直接晶化法制备块状纳米材料的探索──Ⅰ脉冲电流作用下无序金属介质的成核理论
三维块体纳米材料的制备方法 幻灯片讲解
1.1.8 原位加压成形烧结
原位加压成形烧结法是指纳米粉末制备、 成形、烧结在一个设备中连续完成的一种制 备纳米陶瓷的方法。
1.1.9 烧结——煅压法
烧结——煅压法是一种对粉体素胚同时 施加高温和压力，使其发生连续致密和变形 的烧结方法。
1.1.10
快速无压烧结
快速无压烧结的基本原理就是使用最快的 加热速率加热陶瓷粉体素胚，尽快避开低温 状态所发生的表面扩散。
1.3.1 高能超声—铸造工艺
高能超声波在熔体介质中会产生周期性的应力 和声压，并由此会导致许多非线性效应，如声空化 和声流效应等。高能超声的这些效应可在数十秒内 显著改善微细颗粒与熔体的润湿性，并迫使其在熔 体中均匀分散。
1.3.2 机械合金化—放电等离子烧结 工艺
该工艺包括两个过程：①通过机械合金化（MA） 获得纳米晶粉末；②采用放电等离子烧结（SPS） 工艺，将纳米晶粉末固化成高致密度的块体纳米复 合材料。 基本原理：通过一对电极板在粉体间施加直流 脉动电流，引起粉末间产生放电等离子体、放电冲 击压力、焦耳热和电场扩散等综合作用，并在伴随 的加压作用下，实现对粉末的低温（<1000℃）、 短时（<10min）和高效（致密度>98%）的烧结。
制备方法
该方法是先将制备出的粉末预压成块状试样(素 坯),然后 在六面顶压机上进行高压实验,加压至数吉 帕后升温,保温保压 一定时间。此过程主要是通过 高压来抑制原子的长程扩散和 晶体的生长速度,从 而实现晶粒的纳米化,然后再在高温下固相 淬火,以 保留高温高压状态下的组织形态。 高压对晶体单胞的压缩在一定程度 上改变了晶 体中原子之间的键长和键角,引起能带结构的相应 变化,从而导致了电子结构相变的发生。高温可以使 晶粒长 大,而高压使晶粒碎化。
纳米材料的制备方法及其原理
注意：对于金属材料，电磁场不能透入内部而 是被反射出来，所以金属材料不能吸收微波。 小块金属会发出电火花，注意安全！！！ 水是吸收微波最好的介质，所以凡含水的物质 必定吸收微波。 特点：加热速度快；均匀加热；节能高效；易 于控制；选择性加热。
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6) 电弧加热
在两个电极间加一电压，当电源提供较大功率的电能时， 若极间电压不高(约几十伏)，两极间气体或金属蒸气中可 持续通过较强的电流(几安至几十安)，并发出强烈的光辉， 产生高温(几千至上万度)，这就是电弧放电。 电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。 电弧放电可分为 3个区域：
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化学法：利用大功率激光器的激光束照射于反应 物，反应物分子或原子对入射激光光子的强吸收， 在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应分 子或原子获得化学反应所需要的温度后，迅速完 成反应、成核凝聚、生长等过程，从而制得相应 物质的纳米微粒。
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• 激光加热蒸发法制备纳米粒子的优点：
❖ 我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方面取 得了国际水平的创新成果，已形成一些具有物色的研究集体和 研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席之地。在纳米制 备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快。
纳米材料的制备
纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要研究课题，新材 料制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的 影响。在所有纳米材料的制备方法中，最终目的是所制得的纳米颗粒具 有均一的大小和形状。理论上，任何能够制备出无定型超微粒子和精细 结晶的方法都可以用来制备纳米材料。如果涉及了相转移（例如，气相 到固相），则要采取增加成核以及降低在形成产品相过程中颗粒的增长 速率的步骤，从而获得纳米颗粒。一旦形成了纳米颗粒，则要防止其团 聚和聚结。此外，许多方法合成制备出的纳米材料都是结构松散、易团 聚的纳米超细微粒，这样只可得到纳米粉体。如果要获得纳米固体材料， 须将纳米颗粒压实才可得到致密的块材。因此，材料的压制工艺也是纳 米制备技术的重要部分。
纳米材料的制备
纳米材料的制备摘要：纳米材料是指颗粒尺寸在1～100 nm的超细材料,由于其晶粒小,比表面积大 ,这就使其产生了块状材料所不具有的量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等。
