納米材料的制備技術(shù)及其特點(diǎn)

1、納M材料的制備技術(shù)及其特點(diǎn)一 納M材料的性能廣義地說(shuō)，納M材料是指其中任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體以及界面層 結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)小粒子尺寸加入納M量級(jí)時(shí)，其本身具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效 應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。從而使其具有奇異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)活性、催化和超導(dǎo)特性ril，使納M材料在各種領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通常材料的性能與其 顆粒尺寸的關(guān)系極為密切3。當(dāng)晶粒尺寸減小時(shí)，晶界相的相對(duì)體積將增加，其占整個(gè)晶 體的體積比例增大，這時(shí)，晶界相對(duì)晶體整體性能的影響作用就非常顯著。此外，由于界面原 子排列的無(wú)序狀態(tài)，界面原子鍵合的不飽和性能都將引起材料物理性能上

2、的變化。研究證實(shí), 當(dāng)材料晶粒尺寸小到納M級(jí)時(shí)，表現(xiàn)出許多與一般材料截然不同的性能，如高硬度、高強(qiáng)度和 陶瓷超塑性以及特殊的比熱、擴(kuò)散、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、燒結(jié)等性能。而這些特性 主要是由其表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、久保效應(yīng)等引起的。由于納M粒子有極高的表面能和擴(kuò)散 率，粒子間能充分接近，從而范德華力得以充分發(fā)揮,使得納M粒子之間、納M粒子與其他粒子 之間的相互作用異常激烈,這種作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、燒結(jié)等性能。二納M材料的制備方法納M材料從制備手段來(lái)分，一般可歸納為物理方法和化學(xué)方法。物理制備方法物理制備納M材料的方法有：粉碎法、高能球磨法4、惰性氣體蒸發(fā)法、濺射法、等離 子

3、體法等。粉碎法是通過(guò)機(jī)械粉碎或電火花爆炸而得到納M級(jí)顆粒。高能球磨法是利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊，研磨和攪拌，將 金屬或合金粉碎為納M級(jí)顆粒。高能球磨法可以將相圖上幾乎不互溶的幾種元素制成納M固 溶體，為發(fā)展新材料開辟了新途徑。惰性氣體凝聚-蒸發(fā)法是在一充滿惰性氣體的超高真空室中,將蒸發(fā)源加熱蒸發(fā),產(chǎn)生原 子霧,原子霧再與惰性氣體原子碰撞失去能量,驟冷后形成納M顆粒。由于顆粒的形成是在很 高的溫度下完成的，因此可以得到的顆粒很細(xì)(可以小于10nm)，而且顆粒的團(tuán)、凝聚等形態(tài) 特征可以得到良好的控制。濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子交換能量或動(dòng)量使得靶材表

4、面的 原子或分子從靶材表面飛出后沉積到基片上形成納M材料。常用的有陰極濺射、直流磁控濺 射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法的基本原理是利用在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過(guò)直流放電使氣體電離產(chǎn) 生高溫等離子體，從而使原料溶化和蒸發(fā)，蒸汽達(dá)到周圍的氣體就會(huì)被冷凝或發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 形成超微粒?；瘜W(xué)制備方法化學(xué)法是指通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，從分子、原子、離子出發(fā)制備納M物質(zhì)，它包括化 學(xué)氣相沉積法丘、化學(xué)氣相冷凝法、溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法、冷凍干燥法等?；?學(xué)氣相沉積(CVD)是迄今為止氣相法制備納M材料應(yīng)用最為廣泛的方法,該方法是在一個(gè)加熱 的襯底上,通過(guò)一種

5、或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)元素反應(yīng)形成納M材料的過(guò)程，該方 法主要可分成熱分解反應(yīng)沉積和化學(xué)反應(yīng)沉積。該法具有均勻性好，可對(duì)整個(gè)基體進(jìn)行沉積 等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是襯底溫度高。隨著其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，由此衍生出來(lái)的許多新技術(shù)，如 金屬有機(jī)化學(xué)缺陷相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積門、等離子體 增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積及激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積等技術(shù)?；瘜W(xué)氣相冷凝法(CVC)主要通過(guò)有機(jī)高分子熱解獲得納M粉體，具體過(guò)程是先將反應(yīng)室 抽到10-4Pa或更高真空度，然后注入惰性氣體He，使氣壓達(dá)到幾百帕斯卡,反應(yīng)物和載氣He 從外部系統(tǒng)先進(jìn)入前部分的熱磁控濺射CVD裝置由化學(xué)反應(yīng)得到反應(yīng)物產(chǎn)物的

