第5章纳米粉体材料制备PPT课件
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纳米材料的制备与应用课件
Ag的纳米微粒具有五边形十面体形状。 纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
2. 纳米微粒的物理特性
纳米微粒具有大的比表面积，表 面原子数、表面能和表面张力随粒径 的下降急剧增加，小尺寸效应，表面 效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道 效应等导致纳米微粒的热、磁、光、 敏感特性和表面稳定性等不同于常规 粒子，这就使得它具有广阔的应用前 景。
2.4 表面活性和敏感特性
纳米微粒具有高的表面活性。金属纳米微 粒粒径小于5nm时，使催化性和反应的选 择性呈特异行为。 例如，用Si作载体的Ni纳米微粒作催化剂 时，当粒径小于5nm时，不仅表面活性好， 使催化效应明显，而且对丙醛的氢化反应 中反应选择性急剧上升，即使丙醛到正丙 醛氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副 反应受到抑制。
纳米材料的制备与应用课件
美国国家纳米计划2000年和2001 年的部门预算
2000 年预算 2001 年预算 增长率
国家科学基金会 0.97 亿$ 2.17 亿$ 124%
国防部
0.70 亿$ 1.10 亿$ 57%
能源部
0.58 亿$ 0.94 亿$ 66%
航天航空
0.05 亿$ 0.20 亿$ 300%
纳米材料的制备与应用课件
1990年4月IBM 公司的 科学家用35个 氙原子排列 成“IBM”字样, 开创了人类 操纵单个原子 的先河.
纳米材料的制备与应用课件
（3）纳米生物方面：纳米科技可使基因 工程变得更加可控，人们可根据自己的 需要，制造出多种多样的生物“产品”。 （4）纳米微机械和机器人方面：可以利 用纳米微电子学控制形成尺寸比人体红 血球小的纳米机器人，直接打通脑血栓， 清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过 把多种功能纳米微型机器注入血管内， 进行人体全身检查和治疗。药物也可制 成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，提 高医疗效果，减少副作用。
纳米材料的制备与应用课件
纳米材料的制备与应用课件
2. 纳米微粒的物理特性
纳米微粒具有大的比表面积，表 面原子数、表面能和表面张力随粒径 的下降急剧增加，小尺寸效应，表面 效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道 效应等导致纳米微粒的热、磁、光、 敏感特性和表面稳定性等不同于常规 粒子，这就使得它具有广阔的应用前 景。
2.4 表面活性和敏感特性
纳米微粒具有高的表面活性。金属纳米微 粒粒径小于5nm时，使催化性和反应的选 择性呈特异行为。 例如，用Si作载体的Ni纳米微粒作催化剂 时，当粒径小于5nm时，不仅表面活性好， 使催化效应明显，而且对丙醛的氢化反应 中反应选择性急剧上升，即使丙醛到正丙 醛氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副 反应受到抑制。
纳米材料的制备与应用课件
美国国家纳米计划2000年和2001 年的部门预算
2000 年预算 2001 年预算 增长率
国家科学基金会 0.97 亿$ 2.17 亿$ 124%
国防部
0.70 亿$ 1.10 亿$ 57%
能源部
0.58 亿$ 0.94 亿$ 66%
航天航空
0.05 亿$ 0.20 亿$ 300%
纳米材料的制备与应用课件
1990年4月IBM 公司的 科学家用35个 氙原子排列 成“IBM”字样, 开创了人类 操纵单个原子 的先河.
纳米材料的制备与应用课件
（3）纳米生物方面：纳米科技可使基因 工程变得更加可控，人们可根据自己的 需要，制造出多种多样的生物“产品”。 （4）纳米微机械和机器人方面：可以利 用纳米微电子学控制形成尺寸比人体红 血球小的纳米机器人，直接打通脑血栓， 清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过 把多种功能纳米微型机器注入血管内， 进行人体全身检查和治疗。药物也可制 成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，提 高医疗效果，减少副作用。
《纳米材料制备》PPT课件
• 纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。
ppt课件
4
纳米金
ppt课件
纳米金和块 状金的颜色
5
碳纳米管
碳纳米管是由碳原 子按一定规则排列形成的 空心笼状管式结构，其直 径不超过几十纳米（一纳 米为十亿分之一米）。导 电性强、场发射性能优良、 强度是钢的100倍、韧度 高等，是一种用途广泛的 新材料。
簧，用作汽车或火车的减震装置，可大
大减轻车辆的重量。
ppt课件
7
纳米管做成的“纳米秤”
最近美国、中国、 法国和巴西科学家用精 密的电子显微镜测量纳 米管在电流中出现的摆 频率时，发现可以测出 纳米管上极小微粒引起 的变化，从而发明了能 称量亿亿分之二百克的 单个病毒的“纳米秤”。 这种世界上最小的秤， 为科学家区分病毒种类， 发现新病毒作出了贡献。
• ＴｉＯ２纳米材料具有奇特韧性，在 １８０℃经受弯曲不断裂；
