納米材料的物理合成法

1、納米材料的物理合成法納米材料的物理合成法1、物理合成法的定義、物理合成法的定義 采用光、電技術(shù)使材料在真空或惰性氣氛采用光、電技術(shù)使材料在真空或惰性氣氛中蒸發(fā)，然后使原子或分子形成納米顆粒，中蒸發(fā)，然后使原子或分子形成納米顆粒，以及球磨、噴霧等以力學(xué)過程為主的制備以及球磨、噴霧等以力學(xué)過程為主的制備技術(shù)。技術(shù)。1.1、蒸發(fā)、蒸發(fā)-冷凝法冷凝法 蒸發(fā)冷凝法是指在蒸發(fā)冷凝法是指在高真空高真空的條件下，金屬的條件下，金屬試樣經(jīng)試樣經(jīng)蒸發(fā)后冷凝蒸發(fā)后冷凝。試樣蒸發(fā)方式包括。試樣蒸發(fā)方式包括電電弧放電弧放電產(chǎn)生產(chǎn)生高能電脈沖高能電脈沖或或高頻感應(yīng)高頻感應(yīng)等以產(chǎn)等以產(chǎn)生生高溫等離子體高溫等離子體，使金屬蒸

2、發(fā)。蒸發(fā)冷凝，使金屬蒸發(fā)。蒸發(fā)冷凝法制備的超微顆粒具有如下特征：法制備的超微顆粒具有如下特征：高純高純度；度；粒徑分布窄；粒徑分布窄；良好結(jié)晶和清潔表良好結(jié)晶和清潔表面；面；粒度易于控制等。在原則上適用于粒度易于控制等。在原則上適用于任何被蒸發(fā)的元素以及化合物。任何被蒸發(fā)的元素以及化合物。1.1.1、電阻加熱法電阻加熱法原理原理: :物質(zhì)物質(zhì)( (金屬離子化合物等金屬離子化合物等) ) 置于柑蝸內(nèi)通過電阻等加熱裝置加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸發(fā)置于柑蝸內(nèi)通過電阻等加熱裝置加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸發(fā)質(zhì)煙霧，由于惰性氣體的對流，煙霧向上移動，并接近充液氮的冷卻棒質(zhì)煙霧，由于惰性氣體的對流，煙霧向上移動，并接近充液氮的

3、冷卻棒) )。在蒸發(fā)過程。在蒸發(fā)過程中，元物質(zhì)的原子與惰性氣體原子碰撞而冷卻，在接近冷卻棒的過程中，元物質(zhì)蒸汽首中，元物質(zhì)的原子與惰性氣體原子碰撞而冷卻，在接近冷卻棒的過程中，元物質(zhì)蒸汽首先形成原子簇然后形成單個納米微粒。最后在冷卻棒表面上積聚起來，刮下并收集起先形成原子簇然后形成單個納米微粒。最后在冷卻棒表面上積聚起來，刮下并收集起來獲得納米粉。來獲得納米粉。特點特點: :加熱方式簡單加熱方式簡單, ,工作溫度受坩堝材料的限制工作溫度受坩堝材料的限制, ,還可能與坩堝反應(yīng)。所以一般用來制還可能與坩堝反應(yīng)。所以一般用來制備備AlAl、CuCu、AuAu等低熔點金屬的納米粒子。等低熔點金屬的納米

4、粒子。1.1.21.1.2、高頻感應(yīng)法高頻感應(yīng)法 原理原理: :以高頻感應(yīng)線圈為熱源以高頻感應(yīng)線圈為熱源, ,使坩堝內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)在渦流作使坩堝內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)在渦流作用下加熱，在低壓惰性氣體中蒸發(fā)用下加熱，在低壓惰性氣體中蒸發(fā), ,蒸發(fā)后的原子與惰性氣體蒸發(fā)后的原子與惰性氣體原子碰撞冷卻凝聚成納米顆粒。原子碰撞冷卻凝聚成納米顆粒。特點特點：采用坩堝，一般也只是制備象低熔點金屬的低熔點物：采用坩堝，一般也只是制備象低熔點金屬的低熔點物質(zhì)。質(zhì)。高頻感應(yīng)的加熱原理高頻感應(yīng)的加熱原理 感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體在高頻磁場作用下感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體在高頻磁場作用下 產(chǎn)生的感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流(渦流損耗渦流損耗)。以