6、前驅(qū)體，然后 通過(guò)對(duì)流達(dá)到后部分的轉(zhuǎn)筒式驟冷器，用于冷卻和收集合成的納M微粒。溶膠-凝膠法是用易水解的金屬化合物(無(wú)機(jī)鹽或金屬鹽)在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng), 經(jīng)過(guò)水解與縮聚過(guò)程逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥P燒結(jié)等后處理得到所需的材料，其基本反應(yīng)有 水解反應(yīng)和聚合反應(yīng)，它可在低溫下制備純度高、粒徑分布均勻、化學(xué)活性高的單、多組份 混合物(分子級(jí)混合)，并可制備傳統(tǒng)方法不能或難以制備的產(chǎn)物。該法又分為醇鹽法和非醇 鹽法。醇鹽法是將醇鹽制成溶膠，然后把溶劑、催化劑、配合劑等溶膠變成凝膠，最后將凝 膠干燥、熱處理后獲得所需納M材料。我國(guó)清華大學(xué)曾庭英等人采用醇鹽法制備納M級(jí)微孔 TiO2玻璃球，孔徑為1.06

7、.0nm。水熱法是通過(guò)高溫高壓在水溶液或蒸汽等流體中合成物 質(zhì),再經(jīng)分離和熱處理得到納M微粒。水熱條件下離子反應(yīng)和水解反應(yīng)可以得到加速和促進(jìn), 使一些在常溫下反應(yīng)速度很慢的熱力學(xué)反應(yīng),在水熱條件下可以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，依據(jù)反應(yīng)類 型不同分為：水熱氧化、還原、沉淀、合成、水解、結(jié)晶等，該法制得的納M粒子純度高、 分散性好、晶形好且大小可控。郭景坤等人采用高壓水熱處理,將化學(xué)制得的Zr(OH)4膠體 置于高壓釜中，控制合適的溫度和壓力，使氫氧化物進(jìn)行相變，成功地得到了 1015nm的形 狀規(guī)則的ZrO2超微粒?；瘜W(xué)沉淀法是在金屬鹽類的水溶液中控制適當(dāng)?shù)臈l件使沉淀劑與金屬離子反應(yīng)產(chǎn)生水 合氧化物或難溶化

8、合物，使溶液轉(zhuǎn)化為沉淀，然后經(jīng)分離、干燥或熱分解而得到納M級(jí)超微 粒。化學(xué)沉淀法可分為直接沉淀法、均勻沉淀法、共沉淀法和醇鹽水解沉淀法。直接沉淀 法是指金屬離子與沉淀劑直接作用形成沉淀。均勻沉淀法是指通過(guò)預(yù)沉淀劑在溶液中的反 應(yīng)緩慢釋放出沉淀劑，再與金屬離子作用形成沉淀。醇鹽水解法是由金屬醇鹽遇水分解成醇 和氧化物或其水合物沉淀。共沉淀法是在混合的金屬鹽溶液中添加沉淀劑得到多種成份混 合均勻的沉淀，然后進(jìn)行熱分解得到納M微粒。由于冷凍干燥過(guò)程冷凍液體并不進(jìn)行收縮，因 而生成的微粒表面積較大，可較好地消除粉料干燥過(guò)程中粉末團(tuán)聚現(xiàn)象，目前該法已制備出 MgO-ZrO2 及BaPb-xBixO3 超

9、微粒子。三納M技術(shù)的應(yīng)用展望納M技術(shù)的應(yīng)用可歸納如下幾個(gè)方面：1納M材料在機(jī)械方面的應(yīng)用納M碳管是目前材料領(lǐng)域最引人關(guān)注的一種新型材料。納M碳管是由碳原子排列成六角網(wǎng)狀 的石墨薄片卷成具有螺旋周期的多層管狀結(jié)構(gòu)，直徑130nm，長(zhǎng)度為數(shù)微M左右的微小管狀 結(jié)晶?？蒲腥藛T在對(duì)納M碳管的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，納M碳管具有很高的揚(yáng)氏模量、強(qiáng)韌性和高 強(qiáng)度等力學(xué)性能。因此將其用于金屬表面復(fù)合鍍層，可獲得超強(qiáng)的耐磨性和自潤(rùn)滑性，其耐磨 性要比軸承鋼高100倍，摩擦系數(shù)為0. 060. 1。此外，納M碳管材料復(fù)合鍍層還具有高熱穩(wěn) 定性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能。利用納M碳管的高耐磨性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，可用其制造

10、刀具和模具等，不僅能夠延長(zhǎng)使用壽命，還可提高工件的加工精度，為機(jī)械工業(yè)帶來(lái)巨大效 益。納M碳管還具有高效吸收性能，可用其制造保鮮除臭產(chǎn)品。利用納M碳管吸取氫分子的性 質(zhì),可將氫分子儲(chǔ)存在納M碳管內(nèi)，制成十分安全的氫吸留容器，這對(duì)于研制氫動(dòng)力燃料電池汽 車具有極大的實(shí)用價(jià)值。這種氫吸留容器可以儲(chǔ)存相當(dāng)于自重7%的氫，汽車使用一個(gè)可樂 瓶大小的氫吸留容器，就可以行駛500km。2納M材料在電子方面的應(yīng)用隨著納M技術(shù)研究的不斷發(fā)展，人們已考慮運(yùn)用納M技術(shù)制造電子器件，以使電子產(chǎn)品體積進(jìn) 一步縮小，而其性能更加出類拔萃。利用納M碳管可自由變化的電器性質(zhì)及“量子效應(yīng)”現(xiàn) 象，可將目前集成電路的元器件縮小

