纳米材料的制备与加工技术

在纳米科学技术经历它的首次浪潮期间，国际以及国内的一些学者已经向世人证实了他们可以采用物理或化学的方法制造大量的纳米管、纳米线以及纳米团簇等。他们的这些努力都已经充分表明，纳米技术要想得到发展，纳米材料必须首先的到发展。我们都知道，当物质小到1—100nm时，由于量子效应，物质的局域性及巨大的表面效应，使物质的很多性质发生质变，呈现出很多既不同于宏观物体，也不同于孤立原子的奇异现象。这就给我们提供了一个用全新的方法来制造功能器件的基础。现在，纳米科学技术的第二次浪潮也已经来临，在这个新时期， 科学家和工程师需要展示人们对纳米结构的期待功能以及证实他们的进一步的潜力，拥有在纳米结构实际器件的尺寸、组份、有序和纯度上的良好控制能力将实现人们期望的功能。在本文中，我们将主要讨论目前纳米材料的的制备和加工技术以及关于它的一些应用的举例。

一、 纳米材料的制备与加工

纳米材料的制备方法主要包括物理法和化学法两大类。

（一）物理法：惰性气体冷凝法、溅射法、机械合金化成法、放电爆炸法、严重塑性变形法、等离子加热法等。

1、惰性气体冷凝法。惰性气体冷凝法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。其主要过程是在真空蒸发室内充入低压惰性气体，然后对蒸发源采用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，原料气体分子与惰性气体原子碰撞失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团簇，然后骤冷。该方法制备的纳米材料纯度高、工艺过程中无其它杂质污染、反应速度快、结晶组织好，但技术设备要求较高。

2、溅射法。溅射法是指利溅射技术，利用经加速的高能离子打到材料表面使材料蒸发，发射出中性电离的原子和原子团粒，形成奈米材料的一种常见的物理气相化学沉积方法。其可分为：（1）离子溅射（2）雷射侵蚀（3）等离子体溅射。溅射法的优点是它几乎可用於所有物质的蒸发，缺点是通常只產生少量的团粒，而团粒的强度随团粒尺寸的增大呈指数降低。溅射法最为有用的就是製奈米薄膜。直流和射频磁控溅射已成为功能奈米薄膜製备的标準方法。

3、机械合金化成法。机械合金化成法是美国INCO公司於20世纪60年代末发展起来的技术。它是一种用製备具有可控微结构的金属基或陶瓷基复合粉末的高能球磨技术：在乾的球型装料机内，在高真空氬气保护下，通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体间相互碰撞，对粉末粒子反覆进行熔结、断裂、再熔结的过程使晶粒不断细化，达到奈米尺寸。然后，奈米粉再採用热挤压等技术加压製得块状奈米材料。具有成本低，產量高，工艺简单易行，能批量生產，合金基体成分不受限制等特点。特别是在难熔金属的合金化、非平衡相的生成及开发特殊使用合金等方面显示出较强的活力，该法在国外已进入实用化阶段。该方法的缺点是能耗大，粒度不够细，粒径分布宽，易引入杂质等。

4、放电爆炸法。放电爆炸法(exploding method)是利用在高压电容器瞬间放电作用下的高能电脉衝，使金属丝蒸发、爆炸而形成的奈米粉体的方法。爆炸法的过程可分为：1金属丝受热，形成液相；2金属丝的蒸发；3在钨丝的电弧间形成电弧，进一步加热金属蒸气；4放电结束后，由通常的成核生长过程形成奈米微粒。

5、严重塑性变形法。材料在準静态压力的作用下发生严重塑性形变，从而将材料的晶粒细化到次微米或奈米量级。该方法与其他方法相比、具有适用范围宽、可製造大体积试样及试样无残留缩鬆(孔)等特点，可方便地利用扫描电镜详细研究其组织结构及晶粒中的非平衡边界层结构，特别有利於研究其组织与性能的关係等，并可採用多种变形方法製备界面清洁的奈米材料，是今后製备块体金属奈米材料很有潜力的一种方法。

6、等离子加热法。等离子体加热法又可分成几种方式，如等离子体火焰喷射法、等子体电弧作用下的熔池蒸发法、活性氢气氛作用下的活性等离子弧熔化法(又可称为氢电弧等离子体法)等。