5、及導(dǎo)體內(nèi)磁。以及導(dǎo)體內(nèi)磁場的作用場的作用(磁滯損耗磁滯損耗)引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進行加熱的。行加熱的。 1.1.31.1.3、濺射法濺射法 原理原理: : 用兩塊金屬板分別作為陽極用兩塊金屬板分別作為陽極和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在兩電極間充入兩電極間充入ArAr氣氣(40(40250Pa)250Pa)，兩，兩電極問施加的電壓范圍為電極問施加的電壓范圍為0.30.31.5kv1.5kv。由于兩極間的輝光放電使。由于兩極間的輝光放電使ArAr離子形成，在電場的作用下離子形成，在電場的作用下ArAr離子離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從沖擊陰極靶材

6、表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子并其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子并在附著面上沉積下來在附著面上沉積下來特點特點:(1) :(1) 可制備多種納米金屬，包可制備多種納米金屬，包括高熔點和低熔點金屬。常規(guī)的熱括高熔點和低熔點金屬。常規(guī)的熱蒸發(fā)法只能適用于低熔點金屬；蒸發(fā)法只能適用于低熔點金屬；（2)2)能制備多組元的化合物納米微能制備多組元的化合物納米微粒，如粒，如A1A15252TiTi4848、CuCu9191MnMn9 9及及ZrOZrO2 2等；等；(3) (3) 通過加大被濺射的陰極表面可通過加大被濺射的陰極表面可提高納米微粒的獲得量。提高納米微粒的獲得量。磁控濺射法磁控濺射法

7、磁控濺射是一種濺射鍍膜法，它對陰極濺射中電子使基片溫度上升過快的缺磁控濺射是一種濺射鍍膜法，它對陰極濺射中電子使基片溫度上升過快的缺點加以改良，在被濺射的靶極（陽極）與陰極之間加一個正交磁場和電場，電點加以改良，在被濺射的靶極（陽極）與陰極之間加一個正交磁場和電場，電場和磁場方向相互垂直。場和磁場方向相互垂直。 濺射鍍膜機濺射鍍膜機 1.1.41.1.4、流動液面真空蒸鍍法流動液面真空蒸鍍法原理原理: :在高真空中蒸發(fā)的金屬在高真空中蒸發(fā)的金屬原子在流動的油面內(nèi)形成極超原子在流動的油面內(nèi)形成極超微粒子，產(chǎn)品為含有大量超微微粒子，產(chǎn)品為含有大量超微粒的糊狀油粒的糊狀油, 高真空中的蒸高真空中的蒸

8、發(fā)是采用電子束加熱發(fā)是采用電子束加熱, 當水冷當水冷銅坩堝中的蒸發(fā)原料被加熱蒸銅坩堝中的蒸發(fā)原料被加熱蒸發(fā)時，打開快門，使蒸發(fā)物鍍發(fā)時，打開快門，使蒸發(fā)物鍍在旋轉(zhuǎn)的圓盤表面上形成了納在旋轉(zhuǎn)的圓盤表面上形成了納米粒子。含有納米粒子的油被米粒子。含有納米粒子的油被甩進了真空室沿壁的容器中，甩進了真空室沿壁的容器中，然后將這種超微粒含量很低的然后將這種超微粒含量很低的油在真空下進行蒸餾使它成油在真空下進行蒸餾使它成為濃縮的含有納米粒子的糊狀為濃縮的含有納米粒子的糊狀物。物。1.1.51.1.5、通電加熱蒸發(fā)法通電加熱蒸發(fā)法原理原理: :通過碳棒與金屬相接觸，通過碳棒與金屬相接觸，通電加熱使金屬熔化金