• ＣａＦ２纳米材料在８０—１８０℃ 温度下，塑性提高１００％。
ppt课件
11
④催化活性增强
以粒径小于300nm的Ni和CuZn合金的超细微粒为主要成分 制成的催化剂，可使有机物氢化 的效率提高到传统镍催化剂的 10倍。
ppt课件
12
（3）纳米结构
ppt课件
14
2 纳米粒子的常见制备方法
根据不同的分类标准，可以有多种分类方法。根据反应环 境可分为液相法、气相法和固相法；根据反应性质可分为物 理制备法、化学制备法和化学物理制备法。不同的制备方法 可导致纳米粒子的性能以及粒径各不相同。
在制备过程中，随着实验参数的不同，结果也大不相同， 尽管也展开了广泛的研究，取得了大量的结果，要真正实现 控制合成尚有待进一步的工作积累，涉及到化学反应机制、 热力学、动力学及晶体成核与生长动力学的微观机制问题。
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4
纳米金
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纳米金和块 状金的颜色
5
碳纳米管
碳纳米管是由碳原 子按一定规则排列形成的 空心笼状管式结构，其直 径不超过几十纳米（一纳 米为十亿分之一米）。导 电性强、场发射性能优良、 强度是钢的100倍、韧度 高等，是一种用途广泛的 新材料。
簧，用作汽车或火车的减震装置，可大
大减轻车辆的重量。
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7
纳米管做成的“纳米秤”
最近美国、中国、 法国和巴西科学家用精 密的电子显微镜测量纳 米管在电流中出现的摆 频率时，发现可以测出 纳米管上极小微粒引起 的变化，从而发明了能 称量亿亿分之二百克的 单个病毒的“纳米秤”。 这种世界上最小的秤， 为科学家区分病毒种类， 发现新病毒作出了贡献。
• ＴｉＯ２纳米材料具有奇特韧性，在 １８０℃经受弯曲不断裂；
• ＣａＦ２纳米材料在８０—１８０℃ 温度下，塑性提高１００％。
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11
④催化活性增强
以粒径小于300nm的Ni和CuZn合金的超细微粒为主要成分 制成的催化剂，可使有机物氢化 的效率提高到传统镍催化剂的 10倍。
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12
（3）纳米结构
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14
2 纳米粒子的常见制备方法
根据不同的分类标准，可以有多种分类方法。根据反应环 境可分为液相法、气相法和固相法；根据反应性质可分为物 理制备法、化学制备法和化学物理制备法。不同的制备方法 可导致纳米粒子的性能以及粒径各不相同。
在制备过程中，随着实验参数的不同，结果也大不相同， 尽管也展开了广泛的研究，取得了大量的结果，要真正实现 控制合成尚有待进一步的工作积累，涉及到化学反应机制、 热力学、动力学及晶体成核与生长动力学的微观机制问题。
《纳米粉体制备》课件
纳米粉体制备在材料科学领域的应用
增强材料性能
纳米粉体可以增强材料的 力学、热学、电学等性能 ，如提高金属材料的强度 和韧性，改善塑料的耐热
性和阻隔性。
制备高性能复合材料
通过纳米粉体制备技术， 可以将不同性质的纳米粒 子均匀分散在基体中，制 备出高性能的复合材料。
发展新型功能材料
利用纳米粉体制备技术， 可以开发出新型的功能材 料，如光催化材料、超导
生物法制备纳米粉体的优缺点
• 生物法制备纳米粉体具有环保、高效、可大规模生产等优点， 同时能够制备出结构独特、性能优异的纳米粉体。然而，生物 法制备纳米粉体也存在一些缺点，如生产成本高、产品批次间 稳定性差、反应条件难以控制等。因此，在实际应用中需要根 据具体需求和条件选择合适的制备方法。
05
纳米粉体制备的应用与前景
《纳米粉体制备》PPT课件
CONTENTS
• 纳米粉体制备概述 • 物理法制备纳米粉体 • 化学法制备纳米粉体 • 生物法制备纳米粉体 • 纳米粉体制备的应用与前景
01
纳米粉体制备概述
纳米粉体的定义与特性
纳米粉体定义
纳米粉体是一种粒径在纳米级别 （1-100纳米）的粉末材料，具 有独特的物理、化学和机械性能 。
机械研磨法
总结词
通过球磨或振动研磨的方式，使原料在 机械力的作用下破碎成纳米级颗粒，通 常需要与其他方法结合使用，如热处理 或化学处理。
VS
详细描述
机械研磨法是一种制备纳米粉体的方法， 其中原料在球磨或振动研磨的作用下被破 碎成纳米级颗粒。该方法通常需要与其他 方法结合使用，如热处理或化学处理，以 进一步优化纳米粉体的性能。机械研磨法 具有设备简单、操作方便、成本低等优点 ，但制备的纳米粉体粒径分布较宽。
《纳米粉体制备与表征》第5章 固相法制备纳米粉体
2015/10/22
高能球磨法
有的材料粉体经过高能球磨后可直接获得纳米
粉体，如Bi4Ti3O12、Fe2O3、BaTiO3、SiC等。 Xue等采用BaO和TiO2为原料，在氮气气氛下进 行进行高能球磨15h，可在常温下获得粒径仅为 20-30nm的BaTiO3粉体。 不少纳米粉体制备是利用高能球磨对反应物前 驱体进行预处理，然后再经热处理后获得最终 的粉体。 前驱体在经高能球磨处理后，由于颗粒很细， 表面能很高，因此热处理温度一般比普通球磨 低很多，最终的粉体还能保持在纳米尺度上。
