纳米材料的制备方法及其应用

主要讲述纳米材料的制备方法及其应用等内容。一、纳米粉末的制备方法（一）纳米粉末的物理制备方法（二）纳米粉末的化学制备方法二、纳米固体（块体、膜）的制备方法三、纳米材料的应用上次课的主要内容主要讲述纳米材料的制备方法及其应用等内容。一、纳米粉末的制备方法（一）纳米粉末的物理制备方法（二）纳米粉末的化学制备方法（三）纳米粉体的团聚问题和表面修饰二、纳米固体（块体、膜）的制备方法三、纳米材料的应用本次课的主要内容（1）按反应物状态可分为干法和湿法（2）按反应介质可分为固相法、液相法、气相法（3）按反应类型可分为物理法和化学法纳米材料包括纳米粉末和纳米固体两个层次。纳米固体是用粉末冶金工艺以纳米粉末为原料，经过成形和饶结制成的。一、纳米粉末的制备方法（一）、纳米粉末的物理制备法主要有：蒸发-冷凝法、机械合金化法、物理粉碎法、气相冷凝法等。这种方法又称为物理气相沉积法(PVD)，是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。该方法的特点：纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。根据加热源的不同，该方法又分为7种。1、蒸发-冷凝法其原理是对蒸发物质进行真空加热蒸发，然后在高纯度惰性气体(Ar，He)中冷凝形成超细微粒。该方法仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，是目前制备纳米金属粉末的主要方法。如1984年Gleiter教授首次用惰性气体冷凝和原位加压成形，研制成功了Fe、Pd、Cu等纳米金属材料。但该方法在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米粉末时还存在局限性。（1）真空蒸发—冷凝法是利用高压气体雾化器将－20~40C的氦气和氩气以超音速射入熔融材料的液流内，熔体被破碎成极细颗粒的射流，然后急剧骤冷而得到超微粒。（2）高压气体雾化法以激光为快速加热源，使气相反应物分子内部很快地吸收和传递能量，在瞬间完成气相反应的成核、长大和终止。但由于激光器的出粉效率低，电能消耗较大，投资大，故该方法难以实现规模化生产。（3）激光加热蒸发法是以高频线圈为热源，使坩埚内的物质在低压(1～20kPa)的He、N2等惰性气体中蒸发，蒸发后的金属原子与惰性气体分子相碰撞冷却凝聚成微粒。图高频感应加热法制备纳米微粒的实验装置该方法不适于高沸点的金属和难熔化合物，且成本较高。（4）高频感应加热法用等离子体将金属、化合物原料熔融、蒸发和冷凝，从而获得纳米微粒。该方法制得的纳米粉末纯度高、粒度均匀，且适于高熔点金属、金属氧化物、碳化物、氮化物等。图等离子体加热法制备纳米微粒的实验装置但离子枪寿命短、功率低、热效率低。（5）等离子体法是利用高能电子束照射母材(一般为金属氧化物如Al2O3等)，表层的金属-氧(如Al-O键)被高能电子“切断”，蒸发的金属原子通过瞬间冷凝、成核、长大，最后形成纳米金属(如Al)粉末。目前该方法仅限于获得纳米金属粉末。（6）电子束照射法图电阻加热制备纳米微粒的实验装置图（7）电阻加热法激光加热蒸发制纳米颗粒是典型的固相法。该法是将待制备的材料，置于特制的球磨机内，在高真空氩气保护下，通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对粉末粒子反复进行熔结、断裂、再熔解的过程使晶粒不断细化，达到纳米尺寸。2、机械合金法该方法工艺简单、制备效率高，能制备出用常规方法难以获得的高熔点金属和合金、金属间化合物、金属陶瓷等纳米粉末。如1988年日本Shing等人首次利用机械与金属制备10nm的Al-Fe合金粉末。但是，该方法在制备过程中易引入杂质，粉末纯度不高、颗粒分布也不均匀。通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点是操纵操作简单、成本低。但产品纯度低、颗粒分布不均匀。3、物理粉碎法4、溅射法利用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气（40～250Pa），两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kv。由于两电极间的辉光放电使Ar电离成离子，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子并在附着面上沉积下来。但产量较低、颗粒分布不均匀。图溅射法原理图5、放电爆炸法（ExplodingMethod）利用经在高压电容器瞬间放电作用下的高能电脉冲，使金属丝蒸发、爆炸而形成纳米粉体的方法。可制备W、Mo等金属粉末，也可在通氧气的条件下制备A12O3、TiO2等氧化物粉体。热蒸镀法制备的纳米Si粒子在GaSb基板以自组成法制成的粒子（二）、纳米粉末的化学制备法主要有：化学沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、溶液热反应法（水热法，非水溶液热合成）、溶液蒸发法、溶液还原法、电化学法、光化学合成法、超声合成法、辐射合成法、模板合成法、有序组装技术、化学气相反应法（包括激光诱导化学沉积（LICVD）、等离子体诱导化学气相沉积（PICVD）、热化学气相沉积等)、火焰水解法、超临界流体技术、熔融法等。它是将沉淀剂（OH－、CO32－、SO42－等）加入到金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥、煅烧，就制得纳米级化合物粉末，是典型的液相法。