纳米材料的化学制备研究

一、引言

纳米材料的结构、功能以及与化学反应的关系、揭示反应原理与新规律等研究的理论基础因为纳米材料的制备技术和方法不断创新而得到了长足的发展。随着人们对纳米材料认识的不断加深, 制备纳米材料的技术路线和方法愈加丰富。本文简单综述了纳米材料合成与制备中常用的几种方法。

二、纳米材料

如果材料的结构单元的空间三维尺寸中至少有一维处于纳米尺寸范围内则规定为纳米材料。纳米材料因其结构的特殊性, 因此它显示出特异的光、磁、电、力学和化学性质, 金属纳米粒子已在摄影技术、光电功能、生物标记、信息存储以及磁流体等方面得到了极为广泛的应用。对于颗粒尺寸达到纳米量级的这些超细微粒被叫做纳米颗粒, 其聚集状态在原子团簇和宏观物体之间。纳米颗粒的聚集态为纳米固体, 又称为纳米结构材料。

三、纳米材料的性能及应用

在保持新鲜表面的情况下把粒径尺寸为 (1-10) nm数量级的小颗粒压制成为块状固体, 有时也会沉积成膜, 此时出现很多独特的物理现象。其说明:纳米材料本身具备独特的结构。首先, 纳米材料拥有极大的界面原子数比率一般占总原子数的50%, 因为其组成颗粒为纳米级。超微颗粒的界面始终呈无规则分布无论其组成是晶粒还是非晶态物质。

纳米固体中原子排列既不同于晶体又不同于“气体状”的固体结构。所以研究学者将纳米材料叫做晶态以及非晶态以外的“第三态固体材料”[3]。用烧结技术制成的碳纤维增强Si C/Sialon纳米复合陶瓷材料和碳纤维增强Sialon微米复合材料相比, 其强度和韧性也得到较大改善, 性能对比如下:

四、纳米材料的合成与制备方法

1. 物理制备方法

通过材料相态的变化制备纳米材料的方法称为物理制备法。例如原材料由于电火花发生爆炸, 有时也通过机械进行粉碎, 产生纳米级颗粒, 这种办法就是物理粉碎法。对于高能球磨法而言, 其主要依靠高速率的振动、旋转让球磨机里面的硬球和原料产生不断的碰撞, 让合金、金属得以粉碎, 产生纳米级的颗粒。上述2类办法操作较为简便, 成本也不高, 但易有杂质, 产品纯度较低。

由原子雾形成的纳米颗粒不仅可以很好的控制其粒径而且能很好的控制其聚集的形态特征。但因此成本较高, 这种在大规模的工业化生产之中不易使用。对于溅射技术, 它的原理即为:具有非常大的能量的原子进行碰撞靶材料, 促使靶材料表层之上的一些粒子依靠交换动能或动量后飞出材料表面在基片上沉积后形成纳米材料。1993年滕功清等利用脉冲电流非晶晶化法成功制备了Fe-Si-B合金。

2. 化学制备法

化学制备法属于纳米材料的一类制备办法。不仅包括沉淀法、水热法、气相冷凝法以及化学气相沉积法, 还包括溶胶-凝胶法、冷冻干燥法。[4]

(1) 气相冷凝法

对于化学气相冷凝法, 其往往依靠有机高分子的热解, 进而产生纳米材料。首先把反应室抽到10-4帕或者更高的真空度, 再加入惰性气体氦, 让气压上升到几百帕, 反应物以及载气氦由外部系统送到前部分的热磁控溅射CVD装置, 进行化学反应产生反应物产物的前驱体, 再依靠对流方式进入后面部分的转筒式骤冷器之中, 以便冷却并收集合成良好的纳米微粒。

(2) 溶胶-凝胶法

以金属有机醇盐作为原料的水解与缩聚反应公式如下 (M代表金属, R代表烷基) :[5]

水解反应M (OR) 4+n H2OàM (OR) 4-n (OH) n+n ROH

缩聚反应2M (OR) 4-n (OH) nà[M (OR) 4-n (OH) n-1]2O+H2O

总反应式为M (OR) 4+2H2O-àMO2+4ROH

在此反应过程中, 材料不需要进行机械混合, 不容易混进杂质, 胶料小, 胶粒间与胶粒内的化学成分一致。同时由于合成温度低, 成分容易控制, 工艺设备更加简单。

(3) 沉淀法

沉淀法主要是包括直接沉淀法、均匀沉淀法以及共沉淀法。超细粉可以通过转移沉淀法制备, 其原理主要是根据难溶化合物溶度积不同, 通过改变转化剂的浓度、温度与表面活性剂来对颗粒生长进行控制。

(4) 微乳液法

主要是把两种互不相溶的溶剂通过表面活性剂作用形成微乳液, 经核、聚结、团聚与热处理后形成纳米粒子。

总结与展望

纳米材料的所具有的特殊性能使其在国防和民用各个领域得到了广泛的应用。但是目前的工艺水平很难形成工业化, 规模化的纳米材料制备。如果我们能够解决好如何控制好纳米材料的粒度分布, 充分研究纳米材料的性能, 则将会加速纳米材料的应用和开发。

摘要：二十一世纪纳米材料已经在各个领域中被广泛的应用, 因此纳米材料的制备方法成为了研究的热点。笔者简单介绍了国内外几种纳米材料的化学制备方法, 并对不同方法进行了比较。

关键词：纳米材料,化学制备

参考文献

[1] Xia Y N, Yang P D, Sun Y G, et al.One-dimensional nano-structures:synthesis, characterization, and application[J].Advanced Materials, 2003, 15 (5) :353-389.

[2] 张立德, 牟季美.《纳米材料与纳米结构》[M].北京:科学出版社, 2002:59-66.

[3] U Xiancai, Luo Lait ao, Liu Kangqiang, LaiZMhua, Interna-tional Symposium OnSolidSt ate Chemistry in China (1SSSCC-2002) [C].

[4] 徐剑刚;余新泉;;电沉积纳米晶镍的研究现状及展望[J];材料导报;2006年S1期.

[5] 屠振密;胡会利;于元春;高鹏;;电沉积纳米晶材料制备方法及机理[J];电镀与环保;2006年04期.