納米材料的制備方法

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1、納米材料的制備方法一、前言納米材料和納米科技被廣泛認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新型材料和科技領(lǐng)域之一。早在二十世紀(jì)60年代，英國化學(xué)家Thomas就使用“膠體”來描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。納米材料是指任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體以及界面層結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)粒子尺寸小至納米級時，其本身將具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，這些效應(yīng)使得納米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制備了碳納米管以來，一維納米材料由于具有許多獨特的性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景而引起了人們的廣泛關(guān)注。納米結(jié)構(gòu)無機材料因具有特殊的電、光、機

2、械和熱性質(zhì)而受到人們越來越多的重視。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)

3、制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個數(shù)量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個數(shù)量級，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。二、納米材料的制備方法（一）、機械法20機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術(shù)。機械球磨法無需從外部供給熱能，通過球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應(yīng)，使大晶

4、粒變?yōu)樾【Я?，得到納米材料。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉，尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術(shù)利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當(dāng)于重力加速度上百倍的離心加速度，使相間傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加強，從而制備納米材料。機械力化學(xué)方法制備納米材料的基本原理是利用機械能來誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)和誘導(dǎo)材料組織、結(jié)構(gòu)和性能變化，以此來達(dá)到制備納米材料的目的。一般來說，有固相參加的多相化學(xué)反應(yīng)過程是反應(yīng)劑之間達(dá)到原子級別結(jié)合、克服反應(yīng)勢壘而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程，其特點是反應(yīng)劑之間有界面存在。影響反應(yīng)速度的因素有反應(yīng)過程的自由能變化、溫度、界面特性、擴散

5、速度和擴散層厚度等。粉末顆粒在高能球磨過程中機械力化學(xué)作用使晶格點陣排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，發(fā)生晶格畸變。粉末顆粒被強烈塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，顆粒內(nèi)產(chǎn)生大量的缺陷，顆粒非晶化。這顯著降低了元素的擴散激活能，使得組元間在室溫下可顯著進(jìn)行原子或離子擴散；顆粒不斷冷焊、斷裂和組織細(xì)化，形成了無數(shù)的擴散/反應(yīng)偶，同時擴散距離也大大縮短。應(yīng)力、應(yīng)變、缺陷和大量納米晶界、相界的產(chǎn)生，使系統(tǒng)儲能很高(達(dá)十幾kJ/mol)，粉末活性大大提高，甚至產(chǎn)生多相化學(xué)反應(yīng)，從而成功合成新物質(zhì)。評論：機械力化學(xué)法在制備納米陶瓷材料和納米復(fù)合材料方面有了較大的發(fā)展，不僅能夠制備出尺寸較均勻的納

6、米材料，同時對機械力化學(xué)法機理和過程的研究也有了進(jìn)一步的發(fā)展。此外，機械力化學(xué)法在制備其他納米材料的應(yīng)用上也有新的突破，再加上其具有工藝簡單，成本低，易于實現(xiàn)工業(yè)化的特點，足以說明它已成為制備納米材料的一種重要方法并具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，機械力化學(xué)法理論提出了已有幾十年，但對它的機理研究和本質(zhì)的認(rèn)識還有待進(jìn)一步深入，以及在機械力化學(xué)法制備的納米粉體粒度均勻性、粉料分散和團(tuán)聚問題以及能耗大、粉體易被污染等問題上需要進(jìn)一步的研究和探討。（二）氣相法20化學(xué)氣相沉積是迄今為止氣相法制備納米材料應(yīng)用最為廣泛的方法，該方法是在一個加熱的襯底上，通過一種或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)

7、元素反應(yīng)形成納米材料的過程。它利用揮發(fā)性的金屬化合物的蒸發(fā)，通過化學(xué)反應(yīng)生成所需化合物在保護(hù)氣體環(huán)境下快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米微粒?；瘜W(xué)氣相沉積法制備納米碳材料的原理是碳?xì)浠衔镌谳^低溫度下與金屬納米顆粒接觸時通過其催化作用而直接生成?；瘜W(xué)氣相沉積法制備碳納米管的工藝是基于氣相生長碳纖維的制備工藝。在研究氣相生長碳纖維早期工作中就己經(jīng)發(fā)現(xiàn)有直徑很細(xì)的空心管狀碳纖維，但遺憾的是沒有對其進(jìn)行更詳細(xì)的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有納米級碳管存在，才開始真正的