表现在纳米体系的光、热、电、磁等性质与常规材料不同,从而在工程材料、磁性材料、催化剂、计算机等方面有着广泛的应用。
在众多的纳米材料的研究与应用中,纳米材料的制备是基础。
本论文从物理制备方法和化学制备方法来阐述纳米材料的一些制备方法，对纳米材料的制备作一些简单的介绍。
相信随着科学研究的不断深入,会有更好更多的新制备方法出现,以满足人们的需要,纳米材料的应用会越来越广泛。
关键词: 纳米材料；球磨法；气体冷凝法；溅射法；化学沉淀法；溶胶—凝胶法纳米材料一般指尺寸从1nm到100nm之间 ,处于原子团族和宏观物体交接区域内的粒子。
纳米材料具有宏观材料所不具有的特殊性质，即所谓的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等。
纳米材料包括纳米粉体、纳米纤维、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构材料等，它们的制备方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工艺上有显著的差异。
纳米材料的制备方法很多，目前尚无科学的分类方法。
如果按照反应类型分可分为物理方法和化学方法；如果根据反应介质可分为固相法、液相法及气相法；如果按反应物状态可分为干法和湿法等。
分类方法不同，研究问题的侧重点就不同。
为了更明了地阐述纳米材料制备过程的物理和化学机理，本论文按照物理方法和化学方法的分类来阐述纳米材料的一些制备方法。
[1]1、物理法制备纳米材料1.1 球磨法球磨法是利用介质和物料之间的相互研磨和冲击使物料粒子粉碎。
球磨法最早用于制备氧化物分散增强的超合金，目前，此技术已扩展到生产各种非平衡结构，包括纳米晶、非晶和准晶材料。
现应用于不同目的的球磨方法包括振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨等。
球磨法工艺示意图如图1所示。
在一个密封的容器内掺有直径约50μm粒子的粉体，其中有许多硬钢球或包覆碳化钨的球。
纳米块体材料的制备
03
CATALOGUE
纳米块体材料的形貌控制
形貌的影响因素
01
02
03
原料性质
原料的纯度、颗粒大小和 结晶度等性质直接影响纳 米块体材料的形貌。
反应条件
反应温度、压力、气氛、 浓度等条件对纳米块体材 料的形貌有显著影响。
生长基质
生长基质的性质和结构对 纳米块体材料的形貌起到 调控作用。
形貌控制的方法
纳米块体材料的制 备
目录
• 引言 • 纳米块体材料的制备方法 • 纳米块体材料的形貌控制 • 纳米块体材料的性能表征 • 应用与展望
01
CATALOGUE
引言
纳米科技简介
纳米科技是指在纳米尺度（1-100纳 米）上研究物质特性和制造具有特定 功能的新材料、新器件的科学技术。
纳米科技涉及多个学科领域，包括物 理学、化学、生物学等，是当前科技 领域的重要发展方向之一。
化学法
化学气相沉积法
01
利用气态物质在加热或等离子体状态下发生化学反应，生成固
态物质沉积在基材表面，形成纳米块体材料。
溶胶-凝胶法
02
通过溶液中的溶胶发生聚合反应形成凝胶，再经过干燥和热处
理等工艺制备出纳米块体材料。
微乳液法
03
利用微乳液作为反应介质，通过控制反应条件使原料在微乳液
中发生纳米尺度上的化学反应，制备出纳米块体材料。
1 2
机械研磨法
通过高能球磨或振动球磨等机械研磨方式，将原 料研磨成纳米级粉末，再经过压制和烧结等工艺 制备成纳米块体材料。
电子束蒸发法
利用高能电子束蒸发原料，使原料在蒸发过程中 发生快速冷却和固化，制备出纳米块体材料。
3
激光脉冲法
纳米晶体的制备方法及应用研究
纳米晶体的制备方法及应用研究，一个重要的应用是光催化二氧化碳还原。
以下是具体的纳米晶体的制备方法及应用。
一种制备纳米晶体材料的方法包括以下步骤：1. 化学气相沉积(CVD)法：在基底上生长纳米晶体材料。
这种方法能够控制生长出单一晶体结构的材料，具有很高的结晶质量和纯度。
但是，这种方法需要在真空环境下进行，成本较高。
2. 溶胶-凝胶法：将金属有机物或无机物化合物加热，从而得到纳米晶体材料。
这种方法设备简单，操作方便，能够制备出较大尺寸的纳米材料。
3. 水热合成法：这种方法是在高温高压条件下，在水中合成出纳米晶体材料。
这种方法可以在常温常压下进行，成本较低。
4. 微乳液法：这种方法是在微乳液中合成纳米晶体材料，微乳液是由油相、水相和表面活性剂组成的。
这种方法能够控制纳米晶体的尺寸和形状。
5. 模板法：这种方法是通过模板的生长机理来合成纳米晶体材料，模板可以提供生长所需的形状和尺寸。
6. 蒸发辅助金属有机框架(MOF)合成法：这种方法是在高真空下，利用MOF的独特性质，直接在基底上合成纳米晶体材料。
这种方法能够在室温常压下进行，而且产物纯度高。
在以上方法中，MOF法是一种新型的纳米晶体材料的制备方法，它具有许多优点，如高比表面积、多孔性、稳定性好、易功能化等。
同时，MOFs可以用来存储气体分子，如二氧化碳，因此，在光催化二氧化碳还原领域具有很大的应用潜力。
总之，纳米晶体的制备方法多种多样，每种方法都有其独特的优点和局限性。
在选择合适的制备方法时，我们需要考虑实验条件、成本、产物的性质等因素。