(3) 依据 SHS 过程的特点， IS(s-s) 体系又可分为无气燃烧 的IS体系(凝聚体系)和伴随易挥发物质渗出的无气燃烧 IS体系，以及气体漫渗燃烧的HS体系。
2015/10/22
图5.4
2015/10/22
IS体系和HS体系示意图
燃烧反应机制
燃烧反应机制包括:研究原始混合物状态、 反应组分配比、初始温度、气体压力 等因素对主要过程参数v(燃烧波速)、 Tc(燃烧温度)和η(转化率)的影响,得 出反应物间相互作用的模型。
2015/10/22
表5.1 一些常见体系的SHS绝热温度
体系 Tad/K 体系 Tad/K 体系 Tad/K
TiB2
3190
TiC
3200
Si3N4
4300
ZrB2
3310
HfC
3900
BN
3700
NbB2
2400
SiC
1800
Ti5Si3
2500
TaB2
3370
TiN
4900
MoSi2
1910
预测SHS过程能否持续的一个重要的参数 是燃烧的绝热温度Tad。绝热温度定义为：在 绝热条件下，反应物完全转化时，反应释放化 学热使产物加热而达到的温度。计算绝热温度 可以大致了解反应体系SHS过程的可能性。
第5章纳米粉体材料制备PPT课件
球形。通过控制微乳液的液滴中水体积及各种反应物浓度来 控制成核、生长, 以获得各种粒径的单分散纳米粒子。Ⅱ∼Ⅵ 族半导体纳米粒子多用此法制备
2007级纳米材料学
5、水热/溶剂热法 在高温高压下在水(溶剂) 或蒸汽等流体中进行有关化学
反应，再经分离和热处理得到纳米微粒。 优点：可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳米
此种制备方法的优点是：纳米微粒的生成量随等离子气体 中的氢气浓度增加而上升。例如，Ar气中的H2占50％时，电 弧电压为30~40v，电流为150~170A的情况下每秒钟可获得 20mgFe超微粒子。为了制取陶瓷超微粒子，如TiN及AlN， 则掺有氢的惰性气体可采用N2，被加热蒸发的金属为Ti、Al等。
图5.2 溅射法原理图
2007级纳米材料学
特点 1、粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压、电流 和气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高，超微 粒的获得量越多。 2、用溅射法制备纳米微粒有以下优点：
a．可制备多种纳米金属。包括高熔点和低熔点金属,而常规的 热蒸发法只能适用于低熔点金属； 及bZ．rO能2等制；备多组元的化合物纳米微粒，如Al52Ti48，Cu91Mn9，
极易引入杂质如部分阴离子等溶胶溶胶凝胶法凝胶法沉淀法沉淀法水解法水解法微乳液法微乳液法溶剂热法溶剂热法2007级纳米材料学纳米材料学直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体使直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体使之在气态下发生物理变化或化学变化最后在冷凝过程之在气态下发生物理变化或化学变化最后在冷凝过程中凝聚长大形成纳米粒子
2007级纳米材料学
特点：
1、纳米微粒的大小可通过调节惰性气体的压力、 蒸发物的分压进行控制。 2、随着蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升 高)粒子变大或随着原物质蒸气压力的增加，粒子 变大。
2007级纳米材料学
5、水热/溶剂热法 在高温高压下在水(溶剂) 或蒸汽等流体中进行有关化学
反应，再经分离和热处理得到纳米微粒。 优点：可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳米
此种制备方法的优点是：纳米微粒的生成量随等离子气体 中的氢气浓度增加而上升。例如，Ar气中的H2占50％时，电 弧电压为30~40v，电流为150~170A的情况下每秒钟可获得 20mgFe超微粒子。为了制取陶瓷超微粒子，如TiN及AlN， 则掺有氢的惰性气体可采用N2，被加热蒸发的金属为Ti、Al等。
图5.2 溅射法原理图
2007级纳米材料学
特点 1、粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压、电流 和气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高，超微 粒的获得量越多。 2、用溅射法制备纳米微粒有以下优点：
a．可制备多种纳米金属。包括高熔点和低熔点金属,而常规的 热蒸发法只能适用于低熔点金属； 及bZ．rO能2等制；备多组元的化合物纳米微粒，如Al52Ti48，Cu91Mn9，
极易引入杂质如部分阴离子等溶胶溶胶凝胶法凝胶法沉淀法沉淀法水解法水解法微乳液法微乳液法溶剂热法溶剂热法2007级纳米材料学纳米材料学直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体使直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体使之在气态下发生物理变化或化学变化最后在冷凝过程之在气态下发生物理变化或化学变化最后在冷凝过程中凝聚长大形成纳米粒子
2007级纳米材料学
特点：
1、纳米微粒的大小可通过调节惰性气体的压力、 蒸发物的分压进行控制。 2、随着蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升 高)粒子变大或随着原物质蒸气压力的增加，粒子 变大。