主要用于制备纳米级金属氧化物粉末。它又包括均相沉淀法和共沉淀法。是液相化学合成高纯纳米粉末应用最广的方法之一。如何控制粉末的成分均匀性及防止形成硬团聚是该方法的关键问题。溶胶—凝胶法1、沉淀法均相沉淀法一般的沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢地增加，则可使溶液中的沉淀反应处于平衡状态，且沉淀可在整个溶液中均匀地出现，这种沉淀法称为均相沉淀法。例如施剑林采用尿素作为均相沉淀剂，使之在70C左右发生分解形成氨水沉淀剂，通过均相沉淀法制备ZrO2（氧化锆）-Y2O3纳米粉末。共沉淀法是将沉淀剂加入混合金属盐溶液中，使各组分混合均匀地沉淀，再将沉淀物过滤，干燥，煅烧，即得纳米粉末。如以ZrOCl2·8H2O和YCl3为起始原料，用过量氨水作沉淀剂，采用化学共沉法制备ZrO2-Y2O3纳米粉末。为了防止形成硬团聚，一般还采用冷冻干燥或共沸蒸馏对前驱物进行脱水处理。基本原理：以易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)为原料，使之在某种溶剂中与水发生反应，在饱和条件下，经过水解和缩聚等化学反应首先制得溶胶，继而将溶胶转为凝胶，再经干燥和煅烧到所需氧化物纳米粉末。从溶胶凝胶粉末，组分的均匀性和分散性基本上得到保留以保留；加之煅烧温度低，因此，所得粉末的粒度一般为几十个纳米。此外，溶胶－凝胶法也是制备薄膜和涂层的有效方法。2、溶胶－凝胶法(Sol－Gel)是指原料以气体方式在气相中发生化学反应形成化合物微粒。普通CVD法获得的粉末一般较粗，颗粒存在再团聚和烧结现象。而等离子体增强的化学气相沉积法是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区与其周围环境形成的巨大温度梯度，通过急冷获得纳米微粒。如日本的新原皓一应用此法制备了Si3N4／SiC纳米复合粉末。利用该方法制得的粉末粒度可控，粒度分布均匀，无团聚，但成本较高，不适合工业化大规模生产。3、化学气相沉积法(CVD)4、激光合成法激光化学气相沉积CVD法制备碳纳米管的SEM形貌两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下会形成微乳液，在微泡中经成核、聚晶、团聚、热处理后得纳米粒子。特点：所得粒子的单分散和界面性好，II～VI族半导体纳米粒子多用此法制备。5、微乳液法包括在水溶液中进行的水热法和非水溶液热合成技术。水热法：在高温高压的水溶液中，即在水解条件下加速离子反应和促进水解反应，而进行制备无机纳米粉末的方法。水热法根据水热化学反应的类型又可分为氧化、还原、沉淀、分解、结晶、合成等。特点：可制备物相均匀、纯度高、晶型好、单分散、形状及尺寸可控的纳米微粒。适合于纳米金属氧化物和金属金属复合氧化物陶瓷粉末的制备。6、溶液热反应法我国科学家用苯热法制备了纳米氮化镓。在高压釜中用中温（70C）催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的《科学》杂志上。班产公斤级纳米金属微粉装置双腔体电爆炸制备纳米金属微粉装置1、纳米粉体的团聚问题Why?a.比表面积大b.表面原子数比大（三）纳米粉体的团聚问题和表面修饰2、纳米微粒的表面修饰（改性）的目的①改善或改变纳米粒子的分散性；②提高微粒表面活性；③使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能；④改善纳米粒子与其他物质之间的相容性。3、纳米粉体的表面修饰原理和方法原理：依靠改性剂在微粒表面的吸附、反应、包覆或成膜按工艺可分为六类：（1）表面覆盖修饰利用表面活性剂使高分子化合物、无机物、有机物等新物质覆盖于微粒体表面，以达到表面改性的目的。（2）局部化学修饰利用化学反应赋予粒子表面新的功能基，使其产生新的机能。（3）机械化学修饰通过粉碎、磨碎、摩擦等方法增强粒子的表面活性，这种活性使分子晶格发生位移，内能增大，从而使粒子温度升高、熔解或热分解，在机械力或磁力作用下活性的微粒体表面与其他物质发生反应、附着，达到表面改性的目的。（4）外膜层修饰(胶囊式)在粒子表面包上—层其他物质的膜，使粒子表面特性发生改变。与（1）不同的是，包上的这层膜是均匀的。（5）高能量表面修饰利用电晕放电、紫外线、等离子束射线等对粒子进行表面改性。（6）利用沉淀反应进行表面修饰这是目前工业上用得最多的方法。按原理分：（1）物理修饰通过范德华力将异质材料吸附在微粒的表面。如煤油基磁流体纳米TiO2粒子表面包覆Al2O3；TiO2包覆层的ZnFeO3（溶胶法）（2）化学修饰微粒表面与处理剂之间化学反应，改变纳米微粒表面结构和状态a.偶联剂法；b.酯化反应法；c.表面接枝改性法a.偶联剂法偶联剂是具有两性结构的物质，按其化学结构可分为硅烷类、钛酸酯类、锆铝酸盐及络合物等几种。其分子中的一部分基团与纳米微粒表面的各种官能团反应，形成化合建，另一部分基团与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠结，从而将两种性质差异很大的材料牢固地结合起来。如使无机纳米微粒能均匀地分散于有机高聚物分子之间，产生具有特殊功能的“分子桥”。b.酯化反应法金属氧化物与醇的反应称为酯化反应，利用这种方法可以使纳米微粒由原来的亲水性变成亲油性的表面。这种方法对SiO2、Fe2O3、Al2O3、Fe3O4、ZnO和Mn2O3等最为有效。c.表面接枝改性法通过化学反应将高分子的链接到无机纳米微粒表面上，以充分发挥无机纳米粒子与高分子各自的优点，制备出具有新功能的纳米微粒。