而随着科技的发展，相信未来将会有更多更先进的纳米晶体制备方法出现。
纳米材料的制备方法及其原理
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气相成核机制：
1) 蒸气的异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子等 杂质或固体上的台阶等缺陷成核中心，进行微粒的形 核及长大。 2) 蒸气的均相成核：无任何外来杂质或缺陷的参与，过
饱和蒸气中的原子因相互碰撞而失去动力，由于在局
军事需要而开展了“沉烟试验”，但受到实验水平和条件限制，
虽用真空蒸发法制成世界上第一批超微铅粉，但其光吸收性能 很不稳定。
直到本世纪60年代人们才开始对分立的纳米粒子进行研究。 1963 年， Uyeda 用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒，对其形
貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。
1984年，德国的H. Gleiter等人将气体蒸发冷凝获得的纳米铁粒
米材料列入“先进材料与加工总统计划”，将用于此项目的研 究经费增加 10％，增加资金 1.63亿美元。美国Illinois大学和纳 米技术公司建立了纳米材料制备基地。
我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方面取
得了国际水平的创新成果，已形成一些具有物色的研究集体和
研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席之地。在纳米制 备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快。
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气相法中的加热方式通常有以下几种：
1) 电阻加热：利用电阻丝发热体加热 2) 高频感应加热：方便融化金属 3) 电子束加热；高真空中使用，功率大 4) 激光加热：加热源可放在系统外 5) 微波加热：加热速度快；均匀加热；节能高效；易于 控制；选择性加热
6) 电弧（等离子）加热：含直流电弧等离子体和射频等
化学物理法(如反应性球磨法)
南京理工大学科技成果——纳米软磁材料制备技术
南京理工大学科技成果——纳米软磁材料制备技术成果简介：
金属纳米材料具有独特的纳米晶粒和高浓度晶界特征，产生小量子尺寸效应和晶界效应，表现出与普通粗晶材料有本质差别的力学、磁、光、电声等性能。
纳米金属材料强度、硬度高，塑韧性好，电导率低，比热高，减震性能好，磁化率和矫顽力高，饱和磁矩和损耗低以及吸波性能好，十分适合于用作新型磁性材料。
技术指标：
南京理工大学金属纳米材料与技术联合实验室研制出具有独立知识产权的金属纳米（非晶）制备与受控凝固系统，利用大体积液态金属深过冷快速凝固直接制备出性能优异的块体铁基纳米合金该方法能够制备出块体材料、拓宽制备成份范围，利于进一步提高材料的磁学性能。
能够提供具有工业化推广应用前景的块体纳米磁性材料制备技术，制备块体尺寸大于10mm，平均晶粒尺度为20-30nm的块体软磁材料。
软磁性能达到：矫顽力为2～5A/m，饱和磁感应强度为1.2～1.6T，1KHz时的磁导率高于10000，可以适用的频率范围为50Hz～
20Kz，高频磁损耗为硅钢片的1/2～1/3。
项目水平：国内领先
成熟程度：小试
合作方式：合作开发、专利许可、技术转让、技术入股。
放电等离子烧结技术的原理及应用_冯海波
第11卷 第3期2003年9月 材 料 科 学 与 工 艺MATERIALS SCIENCE &TECHNOLOGYVol .11No .3Sep .,2003放电等离子烧结技术的原理及应用冯海波,周 玉,贾德昌(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001,E -mail :fenghb @hit .edu .cn )摘 要:放电等离子烧结(SPS )是一种用于材料烧结致密化的新技术,为深入研究和探讨其技术优势,介绍了SPS 的基本原理和系统的组成,讨论了SPS 技术在纳米材料的制备、梯度功能材料的烧结和高致密度、细晶粒陶瓷制备等方面的应用,并对其研究和应用前景予以展望.