纳米陶瓷粉体材料制备工艺、方法培训课件
三 液相分散包裹法
将纳米粉末分 散于基体溶液
超声振动、分散 剂及调整pH
破坏粉末团聚
调整工艺参 数Leabharlann 无析晶、沉淀 、团聚、沉降
使体系冻结、 凝胶或聚合
热处理
均匀分散的复 合粉末
优点：
液态下分散、无团聚、沉降，故均匀性可以保证； 基体组分均匀分散在纳米颗粒周围。热处理过程
中成核、长大，有可能形成具有“内晶型”结构 雏形的包团结构的复合粉末。 制备高性能纳米级复相陶瓷
存在的问题
• 脆性是陶瓷材料难以克服的缺点，通过纳米化，易碎的陶 瓷可以具有和塑料一样的韧性。在制备纳米陶瓷中还存在 以下问题：纳米陶瓷粉体的尺寸、形貌和粒径分布的控制， 团聚体的控制和分散，块体的形态缺陷、粗糙度以及成分 的控制等等。
• 虽然纳米陶瓷还有许多关键技术问题需要解决，但是 纳米陶瓷的制备已经较为成熟，新工艺和新方法不断涌现。 相信随着研究的深入，纳米陶瓷的制备将更加完善，使纳 米陶瓷在工业生产中广泛应用，从而使纳米陶瓷的优良特 性得以造福人类。
• 气相法：是直接利用气体、或者通过各种手段将物质转变 为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应， 最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。
• 优点：容易控制气氛，所得的纳米陶瓷粉体纯度高、团聚 较少，烧结性能也往往较好
• 缺点：设备昂贵、产量较低、不易普及。
纳米粉体的分散技术
按照纳米粒子的 分散或形成方式
第三 光致发光 退火温度低于673K时，纳米非晶氮化硅 块体在紫外光到可见光范围的发光现象与常规非晶氮化硅 不同，出现6个分立的发光带。
电磁学性能
• 纳米材料与常规材料在结构上，特别是在磁结构上有很大 差别，因此在磁性方面会有其独特的性能：
纳米粉体的制备(气相方法)分解课件
实验注意事项与安全防范
01
02
03
04
安全操作规程
严格遵守实验室安全操作 规程，避免发生意外事故 。
气体处理
对有毒或有腐蚀性的气体 进行适当处理，确保安全 排放。
设备维护
定期对设备进行检查和维 护，确保设备正常运行和 使用安全。
个人防护
在实验过程中，务必佩戴 安全防护眼镜、实验服和 化学防护手套等防护用品 ，防止意外伤害。
适用范围
适用于制备各种类型的纳 米粉体，如金属、氧化物 、碳化物等。
材料选择与处理
材料要求
材料储存与运输
选择具有高纯度、高稳定性的原材料 ，以保证制备出的纳米粉体质量。
确保材料在储存和运输过程中不受污 染，保持其纯度和稳定性。
材料预处理
对原材料进行破碎、干燥、除杂等预 处理，以满足设备对材料的要求。
特性
高比表面积、量子尺寸效应、表 面效应、小尺寸效应等。
纳米粉体的应用领域
01
02
03
04
电子
制造高性能电子器件、光电子 器件等。
能源
高效电池、太阳能电池、燃料 电池等。
医学
药物载体、生物成像、癌症治 疗等。
环保
空气净化、水处理等。
纳米粉体的制备方法
01
02
03
气相法
利用气体为原料直接合成 纳米粉体，包括物理气相 法和化学气相法。
05 气相法制备纳米 粉体的实验结果 与数据分析
实验结果展示
实验结果一
实验结果二
实验结果三
实验结果四
气相法制备的纳米粉体 粒径分布
不同制备条件下粉体的 形貌变化
粉体的化学组成与结构 分析
粉体的物理性能测试数 据
纳米材料制备方法ppt课件
2020/4/18
.
水解法制备纳米材料技巧
①反应温度：温度对晶核生成速度和晶核生长速度都有影响，在
较低的温度下水解有利于形成小粒子；一般情况下，温度升高20℃， 晶粒增大约10-25%；
②反应时间：反应时间越长将得到更高的产物收率，但时间过长
会引起小粒子重新溶解，大粒子继续长大，粒径分布变宽；
③反应物料配比：水解反应是可逆反应，增加一种反应物的比
欧忠文
解放军后勤工程学院 化学工程与技术博士后流动站
2020/4/18
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纳米材料制备方法分类
2020/4/18
按制备 原理分
物理制备方法 化学制备方法
按纳米 材料生 成介质分
液相制备法 气相制备法 固相制备法
.
1 纳米材料的液相制备法
制备纳米材料的液相介质可以是水介质，可 以是非水介质；可以是极性介质，也可以是非 极性介质；可以是单一介质，也可是混合介质； 可以是单相介质，也可以是多相介质（水包油 微乳液，油包水微乳液）。不过通常使用的是 水介质或水包油微乳液性。
法的对比研究
超稳定 剂存在 ，下构筑反应
蚀刻时间 函数方程的建
纳米分散系的冷
中纳米质点的生长机理 研究
立和制样参数的优化
冻蚀刻原位观测
单分散超稳定 纳米
单元的可控构筑
2020/4/18
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超分散稳定剂
超分散稳定剂是一类主要适用于纳米粒子，特别 是适用于油润滑介质中原位合成纳米粒子的，具有超 分散作用和超分散稳定作用双重功能的超分散剂。在 非水介质中，原位合成纳米粒子时，超分散稳定剂具 有以下功能：
2020/4/18
.
NO.1 Sol-gel的制备过程
纳米粉体材料制备技术PPT课件
一、化学沉淀法
在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体 沉淀物，进而制备相应的纳米粒子。
特点： 简单易行 颗粒半径大
纯度低 适合制备氧化物
.