（二）化学法：气相还原法、等离子化学气相沉积法、溶胶一凝胶法、沉淀法、微乳液法等。

1、化学气相还原法。化学气相反应法是指直接利用气体或通过各种手段将物质变为气体，让一种或数种气体通过热、光、电、磁和化学等的作用而发生热分解、还原或其他反应，从气相中析出奈米粒子，冷却后得到奈米粉体。化学气相反应法按激发源的不同又可分为等离子体导化学气相沉积、雷射诱导化学气相沉积、高温气相裂解法等。

2、等离子化学气相沉积法。等离子化学气相沉积法是在反应气体外部施加电场,产生异常辉光放电,使进入反应室内的气态变为等离子状态,即化学性能上表现为非常活泼的离子,原子团,激发态原子和分子等.这些化学性很强的粒子,可在大大低于化学气相沉积法成膜温度下进行化学反应生成薄膜.与化学气相沉积法相等离子化学气相沉积法温度低,在500度即可沉积出性能优良的薄膜.由于薄膜沉积之前对衬底表面的溅射清洗,以及在表面沉积过程中的粒子轰击效应,膜与衬底附着牢固,成膜致密,涂层性能优良

3、溶胶—凝胶法。溶胶-凝胶法是指一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)，在饱和条件下，经水解和缩聚等化学反应首先製得溶胶，继而将溶胶过程根据原料的种类可分有机金属醇盐法和无机盐法两种。 溶胶-凝胶法以其合成温度低、对反应系统工艺条件要求低、產品成分均匀、纯度较、可进行工业化生產等优点，在奈米材料合成与製备中有著十分重要的应用。

採用溶胶-凝胶法可製备奈米氧化物粉末、奈米薄膜和块体材料，其中製备奈米薄膜是此方法最有前途的应用。

4、沉淀法。沉淀法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是进行沉淀操作得到所需的氧化物颗粒。均匀沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时，不断搅拌，使沉淀剂在溶液裡缓慢生成，消除了沉淀剂的不均匀性。共沉淀法是在混合的金属盐溶液中添加沉淀剂，即得到几种组分均匀的溶液，再进行热分解。

5、微乳液法。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、聚结、团聚、热处理后得奈米粒子。油包水(W/O)微乳液中反相胶束中的水池或称液滴为奈米级空间，以此空间为反应场可以合成1~100nm的奈米微粒(简称奈粒)，因此最近将其称为反相胶束微反应器(reverse micelle nicroreactor)。反相胶束微反应器的适用面很广，可用来製备各种材质的催化剂、半导体等奈米微粒，如金属单质、合金、氧化物等无机化合物和有机聚合物。还可根据需要製得结晶粉体和非晶粉体。製备

的奈米粉体径分布窄，粒径可以很小，如何控制在10nm以下。

二、 纳米材料的应用

纳米纳米材料具有广阔的应用前景，它的应用领域包括化工、机械、生物工程、电子、航天、陶瓷等方面：

１、纳米材料用作催化剂。聚合型马来酰亚胺树脂材料在军工、民用行业得到广泛应用，它性能优良，被认为是最有发展前途的树脂基体。纳米ＴｉＯ２可作为Ｎ—苯基马来酰亚胺聚合反应的催化剂。

２、纳米材料可提高陶瓷塑性。纳米ＴｉＯ２与其它金属氧化物纳米晶一起可组成具有优良力学性能的各种新型复合陶瓷材料，在开发超塑性陶瓷材料方面具有诱人的前景。

３、纳米材料用作润滑油添加剂，可大大减轻摩擦件之间的磨损。把平均粒径小于１０ｎｍ的金刚石微粒（ＮＭＤ）均匀加入Ｃｕ１０Ｓｎ合金基体中，干滑动摩擦试验结果表明：在载荷７８Ｎ、滑动速率低于１.６ｍ／ｓ时，Ｃｕ１０Ｓｎ２ＮＭＤ复合材料的摩擦因数稳定在０.１９左右，远低于基体Ｃｕ１０Ｓｎ合金（μ＝０.３１～０.３８）。而且Ｃｕ１０Ｓｎ合金在摩擦过程中产生较大的噪音，摩擦过程不平稳，而Ｃｕ１０Ｓｎ２ＮＭＤ复合材料摩擦过程非常平稳，噪音很低，并且在摩擦副的表面形成了部分连续的固体润滑膜。

４、纳米材料用于生物传感器。葡萄糖生物传感器在临床医学、食品工业等方面都有重要的用途。将金、银、铜等纳米颗粒引入葡萄糖氧化酶膜层中，由此制得的生物传感器体积小，电极响应快、灵敏度高。

５、纳米材料应用于磁性材料中，可制备出高效电子元件和高密度信息贮存器。

推荐访问： 制备 纳米材料 加工 技术