关键词:放电等离子烧结;机理;纳米材料;梯度功能材料;陶瓷中图分类号:T F 124文献标识码:A文章编号:1005-0299(2003)03-0327-05Principle and application of spark plasma sintering technologyFENG Hai -bo ,ZHOU Yu ,JIA De -chang(School of Materials Science and Engineering ,Harb in Institute of Technology ,Harbin 150001,China ,E -mail :fenghb @hit .edu .cn )A bstract :The basic principles ,system c onstituents and typical sintering technique of spark plasma sintering (SPS ),anew advanc ed sintering tec hnique used for materials consolidation .SPS were discussed to further study its advantages .Nano -materials synthesis ,functional gradient materials (FGMs )and high density fine grain ceramic sintered by SPS were disc ussed .The future research and applic ation of SPS were reviewed as well .Key words :spark plasma sintering ;principle ;nano -materials ;functional gradient materials ;c eramic 收稿日期:2002-08-23.作者简介:冯海波(1971-),男,博士生;周 玉(1955-),男,博士,教授,博士生导师;贾德昌(1969-),男,博士,教授,博士生导师. 放电等离子烧结(SPS )是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术.由于等离子活化烧结技术融等离子活化、热压、电阻加热为一体,因而具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得的材料致密度高、性能好等特点.该技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程,对于实现优质高效、低耗低成本的材料制备具有重要意义,在纳米材料、复合材料等的制备中显示了极大的优越性,现已应用于金属、陶瓷、复合材料以及功能材料的制备[1,2].目前国内外许多大学和科研机构利用SPS 进行新材料的研究与开发,并对其烧结机理与特点进行深入研究与探索,尤其是其快速升温的特点,可作为制备纳米块体材料的有效手段,因而引起材料学界的特别关注[3～5].但目前关于SPS 的烧结机理还存在争议,尤其是烧结的中间过程还有待于深入研究,为此,本文将对SPS 技术有关的机理和应用予以介绍和讨论.1 SPS 系统的结构日本住友石炭矿业株式会社制造的SPS 系统主要由3部分组成(图1)[5,6]:①产生单轴向压力的装置和烧结模,压力装置可根据烧结材料的不同施加不同的压力;②脉冲电流发生器,用来产生等离子体对材料进行活化处理;③电阻加热设备.SPS 与热压(HP )烧结有相似之处,但加热方式完全不同,它是利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法,通过调节脉冲直流电的大小控制升温速率和烧结温度.整个烧结过程可在真空环境下进行,也可在保护气氛中进行.烧结过程中,脉冲电流直接通过上下压头和烧结粉体或石墨模具,因此加热系统的热容很小,升温和传热速度快,从而使快速升温烧结成为可能.SPS 系统可用于短时间、低温、高压(500～1000MPa )烧结,也可用于低压(20～30MPa )、高温(1000～2000℃)烧结,因此广泛应用于金属、陶瓷和各种复合材料的烧结,包括一些用通常方法难以烧结的材料,如表面容易生成硬的氧化层的金属钛和铝用SPS 技术可在短时间内烧结到90%～100%致密[1,2,5].图1 放电等离子烧结系统示意图[5,6]Fig .1 Schematic diag ram of SPS system [5,6]2 放电等离子烧结机理SPS 作为一种新颖而有效的快速烧结技术,已应用于各种材料的研制和开发,但SPS 的烧结机理目前还没有达成较为统一的认识[1,4,5,7].一般认为:SPS 过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外,还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压,并有效利用了粉体颗粒间放电产生的自发热作用,因而产生了一些SPS 过程特有的现象,如图2所示[5,8].SPS 的烧结有两个非常重要的步骤,首先由特殊电源产生的直流脉冲电压,在粉体的空隙产生放电等离子,由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分,使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用,电能贮存在颗粒团的介电层中,介电层发生间歇式快速放电,如图3所示[9].等离子体的产生可以净化金属颗粒表面,提高烧结活性,降低金属原子的扩散自由能,有助于加速原子的扩散.当脉冲电压达到一定值时,粉体间的绝缘层被击穿而放电,使粉体颗粒产生自发热,进而使其高速升温.