3939
（1） 共沉淀法
原理：含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，使溶液 中已经混合均匀的各个组分按化学剂量比共同沉淀出来， 或者在溶液中先反应沉淀出一种中间产物，再使其煅烧 分解得到粉体材料。
真空冷 用真空蒸发、高频感应等使原料气化或 纯度高、结晶组织好、粒度可
凝法 形成等离子体，然后骤冷
控，但设备要求高
.
11
(3) 综合方法 制备过程中要伴随一些化学反应，同时又涉及到粒子
的物态变化过程，甚至在制备过程中要施加一定的物理 手段来保证化学反应的顺利进行。
.
12
（二）制备状态
气相法：在气体状态下发生物理变化或化学反应,最后在 冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
成法
中合成纳米粒子
苯热合 在苯溶液中进行高温高压反应合成 同上
成法
纳米粒子
. 10
溶胶凝 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，反应物种多，产物颗粒均匀，
胶法 再经低温热处理得纳米粒子
过程易控制
微乳液 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂作用 粒子的单分散性和界面性好
法
下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、 热处理后得纳米粒子
4.1 机械化学： 物料粒子受机械力作用而被粉碎时，发生物质结
构及表面物理化学性质的变化
.
3232
4.2 机械粉碎过程中物料性质变化 (1)粒子结构变化 (2)粒子表面物理化学性质变化 (3)化学组成变化
4.3 纳米机械粉碎过程中的安全问题
在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体 沉淀物，进而制备相应的纳米粒子。
特点： 简单易行 颗粒半径大
纯度低 适合制备氧化物
.
3939
（1） 共沉淀法
原理：含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，使溶液 中已经混合均匀的各个组分按化学剂量比共同沉淀出来， 或者在溶液中先反应沉淀出一种中间产物，再使其煅烧 分解得到粉体材料。
真空冷 用真空蒸发、高频感应等使原料气化或 纯度高、结晶组织好、粒度可
凝法 形成等离子体，然后骤冷
控，但设备要求高
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11
(3) 综合方法 制备过程中要伴随一些化学反应，同时又涉及到粒子
的物态变化过程，甚至在制备过程中要施加一定的物理 手段来保证化学反应的顺利进行。
.
12
（二）制备状态
气相法：在气体状态下发生物理变化或化学反应,最后在 冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
成法
中合成纳米粒子
苯热合 在苯溶液中进行高温高压反应合成 同上
成法
纳米粒子
. 10
溶胶凝 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，反应物种多，产物颗粒均匀，
胶法 再经低温热处理得纳米粒子
过程易控制
微乳液 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂作用 粒子的单分散性和界面性好
法
下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、 热处理后得纳米粒子
4.1 机械化学： 物料粒子受机械力作用而被粉碎时，发生物质结
构及表面物理化学性质的变化
.
3232
4.2 机械粉碎过程中物料性质变化 (1)粒子结构变化 (2)粒子表面物理化学性质变化 (3)化学组成变化
4.3 纳米机械粉碎过程中的安全问题
纳米材料的制备方法及其应用ppt课件
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（7）电阻加热法
图 电阻加热制备纳米微粒的实验装置图
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（6）电子束照射法
是利用高能电子束照射母材(一般为金属氧化 物如Al2O3 等)，表层的金属-氧(如Al-O键)被高 能电子“切断”，蒸发的金属原子通过瞬间 冷凝、成核、长大，最后形成纳米金属(如Al) 粉末。 ❖ 目前该方法仅限于获得纳米金属粉末。
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
1、沉淀法
它是将沉淀剂（OH－、CO32－、SO42－等）加入到金 属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥、 煅烧，就制得纳米级化合物粉末，是典型的液相法。 主要用于制备纳米级金属氧化物粉末。它又包括均相
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
热蒸镀法制备的纳米Si粒子 在GaSb基板以自组成法制成的粒子
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
纳米材料的制备表征及其应用(课堂PPT)
二氧化钛纳米纤维的电子 显微镜照片
纳米纤维电镜照片
7
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒 粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密
膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。
8
纳米块： 是将纳米粉末高压成型或控制金属液体 结晶而得到的纳米晶粒材料。
9
纳米微粒的四大效应
（1）表面效应 （2）量子尺寸效应 （3）小尺寸效应 （4）宏观量子隧道效应
(Science----1 February 2002)
18
Nano rings
JACS 2005
19
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实验室李 超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点 实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机 体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功 地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。
