納米材料及其制備技術(shù)

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1、納米材料及其制備技術(shù)評(píng)述摘要納米材料作為物質(zhì)存在的一種新?tīng)顟B(tài)，其應(yīng)用前景已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，納米材料的制備與研究向各個(gè)領(lǐng)域的滲透日益廣泛和深入，近年來(lái)受到科學(xué)界的廣泛重視。為適應(yīng)未來(lái)納米技術(shù)和納米材料發(fā)展的需要，很有必要對(duì)納米材料的制備技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。本文將從納米材料的概況，制備工藝，及其部分應(yīng)用等方面作出綜合評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞納米材料，性能，制備方法，應(yīng)用一概述1．納米的基本概念及內(nèi)涵納米是一種長(zhǎng)度單位，一納米相當(dāng)于十億分之一米，大約相當(dāng)于幾十個(gè)原子的長(zhǎng)度。納米科學(xué)技術(shù)(Nano-ST)是20世紀(jì)80年代末剛剛誕生并正在崛起的新科技，它的基本涵義是在納

2、米尺寸(10-9—10-7m)范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)及改造自然，通過(guò)直接操作及安排原子，分子來(lái)創(chuàng)造新的物質(zhì)。納米科技是研究由尺寸在0.1至100nm之間的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù).納米科技主要包括：(1).納米體系物理學(xué)；(2).納米化學(xué)；(3).納米材料學(xué)；(4).納米生物學(xué)；(5).納米電子學(xué)；(6).納米加工學(xué)；9(7).納米力學(xué)；這七個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立.隧道顯微鏡在納米科技之中占有重要地位，它貫穿到七個(gè)領(lǐng)域中，以掃描隧道顯微鏡為分析和加工的手段占有一半以上。掃描隧道顯微鏡(STM)工作原理簡(jiǎn)圖[14]2.納

3、米材料概述及其分類(lèi):納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍，或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料，如果按維數(shù),納米材料的基本單元可分為三類(lèi)：1.零維，指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等。2.一維，指在空間中有兩維處于納米尺度，如納米絲，納米管，納米棒等。3.二維，指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜，多層膜，超晶格等。因?yàn)檫@些單元往往具有量子性質(zhì)，所以對(duì)零維，一維，二維的基本單元又分別有量子點(diǎn)，量子線，量子阱之稱(chēng)。3.納米材料的特性(1)小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米微粒尺寸與光波的波長(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的得布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)

4、度或透深度等物理特征尺寸相當(dāng)時(shí)，晶體周期性的邊界條件將破壞，聲，光，電，磁，熱，力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。(2)表面與界面效應(yīng)納米微粒由于尺寸小，表面積大，表面能高。因此其活性極高，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。(3)量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)會(huì)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)。納米微粒的聲，光，電，磁，9熱以及超導(dǎo)性與宏觀特性有著顯著的不同，這被稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。(4)宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是指微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如磁化強(qiáng)度，量子相干器中的磁通量等具有隧道效應(yīng)，稱(chēng)之為宏觀量子隧道效應(yīng)

5、。由于以上4個(gè)效應(yīng)的存在,納米材料呈現(xiàn)如下的宏觀物理性能：(1)高強(qiáng)度和高韌性；(2)高熱膨脹系數(shù),高比熱容和低熔點(diǎn)；(3)異常的導(dǎo)電率和磁化率；(4)極強(qiáng)的吸波性；(5)高擴(kuò)散性。二.納米材料的制備1.納米微粒的制備方法[13]2.物理制備方法早期的物理制備方法是將較粗的物質(zhì)粉碎，如低溫粉碎法，超聲波粉碎法，沖擊波粉碎法，蒸氣快速冷卻法，蒸氣快速油面法，分子束外延法等等。近年來(lái)發(fā)展了一些新的物理方法，如旋轉(zhuǎn)涂層法將聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于轉(zhuǎn)速不同，可以得到不同的空隙度，然后用物理氣相沉積法在其表面上沉積一層銀膜，經(jīng)過(guò)熱處理，即可得到銀納米

6、顆粒的陣列。中科院物理所開(kāi)發(fā)了對(duì)玻璃態(tài)合金進(jìn)行壓力下納米晶化的方法[3]。例如：ZrTiCuBeC玻璃態(tài)合金在6GPa和623K的條件下進(jìn)行晶化，可以制備出顆粒尺寸小于5nm的納米晶。(1)機(jī)械粉碎機(jī)械粉碎方式制備納米顆粒主要包括高能球磨及高能氣流磨，這是在傳統(tǒng)的機(jī)械粉碎技術(shù)中發(fā)展起來(lái)的。機(jī)械粉碎法是在給定外場(chǎng)力作用下，如沖擊、擠壓、碰撞、剪切或摩擦，使大顆粒破碎成超細(xì)微粒的一種技術(shù)。9(2)氣相沉積物理氣相沉積可以說(shuō)是制備納米顆粒的一種最基本的方法。物理氣相沉積主要包括熱蒸發(fā)法、離子濺射等方法。熱蒸發(fā)法所得納米顆粒一般在5~100nm之間。熱蒸

7、發(fā)法是將欲制備納米顆粒的原料加熱、蒸發(fā)，使之成為原子或分子，然后再使原子或分子凝聚，形成納米顆粒。3化學(xué)制備方法(1)固相法[4]固相法包括固相物質(zhì)熱分解法和物理粉碎法。固相物質(zhì)熱分解法是利用金屬化合物的熱分解來(lái)制備超微粒，但其粉末易固結(jié),還需再次粉碎，成本較高.物理粉碎是通過(guò)機(jī)械粉碎，電火花爆炸等法制得納米粒子。其原理是利用介質(zhì)和物料間相互研磨和沖擊，以達(dá)到微粒的超細(xì)化，但很難使粒徑小于100納米。機(jī)械合金法(MA)是1970年美國(guó)INCO公司Benjamin為制作鎳的氧化物粒子彌散強(qiáng)化合金而研制成功的一種新工藝。該法工藝簡(jiǎn)單，制備效率高，并能

8、制備出常規(guī)法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬或合金納米材料，成本較低但易引進(jìn)雜質(zhì)，降低純度，顆粒分布也不均勻。(2)氣相法[4]氣相法在納米微粒制造