粉体颗粒高速升温后,晶粒间结合处通过扩散迅速冷却,电场的作用因离子高速迁移而高速扩散,通过重复施加开关电压,放电点在压实颗粒间移动而布满整个粉体.使脉冲集中在晶粒结合处是SPS 过程的一个特点.颗粒之间放电时会产生局部高温,在颗粒表面引起蒸发和熔化,在颗粒接触点形成颈部,由于热量立即从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散,颈部快速冷却而使蒸气压低于其他部位.气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发-凝固传递是SPS 过程的另一个重要特点.晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用,体扩散、晶界扩散都得到加强,加速了烧结致密化过程,因此用较低的温度和比较短的时间可得到高质量的烧结体[5,8,10].图2施加直流开关脉冲电流的作用[5,8]Fig .2 Effect of O N -OF F DC pulse energizing [5,8]图3 放电过程中粉末粒子对的模型[9]Fig .3 M odel of par ticle -pair in discharg e process [9] 虽然目前尚未对脉冲电流对烧结致密化的影响有统一的认识,但研究表明对于块体金属材料,大电流脉冲的作用对物质的结晶过程有重要的影响.脉冲电流作用下的结晶过程,当无序介质中有脉冲电流作用时,成核率可表为I =A ′D ′exp {-(W c +W 0)[k (T 0+T c (t ))]-1}.式中:W 0为未加脉冲时的热力学势垒,W c 为电脉冲引起的势垒改变,T 0为初始温度,T c 为焦耳热引起的温升,D ′为载流介质的扩散系数,A ′为不依赖于温度的常数,k 为Boltzman 常数.在形核初期,核所占体积可以忽略,因金属热导率高,故可忽略其内部的温度不均匀,则T c 和电流密度(j )的关系为T c =j 2t (σ0ρλ)-1.式中:σ0为无序介质的电导率,ρ为密度,λ为比·328·材 料 科 学 与 工 艺 第11卷 热,t为通电时间,满足0<t<τp,τp为脉冲宽度.电流引起的成核势垒改变为W c= c-21[j0(r)j0(r′)-j n(r)j n(r′)]d r d r′/2|r-r′|.式中:j0和j n分别为形核前后的电流密度分布, r和r′为空间坐标,c1为常数.当一脉冲作用后,将形成许多球形小晶核,镶嵌于无序背景中,推导得W c=K1j2ζV.式中:K1为与材料有关的常数,j为电流密度分布,V为晶核的体积,ζ=(σ0-σn)(σn+ 2σ0)-1(式中σn为形核后的电导率),则脉冲电流作用下的形核公式为I=A′D′exp{-(W0+K1j2ζV)×[k T+kj2t(σ0ρλ)-1]-1}.当脉冲宽度很窄时,τ K1|ζ|Vσ0ρλk-1,则I=A′D′exp[-(W0+K1j2ξV)×(k T0)-1],若σn>σ0,则ζ<0,相应于结晶过程.此时W c <0,I>I0(I0为未加脉冲时的形核率),这表明脉冲电流可以通过减小成核势垒来增大成核率.根据Av rami方程,成核率增大将引起晶粒细化.脉冲电流的驰豫时间极短,因此在超短脉冲电流的作用下,有可能获得大块纳米晶材料[11].因此,在理论上SPS过程可提高成核率,从而获得较为细小的组织,这也是SPS方法引起广泛关注的主要原因.但SPS快速烧结的机理还存在争议,其烧结的中间过程还有待于进一步深入的研究.有关等离子体的产生尚缺乏具有说服力的证据,尤其是对于非导电性粉体,电流不能通过,通常认为其烧结致密化是由模具和上下压头充当发热体,热量传递快捷,同时由于大电流的采用,使非导电性粉体快速通过低温区直接进入高温区,是SPS 能够实现快速烧结的主要原因.3 放电等离子烧结的应用3.1 纳米材料的制备纳米材料以其独特的性能特点,引起材料学界的关注,但纳米晶块体材料的较为有效和实用的制备方法目前还在研究探索之中.SPS技术由于烧结时间大大缩短,可以抑制晶粒的长大,因此有望获得致密的纳米材料.尤其是机械合金化等非平衡方法获得的粉末,晶粒细化的同时引入的大量缺陷和亚结构,无法在传统的热压或热等静压烧结过程中得以保留和体现,而SPS技术作为一种快速烧结方法则可能使这些特点在烧结后的块体材料中得以保留.Yong等用机械合金化方法制备平均晶粒尺寸10～15nm的复合粉末,900℃/60MPa/5min放电等离子烧结获得了致密度大于95%、晶粒尺寸小于30nm的Fe-Co块体材料[12].研究表明:由于外加电压对扩散的促进作用,活化能比无压烧结略有降低,脉冲电流使晶粒表面活化,在SPS过程中晶粒生长极快,只是由于烧结时间极短而且烧结温度远低于热压等传统方法才能够获得较小的晶粒尺寸[13,14],因此很难制备晶粒尺寸小于100nm 的Y-TZP材料[15].WO3、Mg和C粉末,通过机械合金化的方法制备纳米复合粉末,经1963K/19.2 -38.2MPa/5min真空SPS烧结可获得致密的WC和WC-18%MgO纳米复合材料[16].采用SPS 法已成功制备了MgO/BaTiO3[17]、TiAl-X和Ti3Al -X[18]、WC-10Co[19]、Nd2Ti2O7/Al2O3[20]等多种纳米复合材料.