11、100倍，研制出高速、微小、節(jié)能的新一代電腦。目前的 電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器采用的電子顯像管，是在真空中釋放電子撞擊熒光體后發(fā)光，由于發(fā) 射電子的電子槍與熒光屏之間必須保持一定距離，顯示器體積較大。此外，加熱電子槍要消耗 大量電能。而利用納M碳管取向排列制成的場(chǎng)發(fā)射電子源具有較大的發(fā)射強(qiáng)度，可在低電壓 下釋放電子，在熒光屏上激發(fā)出圖像,為制造純屏超薄節(jié)能大型顯示器提供了新選擇,且其性 能大大優(yōu)于液晶顯示器。運(yùn)用復(fù)合納M碳管材料制成光電轉(zhuǎn)換薄膜，應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，可使 現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池的效率提高3倍。將納M碳管應(yīng)用于鋰離子電池的負(fù)極材料，有望大大提高 其貯鋰量。以色列科學(xué)家在硅片上覆蓋惰性材料單分

12、子膜，使用原子顯微鏡和電子針的“分 子刻痕”技術(shù)激活膜層分子，通過(guò)電子化學(xué)反應(yīng)控制分子級(jí)信息載體，存儲(chǔ)文本、圖像、音樂 等數(shù)據(jù)信息。這些信息可在原子顯微鏡下被復(fù)讀，利用電子計(jì)算機(jī)解碼還原，這項(xiàng)技術(shù)可用于 開發(fā)更大儲(chǔ)存量的納M超級(jí)存儲(chǔ)器。將圖書館的全部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一塊方糖大小的芯片上，是 近期科研人員的主攻課題。如果能夠巧妙應(yīng)用微機(jī)械技術(shù)和自組織方法，以一個(gè)原子或分子 制成存儲(chǔ)器,就可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。納M技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用對(duì)付癌癥的“納M生物導(dǎo)彈”。專家們采用一種非常細(xì)小的磁性納M微粒，把它運(yùn)用到一種液 體中，然后讓病人喝下去，通過(guò)操縱,可使納M微粒定向“射”向癌細(xì)胞,把它們“全殲”，并且 不會(huì)破

13、壞其他正常細(xì)胞。治療血管疾病的“納M機(jī)器人”。用特制超細(xì)納M材料制成的機(jī)器 人，可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查，疏通腦血管中的血栓，爆破腎結(jié)石，清除心臟動(dòng)脈脂 肪積淀物，完成醫(yī)生不能完成的血管修補(bǔ)等“細(xì)活”。運(yùn)用納M技術(shù)，還能對(duì)傳統(tǒng)的名貴中草 藥進(jìn)行超細(xì)開發(fā)，同樣服用一劑藥,經(jīng)過(guò)納M技術(shù)處理的中藥,可讓病人極大地吸收藥效。納M技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用“麻雀”衛(wèi)星。這種衛(wèi)星比麻雀略大，重量不足10千克，具有可重組性和再生性，成本低，質(zhì) 量好,可靠性強(qiáng)。“蚊子”導(dǎo)彈。利用納M技術(shù)制造的形如蚊子的微型導(dǎo)彈，可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能。納M導(dǎo) 彈直接受電波遙控，可以神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部，其威力足以炸毀敵

14、方火炮、坦克、 飛機(jī)、指揮部和彈藥庫(kù)?！吧n蠅”飛機(jī)這是一種如同蒼蠅大小的袖珍飛行器，可攜帶各種探測(cè)設(shè)備,具有信息處理、導(dǎo) 航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敵方信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的內(nèi)部或附近，監(jiān)視敵方 情況。這些納M飛機(jī)可以懸停、飛行，敵方雷達(dá)根本發(fā)現(xiàn)不了它們。“螞蟻士兵”這是一種通過(guò)聲波控制的微型機(jī)器人。這些機(jī)器人比螞蟻還要小，但具有驚人 的破壞力。它們可以通過(guò)各種途徑鉆進(jìn)敵方武器裝備中,長(zhǎng)期潛伏下來(lái)。一旦啟用，這些“納 M 士兵”就會(huì)各顯神通:有的專門破壞敵方電子設(shè)備，使其短路、毀壞。有的充當(dāng)爆破手，用特 種炸藥引爆目標(biāo)。有的施放各種化學(xué)制劑，使敵方金屬變脆、油料凝結(jié)或敵方人員神經(jīng)麻 痹