Na2SiO3 • 水热结晶： Al(OH)3 → Al2O3.H2O
33
水热法合成Ag纳米粒子
5mL 0.02M AgNO3 和5mL 0.02M NaCl ，加入到30mL蒸馏水中，搅 拌生成AgCl胶体，然后0.04g,0.2mmol的葡萄糖溶在上述胶体溶液中， 移入内衬Teflon的50mL合成弹中，在加热炉中180°C下保持18小时， 空气中冷却至室温，蒸馏水和酒精冲洗银灰色沉淀，真空60 °C干燥2小 时。
人高
针头
红血球
分子及DNA
100万 纳米 1千 纳米
20亿 纳米
1 纳米
氢原子
0.1 纳米
2
原子 分子 原子团簇 纳米粒子 纳米材料 宏观 物体
微观
宏观
3
什么是纳米材料
– 纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由 它们作为基本单元构成的材料，这大 约相当于10-100个原子紧密排列在一 起的尺度。
纳米材料的制备方法PPT课件
液相反应法可分为：沉淀法、水热/溶剂热法、溶胶－凝 胶法、反相胶利用挥发性 的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要 的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制 备各类物质的纳米粒子。气相反应法制备超微粒 子具有很多优点，如粒子均匀、纯度高、粒度小、 分散性好、化学反应性与活性高等。气相化学反 应法适合于制备各类金属、金属化合物以及非金 属化合物纳米粒子，如各种金属、氮化合物、碳 化物、硼化物等。按体系反应类型可将气相化学 反应法分为气相分解和气相合成两类。
例如：将尿素水溶液加热到70oC左右，就会发生如下水解反应：
(NH2)2CO + 3H2O → 2NH4OH + CO2
由此生成的沉淀剂NH4OH在金属盐的溶液中分布均匀，浓度低，使 得沉淀物均匀地生成。由于尿素的分解速度受加热温度和尿素浓度的控 制，因此可以使尿素分解速度降得相低。有人采用低的尿素分解速度来 制得单晶微粒，用此种方法可制备多种盐的均匀沉淀。
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0.3～1.5 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。离子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电 压、电流、气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高， 超微粒的获得量愈大。溅射法制备纳米微粒材料的优点是：
粉碎作用力的作用形式
粉碎法
一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨 是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合； 气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。
物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变 化，主要表现在：
例如：将尿素水溶液加热到70oC左右，就会发生如下水解反应：
(NH2)2CO + 3H2O → 2NH4OH + CO2
由此生成的沉淀剂NH4OH在金属盐的溶液中分布均匀，浓度低，使 得沉淀物均匀地生成。由于尿素的分解速度受加热温度和尿素浓度的控 制，因此可以使尿素分解速度降得相低。有人采用低的尿素分解速度来 制得单晶微粒，用此种方法可制备多种盐的均匀沉淀。
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0.3～1.5 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。离子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电 压、电流、气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高， 超微粒的获得量愈大。溅射法制备纳米微粒材料的优点是：
粉碎作用力的作用形式
粉碎法
一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨 是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合； 气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。
物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变 化，主要表现在：
纳米科学与技术纳米材料的制备方法PPT课件
气相分解法
化学气相反应法 气相合成法
纳
气－固反应法
米
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
粒
子 合
纳 米 粒
成
子
物理气相法
溅射法 真空沉积法
加热蒸发法
混合等离子体法
共沉淀法
沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法
方 法 分
制 备
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
类
热分解法
3.气体冷凝法影响纳米微粒粒径大小的 如各种金属氮化物，硼化物，碳化物等，后来用于制备碳纤维、碳纳米管等。
为了制备某些易氧化的金属的氧化物纳米粉体，可通过两种方法来实现：
因素 (iii)可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属。
整个过程是在超高真空室内进行。
气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。
➢ 同时，原子或离子又重新结合成分子从金属熔 体表面溢出。蒸发出的金属原子蒸气遇到周围 的气体就会被急速冷却或发生反应形成纳米粒 子。
采用等离子体加热蒸发法可以制备出金属、合金 或金属化合物纳米粒子
优点： 1. 等离子体温度高，几乎可以制取任何金属的微
粒。 2. 金属或合金可以直接蒸发、急冷而形成原物质
的纳米粒子，为纯粹的物理过程； 而金属化合物，如氧化物、碳化物、氮化物的制
备，一般需经过金属蒸发化学反应急冷， 最后形成金属化合物纳米粒子。
缺点：等离子体喷射的射流容易将金属熔融物质 本身吹飞，这是工业中应解决的技术难点。
2.等离子体合成纳米微粒方法的分类：
按等离子体产生方式可将纳米粒子制备方 法分为4种：
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2007级纳米材料学
第五章
2007级纳米材料学
前四章复习与回顾
1、用本课程所学知识解释“荷花出污泥而不染”的原因 2、掌握下列基本概念 纳米、纳米科技、纳米材料；零维、 一维、二维、三维纳米材料；一次颗粒、二次颗粒与三次颗粒 (能用示意图表示)，颗粒与晶粒(画出多晶颗粒示意图)，软团 聚与硬团聚 3、辩析：纳米科技是微加工技术的扩展，纳米科技是纳米材 料的问题，纳米材料只是微米材料尺寸减小的问题。
此种制备方法的优点是：纳米微粒的生成量随等离子气体 中的氢气浓度增加而上升。例如，Ar气中的H2占50％时，电 弧电压为30~40v，电流为150~170A的情况下每秒钟可获得 20mgFe超微粒子。为了制取陶瓷超微粒子，如TiN及AlN， 则掺有氢的惰性气体可采用N2，被加热蒸发的金属为Ti、Al等。
2007级纳米材料学
5.2.3 溅射法
此方法的原理如图5.2所示。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 ~250 Pa)，两电极间施加的电压范围为 0.3~1.5kv。因两电极间的辉光放电使Ar 电离成离子，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。
2007级纳米材料学
4、纳米科技包括哪三个研究领域？这三个研究领域对 纳米科技有何意义？
纳米材料 纳米器件 纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制 水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标 志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的 手段和理论与实验的重要基础。
2007级纳米材料学
5.2 气相法
5.2.1 低压气体中的蒸发法(气体冷凝法) 此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，
使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒。 加热源有以下几种：a、电阻加热法；b、等离子喷射法；
c、高频感应法；d、电子束法；e、极光法。
2007级纳米材料学
制备方法
2007级纳米材料学
化学法
物理法
存在不科学 之处
2007级纳米材料学
2、按制备过程分类 ——固相法、液相法和气相法
固相法 1、固相物理法：由固体物质直接通过机械粉碎法制备纳
米粉体材料
2、固相化学法：固体物质间在机械混磨过程中发生化学 反应，进而获得纳米材料
3、复分解
金属盐
金属 氢氧化物
复分解
2007级纳米材料学
5、解释：为什么所有金属纳米微粒都是黑色的？ 6、用所学知识解释：纳米材料烧结、晶化和相变温度降低的 原因 7、纳米材料的扩散与烧结性能对耐火材料烧结有何意义？ 8、什么叫超塑性？陶瓷材料具有超塑性应具备哪两处条件？ 9、纳米材料的化学成分表征可用哪两种方法？ 10、在表征纳米颗粒尺寸时，常用D50和D90，它们的意义是 什么？
钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置，
逐渐加热蒸发，产生原物质烟雾。
图5.1
气体冷凝法制备纳米 微粒原理图
2007级纳米材料学
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(冷 阱，77K)。在蒸发过程中，由原物 质蒸发出的原子与惰性气体原子碰 撞而迅速损失能量并冷却下来造成 很高的局部过饱和，导致均匀的成 核过程。首先形成原子簇，然后形 成单个纳米微粒。
2007级纳米材料学
11、请解释谢乐公式 d 0.89 B con
宜测量晶粒范围为多少？
中各参数的意义，其适
12、用比表面积法计算纳米颗粒尺寸时，常用
d
6 Sm
其中 为纳米粉体的真密度，S m 为BET法测定的比表面积，
则计算得到d值一般比实际值偏小，为什么？
5.1 制备方法分类
1、一般分类
不同的加热方法制得的超微粒的量、品种、粒径大小及 分布等存在着一定的差别。
气体冷凝法早在1963年由Ryozi Oyeda及其合作者共同研 制开发成功。
气体冷凝法的最大的特点是：通过在纯净的惰性气体中的 蒸发和冷凝过程可获得较纯净的纳米微粒。
80年代初，德国萨尔蓝大学的研究人员将气体冷凝法制得 具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致密得到 多晶体(纳米微晶)——纳米块材。
缺点：极易引入杂质(如部分阴 离子等) , 造成所得粉体纯度不够。
2007级纳米材料学
气相法
直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使 之在气态下发生物理变化或化学变化，最后在冷凝过程 中凝聚长大形成纳米粒子。
优点：颗粒纯度高、尺寸小、团聚少、组分易控。
2007级纳米材料学
纳米颗粒制备要求
不管是用那一种方法制备纳米粉体材料，均需满足下列 要求： 1、表面光洁; 2、粒子的形状规则、粒径分布均匀、粒度可控, 不易团聚; 3、易于收集; 4、热稳定性、分散性好; 5、产率较高。
2007级纳米材料学
特点：
1、纳米微粒的大小可通过调节惰性气体的压力、 蒸发物的分压进行控制。 2、随着蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升 高)粒子变大或随着原物质蒸气压力的增加，粒子 变大。
2007级纳米材料学
5.2.2 活性氢——熔融金属反应法
含有氢气的等离子体在金属间产生电弧，使金属熔融，电 离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气 体中形成金属的超微粒子，用离心收集器、过滤式收集器使微 粒与气体分离而获得纳米微粒。
前驱物
纳米粒子
2007级纳米材料学
优点： 设备和工艺简单, 反应条件容易控制, 产率高, 成本低,
环境污染少。 缺点：
产品粒度分布不均, 易团聚。
2007级纳米材料学
液相法
液相法
溶胶-凝胶法 沉淀法 水解法 微乳液法 水热/溶剂热法
液相法是在液相中合成纳米材 料，源自称湿化学法、溶液法等。优点：比较容易控制成核, 容易 控制颗粒的化学组成、形状及大小, 添加的微量成分和组成较均匀。
2007级纳米材料学
气体冷凝法的原理见图5.1。整个制 备过程是在超高真空室内进行。
通过分子涡轮泵使真空度达到0.1Pa
以上，然后充入低压(约2kPa)的纯净惰
性气体(He或Ar，纯度约为99.9996％)。
欲蒸的物质( 例如，金属，CaF2、NaCl、 FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物