此外,对Mo[21]、NiTi[22]、Nb-Al-N和Nb-Al-Mo[23]、TiAl/Ti2AlC[24]等多种体系的复合材料,采用SPS方法制备均能够获得较高性能的块体材料.因此,用机械合金化制备纳米或非晶的复合粉末,采用非平衡的SPS快速烧结技术有望成为制备多种纳米复合材料或大块非晶合金的有效方法.3.2 梯度功能材料的烧结梯度功能材料(FGMs)是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料,在金属和陶瓷粘合时由于二者烧结致密的温度相差较大,且界面的膨胀系数不同而产生热应力,给材料的制备带来困难,而应用SPS方法可以很好的克服这一难点,实现烧结温度的梯度分布.日本学者采用SPS系统制备了致密的ZrO2(3Y)/Ni、ZrO2(3Y)/不锈钢和聚酯亚胺/Al等梯度功能材料[5,25].将不同组成的混合ZrO2/Ni粉体(95%/90%/85%/ 80%/75%/70%/60%/50%/30%ZrO2(体积分数)依次分层放入如图4所示的石墨模具中进行放电等离子烧结,在样品的两端形成温度梯度,从而使梯度分布的粉末一次烧结致密,其密度远高于普通烧结方法.通过调整模具的形状可以改变和控制模具内的温度分布,使复杂形状试样的制备成为可能.而采用导电复合粉末制备层状梯度复合材料时,可以通过调整复合粉末成分形成可设计的电阻值,从而在脉冲电流通过时形成温度梯度或温度变化.Shen还采用SPS法分别制备了交替层叠和梯度分布的TiN/Al2O3复合材料[26].采用SPS不仅能够制作轴向层状梯度材料,而且还能制作径向圆筒状梯度材料[3].随着SPS技术的广泛使用新型梯度功能材料正不断问世[27].·329·第3期冯海波,等:放电等离子烧结技术的原理及应用图4 石墨梯度模具F ig.4G radient g raphite die3.3 高致密度、细晶粒陶瓷在SPS过程中,每一个粉末及其相互间的孔隙都是发热源,因此烧结时传热时间极短,可以忽略不计,烧结温度也大为降低,而且如前所述,还可通过增大形核率来降低晶粒尺寸,因此可获得高致密的细晶或纳米晶陶瓷材料.Kim采用球磨制得晶粒尺寸25nm的Al2O3/Cu粉末,在50MPa压力,1250℃烧结5min,获得晶粒尺寸200～500nm的陶瓷材料,其相对密度达97%以上,断裂韧性为4.51MPa·m1/2[28].Yoshimura利用化学方法制得的小于10nm的10%Al2O3/ZrO2粉末,在1300℃烧结,获得晶粒尺寸小于100nm,相对密度高于98%的陶瓷材料[29].Nishimura用SPS方法制备α-Si3N4和β-Si3N4陶瓷,烧结温度1500～1 600℃,时间5～7min,达到理论密度的98%以上,晶粒尺寸150～200nm[30].中科院上海硅酸盐研究所的研究者用SPS方法制备了Al2O3等氧化物[31]、SiC-Al2O3[32]、SiC-ZrO2-Al2O3复相陶瓷[33,34]和纳米3Y-TZP[13]等多种材料,并通过对其力学性能和显微结构的研究,认为SPS方法制备的陶瓷复合材料与普通烧结方法相比,在降低烧结温度提高致密度的同时,强度和韧性均有所提高[35～37].在研究Sialon陶瓷时发现,采用SPS制备方法1600℃烧结,当加热速率为200℃/min时,发生各向异性的Ostwald长大(动态长大),不需添加晶种即可以使晶粒各向异性长大,获得由长棒状晶粒构成的韧性互锁显微组织,从而提高其断裂韧性.对于其他体系的陶瓷也可通过液相烧结的动态长大机制改善显微组织结构提高力学性能[38,39].此外,SPS方法逐步应用于金属间化合物、金属基复合材料、超导材料、磁性材料和压电陶瓷以及铁电和热电材料等制备与研究,并获得了较为优异的性能.随着SPS技术的发展,其在材料科学研究领域中的应用也在不断扩展.4 结语SPS方法是一种新颖的烧结方法,升温速度快、时间短、烧结效率高,可获得高致密度的产品,其独特的等离子体活化和快速烧结作用,抑制了晶粒长大,较好地保持了原始颗粒的微观结构,从而在本质上提高了材料性能,并为纳米晶材料和新性能材料的制备提供了可能.SPS技术可以通过控制模具的形状等因素来改变和控制温度场分布,有望获得形状复杂的梯度功能材料.尽管目前关于SPS的烧结机理还存在争议,尤其是烧结的中间过程和现象还有待于深入研究,但众多的实验已表明,SPS这一快速有效的制备技术在材料科学领域有着更为广阔的应用前景.参考文献:[1]王士维,陈立东,平井敏雄,等.脉冲电流烧结机理的研究进展[J].无机材料学报,2001,6(16):1055-1061.[2]陈立冬,王士维.脉冲电流烧结的现状与展望[J].陶瓷学报,2001,3(22):204～207.[3]罗锡裕.放电等离子烧结材料的最新进展[J].粉末冶金工业,2001,6(11):7-16.[4]张久兴,刘科高,周美玲.放电等离子烧结技术的发展与应用[J].粉末冶金技术,2002,3(20):129-134. 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纳米材料制备方法..
