纳米粉体的制备方法及其研究进展

纳米粉体的制备方法及团聚简介

摘要：本文简要综述了制备纳米粉体的相关方法，物理方法有气体冷凝法、侧射法、高能机械球磨法等，化学方法有固相配位化学法、溶胶-凝胶法、沉淀法、化学气相沉积法等。并且简要的介绍了团聚的原因及如何防止纳米团聚

关键词：纳米粉体；制备方法；团聚

近年来，随着科学技术的发展，世界各地许多科学家都在积极开展新材料尤其是纳米材料的研究。纳米材料包括零维颗粒材料、一维纳米针、二维纳米膜材料以及三维纳米晶体材料。纳米颗粒一般在1～100nm之间，处于微观粒子和宏观物体之间的过渡区域。它具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性。这些特性使其呈现出一系列奇异的物理、化学性质，目前在国防、电子、化工、轻工、核技术、航空航天、医学和生物工程等领域中具有重要的应用价值。为此，本文简要综述了纳米粉体的相关方法。

1 . 纳米粉体材料的制备方法

1.1 物理法

1.1.1 气体冷凝法[1]

气体冷凝法（IGC），其主要过程是在低压的氩、嗐等惰性气体中加热金属，使其蒸发，产生原子雾，经泠凝后形成纳米颗粒。纳米合金可通过同时蒸发数种金属物质得到；纳米氧化物可在蒸发过程中真空室内通以纯氧使之氧化得到。这种方法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。

1.1.2 侧射法[1]

用两块金属板分别作阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入氩气，在两电极之间施加适当电压，两电极间的辉光放电促使氩离子的形成，在电场作用下，氩离子冲击阴极材料，使靶材原子从其表面沉积下来。而且加大被溅射的阴阳表面可提高纳米微粒的获得量。该方法可有效控制多种高熔点和低熔点的纳米金属；能制备多组元的化合物纳米颗粒。

1.1.3 高能机械球磨法[1]

高能球磨法是近年来发展起来的一种制备纳米粉体材料的方法，该方法尤其是在制备合金粉末方面具有良好的工业应用前景。它是将欲合金化的元素粉末混合起来，在高能球磨机长时间运转，将回转机械能传递给金属粉末，依靠求魔过程中粉末的塑形变形产生复合，并发生扩散和固态反应而形成合金粉末。由于该过程引入大量的粉末颗粒应变、缺陷以及纳米量级的微结构，使合金过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应过程，有可能制备出常规液态或气相难以合成的新型合金。此外，通过高能机械球磨中气氛的控制与外部磁场的引入，使这一技术得到了较大的发展。

1.2 化学法

1.2.1 激光法[2]

主要以用激光法合成纳米硅粉为例。激光气相合成硅粉一般选用昂贵的硅烷气体作为反应原料，以一定配比与氩气或氢气混合，在激光的作用下，分解生成硅粉，其反应方程式为：

SiH

g or s+2

激光诱导硅烷气相合成反应中Si粒子的形成首先是硅烷气体在激光作用下分解产生饱和的Si蒸气，经气相凝聚均匀形核，其后在Si原子蒸气环境中均匀生长，直至粒子冲出反应区而终止长大，最终形成单晶结构。由由于反应时间短、冷却速率大，会使Si粒子的形成还要经历这些粒子的非弹性碰撞生长阶段，导致粒子团聚并形成多晶，加入氩气则可显著抑制粒子间的碰撞生长。

1.2.2 直接沉淀法[3]

直接沉淀法是在一定的条件下，在包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂，直接生成沉淀从溶液中析出，将阴离子除去，沉淀物经热分解制的纳米粉体。由于加入的沉淀剂不可能在瞬间分散于整个溶液，导致成核-长大-沉淀的过程难以控制，易发生不均匀成核而使制得的粉体粒度不均匀。

1.2.2 间接沉淀法[3]

间接沉淀法也叫均匀沉淀法，是利用某一化学反应是溶液中的构晶离子从溶液中缓慢地、均匀地释放出来。在反应过程中，加入的沉淀剂不是立刻与被沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢析出，使得构晶离子在整个溶液中分布均匀，所以沉淀物的颗粒均匀而致密，便于过滤和洗涤，产品粒度小、分散窄、团聚少。

