纳米材料的制备方法及其研究进展

纳米材料的制备及其研究进展

摘要：综述了纳米材料的结构、性能及发展历史；介绍了纳米材料的制备方法及最新进展；概述了纳米材料在各方面的应用状况和前景；讨论了目前纳米材料制备中存在的问题。

关键词：纳米材料；结构与性能；制备技术；应用前景；研究进展

1 引言

纳米微粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，微粒具有壳层结构。由于微粒的表面层占很大比重，所以纳米材料实际是晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量的界面，晶界原子达15%-50%。这些特殊的结构使得纳米材料具有独特的体积效应、表面效应，量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而使其具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性，使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值，美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划；日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术；英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破口；我国的自然科学基金、“863”项目、“973”项目、“攀登计划”以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目。纳米材料必将成为“21 世纪最有前途的材料”，纳米科学技术的发展必将对生产力的发展产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的一系列如粮食、健康、能源及环保等重大问题[1]。

目前，纳米材料的研究主要包括：

（1）纳米材料结构的研究以及纳米材料性能的分析、测试及表征；

（2）纳米材料的合理制备；

（3）纳米晶结构材料及纳米微粒大小的可控性研究；

（4）纳米材料的工业化生产及实际应用。其中纳米材料的制备在当前纳米材料科学的研究中占有极其重要的地位，新的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。

1 纳米微粒的制备方法

纳米微粒的制备方法一般可分为物理方法和化学方法。制备的关键是如何控制颗粒的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。

1.1 物理方法

1.1.1 蒸发冷凝法

又称为物理气相沉积法，是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。特点：纯度高、结晶组织好、粒度可控；但技术设备要求高。根据加热源的不同有：

（1）真空蒸发-冷凝法其原理是在高纯度惰性气氛（Ar,He）下，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。1984年Leiter[2]等首次用惰性气体沉积和原位成型方法，研制成功了Pd、Cu、Fe 等纳米级金属材料。1987 年Siegles[3]采用该法又成功地制备了纳米级TiO2陶瓷材料。这种方法是目前制备纳米微粒的主要方法。特点：粒径可控，纯度较高，可制得粒径为5~10nm的微粒。但仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在局限性。

（2）激光加热蒸发法是以激光为快速加热源，使气相反应物分子内部很快地吸收和传递能量，在瞬间完成气相反应的成核、长大和终止。特点：可获得粒径小（小于50nm）且粒度均匀的纳米微粒" 但激光器的效率低，电能消耗较大，投资大，难以实现规模化生产。

（3）高压气体雾化法是利用高压气体雾化器将-20~-40O C的氦气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液流内，熔体被破碎成极细颗粒的射流，然后急剧骤冷得到超微粒。特点：微粒粒径小且粒度分布较窄。

（4）高频感应加热法是以高频线圈为热源，使坩埚内的物质在低压（1~10KPa）的He、N2等惰性气体中蒸发，蒸发后的金属原子与惰性气体原子相碰撞，冷却凝聚成颗粒。特点：微粒纯度高，粒度分布较窄，但成本较高，难以获得高沸点的金属。（5）热等离子体法是用等离子体将金属等的粉末熔融、蒸发和冷凝以获得纳米微粒。特点：微粒纯度较高，粒度均匀，是制备氧化物、氮化物、碳化物系列、金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效的方法，同时为高沸点金属纳米微粒的制备开辟了前景。但离子枪寿命短、功率小、热效率低。目前新开发出的电弧气化法和混合等离子体法有望克服以上缺点。

（6）电子束照射法1995年许并社等人[4]利用高能电子束照射母材，成功地获得了表面非常洁净的纳米微粒，母材一般选用该金属的氧化物，如用电子束照射Al2O3后，表层的Al-O 键被高能电子“切断”，蒸发的Al原子通过瞬间冷凝，形核、长大，形成Al的纳米微粒，但目前该方法获得的纳米微粒限于金属纳米微粒。

1.1.2 物理粉碎法

通过机械粉碎、冲击波诱导爆炸反应等方法合成单一或复合纳米粒子。特点：

操作简单、成本较低，但易引入杂质，降低纯度，粒度不易控制且分布不均，难以

获得粒径小于100nm的微粒。近年来随着助磨剂物理粉碎法，超声波粉碎法[5]等的采用，粒径可小于100nm，但仍存在产量较低、成本较高、粒径分布不均的缺点，有

待于进一步的改进和研究。

1.1.3机械合金化法（MA法）

是利用高能球磨方法，控制适当的球磨条件以获得纳米级晶粒的纯元素、合金或复合材料。这是1970年美国INCO公司为制作Ni基氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种新工艺。1998年shingu首先报道了用机械合金化法制备晶粒小于10nm的合金[6]。该方法工艺简单、制备效率高，并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属和合金纳米材料，成本较低，不仅适用于制备纯金属纳米材料，还可以制得互不相溶体系的固溶体、纳米金属间化合物及纳米金属陶瓷复合材料等。但制备中易引入杂质，纯度不高，颗粒分布也不均匀。此外，制备纳米微粒的物理方法还有：溅射法、流动液面上真空蒸镀法、金属蒸气合成法以及混合等离子法等，详见文献［7］。

1.2 化学方法

1.2.1化学气相法

是利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成所需物质.特点：粒径可控、产物纯度高、粒度分布均匀且窄，无粘结。

（1）化学气相沉积法，是利用气体原料在气相中进行化学反应形成基本粒子( 特点：纯度高，工艺过程可控( 但粒度较大，而且颗粒易团聚和烧结( 目前开发出的等离子体CVD技术，是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区与周围环境形成的巨大温度梯度，通过急冷获得纳米微粒[8]。新原皓一[9,10]应用Cvd复合粉末法制备了Si3N4纳米级复相陶瓷。这种方法的特点是粒径可控，无粘结，粒度分布均匀，但成本较高，不适合工业化大规模生产。

（2）化学气相合成法是惰性气体冷凝法的一种变型，既可制备纳米非氧化物粉体SiC，也可制备纳米氧化物粉体Y2O3等( 上海硅酸盐研究所采用CVS 法制备了粒径为30~50的SiC粉体，并制备出了SiC纳米复相粉体。[11]

1.2.2沉淀法

这是液相化学合成高纯度纳米微粒采用最广泛的方法之一( 它是将沉淀物加入到金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物加热分解( 包括：共沉淀法、水解法、均匀沉淀法，氧化水解法、还原法[12]等。

（1）直接沉淀法仅通过沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒；

（2）均匀沉淀法通过控制生成沉淀剂的速度，减少晶粒凝集，制备出高纯度的纳米材料；

（3）共沉淀法将沉淀剂加入混合后的金属盐溶液中，促使各组分均匀混合沉淀，然后加热分解以获得超微粒。采用该法时，沉淀剂的过滤、洗涤剂溶液的PH值、浓度、