粒度容易控制。 由于这些优点，许多研究者对气体蒸发法进行了深入研究，在此基础上对制备方法进行了改进，产生了许多新的纳米粉末制备方法，并扩大了制备纳米粉末的范围。 根据加热源的不同，可将气体蒸发法分为八种： 电阻加热法、高频感应加热法 等离子体加热法、电子束加热法 激光束加热法、通电加热法 流动油面上真空沉积法：原理是在高真空中将原料用电子束加热蒸发，让蒸发物沉积到旋转圆盘的下表面的流动油面，在油中蒸发原子结合形成纳米粉末。 爆炸丝法 采用此法除了主要制备各种金属的纳米粉末外，还可以使用这一方法制备氧化物纳米粉末、有机化合物和复合金属的纳米颗粒。 1.1.2 化学气相沉积（CVD）法 CVD法制备纳米粉末是利用挥发性的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粉末，该方法也被称为化学气相反应法。 用此法制备纳米粉末的优点，如：颗粒均匀、纯度高、粒度小、分散性好、化学反应活性高、工艺可控和过程连续等。 CVD技术可广泛应用于特殊的复合材料、原子反应堆材料、刀具和微电子材料等多个领域，适合于制备各类金属、金属化合物以及非金属化合物纳米粉末，如各种金属、氮化物、碳化物及硼化物等。 按体系反应类型可将CVD法分为气相分解和气相合成两类方法。 (1) 热管炉加热CVD法 (2) 激光诱导CVD法 (1) 热管炉加热CVD法 热管炉加热CVD反应合成纳米粉末的过程主要包括原料处理、反应操作参数控制、成核与生长控制、冷凝控制等数个过程， 其实验装置系统如下图所示： 热管炉加热CVD法是由电炉加热，这种技术虽然可以合成一些材料的粉末， 但由于反应器内温度梯度小，合成的粉末不但粒度大，而且易团聚和烧结，这也是该合成纳米粉末的最大局限。 (2) 激光诱导CVD法 激光法与普通电阻炉加热法制备纳米粉末具有本质差别，这些差别主要表现为： ① 由于反应器壁是冷的，因此无潜在的污染， ② 原料气体分子直接或间接吸收激光光子能量后迅速进行反应， ③ 反应具有选择性， ④ 反应区条件可以精确地被控制， ⑤ 激光能量高度集中，反应区与周围环境之间温度梯度大，有利于生成核粒子快速凝结。 由于激光法具有上述技术优势，因此，采用激光法可以制备均匀、高纯、超细、粒度窄分布的各类粉末，可见激光法是制备纳米粉末的一种较好的方法。 采用此法可以制备出： 金属氧化物、碳化物、氮化物纳米粉末， 铁、镍、铝、钛、锆、铬、钼、钽等纳米金属粉末， 三氧化二铁、氧化镍、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化铬、三氧化钼等纳米氧化物粉末。 激光诱导CVD法合成纳米粉末的基本原理： 利用大功率激光器的激光束照射反应气体，反应气体通过对入射激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应气体分子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完成