气相法粉体制备.docx

摘要气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生、物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成粉体的方法，本文将介绍四种常用的气相法。关键词：气相法 物理化学反应 粉体引言气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生、物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成粉体的方法。由气相生成粉体的方法有如下两种：一种是系统中不发生化学反应的蒸发一凝聚法( PVD)1-5，另一种是气相化学反应法(CVD)6-10。PVD法是将原料加热至高温（用电弧或等离子流等加热），使之气化，接着在电弧焰和等离子焰与冷却环境造成的较大温度梯度条件下急冷，凝聚成微粒状物料的方法。采用这种方法能制得颗粒直径在5100啪的微粉，其纯度、粒度、晶形都很好，成核均匀，粒径分布窄，颗粒尺寸能够得到有效控制，这种方法适用于制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属的微粉。CVD通常包括一定温度下的热分解、合成或其他化学反应，多数采用高挥发性金属卤化物、羰基化合物、烃化物、有机金属化合物、氧氯化合物和金属醇盐原料，有时还涉及使用氧、氢、氨、甲烷等一系列进行氧化还原反应的反应性气体。该法所用设备简单，反应条件易控制，产物纯度高，粒径分布窄，特别适于规模生产。1.气体中蒸发法（气体冷凝法）气体冷凝法是采用物理方法制备微粉的一种典型方法，是在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒或纳米微粒。加热源有以下几种：电阻加热法；等离子喷射法；高频感应法；电子束法；激光法。这些不同的加热方法使得制备出的超微粒的量、品种、粒径大小及分布等存在一些差别。气体冷凝法早在1963年由Ityozi Uyeda及其合作者研制出，即通过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。20世纪80年代，Gleiter等人首先提出，在超高真空条件下采用气体冷凝法制得具有清洁表面的纳米微粒，图1为气体冷凝法制备纳米微粒的原理图。图表 1整个过程是在超高真空室内进行，通过分子涡轮泵使其达到O.l Pa以上的真空度，然后充入低压(约2 kPa)的纯净惰性气体(He或Ar，纯度为99.999 6%)欲蒸的物质（例如CaF2，NaCI，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，并接近充液氦的冷却棒(冷阱，77 K)在蒸发过程中，由原物质发出的原子由于与惰性气体原子碰撞迅速损失能量而冷却，这种有效的冷却过程在原物质蒸气中造成很高的局域过饱和，这将导致均匀的成核过程。因此，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，由于单个纳米微粒的聚合而长大，最后在冷却棒表面_积累起来，用聚四氟乙烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉。 气体冷凝法是通过调节惰性气体压力，用蒸发物质的分压即蒸发温度或速率，或惰性气体的温度来控制纳米微粒粒径的大小。实验表明，随蒸发速率的增加（等效于蒸发源温度的升高）粒子变大，或随着原物质蒸气压力的增加，粒子变大。气体冷凝法特别适手制备由液相法和固相法难以直接合成的非氧化物系的微粉，粉体纯度高，结晶组织好，粒度可控，分散性好。2.溅射法溅射法的原理如图2所示，用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充人Ar气(40一250 Pa)，两电极闻施加的电压为0.31.5 kVo由于两电极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附面上沉积下来。粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压、电流和气体压力，靶材表面积越大，原子的蒸发速度越高，超微粒的获得量越多。 图表 2 有人用高压气体中溅射法来制备超微粒子，靶材达高温，表面发生熔化（热阴极），在两级间施加直流电压，使高压气体，发生放电，电离的离子冲击阴极靶面，使原子从熔化的蒸发靶材上蒸发出来，形成超微粒子，并在附着面上沉积下来，用刀刮下来收集超微粒子。用溅射法制备纳米微粒有以下优点：可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属。常规的热蒸发法只能适用于低熔点金属；能制备备多组元的化合物纳米微粒，通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。3.通电加热蒸发法此法是通过碳棒与金属相接触，通电加热使金属熔化，金属与高温碳素反应并蒸发形成碳化物超微粒子。图3为制备SiC超微粒的装置图。碳棒与Si板（蒸发材料）相接触，在蒸发室内充有Ar或He气，压力为110 kPa，在碳棒与Si板间通交流电（几百安培），Si板被其下面的加热器加热，随Si板温度上升，电阻下降，电路接通。当碳棒温度达到白热程度时，Si板与碳棒相接触的部位熔化。当碳棒温度高于2 473 K时，在它的周围形成了SiC超微粒的“烟”，然后将它们收集起来。图表 3SiC超微粒的获得量随电流的增大而增多。例如在400 Pa的Ar气中，当电流为400ASiC超微粒的收得率为约0.5gmin。惰性气体种类不同超微粒的大小也不同，He气中形成的SiC为小球形，Ar气中为大颗粒。用此种方法还可以制备Cr，Ti，V，Zr，Hf，MoNb，Ta和W等碳化物超微粒子。4.爆炸丝法图表 4这种方法适用予工业上连续生产纳米金属、合金和金属氧化物的纳米物体。基本原理是先将金属丝固定在一个充满惰性气体(5lo Pa)的反应室中，如图4丝两端的卡头为两个电极，它们与一个大电容相连接形成回路，加15 kV的高压，金属丝在500-800 kA电流下进行加热，融断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在融断处放电，使熔融的金属在放电过程中进一步加热变成蒸气，在惰性气体碰撞下形成纳米金属或合金粒子沉降在容器的底部，金属丝可以通过一个供丝系统自动进入两卡头之间，从而使上述过程重复进行。参考文献1上海开发出“功能陶瓷粉体制备技术”J. 河北陶瓷,1996, (02).2 梁立梅,谭咏梅.浅谈现代功能陶瓷的发展及应用J. 内蒙古石油化工,2001, (03).3 董显林.功能陶瓷研究进展与发展趋势J. 中国科学院院刊,2003, (06).4 范福康，丘泰.功能陶瓷现状与发展动向J. 硅酸盐通报,1995, (04).5功能陶瓷前景广阔J. 广东建材,1996, (03).6 李龙土.功能陶瓷材料及应用研究新进展J. 中国建材,2003, (10).7 李龙土.功能陶瓷材料及应用研究