第七章 纳米材料制备.ppt

第七章 纳米材料的制备 第一节 纳米材料概述 纳米技术主要包括 纳米材料学、 纳米机械和工程学、纳米电子学和纳米生物学， 纳米材料学是基础，关键是纳米材料的制备。 纳米材料可分为两个层次： 纳米微粒 和 纳米固体， 纳米微粒指单个纳米尺寸的超微粒子，纳米微粒的集合体称为纳米超微粉。 纳米固体是由纳米微粒聚集而成，它包括三维的纳米块体、二维纳米薄膜和一维纳米线 微粒子按其粒径大小分类： 工程上 粒径＜0.5μm的粒子称为超微粒子， 物理学家 粒径＜10nm的粒子 纳米粒子或超微粒子。 纳米粒子是由数目较少的原子或分子形成，保持原有物质化学性质，而处于介稳态的原子或分子群组成，在热力学上是不稳定的，被视为一种新的物理状态。 纳米粒子是介于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。 与原子或分子的大小只差一个数量级，对它的深入研究将有助于人们直接探索原子或分子的奥秘。 当小粒子在(1—100nm)时，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。因而展现出许多特有的性质，在催化、光吸收、生物医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景， 纳米技术，纳米材料科学作为多学科交叉生长点和跨世纪“热点”研究领域。 由块状固体物质制成粉末－－－将固体粉碎，但常用的粉碎方法所得到的平均粒径难以小于0.1μm， 强化或某些化学、物理手段，才能获得纳米粒子。 固相法操作 比较简单、安全，但容易引入杂质，纯度低，容易使金属氧化，颗粒不均匀和形状难以控制。 一、低温粉碎法 某些脆性材料如 TiC、SiC、ZrB2等在液氨温度下（-196℃），进行粉碎制备纳米粒子。 此法的缺点是粉碎时杂质易于混入和难以控制粒子的形状，粒子也容易团聚，往往需要预先制成粗粉作为原料。这将不适应大多数应用的要求。 二、超声波粉碎法 将40μm的细粉装入盛有酒精的不锈钢容器内，使容器内压保持45×105Pa左右（气氛为氮气），以频率为19.4～20kHz、25kW的超声波进行粉碎。 该法操作简单安全，对脆性金属化合物比较有效，可以控制粒度为0.5μm的W、MoSi2、SiC、TiC、ZrC等超微粉。 三、机械合金化法（高能球磨法） 机械合金化法于1988年由日本京都大学的Shingn等人首先报导，并用此法制备出纳米Al-Fe合金，由于该法不需要昂贵设备，工艺简单，被认为有较好的工业前景，近年来发展较快，并已用这种方法制得多种纳米金属和合金。 该法的基本操作，以制备高熔点金属碳化物TaC、NbC、WC为例。用纯度优于99%的粉状石墨和粉状金属钽、铌或钨等，配成原子比为M50C50（M=Ta、Nb、W）的混合粉末，在氮气保护下置于容积为120mL的钢管中，选用WC球（φ12mm），球与粉的质量比为18:1，然后在行星或球蘑机上高能球磨，经过110h后得到粒径约为10nm的TaC、NbC或WC。 HEM法和传统方法不太相同，它靠磨机的转动或振动使介质对粉体进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把粉体粉碎成纳米级粒子。 HEM最早用于合金系统的研究，现在被广泛用于金属基、陶瓷基复合材料的制备以及晶体结构的研究。 存在问题和今后的研究方向： (1)产品粒度分布不均匀，易于引进杂质，粉料的分散和团聚问题； (2)磨机结构复杂，有许多易磨损部件，搅拌器和研磨介质的材质需作进一步的研究。 今后的研究方向：(1)粉磨机理：建立定量描述粉磨参数和产物关系工作原理的理论模型；(2)由HEM制得的纳米材料的结构及实用化；(3)机械能与化学能的转换机制及其相互关系。 传统上，新物质的生成、晶型转化或品格变形都是通过高温(热能)或化学变化来实现的。机械能直接参与或引发了化学反应是一种新思路。“机械力化学”提出已有二三十年了，但对它们的深入研究、尤其是对其本质的认识，还很不足。弄清这些问题，对新材料的制备将有很大帮助。 四、爆炸法 将金属或化合物与火药混在一起，放入容器内，经过高压电点火使之爆炸，在瞬间的高温高压下形成微粒。已报导制备出0.05～0.5μm的Cu、Mo、Ti、W、Fe-Ni超微粉末。 爆炸法合成金刚石是利用爆炸产生的高温、高压，使游离碳在该热力学条件下以稳定的金刚石相存在，然后骤冷至室温，使得金刚石以介稳态保存下来。 游离碳的来源有两种，一种是外加石墨到炸药中，在此条件下产生的金刚石粉绝大部分是聚晶，粒径分布在0.01～10μm之间。聚晶由纳米尺寸的单晶聚集而成； 另一种是使用负氧平衡炸药，利用炸药爆炸剩余碳作为游离碳，此时得到的金刚石是单晶和聚晶的混合物，平均粒径在4～10nm范围内。 设备简单，将炸药装好的雷管置于密闭钢质容器中心，容器内充以惰性气体如N2或CO2，点火