9、屬與通電加熱使金屬熔化金屬與高溫碳棒反應(yīng)并蒸發(fā)形成碳化高溫碳棒反應(yīng)并蒸發(fā)形成碳化物超微粒子。物超微粒子。用此種方法還可以制備用此種方法還可以制備Cr, Til, V, Zr、Hf, Mo, Nb, Ta和和W等等碳化物超微粒子。碳化物超微粒子。1.1.61.1.6、混合等離子法混合等離子法原理原理: :此制備方法是采用此制備方法是采用RF(射頻射頻)等等離子與離子與DC直流等離子組合的混合方直流等離子組合的混合方式來獲得納米粒子式來獲得納米粒子,由圖的感應(yīng)線圈由圖的感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻磁場產(chǎn)生高頻磁場(幾幾MHz)將氣體電離將氣體電離產(chǎn)生產(chǎn)生RF等離子體內(nèi)載氣攜帶的原等離子體內(nèi)載氣攜帶的原料經(jīng)等離

10、子體加熱、反應(yīng)生成納米料經(jīng)等離子體加熱、反應(yīng)生成納米粒子并附著在冷卻壁上。粒子并附著在冷卻壁上。 DC(直流直流)等離子電弧束用來防止等離子電弧束用來防止RF等離子弧等離子弧受干擾，因此稱為受干擾，因此稱為混合等離子混合等離子”法。法。特點特點: 純度較高；純度較高；反應(yīng)物質(zhì)在等反應(yīng)物質(zhì)在等離子空間停留時間長、物質(zhì)可以充離子空間停留時間長、物質(zhì)可以充分加熱和反應(yīng)；分加熱和反應(yīng)； 可使用非惰性的可使用非惰性的氣體氣體(反應(yīng)性氣體反應(yīng)性氣體)，因此可制備化，因此可制備化合物超微粒子。合物超微粒子。1.1.71.1.7、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積 (LICVD)(LICVD)原理原理:

11、 :激光束照在反應(yīng)氣體上形成了激光束照在反應(yīng)氣體上形成了反應(yīng)焰，經(jīng)反應(yīng)在火焰中形成微粒，反應(yīng)焰，經(jīng)反應(yīng)在火焰中形成微粒，由氬氣攜帶進入上方微粒捕集裝置。由氬氣攜帶進入上方微粒捕集裝置。特點特點: :該法具有清潔表面、粒子大小該法具有清潔表面、粒子大小可精確控制、無粘結(jié)、粒度分布均可精確控制、無粘結(jié)、粒度分布均勻等優(yōu)點，并容易制備出幾納米至勻等優(yōu)點，并容易制備出幾納米至幾十納米的非晶態(tài)或晶態(tài)納米微粒。幾十納米的非晶態(tài)或晶態(tài)納米微粒。往捕集裝置反應(yīng)焰激光束反應(yīng)氣體氬氣激光擋板1.1.81.1.8、 化學(xué)蒸發(fā)凝聚法化學(xué)蒸發(fā)凝聚法(CVC)(CVC)原理原理: :用高純惰性氣作為載氣，攜帶用高純惰性氣

12、作為載氣，攜帶有機高分子原料，例如六甲基二硅有機高分子原料，例如六甲基二硅烷進入鉬絲爐，溫度為烷進入鉬絲爐，溫度為110011001400 1400 、氣氛的壓力保持在低氣壓、氣氛的壓力保持在低氣壓狀態(tài)，在此環(huán)境下原料熱解形成團狀態(tài)，在此環(huán)境下原料熱解形成團簇進一步凝聚成納米級顆粒最后簇進一步凝聚成納米級顆粒最后附著在一個內(nèi)部充滿液氮的轉(zhuǎn)動的附著在一個內(nèi)部充滿液氮的轉(zhuǎn)動的襯底上襯底上, , 經(jīng)刮刀刮下進行納米粉體經(jīng)刮刀刮下進行納米粉體收集，示意圖如圖所示。這種方法收集，示意圖如圖所示。這種方法優(yōu)點足產(chǎn)量大，顆粒尺寸小，分布優(yōu)點足產(chǎn)量大，顆粒尺寸小，分布窄。窄。襯底爐子刮刀工作室針閥漏斗原料氣體