非晶晶化法制备纳米晶体
这是目前较为常用的方法（尤其是用于制
液态金属
非晶条带
备薄膜材料与磁性材料）。中科院金属所 卢柯等人于1990年首先提出利用此法制备 大块纳米晶合金，即通过热处理工艺使非 晶条带、丝或粉晶化成具有一定晶粒尺寸 的纳米晶材料。这种方法为直接生产大块 纳米晶合金提供了新途径。近年来Fe-Si-B 体系的磁性材料多由非晶晶化法制备。 掺入其它元素，对控制纳米材料的结构， 具有重要影响。研究表明，制备铁基纳米 晶合金Fe-Si-B时，加入Cu、Nb、W等元素， 可以在不同的热处理温度得到不同的纳米 结构。比如450℃时晶粒度为2nm，500～ 600℃时约为10nm，而当温度高于650℃时 晶粒度大于60nm。
纳米材料制备概述
1963年，Ryozi Uyeda等人用气体蒸发（或“冷凝”） 法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和晶 体结构进行了电镜和电子衍射研究。1984年，Gleiter等人 用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。值得指出的是， 俄罗斯和前苏联的科学家在纳米材料方面也有不少开创性 工作，只是由于英文翻译迟等原因而未能在国际上得到应 有的关注和肯定。比如Morokhov等人早在1977年就首次 制备成功了纳米晶材料并研究其性质。
压淬法制备纳米晶体
这一技术是中科院金属所姚斌等人于1994年初实现的，
他们用该技术制备出了块状Pd-Si-Cu和Cu-Ti等纳米晶 合金。压淬法就是利用在结晶过程中由压力控制晶体 的成核速率、抑制晶体生长过程，通过对熔融合金保 压急冷（压力下淬火，简称“压淬”）来直接制备块 状纳米晶体，并通过调整压力来控制晶粒的尺度。 目前，压淬法主要用于制备纳米晶合金。与其他纳米 晶制备方法相比，它有以下优点：直接制得纳米晶， 不需要先形成非晶或纳米晶粒；能制得大块致密的纳 米晶；界面清洁且结合好；晶粒度分布较均匀。
cde型(e=s,se,te)量子点,一维cdte纳米晶和不同形状的se纳米晶的合成与表征
cde型(e=s,se,te)量子点,一维cdte纳米晶和不同形状的se纳米晶的合成与表征1. 引言1.1 概述量子点是一种具有特殊光电性质的纳米结构材料，因其在能级结构和光学性质上的优势而引起了广泛关注。
近年来，CDE型(e=s,se,te)量子点、一维CdTe纳米晶和不同形状的Se纳米晶作为新型量子点材料，其合成与表征研究已成为纳米科技领域的热点之一。
本文针对这些材料进行了深入的探讨和总结。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分。
首先，在引言部分介绍了文章的背景和重要性。
然后，分别对CDE型量子点、一维CdTe纳米晶以及不同形状的Se纳米晶进行了合成与表征方面的详细论述。
最后，在结论部分对以上材料进行总结，并展望了未来可能的研究方向。
1.3 目的本文旨在系统地介绍CDE型(e=s,se,te)量子点、一维CdTe纳米晶和不同形状的Se纳米晶在合成方法及工艺条件、表征手段和技术等方面的最新研究成果。
通过对这些材料的深入了解，可以为相关领域的科学家和工程师提供定量点、纳米晶等新型材料的研究方法和实验技术参考，为材料设计与应用提供有力支持。
同时，通过总结已有研究成果，可以为未来的研究方向指明道路，促进该领域的持续发展与创新。
以上是文章“1. 引言”部分的内容。
2. CDE型量子点的合成与表征2.1 CDE型量子点简介CDE型量子点是一种由碲和镉等元素组成的半导体纳米晶，在纳米尺度下表现出了许多特殊的物理和化学性质。
它们以其优异的光电性能在光电器件和生物探测等领域展示了广泛的应用潜力。
2.2 合成方法及工艺条件CDE型量子点的合成可以通过多种方法实现，其中最常用的方法包括溶液法合成、气相沉积法合成和固相热退火法合成等。
溶液法合成通常使用有机试剂作为前驱体，通过控制反应温度、反应时间和反应条件等参数来控制纳米晶的大小、形貌和结构。
气相沉积法合成适用于大规模生产，可以在高温下通过蒸发源材料进行化学反应生成纳米晶。
制备纳米粒子的方法
制备纳米粒子的物理方法1 机械粉碎法机械粉碎就是在粉碎力的作用下,固体料块或粒子发生变形进而破裂,产生更微细的颗粒。
物料的基本粉碎方式是压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。
一般的粉碎作用力都是这几种力的组合,如球磨机和振动磨是磨碎与冲击粉碎的组合;气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合,等等。
理论上,固体粉碎的最小粒径可达0101～0105μm。
然而,用目前的机械粉碎设备与工艺很难达到这一理想值。
粉碎极限取决于物料种类、机械应力施加方式、粉碎方法、粉碎工艺条件、粉碎环境等因素。
比较典型的纳米粉碎技术有:球磨、振动磨、搅拌磨、气流磨和胶体磨等。
其中,气流磨是利用高速气流(300～500 m/ s)或热蒸气(300～450 ℃)的能量使粒子相互产生冲击、碰撞、摩擦而被较快粉碎。
