第七章 纳米固体及其制备.doc

攻读博士、硕士学位研究生试卷（作业）封面 （2012至2013 学年度第2学期） 题 目 综述块体纳米材料的制备方法 科 目 纳米材料和纳米结构 姓 名 专 业 凝聚态物理 入学年月 2012年9月 简短评语 成绩： 授课教师签字： 综述块体纳米材料的制备方法 （西北师范大学 物理与电子工程学院） 摘 要：块体纳米材料的制备技术及性能研究是当前纳米材料领域内的一个热点，块体纳米材料具有奇异的结构和特殊性能, 使得纳米材料的应用十分广泛。本文仅就当前采用的几种制备纳米材料的方法进行简单地介绍。 关键词：块体纳米；制备；方法； 块体纳米材料的制备方法是近几年才逐渐发展起来的，至今已有的一些制备方法并不是十分理想，特别是块体式样的制备工艺还有待进一步改进。例如如何获得高致密度的纳米陶瓷工艺仍处于摸索阶段，如何获得高致密度大块金属与合金仍需进行探索，这是当前材料工作者所关心的重要课题的一部分，开发具有优异物理、化学和力学性能的块体纳米金属材料及其制备技术是当前及今后一段时间内材料学家的工作重点。下面着重介绍纳米金属材料和纳米陶瓷材料的几种制备方法。 1.块体纳米金属的制备方法 目前，块体纳米金属的制备分为“两步过程”和“一步过程”。“ 两步过程”是将预先制备的纳米金属压制成块体材料，其中以惰性气体冷凝、原位加压法最具代表性。“一步过程”则是将外部能量引人或作用于母体材料，使其产生相变或结构转变，直接制备出块体纳米金属或合金材料，如非晶晶化法、脉冲电流直接晶化法等。下面简要介绍几种有代表性的制备方法。 1．1惰性气体冷凝、原位加压法 1984年，德国科学家Gleiter等首次采用惰性气体蒸发制得6nm的铁超微粒子，并在超真空的条件下将其压制成纳米微晶块体。这是世界上获得的第一块纳米金属材料。 后来他们用此方法成功地制备了Cu、Au、Pd等纳米金属块体。目前， 采用这种方法制备的块体纳米金属材料已达几十种，如Al、Mg、Zn、Sn、Cr、Fe、Co、Ag、Cu、Mo、Pd、Ta、Ti等纳米块体。 从纳米金属材料形成过程，可以总结出用“一步法”制备纳米金属固体的步骤是：①制备纳米颗粒；②颗粒收集；③压制成块体。从理论上说，制备纳米金属和合金的方法很多，但真正获得具有清洁界面的金属和块体材料的方法并不多，目前比较成功的方法就是惰性气体蒸发、原位加压法。如图所示为惰性气体蒸发(凝聚)、原位加压法制备纳米金属和合金的装置。这个装置主要由3个部分组成：第一个部分为纳米粉体获得；第二个部分为纳米粉体的收集；第三个部分为粉体的压制成型。由于惰性气体蒸发冷凝形成的金属和合金纳米微粒几乎无硬团聚体存在，因此即使在室温下压制也能获得相对密度(纳米试样密度／理论密度，如单晶的密度，下同)高于90％的块体，最高相对密度可达97％。故此种制备方法的优点是纳米微粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，块体纯度高，相对密度也较高。 惰性气体冷凝、原位加压法的装置主要由蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落输运系统及原位加压成形（烧结）系统组成。其制备过程和原理是在高真空反应室中充人惰性气体，把金属加热蒸发形成金属蒸气。金属蒸气在惰性气体的作用下，在冷却棒附近首先形成原子簇，,然后形成单个纳米微粒。最后在冷却棒表面上积聚很多纳米金属微粒，用刮板将金属粉从冷却棒上刮下即获得纳米金属粉。也可用刮板将冷却棒上的纳米微粒刮入漏斗并导入模具，在10-6Pa高真空下，加压系统以1～5GPa的压力使纳米粉原位加压（烧结）成块。这种制备方法的优点是适用范围广，纳米微粒表面洁净，很少团聚成粗团聚体，纳米金属块体纯度高。但缺点是工艺设备复杂、产量极低，特别是用这种方法制备的纳米晶体存在大量的微孔隙，这些微孔隙对纳米金属结构性能的研究及某些性能的提高十分不利。 1.2高能球磨法结合加压成块法 1990年，日本京都大学Shingu等人首先报道了用高能球磨法制得Al-Fe纳米合金材料，为制备纳米金属找到了一条实用化的途径。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动使磨球对金属粉体进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属粉碎为纳米级微粒的方法。采用热挤压、热静压等技术可将纳米金属制成块体纳米材料。目前， 用高能球磨法可制备纳米晶纯金属（如Fe、Nb、W、Zr、Co、Ru、Cr等）。 高能球磨是一种用来制备具有可控微结构的金届基或陶瓷基复合粉末的技术。即在干燥的球型装料机内，在高真空Ar气保护下，通过机械研磨过程