15、、失去戰(zhàn)斗力。此外,還有被人稱為“間諜草”或“沙粒坐探”的形形色色的微型戰(zhàn)場(chǎng)傳感器等納M武器裝 備。所有這些納M武器組配起來(lái)，就建成了一支獨(dú)具一格的“微型軍”。納M武器的出現(xiàn)和使 用,將大大改變?nèi)藗儗?duì)戰(zhàn)爭(zhēng)力量對(duì)比的看法。納M技術(shù)還具有很高的電磁波吸收系數(shù)，將納M材料加入飛機(jī)、坦克中，用以吸收雷達(dá)波，于是 隱形飛機(jī)、隱形坦克問世了。隱形武器在戰(zhàn)場(chǎng)上神出鬼沒出現(xiàn)于戰(zhàn)場(chǎng)的不同角落。納M技術(shù)在環(huán)保方面的應(yīng)用隨著納M技術(shù)的悄然崛起，納M環(huán)保也會(huì)迅速來(lái)臨，拓展人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能 力。當(dāng)物質(zhì)被“粉碎”到納M級(jí)細(xì)粒并制成“納M材料”，不僅光、電、熱、磁發(fā)生變化，而 且具有輻射、吸收、催化、吸附等許多特

16、性，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)突破性變化。污水處理純凈 化。新型的納M級(jí)凈水劑具有巨大的比表面積,因而吸附能力非常強(qiáng)，可將污水中的懸浮物和 鐵銹、異味等污染物除去。通過(guò)納M孔徑的過(guò)濾裝置，還能把水中的細(xì)菌、病毒去除。經(jīng)過(guò) 納M凈化后的水體清澈，沒有異味,成為高質(zhì)量的純凈水，完全可以飲用。并且納M材料具有非 常強(qiáng)的紫外光吸收能力，因而具有非常強(qiáng)的光催化能力，可快速將吸附在其表面的有機(jī)物分 解掉。尾氣排放無(wú)害化。一方面，納M材料的高催化效率,可以幫助煤充分燃燒，提高能源的 利用率，防止有害氣體的產(chǎn)生。另一方面，高質(zhì)量的碳納M材料,能儲(chǔ)存和凝聚大量的氫氣。 而氫能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，只因?yàn)閮?chǔ)存等方面

17、的問題制約著氫能的開發(fā)利 用。利用碳納M材料的高儲(chǔ)氫能力，可以做成燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車,有效避免因機(jī)動(dòng)車尾氣排放 所造成的大氣污染。當(dāng)機(jī)器設(shè)備等被納M技術(shù)微型化后，所需資源將大大減少,可實(shí)現(xiàn)資源利 用的持續(xù)化。并且微型化機(jī)械其互相撞擊、摩擦產(chǎn)生的交變機(jī)械作用力將大為減少，噪聲污 染便可得到有效控制。納M材料在紡織物方面的應(yīng)用根據(jù)納M粒子的微觀結(jié)構(gòu)和光譜特性，將其應(yīng)用于紡織物中,可制造出各種功能性紡織物。經(jīng) 分散處理或抗氧化處理的納M粒子與粘膠纖維相混后，在一定條件下可以噴成功能性粘膠纖 維,該功能性粘膠纖維再與棉紗等混紡，可織成各種功能性紡織物，如抗紫外線、抗可見光、 抗電磁波以及通過(guò)紅外吸收原理

18、可以改善人體微循環(huán)等功能性紡織物。我國(guó)利用納M技術(shù)已 制成不粘水和油污的紡織物。納M技術(shù)在其他方面的應(yīng)用納M技術(shù)還可滲透到其他各個(gè)方面。例如，近年來(lái)有關(guān)高頻電磁場(chǎng)對(duì)人體健康的影響問 題已眾所周知，可現(xiàn)在我們?cè)僖膊挥脼榉离姶泡椛涠鴵?dān)憂。若在強(qiáng)烈輻射區(qū)工作并需要電磁 屏蔽時(shí)，可以在墻內(nèi)加入納M材料層，或者涂上納M涂料，能大大提高遮擋電磁波輻射能力。納M 涂料還可用來(lái)保護(hù)文物,使其顏色不變、材質(zhì)不腐壞。利用納M材料的超疏水性和超疏油性, 可制作免洗服裝，這種服裝不僅有自清潔功能,還有抗菌性能。彩電等家電一般被稱為黑色家 電，這是因材料中需加入碳黑進(jìn)行靜電屏蔽。而利用可靜電屏蔽的納M涂料，黑色家電將變成 彩色家電，利用碳納M管的強(qiáng)度高、重量輕的性質(zhì)，把它做成太空