气流磨技术发展较快,20世纪80年代德国Alpine 公司开发的流化床逆向气流磨可粉碎较高硬度的物料粒子,产品粒度达到了1～5μm。
降低入磨物粒度后,可得平均粒度1μm的产品,也就是说,产品的粒径下限可达到011μm以下。
除了产品粒度微细以外,气流粉碎的产品还具有粒度分布窄、粒子表面光滑、形状规则、纯度高、活性大、分散性好等优点。
因此,气流磨引起了人们的普遍重视,其在陶瓷、磁性材料、医药、化工颜料等领域有广阔的应用前景。
2 蒸发凝聚法蒸发凝聚法是将纳米粒子的原料加热、蒸发,使之成为原子或分子;再使许多原子或分子凝聚,生成极微细的纳米粒子。
利用这种方法得到的粒子一般在5～100 nm之间。
蒸发法制备纳米粒子大体上可分为:金属烟粒子结晶法、真空蒸发法、气体蒸发法等几类。
而按原料加热技术手段不同,又可分为电极蒸发、高频感应蒸发、电子束蒸发、等离子体蒸发、激光束蒸发等几类。
3离子溅射法用两块金属板分别作为阴极和阳极,阴极为蒸发用材料,在两电极间充入Ar (40～250Pa) ,两极间施加的电压范围为013～115 kV。
由于两极间的辉光放电使Ar粒子形成,在电场作用下Ar离子冲击阳极靶材表面,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。
一种纳米晶钕铁硼永磁块体的制备方法[发明专利]
![一种纳米晶钕铁硼永磁块体的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1fb674e2bb68a98270fefa37.png)
专利名称：一种纳米晶钕铁硼永磁块体的制备方法专利类型：发明专利
发明人：刘颖,张龙凤,叶金文,张然,李梦,李开华
申请号：CN200510021982.3
申请日：20051102
公开号：CN1959878A
公开日：
20070509
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种纳米晶钕铁硼永磁块体材料的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：首先将任意一种非晶钕铁硼粉末在没有任何添加剂的基础上直接压制成坯，然后装入电场活化压力辅助烧结设备的两冲头之间并夹紧，在高真空或回填N或惰性保护气体后，在压力为0－110MPa，烧结升温速率为0－2000℃/s，烧结温度范围为400－850℃，保温时间为1－45分钟的工艺条件下，实现非晶钕铁硼块体材料的晶化和烧结，冷却至室温时即可得到纳米晶钕铁硼永磁块体材料。
这种方法具有瞬间升温，能在较低的温度下通过大电流短时烧结实现非晶粉末的晶化和烧结一体化，能有效抑制晶粒长大，且不破坏粉末的微观组织与性能的特点。
申请人：四川大学
地址：610065 四川省成都市一环路南一段24号四川大学材料科学院金属材料系
国籍：CN
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纳米材料的制备及硒化物纳米材料的制备、性质和应用
现代无机合成与制备化学论文纳米材料的制备及硒化物纳米材料的制备、性质和应用姓名：伊力哈木江·奥布力喀斯木学号：20101002411教师：玛丽娅教授日期：2015年6月3日纳米材料的制备绪论纳米材料为器件的微型化、纳米化提供了材料基础，在光学、电子学、化工、环保、生物和医学等领域应用广泛，在介观物理以及纳米级器件的制作等方面应用前景广阔。
近年来纳米棒、纳米管等一维纳米结构体系的研究，已经成为材料领域研究的热点之一。
纳米材料的制备方法有许多种，按制备过程的物态分类，有气相法、液相法和固相法。
关键词：纳米材料应用制备方法气相法液相法固相法关键词：纳米材料应用制备方法气相法液相法固相法。
气相法气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,然后使它们在气态下发生物理或化学作用,最后凝聚长大形成纳米微粒的方法。
气相法主要包括物理气相沉积法和化学气用沉积法。
常见的物理气相沉积法是利用加热、高频感应、激光等热源或真空蒸发促使原料气化或形成等离子体，然后骤冷沉积得到纳米材料。
另一种物理气相沉积法是电极溅射法，在两电极（阴极为材料）间充入惰气，并在两电极间施加合适的电压，离解惰性气体使之形成离子冲击阴极靶材，使靶材原子从其表面逸出形成纳米粒子,并在附着面上沉积下来。
化学气相沉积法是在远高于临界反应温度下,反应物蒸汽通过物质间的化学反应生成产物后，自动凝聚成大量的晶核，再长大聚集成颗粒，形成纳米粉体材料。
这种方法常用来制备氧化物、硅化物等纳米材料。
常见的气相法有等离子体法、激光诱导化学气相沉积法。
等离子体法是利用等离子体做热源来提供纳米材料合成过程所需要的能量使原料气化或形成等离子体，然后冷却沉积得到纳米材料。
激光诱导化学气相沉积法是利用反应气体分子或光敏性分子对特定波长激光的吸收引起反应，形成纳米粒子，如纳米氮化硅粉体的制备即可用此法。
液相法液相法制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离,溶质形成一定形状和大小的纳米微粒。