化工專業(yè)-納米材料的概述及化工制備方法-文庫吧
2025-04-17 15:23 本頁面
【正文】 自 1991 年開始把納米技術(shù)列入“政府關(guān)鍵技術(shù)” ,我國的自然科學(xué)基金等各種項目和研究機構(gòu)都把納米材料和納米技術(shù)列為重點研究項目。由于納米材料的形貌和尺寸對其性能有著重要的影響 ,因此 ,納米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高級 納米結(jié)構(gòu)材料和納米器件的基本構(gòu)成單元(Bui1ding Blocks),納米顆粒的合成與組裝是納米科技的重要組成部分和基礎(chǔ)。 西安工業(yè)大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院（?？疲┊厴I(yè)設(shè)計論文 3 納米材料的概述及化工制備方法 1 納米材料的概述 及制備方法 納米材料的定義 納米級結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料 (nano material)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于 1 納米～ 100 納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo) 熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。 納米材料具有一定的獨特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由 10 微米降至 10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?1000 倍，但換算成體積時則將有 10的 9 次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。 納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。 就熔點來說 ，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，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(zhì)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進材料。 一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優(yōu)異的磁性材料。 納米粒子的粒徑（ 10 納米～ 100 納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下， 西安工業(yè)大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院（?？疲┊厴I(yè)設(shè)計論文 4 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面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測器材料。 納米技術(shù)在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。 納米材料的制備方法 機械法 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) ,使大晶粒變?yōu)樾【Я?,得到納米材料。 范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。 xiao 等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe18Cr9W 合金粉末。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。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料 ,應(yīng)用超重力技術(shù)制備粒徑 20nm— 80nm、粒度分布均勻的 ZnO 納米顆粒。 （ 1） 氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)法、深度塑性變 形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應(yīng)、等離子體、激光、 電子 束、電弧感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態(tài) ,然后在氣體介質(zhì)中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki 等在惰性氣體保護下 ,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體 ,粒徑在 30nm— 50 nm 范圍內(nèi)可控。魏勝用蒸發(fā)冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發(fā) ,使組分偏析最小 ,一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下 ,材料極大程度地發(fā)生塑性變形 ,而使尺寸細化到納米量級。有 文獻 報道 ,Φ82mm 的 Ge 在 6GPa 準(zhǔn)靜壓力作用后 ,再 西安工業(yè)大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院（?？疲┊厴I(yè)設(shè)計論文 5 經(jīng) 850℃ 熱處理 ,納米結(jié)構(gòu)開始形成 ,材料由粒徑 100nm的等軸晶組成 ,而溫度升至 900℃ 時 ,晶粒尺寸迅速增大至 400nm。 （ 2） 濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子 ,交換能量或動量 ,使得靶材料表面的原 子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變 ,化合物的成分不易發(fā)生變化。目前 ,濺射技術(shù)已經(jīng)得到了較大的 發(fā)展 ,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體 ,從而使原料溶液化合蒸發(fā) ,蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高 ,能制備難熔的金屬或化合物 ,產(chǎn)物純度高 ,在惰 性氣氛中 ,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。 以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法 ,這些制備方法基本不涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng) ,因此 ,在控制合成不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料時具有一定的局限性。 化學(xué)制備方法 （ 1） 溶膠 — 凝膠法的化學(xué)過程首先是將原料分散在溶劑中 ,然后經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體 ,活性單體進行聚合 ,開始成為溶膠 ,進而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。 Stephen 等利用高分子加成物 (由烷基金屬和含 N聚合物組成 )在溶液中與 H2S反應(yīng) ,生成的 ZnS顆粒粒度分布窄 ,且被均勻包覆于聚合物基體中 ,粒徑范圍 可控制在 2nm5nm之間。 Marcus Jones 等以 CdO 為原料 ,通過加入 Zn(CH3)2 和S[Si(
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