文档介绍：第三章纳米材料的制备方法
教学目的:讲授纳米材料的制备方法及其原理
重点内容:
气相法制备纳米微粒
(气体冷凝法,氢电弧等离子体法、化学气相沉积法)
液相法制备纳米微粒
(沉淀法,水热法,溶胶凝胶法、模板法)
难点内容:
气相法和液相法合成纳米材料的成核和生长机理。
纳米微粒的制备方法分类:
1. 根据是否发生化学反应,纳米微粒的制备方法通常分为两大类:物理法和化学法。
2. 根据制备状态的不同,制备纳米微粒的方法可以分为气相法、液相法和固相法等;
3. 按反应物状态分为干法和湿法。
大部分方法具有粒径均匀,粒度可控,操作简单等优点;
有的也存在可生产材料范围较窄,反应条件较苛刻,如高温高压、真空等缺点。
纳
米
粒
子
制
备
方
法
物理法
化学法
粉碎法
构筑法
沉淀法
水热法
溶胶-凝胶法
冷冻干燥法
喷雾法
干式粉碎
湿式粉碎
气体冷凝法
溅射法
氢电弧等离子体法
共沉淀法
均相沉淀法
水解沉淀法
纳
米
粒
子
合
成
方法分类
气相反应法
液相反应法
气相分解法
气相合成法
气-固反应法
其它方法(如球磨法)
纳
米
粒
子
制
备
方
法
气相法
液相法
沉淀法
水热法
溶胶-凝胶法
冷冻干燥法
喷雾法
气体冷凝法
氢电弧等离子体法
溅射法
真空沉积法
加热蒸发法
混合等离子体法
共沉淀法
均匀沉淀法
水解沉淀法
纳
米
粒子
合
成
方法分类
固相法
粉碎法
干式粉碎
湿式粉碎
化学气相法
气相分解法
气相合成法
气-固反应法
物理气相法
热分解法
其它方法
固相反应法
§ 气相法制备纳米微粒 ——PVD和CVD法
1. 定义:
气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
:
气相法通过控制可以制备出液相法难以制得的金属碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。
1. 定义:
气体冷凝法是在低压的氦、氩等惰性气体中加热金属、合金或陶瓷使其蒸发气化,然后与惰性气体碰撞冷凝形成超微粒(1—1000 nm)或纳米微粒(1—100 nm)的方法。
2. 气体冷凝法的研究进展:
1963年,Ryozi Uyeda及其合作者研制出,通过材料在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米微粒。
§ 气体冷凝法(物理气相沉积)
20世纪80年代初,Gleiter等首先提出,将气体冷凝法制得具有清洁表面的纳米微粒,在超高真空条件下紧压致密得到多晶体(纳米微晶)。
3. 气体冷凝法的原理,见图。
整个过程是在超高真空室内进行。,然后充入低压(约2KPa)的纯净惰性气体(He或Ar,纯度为~%)。
§ 气体冷凝法
欲蒸的物质(例如,金属,CaF2,NaCl,FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧化物等)置于坩埚内,通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置逐渐加热蒸发,产生原物质烟雾,由于惰性气体的对流,烟雾向上移动,并接近充液氮的冷却棒(冷阱,77K)。
§ 气体冷凝法
在蒸发过程中,原物质发出的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却,在原物质蒸气中造成很高的局域过饱和,导致均匀的成核过程;
在接近冷却棒的过程中,原物质蒸气首先形成原子簇,然后形成单个纳米微粒。在接近冷却棒表面的区域内,单个纳米微粒聚合长大,最后在冷却棒表面上积累起来。
用聚四***乙烯刮刀刻下并收集起来获得纳米粉。
§ 气体冷凝法
(1) 惰性气体压力。
惰性气体压力的增加,粒子变大。(如图)
(2) 惰性气体的原子量。
大原子质量的惰性气体将导致大粒子。
(碰撞机会增多,冷却速度加快)。
§ 气体冷凝法
4. 气体冷凝法影响纳米微粒粒径大小的因素: