纳米固体材料制备方法

纳米固体材料制备方法
§1 纳米金属材料的制备
1.1惰性气体蒸发原位加压法
1.2高能球磨法
1.3非晶晶化法
§2 纳米陶瓷材料的制备
2.1无压烧结
2.2热压烧结
2.3微波烧结
§ 3 纳米金属材料的制备
1.惰性气体蒸发原位加压法
（a）用该方法成功地制备了Fe、Cu、Au、Pd等纳米晶金属块体和Si－Pd、Pd－Fe－Si、Si－Al等纳米金属玻璃。

（b）惰性气体蒸发原位加压法属于“一步法”，步骤是：制备纳米颗粒→颗粒收集→压制成块体。

上述步骤一般都是
在真空下进行的。

图3-1 惰性气体蒸发原位加压装置示意图
2.高能球磨法
（a）高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎
为纳米级微粒的方法。

（b）将两种或两种以上金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压
合的反复过程，最后获得组织和成分分布均匀的合金粉
末。

这种方法称为机械合金法(Mechanical Alloying，简
写成MA)。

高能球磨法已成功地制备出以下几类纳米晶材料
（a）纳米晶纯金属。

高能球磨可以容易地使具有体心立方（bcc）结构和六方最紧密堆积（hcp）结构的金属形成
纳米晶结构，而对于具有面心立方（fcc）结构的金属则
不易形成纳米晶。

（b）不互溶体系纳米结构。

可将相图上几乎不互溶的几种元素制成固溶体，这是用常规熔炼方法根本无法实现的。

（c）纳米金属间化合物。

目前已制备Ti—B、Ti—A1等十多个合金系纳米金属间化台物。

（d）纳米金属—陶瓷复合粉体。

如，采用高能球磨法把纳米Y2O3粉体复合到Co－Ni－Zr合金中，使矫顽力提高两
个数量级。

3.非晶晶化法
图3-2 非晶晶化法制备的纳米晶Ni—P合金的晶粒尺寸与退火温度
的关系
图3-3非晶晶化法制备的FeBSi纳米合金的晶粒尺寸与退火温度的关
系
卢柯等人率先采用非晶晶化法成功地制备出纳米晶Ni—P合金（图3-2）。

采用非晶晶化法还可制备FeBSi纳米合金（图3-3）。

§2 纳米陶瓷材料的制备
纳米陶瓷的优越特性有以下几个主要方面：
（a）超塑性：例如纳米晶Ti02(金红石)在低温下具有超塑性；
（b）在保持原来常规陶瓷的断裂韧性的同时，强度大大提高；
（c）烧结温度可降低几百度，烧结速度大大提高。

如，10nm的陶瓷微粒比10 m的理论烧结速度提高12个数量级。

为了使纳米陶瓷具有高的致密度，主要采用以下几种工艺路线。

1.无压烧结
（a）该工艺过程是将无团聚的纳米粉，在室温下经模压成块状试样，然后在一定的温度下烧结使其致密化。

（b）无压力烧结工艺简单，不需特殊的设备，因此成本低。

（c）稳定剂掺入。

在纳米ZrO2粉中掺入5V ol%MgO，通过无压烧结，相对密度可达98%。

掺MgO的纳米ZrO2粉晶
粒长大的速率，远低于未掺稳定剂MgO的ZrO2试样(见
图3-4)。

图3-4 稳定剂对ZrO2 纳米晶粒长大的影响
2.热压烧结
（a）无团聚的粉体在一定压力下进行烧结，称为热压烧结。

（b）该工艺优点是对于许多未掺杂的纳米粉，可制得具有较高致密度的纳米陶瓷，并且晶粒无明显长大。

（c）但该工艺要求的设备比无压烧结复杂，操作也较复杂。

（d）纳米TiO2金红石和纳米ZrO2的生坯经不同温度烧结24小
时后的相对密度、平均粒径与烧结温度的关系见图3-5和图
3-6。

图3-5 纳米相TiO2块体的相对密度、平均粒径与烧结温度的关系
图3-6 无压力烧结过程中纳米相ZrO2密度和粒径与烧结温度的关系3.微波烧结
（a）要想使纳米陶瓷材料烧结过程中晶粒不过分长大，必须采用快速升温、快速降温的烧结方法。

（b）微波烧结的升温速度快（500 o C/min），升温时间短（约2min），解决了纳米晶异常长大问题。

且能量可节约50%
左右。

（c）微波烧结的原理是利用在微波电磁场中材料的介质损耗，使陶瓷材料整体加热到烧结温度而实现致密化。

（d）采用微波烧结可制备ZrO2或Al2O3纳米陶瓷材料。