纳米材料的物理合成法全解

1.1.9、爆炸丝法
原理:先将金属丝固定在一个充满惰 性气体(50bar)的反应室中，丝的两 端卡头为两个电极，它们与一个大 电容相联结形成回路，加15kV的高 压、金属丝500一800kA下进行加 热．融断后在电流停止的一瞬间， 卡头上的高压在融断处放电，使熔 融的金属在放电过程中进一步加热 变成蒸汽，与惰性气体碰撞形成纳 米粒子沉降在容器的底部，
1.1.1、电阻加热法
原理:物质(金属离子化合物等) 置于柑蜗内．通过电阻等加热装置加热蒸发，产生蒸发 质烟雾，由于惰性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氮的冷却棒)。在蒸发过程 中，元物质的原子与惰性气体原子碰撞而冷却，在接近冷却棒的过程中，元物质蒸汽首 先形成原子簇．然后形成单个纳米微粒。最后在冷却棒表面上积聚起来，刮下并收集起 来获得纳米粉。 特点:加热方式简单,工作温度受坩埚材料的限制,还可能与坩埚反应。所以一般用来制 备Al、Cu、Au等低熔点金属的纳米粒子。
激光束
激光挡板
氩气8、 化学蒸发凝聚法(CVC)
工作室
炉子 气体
衬底 刮刀
漏斗
原理:用高纯惰性气作为载气，携带 有机高分子原料，例如六甲基二硅 烷．进入钼丝炉，温度为1100～ 1400 ℃、气氛的压力保持在低气压 状态，在此环境下原料热解形成团 簇进一步凝聚成纳米级颗粒．最后 附着在一个内部充满液氮的转动的 衬底上, 经刮刀刮下进行纳米粉体 收集，示意图如图所示。这种方法 优点足产量大，颗粒尺寸小，分布 窄。 。
磁控溅射法
磁控溅射是一种溅射镀膜法，它对阴极溅射中电子使基片温度上升过快的缺 点加以改良，在被溅射的靶极（阳极）与阴极之间加一个正交磁场和电场，电 场和磁场方向相互垂直。
溅射镀膜机
1.1.4、流动液面真空蒸镀法
原理:在高真空中蒸发的金属 原子在流动的油面内形成极超 微粒子，产品为含有大量超微 粒的糊状油, 高真空中的蒸 发是采用电子束加热, 当水冷 铜坩埚中的蒸发原料被加热蒸 发时，打开快门，使蒸发物镀 在旋转的圆盘表面上形成了纳 米粒子。含有纳米粒子的油被 甩进了真空室沿壁的容器中， 然后将这种超微粒含量很低的 油在真空下进行蒸馏．使它成 为浓缩的含有纳米粒子的糊状 物。
1.2、激光聚集原子沉积法
• 用激光控制原子束在 纳米尺度下的移动， 使原子平行沉积以实 现纳米材料的有目的 的构造。激光作用于 原子束通过两个途径， 即瞬时力和偶合力。 在接近共振的条件下， 原子束在沉积过程中 被激光驻波作用而聚 集，逐步沉积在衬底 （如硅）上，形成指 定形状，如线形。
1.3、非晶晶化法 液态金属
1.1.7、激光诱导化学气相沉积 (LICVD)
往捕集装置 反应焰
原理:激光束照在反应气体上形成了 反应焰，经反应在火焰中形成微粒， 由氩气携带进入上方微粒捕集装置。 特点:该法具有清洁表面、粒子大小 可精确控制、无粘结、粒度分布均 匀等优点，并容易制备出几纳米至 几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。
1.5、离子注入法
用同位素分离器使具有一定能量的离子硬 嵌在某一与它固态不相溶的衬底中，然后 加热退火，让它偏析出来。它形成的纳米 微晶在衬底中深度分布和颗粒大小可通过 改变注入离子的能量和剂量，以及退火温 度来控制。比如利用离子注入法可对金刚 石表面进行改性.
特点﹕工艺较简单, 化学成分准确。
非晶条带 热处理
1.4、机械球磨法
机械球磨法以粉碎与研磨为主体来实现粉末 的纳米化，可以制备纳米纯元素和合金。 该法工艺简单，制备效率高，能制备出常 规方法难以获得的高熔点金属合金纳米材 料。近年来，发展出助磨剂物理粉碎法及 超声波粉碎法，可制得粒径小于100nm的 微粒。
纳米材料的物理合成法
1、物理合成法的定义
• 采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛 中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒， 以及球磨、喷雾等以力学过程为主的制备 技术。
1.1、蒸发-冷凝法
• 蒸发冷凝法是指在高真空的条件下，金属 试样经蒸发后冷凝。试样蒸发方式包括电 弧放电产生高能电脉冲或高频感应等以产 生高温等离子体，使金属蒸发。蒸发冷凝 法制备的超微颗粒具有如下特征：①高纯 度；②粒径分布窄；③良好结晶和清洁表 面；④粒度易于控制等。在原则上适用于 任何被蒸发的元素以及化合物。
非晶晶化法: 采用快速凝固法将液态 金属制备非晶条带,再将非晶条带 经过热处理使其晶化获得纳米晶 条带的方法。用非晶晶化法制备 的纳米结构材料的塑性对晶粒的 粒径十分敏感、只有晶粒直径很 小时，塑性较好．否则材料变得 很脆。因此，对于某些成核激活 能很小，晶粒长大激活能大的非 晶合金采用非晶晶化法，才能获 得塑性较好的纳米晶合金。
1.1.5、通电加热蒸发法
原理:通过碳棒与金属相接触， 通电加热使金属熔化．金属与 高温碳棒反应并蒸发形成碳化 物超微粒子。
用此种方法还可以制备Cr, Til, V, Zr、Hf, Mo, Nb, Ta和W等 碳化物超微粒子。
1.1.6、混合等离子法
原理:此制备方法是采用RF(射频)等 离子与DC直流等离子组合的混合方 式来获得纳米粒子,由图的感应线圈 产生高频磁场(几MHz)将气体电离 产生RF等离子体．内载气携带的原 料经等离子体加热、反应生成纳米 粒子并附着在冷却壁上。 DC(直流) 等离子电弧束用来防止RF等离子弧 受干扰，因此称为‘混合等离子” 法。 特点: ①纯度较高；②反应物质在等 离子空间停留时间长、物质可以充 分加热和反应； ③可使用非惰性的 气体(反应性气体)，因此．可制备化 合物超微粒子。
1.1.2、高频感应法
原理:以高频感应线圈为热源,使坩埚内的导电物质在涡流作 用下加热，在低压惰性气体中蒸发,蒸发后的原子与惰性气体 原子碰撞冷却凝聚成纳米颗粒。 特点：采用坩埚，一般也只是制备象低熔点金属的低熔点物 质。
高频感应的加热原理
感应加热是利用导体在高频磁场作用下 产生的感应电流(涡流损耗)。以及导体内磁 场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进 行加热的。
1.1.3、溅射法
原理: 用两块金属板分别作为阳极 和阴极，阴极为蒸发用的材料，在 两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两 电 极 问 施 加 的 电 压 范 围 为 0.3 ～ 1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar 离子形成，在电场的作用下Ar离子 冲击阴极靶材表面，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 特点:(1) 可制备多种纳米金属，包 括高熔点和低熔点金属。常规的热 蒸发法只能适用于低熔点金属； （2)能制备多组元的化合物纳米微 粒，如A152Ti48、Cu91Mn9及ZrO2等； (3) 通过加大被溅射的阴极表面可 提高纳米微粒的获得量。