1.2.3 水解沉淀法[3]

水解沉淀法是利用醇盐在水中能快速发生水解，形成氢氧化物沉淀，再经过滤、干燥、焙烧等过程来制备纳米粉体。目前已经开发研制的可水解的金属醇盐已有30多种元素，主要有：BaTiO3、BaZrO3、SrTiO3、Fe3O4、CuO、PbO等。该法的突出优点是反应条件温和，操作简单。但原料成本较高，其应用受到一定限制。

1.2.4 共沉淀法[3]

共沉淀法能将各种离子在溶液中实现原子级的混合，主要用来制备电子陶瓷的复合粉体。其主要思想是使溶液中某些特定的离子沉淀时，共存于溶液中的其他离子液和特定的阳离子一起沉淀。事实上，溶液中的金属离子随pH值的上升，按满足沉淀条件的顺序依次沉淀，形成单一的或几种金属离子构成的混合沉淀物。因此，共沉淀法本质上存在分别沉淀的倾向，可以提高作为沉淀剂的氢氧化钠或氨水溶液，再导入金属盐溶液，从而使溶液中所有的金属离子同时满足沉淀条件。为保证均匀沉淀，应避免对溶液进行激烈搅拌，这可以在某种程度上防止分别沉

淀的发生。但是，在使沉淀物向产物化合物转变而进行加热反应，一般很难控制其组分的均匀性。

1.2.5 固相配位化学法[1]

固相配位化学法在物质合成方面特点是在利用固相配位化学反应合成金属簇合物和固相配合物等方面显示了极大的优势，是一种非常有前途的纳米粉体制备方法。用此法制备氧化物纳米粉体的主要过程[4]，就是首先在室温或低温下制备可在较低温度分解的固相金属配合物，然后将固相产物在一定的温度下进行加热分解，得到氧化物纳米粉体。与液相合成法相比，具有纯度高、工艺简单、可缩短制备时间等特点。

1.2.6 物理气相沉积法[5]

物理气相沉积(PVD)法制备纳米粉体的基本原理是在低压下，利用各种热能转换方式将原料蒸发形成纳米级颗粒的气相粒子，在收集器上冷凝而得。通常采用的热能转换方式为：（1）电阻加热，即以电阻为加热器，通以电流，从而产生高温将原料蒸发、此方法适合不太高的材料纳米粉体的制备。（2）等离子体加热，即将原料加入等离子体，原料蒸发后在等离子体外急剧冷凝而产生纳米粉体、采用等离子体法由于没有使用电极加热，避免了电极物质混入原料，使得所制粉体纯度较高，但该方法对设备、技术的要求较高。（3）高频感应加热法，即采用给感应线圈通以高频电流的办法给原料加热，使其蒸发从而制得纳米粉体。（4）脉冲激光沉积(PLD)法，即采用瞬时功率很大的脉冲激光，对高纯靶体进行消融，溢出等离子气体，沉积于基体可获得纳米薄膜，将薄膜从基体刮下，即得纳米粉体。该方法制备纳米薄膜，表面质量非常高，但制备环境要求复杂，成本很高，运用较少。以上方法已经成功运用于纳米薄膜或粉体的制备。但总的来说，对设备技术要求较高，成本也较高，在光催化剂的制备中使用较少。

1.2.7 化学气相沉积(CVD)法[5]

化学气相沉积(CVD)法是几种气相物质在高温下通过化学反应生成固态物质并沉积在基体上，从而制得纳米薄膜或粉体。当金属盐整齐与氧或水蒸气反应，可以得到Fe2O3、ZrO2、TiO2等金属氧化物纳米粉体。与PVD相同的是原料都需要蒸发为气态；不同的是CVD制备纳米粉体的是由不同气态原料间化学反应制得，而PVD没有化学反应发生。因而，CVD的关键在于如何控制反应速率，达到均相成核，以降低粉体团聚的发生，从而缩小粒径分布的范围。此外，由于CVD制备粉体的过程中，未反应完全的产物总是会存在，从而污染所制得的纳米粉体，降低粉体纯度，这也是CVD制备纳米粉体需要解决的问题。和PVD 类似，在CVD过程中，电阻加热、高频感应加热等热能转换方法都可以用来对原料进行加热使其蒸发。

1.2.8 水热法[5]