及易升华的氧化物等)置于坩埚内，通过
第五章
2007级纳米材料学
前四章复习与回顾
1、用本课程所学知识解释“荷花出污泥而不染”的原因 2、掌握下列基本概念 纳米、纳米科技、纳米材料；零维、 一维、二维、三维纳米材料；一次颗粒、二次颗粒与三次颗粒 (能用示意图表示)，颗粒与晶粒(画出多晶颗粒示意图)，软团 聚与硬团聚 3、辩析：纳米科技是微加工技术的扩展，纳米科技是纳米材 料的问题，纳米材料只是微米材料尺寸减小的问题。
此种制备方法的优点是：纳米微粒的生成量随等离子气体 中的氢气浓度增加而上升。例如，Ar气中的H2占50％时，电 弧电压为30~40v，电流为150~170A的情况下每秒钟可获得 20mgFe超微粒子。为了制取陶瓷超微粒子，如TiN及AlN， 则掺有氢的惰性气体可采用N2，被加热蒸发的金属为Ti、Al等。
2007级纳米材料学
5.2.3 溅射法
此方法的原理如图5.2所示。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 ~250 Pa)，两电极间施加的电压范围为 0.3~1.5kv。因两电极间的辉光放电使Ar 电离成离子，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。
2007级纳米材料学
4、纳米科技包括哪三个研究领域？这三个研究领域对 纳米科技有何意义？
纳米材料 纳米器件 纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制 水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标 志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的 手段和理论与实验的重要基础。
2007级纳米材料学
5.2 气相法
5.2.1 低压气体中的蒸发法(气体冷凝法) 此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，
使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒。 加热源有以下几种：a、电阻加热法；b、等离子喷射法；
c、高频感应法；d、电子束法；e、极光法。
2007级纳米材料学
制备方法
2007级纳米材料学
化学法
物理法
存在不科学 之处
2007级纳米材料学
2、按制备过程分类 ——固相法、液相法和气相法
固相法 1、固相物理法：由固体物质直接通过机械粉碎法制备纳
米粉体材料
2、固相化学法：固体物质间在机械混磨过程中发生化学 反应，进而获得纳米材料
3、复分解
金属盐
金属 氢氧化物
复分解
2007级纳米材料学
5、解释：为什么所有金属纳米微粒都是黑色的？ 6、用所学知识解释：纳米材料烧结、晶化和相变温度降低的 原因 7、纳米材料的扩散与烧结性能对耐火材料烧结有何意义？ 8、什么叫超塑性？陶瓷材料具有超塑性应具备哪两处条件？ 9、纳米材料的化学成分表征可用哪两种方法？ 10、在表征纳米颗粒尺寸时，常用D50和D90，它们的意义是 什么？
钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置，
逐渐加热蒸发，产生原物质烟雾。
图5.1
气体冷凝法制备纳米 微粒原理图
2007级纳米材料学
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(冷 阱，77K)。在蒸发过程中，由原物 质蒸发出的原子与惰性气体原子碰 撞而迅速损失能量并冷却下来造成 很高的局部过饱和，导致均匀的成 核过程。首先形成原子簇，然后形 成单个纳米微粒。
2007级纳米材料学
11、请解释谢乐公式 d 0.89 B con
宜测量晶粒范围为多少？
中各参数的意义，其适
12、用比表面积法计算纳米颗粒尺寸时，常用
d
6 Sm
其中 为纳米粉体的真密度，S m 为BET法测定的比表面积，
则计算得到d值一般比实际值偏小，为什么？
5.1 制备方法分类
1、一般分类
不同的加热方法制得的超微粒的量、品种、粒径大小及 分布等存在着一定的差别。
气体冷凝法早在1963年由Ryozi Oyeda及其合作者共同研 制开发成功。
气体冷凝法的最大的特点是：通过在纯净的惰性气体中的 蒸发和冷凝过程可获得较纯净的纳米微粒。
80年代初，德国萨尔蓝大学的研究人员将气体冷凝法制得 具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致密得到 多晶体(纳米微晶)——纳米块材。
缺点：极易引入杂质(如部分阴 离子等) , 造成所得粉体纯度不够。
2007级纳米材料学
气相法
直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使 之在气态下发生物理变化或化学变化，最后在冷凝过程 中凝聚长大形成纳米粒子。
优点：颗粒纯度高、尺寸小、团聚少、组分易控。
2007级纳米材料学
纳米颗粒制备要求
不管是用那一种方法制备纳米粉体材料，均需满足下列 要求： 1、表面光洁; 2、粒子的形状规则、粒径分布均匀、粒度可控, 不易团聚; 3、易于收集; 4、热稳定性、分散性好; 5、产率较高。
2007级纳米材料学
特点：
1、纳米微粒的大小可通过调节惰性气体的压力、 蒸发物的分压进行控制。 2、随着蒸发速率的增加(等效于蒸发源温度的升 高)粒子变大或随着原物质蒸气压力的增加，粒子 变大。
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5.2.2 活性氢——熔融金属反应法
含有氢气的等离子体在金属间产生电弧，使金属熔融，电 离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气 体中形成金属的超微粒子，用离心收集器、过滤式收集器使微 粒与气体分离而获得纳米微粒。
前驱物
纳米粒子
2007级纳米材料学
优点： 设备和工艺简单, 反应条件容易控制, 产率高, 成本低,
环境污染少。 缺点：
产品粒度分布不均, 易团聚。
2007级纳米材料学
液相法
液相法
溶胶-凝胶法 沉淀法 水解法 微乳液法 水热/溶剂热法
液相法是在液相中合成纳米材 料，源自称湿化学法、溶液法等。优点：比较容易控制成核, 容易 控制颗粒的化学组成、形状及大小, 添加的微量成分和组成较均匀。
2007级纳米材料学
气体冷凝法的原理见图5.1。整个制 备过程是在超高真空室内进行。
通过分子涡轮泵使真空度达到0.1Pa
以上，然后充入低压(约2kPa)的纯净惰
性气体(He或Ar，纯度约为99.9996％)。
欲蒸的物质( 例如，金属，CaF2、NaCl、 FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物
及易升华的氧化物等)置于坩埚内，通过