13、載氣1.1.91.1.9、爆炸絲法、爆炸絲法原理原理: :先將金屬絲固定在一個充滿惰先將金屬絲固定在一個充滿惰性氣體性氣體(50bar)的反應(yīng)室中，絲的兩的反應(yīng)室中，絲的兩端卡頭為兩個電極，它們與一個大端卡頭為兩個電極，它們與一個大電容相聯(lián)結(jié)形成回路，加電容相聯(lián)結(jié)形成回路，加15kV的高的高壓、金屬絲壓、金屬絲500一一800kA下進行加下進行加熱融斷后在電流停止的一瞬間，熱融斷后在電流停止的一瞬間，卡頭上的高壓在融斷處放電，使熔卡頭上的高壓在融斷處放電，使熔融的金屬在放電過程中進一步加熱融的金屬在放電過程中進一步加熱變成蒸汽，與惰性氣體碰撞形成納變成蒸汽，與惰性氣體碰撞形成納米粒子沉降在容器

14、的底部，米粒子沉降在容器的底部，1.2、激光聚集原子沉積法、激光聚集原子沉積法 用激光控制原子束在用激光控制原子束在納米尺度下的移動，納米尺度下的移動，使原子平行沉積以實使原子平行沉積以實現(xiàn)納米材料的有目的現(xiàn)納米材料的有目的的構(gòu)造。激光作用于的構(gòu)造。激光作用于原子束通過兩個途徑，原子束通過兩個途徑，即瞬時力和偶合力。即瞬時力和偶合力。在接近共振的條件下，在接近共振的條件下，原子束在沉積過程中原子束在沉積過程中被激光駐波作用而聚被激光駐波作用而聚集，逐步沉積在襯底集，逐步沉積在襯底（如硅）上，形成指（如硅）上，形成指定形狀，如線形。定形狀，如線形。1.3、非晶晶化法、非晶晶化法非晶晶化法非晶晶化

15、法: 采用快速凝固法將液態(tài)采用快速凝固法將液態(tài)金屬制備非晶條帶金屬制備非晶條帶,再將非晶條帶再將非晶條帶經(jīng)過熱處理使其晶化獲得納米晶經(jīng)過熱處理使其晶化獲得納米晶條帶的方法。用非晶晶化法制備條帶的方法。用非晶晶化法制備的納米結(jié)構(gòu)材料的塑性對晶粒的的納米結(jié)構(gòu)材料的塑性對晶粒的粒徑十分敏感、只有晶粒直徑很粒徑十分敏感、只有晶粒直徑很小時，塑性較好否則材料變得小時，塑性較好否則材料變得很脆。因此，對于某些成核激活很脆。因此，對于某些成核激活能很小，晶粒長大激活能大的非能很小，晶粒長大激活能大的非晶合金采用非晶晶化法，才能獲晶合金采用非晶晶化法，才能獲得塑性較好的納米晶合金。得塑性較好的納米晶合金。特點特點工藝較簡單工藝較簡單, 化學(xué)成分準確?；瘜W(xué)成分準確。液態(tài)金屬非晶條帶熱處理1.4、機械球磨法、機械球磨法機械球磨法以粉碎與研磨為主體來實現(xiàn)粉末機械球磨法以粉碎與研磨為主體來實現(xiàn)粉末的納米化，可以制備納米純元素和合金。的納米化，可以制備納米純元素和合金。該法工藝簡單，制備效率高，能制備出常該法工藝簡單，制備效率高，能制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點金屬合金納米材規(guī)方法難以獲得的高熔點金屬合金納米材料。近年來，發(fā)展出助磨劑物理粉碎法及料。近年來，發(fā)展出助磨劑物理粉碎法及超聲波粉碎法，可制得粒徑小于超聲波粉碎法，可制得粒徑小于100nm的的微粒