納米材料的化學制備研究

趙志強(海西州經濟和發展改革委員會 817000)

一、引言

納米材料的結構、功能以及與化學反應的關系、揭示反應原理與新規律等研究的理論基礎因為納米材料的制備技術和方法不斷創新而得到了長足的發展。隨著人們對納米材料認識的不斷加深，制備納米材料的技術路線和方法愈加豐富。本文簡單綜述了納米材料合成與制備中常用的幾種方法。

二、納米材料

如果材料的結構單元的空間三維尺寸中至少有一維處于納米尺寸范圍內則規定為納米材料。納米材料因其結構的特殊性，因此它顯示出特異的光、磁、電、力學和化學性質，金屬納米粒子已在攝影技術、光電功能、生物標記、信息存儲以及磁流體等方面得到了極為廣泛的應用。對于顆粒尺寸達到納米量級的這些超細微粒被叫做納米顆粒,其聚集狀態在原子團簇和宏觀物體之間。納米顆粒的聚集態為納米固體，又稱為納米結構材料。

表一 納米材料與一般材料性質對比

三、納米材料的性能及應用

在保持新鮮表面的情況下把粒徑尺寸為(1-10)nm數量級的小顆粒壓制成為塊狀固體，有時也會沉積成膜，此時出現很多獨特的物理現象。其說明：納米材料本身具備獨特的結構。首先，納米材料擁有極大的界面原子數比率一般占總原子數的50%，因為其組成顆粒為納米級。超微顆粒的界面始終呈無規則分布無論其組成是晶粒還是非晶態物質。

納米固體中原子排列既不同于晶體又不同于“氣體狀”的固體結構。所以研究學者將納米材料叫做晶態以及非晶態以外的“ 第三態固體材料”[3]。用燒結技術制成的碳纖維增強SiC/Sialon納米復合陶瓷材料和碳纖維增強Sialon微米復合材料相比,其強度和韌性也得到較大改善，性能對比如下：

表二 SiC/Sialon納米復合陶瓷材料和碳纖維增強Sialon微米復合材料性能對比

四、納米材料的合成與制備方法

1.物理制備方法

通過材料相態的變化制備納米材料的方法稱為物理制備法。例如原材料由于電火花發生爆炸，有時也通過機械進行粉碎，產生納米級顆粒，這種辦法就是物理粉碎法。對于高能球磨法而言，其主要依靠高速率的振動、旋轉讓球磨機里面的硬球和原料產生不斷的碰撞，讓合金、金屬得以粉碎，產生納米級的顆粒。上述2類辦法操作較為簡便，成本也不高，但易有雜質，產品純度較低。

由原子霧形成的納米顆粒不僅可以很好的控制其粒徑而且能很好的控制其聚集的形態特征。但因此成本較高，這種在大規模的工業化生產之中不易使用。對于濺射技術，它的原理即為：具有非常大的能量的原子進行碰撞靶材料，促使靶材料表層之上的一些粒子依靠交換動能或動量后飛出材料表面在基片上沉積后形成納米材料。1993年滕功清等利用脈沖電流非晶晶化法成功制備了F e-Si-B合金。

2.化學制備法

化學制備法屬于納米材料的一類制備辦法。不僅包括沉淀法、水熱法、氣相冷凝法以及化學氣相沉積法，還包括溶膠-凝膠法、冷凍干燥法。[4]

（1）氣相冷凝法

對于化學氣相冷凝法，其往往依靠有機高分子的熱解，進而產生納米材料。首先把反應室抽到10-4帕或者更高的真空度,再加入惰性氣體氦,讓氣壓上升到幾百帕,反應物以及載氣氦由外部系統送到前部分的熱磁控濺射CVD裝置，進行化學反應產生反應物產物的前驅體,再依靠對流方式進入后面部分的轉筒式驟冷器之中,以便冷卻并收集合成良好的納米微粒。

（2）溶膠-凝膠法

以金屬有機醇鹽作為原料的水解與縮聚反應公式如下(M代表金屬，R代表烷基)：[5]

水解反應M(OR)4+nH2O àM(O R)4-n(O H)n+nRO H

縮聚反應 2M（O R）4-n(O H)nà[M(O R)4-n(O H)n-1]2O+H2O

總反應式為M(OR)4+2H2O-àM O2+4RO H

在此反應過程中，材料不需要進行機械混合，不容易混進雜質，膠料小，膠粒間與膠粒內的化學成分一致。同時由于合成溫度低，成分容易控制，工藝設備更加簡單。

（3）沉淀法

沉淀法主要是包括直接沉淀法、均勻沉淀法以及共沉淀法。超細粉可以通過轉移沉淀法制備，其原理主要是根據難溶化合物溶度積不同，通過改變轉化劑的濃度、溫度與表面活性劑來對顆粒生長進行控制。

（4）微乳液法

主要是把兩種互不相溶的溶劑通過表面活性劑作用形成微乳液，經核、聚結、團聚與熱處理后形成納米粒子。

總結與展望

納米材料的所具有的特殊性能使其在國防和民用各個領域得到了廣泛的應用。但是目前的工藝水平很難形成工業化，規模化的納米材料制備。如果我們能夠解決好如何控制好納米材料的粒度分布，充分研究納米材料的性能，則將會加速納米材料的應用和開發。

[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.

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[4]徐劍剛;余新泉;;電沉積納米晶鎳的研究現狀及展望[J];材料導報;2006年S1期.

[5]屠振密;胡會利;于元春;高鵬;;電沉積納米晶材料制備方法及機理[J];電鍍與環保;2006年04期.