奈米材料的製備方法

2021-03-04 09:56:57 字數 3294 閱讀 1986

就熔點來說,奈米粉末中由於每一粒子組成原子少,表面原子處於不安定狀態,使其表面晶格震動的振幅較大,所以具有較高的表面能量,造成超微粒子特有的熱性質,也就是造成熔點下降,同時奈米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結,而成為良好的燒結促進材料。

奈米粒子的粒徑(10奈米~100奈米)小於光波的長,因此將與入射光產生複雜的互動作用。金屬在適當的蒸發沉積條件下,可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子,稱為金屬黑,這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤麵成強烈對比。奈米材料因其光吸收率大的特色,可應用於紅外線感測器材料。

奈米材料大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米膜、奈米塊體等四類。其中奈米粉末開發時間最長、技術最為成熟,是生產其他三類產品的基礎。

奈米粉末

又稱為超微粉或超細粉,一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒,是一種介於原子、分子與巨集觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於:高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶元導熱基片與佈線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用於陶瓷發動機等);人體修復材料;抗癌製劑等。

奈米纖維

指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於:微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料;新型雷射或發光二極體材料等。

奈米膜  奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起,中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為奈米級的薄膜。

可用於:氣體催化(如汽車尾氣處理)材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。

奈米塊體: 是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途為:超高強度材料;智慧型金屬材料等。

製備方法總結如下

均相沉澱法均相沉澱法是製備奈米顆粒材料的經典方法,其原理是在包含一種或多種金屬離子的可溶性鹽溶液中,加入沉澱劑(oh-、co32 等)使其與金屬離子形成難溶物質而析出,然後經熱解或脫水得到奈米顆粒材料。用此方法可向具有氧化性的可溶性金屬鹽溶液中加入還原劑使金屬離子還原為單質而析出,用於製備金、銀、銅等活潑性較差的金屬單質奈米顆粒。如果在金屬離子還原之前,在溶液中引入能夠選擇性吸附金屬離子的奈米顆粒種子,然後再進行還原,則可以製備具有核-殼(core-shell)結構的復合奈米材料。

利用均相沉澱還可以將奈米顆粒材料沉積到固體材料表面,從而使固態材料獲得某種或某些特殊效能例如將奈米銀還原到了纖維材料表面可得到具有抗菌活性的功能纖維。用這種方法要得到單分散奈米顆粒材料還需進行大量摸索,有時侯還需要借助一些特殊裝置。

溶膠-凝膠法(sol-gel)這種方法是將金屬醇鹽或無機鹽經水解或解凝形成溶膠,然後使溶質聚合凝膠化,再將凝膠乾燥、焙燒,得到無機奈米材料。此過程可分為溶膠的製備、溶膠-凝膠的轉化及凝膠的乾燥等三個階段。由此法所制得的膠體顆粒具有燒結溫度低、乾燥時收縮效能好、化學均勻性好、純度高、顆粒小等特點,並且可容納不溶性或不沉澱組分。

已為大多數科學工作者所熟悉,而且在工業上也獲得了比較廣泛的應用。例如此法常常被用來製備鈦酸鋇、鈷藍、氧化鋅、碳酸鍶,電子材料、發光材料或陶瓷材料等。

超臨界流體法超臨界抽提法和超臨界流體快速膨脹法是超臨界流體法製備奈米材料的兩個主要途徑。由於在超臨界狀態時不存在氣-液介面,在此狀態下除去溶劑的過程不需要考慮表面張力或毛細作用的影響,因而很容易制得具有多孔結構、高比表面的金屬氧化物或金屬氫氧化物奈米顆粒。用此法制得的微球比表面積較高,是優良的催化劑載體和吸附劑。

超臨界流體快速膨脹法是利用超臨界狀態下流體良好的溶解性質,讓其迅速膨脹而使得它的溶解能力降低,從而析出溶質微粒的方法。在此過程中可通過控制溶質濃度和操作溫度等因素來控制微粒的大小。

噴霧法這是一種化學與物理原理相結合的方法。這種方法在操作上是利用各種物理手段

將包含所要製備材料成分的溶液霧化,然後送入特定裝置中進行化學反應並獲得奈米顆粒的方法。基本過程包括溶液的製備、噴霧、乾燥、收集和熱處理等其最大特點是產物顆粒大小均一。依據霧化過程的不同可分為噴霧乾燥法、霧化水解法、霧化焙燒法及等離子體噴霧法等。

噴霧乾燥法是經霧化、乾燥、焙燒後得到奈米粒子的過程。霧化水解法是先經水解形成氫氧化物,然後再培燒得到氧化物奈米顆粒的過程。這種方法所得微粒純度高,粒徑分布均勻,尺寸可控。

霧化焙燒法是將金屬鹽由窄小的噴嘴噴出而霧化成小液滴,此液滴熱解為奈米顆粒的方法。為了制得含雜質少,純度高的奈米顆粒,利用等離子體可產生高溫的特點將欲製備物質的溶液由等離子體噴嘴噴出,然後驟冷而得到奈米顆粒的方法被稱之為等離子體法。

氣體冷凝法在超高真空室中使原物質(如離子型化合物以及易昇華的過渡金屬氧化物等)在純淨的惰性氣體中加熱蒸發為煙霧,原物質煙霧與惰性氣體處於對流狀態而發生碰撞並迅速損失能量而冷卻,從而使得原物質蒸汽局域過飽和而均勻成核,形成粒徑分布單一的奈米顆粒材料。在整個製備過程中,惰性氣體的氣壓,蒸發速率等因素都是影響微粒大小的重要因素。

化學氣相沉積法將原物質在特定溫度、壓力下蒸發到固體表面使其發生固體表面

化學反應,形成奈米沉積物。這種方法發展相對較早,是一種相當成熟的方法。它製得的微粒大小可控,粒度均勻,無粘結,已經具有規模生產價值。

近年來,人們將cvd 與其他物理技術成功結合,發展起了等離子體氣相沉積法、雷射誘導化學氣相沉積法(licvd)、高頻氣相沉積法(hfcvd)等,這些新型奈米材料製備技術的出現,使得化學氣相沉積法適應範圍更大,可以製備的奈米材料型別更多,材料的效能也更加優越。

化學氣相凝聚法這種方法是利用高純惰性氣體為載體,將原物質(一般指過渡金

屬先驅物)帶入溫度、壓力一定的爐內,使其熱解形成團簇,進一步凝聚為奈米粒子的過程。為了使產物粒度分布範圍更窄,人們對此方法作了進一步改造,發展起了燃燒火焰-化學氣相凝聚法(cf-cvc),即將鉬絲爐改換為平面火焰燃燒器,使得原料粒子均經歷相同的時間和溫度作用,從而得到粒徑分布更窄、效能更為優越的奈米顆粒材料。

真空蒸鍍法真空蒸鍍法的原理是在真空條件下將原料蒸發,然後使之凝結而形成奈米粒子的過程。這一方法可以獲得純度較高的產品,但是粒徑大小難以控制,而且所得的粒子易於團聚。為了改善產品質量,將此過程改在流動液面上進行,使得粒子生成在油膜的表面上,從而獲得粒徑均勻,尺寸可控的奈米粒子。

氣相奈米顆粒製備方法還有濺射法、電加熱蒸發法、混合等離子體法、**絲法等等。

高能球磨法這種方法利用球磨機的轉動或振動對原材料進行猛烈的撞擊、研磨和攪拌使得原始物料粉碎為奈米顆粒,由於簡單、易行、成本小、產量高,因此很快獲得工業應用。製備其他方難以得到的高熔點金屬或合金奈米材料,不過,這種方法的缺點也十分突出,例如產品粒度不均勻,

球磨過程易於引入雜質。

超微氣流粉碎法[23] 這種方法發展較早,已經比較成熟。它的原理是利用氣流使顆粒之間發生撞擊、研磨而將其破碎得到較小顆粒。用此法製備的微粒具有單分散性好、形狀比較規則、而且純度比較高,在材料、醫藥、化工等領域得到了廣泛應用。

最近還發展起了噴射式氣流粉碎法、扁平式氣流粉碎法、迴圈管式氣流粉碎法等。

奈米材料的製備方法的研究

一 前言 奈米材料指的是具有奈米量級 1 100 nm 的晶態或非晶態超微粒構成的固體物質。奈米材料真正納入材料科學殿堂應是德國科學家gleiter 等於1984年首用惰性氣體凝聚法成功地製備了鐵奈米微粒,並以它作為結構單元製成奈米塊體材料。由於奈米材料具有顯然不同於體材料和單個分子的獨特效能 表面...

奈米材料製備

1.1 奈米材料的定義 奈米材料是指在三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍 1 100nm 或由它們作為基本單元構成的材料,這大約相當於10 100個原子緊密排列在一起的尺度。1.2 奈米材料的製備 1.2.1 水熱法 此法指在特製密閉的反應容器中,採用水溶液作為反應體系,通過對反應體系加熱產生高壓...

製備奈米材料的物理方法和化學方法

化學氣相沉積 cvd 是迄今為止氣相法製備奈米材料應用最為廣泛的方法,該方法是在乙個加熱的襯底上,通過一種或幾種氣態元素或化合物產生的化學元素反應形成奈米材料的過程,該方法主要可分成熱分解反應沉積和化學反應沉積。該法具有均勻性好,可對整個基體進行沉積等優點。其缺點是襯底溫度高。隨著其它相關技術的發展...