纳米材料的物理合成法

纳米材料的物理合成法,1、物理合成法的定义,采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒，以及球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术。,1.1、蒸发-冷凝法,蒸发冷凝法是指在高真空的条件下，金属试样经蒸发后冷凝。试样蒸发方式包括电弧放电产生高能电脉冲或高频感应等以产生高温等离子体，使金属蒸发。蒸发冷凝法制备的超微颗粒具有如下特征：高纯度；粒径分布窄；良好结晶和清洁表面；粒度易于控制等。在原则上适用于任何被蒸发的元素以及化合物。,1.1.1、电阻加热法,原理:物质(金属离子化合物等)置于柑蜗内通过电阻等加热装置加热蒸发，产生蒸发质烟雾，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)。在蒸发过程中，元物质的原子与惰性气体原子碰撞而冷却，在接近冷却棒的过程中，元物质蒸汽首先形成原子簇然后形成单个纳米微粒。最后在冷却棒表面上积聚起来，刮下并收集起来获得纳米粉。特点:加热方式简单,工作温度受坩埚材料的限制,还可能与坩埚反应。所以一般用来制备Al、Cu、Au等低熔点金属的纳米粒子。,1.1.2、高频感应法,原理:以高频感应线圈为热源,使坩埚内的导电物质在涡流作用下加热，在低压惰性气体中蒸发,蒸发后的原子与惰性气体原子碰撞冷却凝聚成纳米颗粒。特点：采用坩埚，一般也只是制备象低熔点金属的低熔点物质。,高频感应的加热原理,感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流(涡流损耗)。以及导体内磁场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进行加热的。,1.1.3、溅射法,原理:用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气(40250Pa)，两电极问施加的电压范围为0.31.5kv。由于两极间的辉光放电使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着面上沉积下来特点:(1)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；（2)能制备多组元的化合物纳米微粒，如A152Ti48、Cu91Mn9及ZrO2等；(3)通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。,磁控溅射法,磁控溅射是一种溅射镀膜法，它对阴极溅射中电子使基片温度上升过快的缺点加以改良，在被溅射的靶极（阳极）与阴极之间加一个正交磁场和电场，电场和磁场方向相互垂直。,溅射镀膜机,1.1.4、流动液面真空蒸镀法,原理:在高真空中蒸发的金属原子在流动的油面内形成极超微粒子，产品为含有大量超微粒的糊状油,高真空中的蒸发是采用电子束加热,当水冷铜坩埚中的蒸发原料被加热蒸发时，打开快门，使蒸发物镀在旋转的圆盘表面上形成了纳米粒子。含有纳米粒子的油被甩进了真空室沿壁的容器中，然后将这种超微粒含量很低的油在真空下进行蒸馏使它成为浓缩的含有纳米粒子的糊状物。,1.1.5、通电加热蒸发法,原理: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棒反应并蒸发形成碳化物超微粒子。用此种方法还可以制备Cr,Til,V,Zr、Hf,Mo,Nb,Ta和W等碳化物超微粒子。,1.1.6、混合等离子法,原理:此制备方法是采用RF(射频)等离子与DC直流等离子组合的混合方式来获得纳米粒子,由图的感应线圈产生高频磁场(几MHz)将气体电离产生RF等离子体内载气携带的原料经等离子体加热、反应生成纳米粒子并附着在冷却壁上。DC(直流)等离子电弧束用来防止RF等离子弧受干扰，因此称为混合等离子”法。特点:纯度较高；反应物质在等离子空间停留时间长、物质可以充分加热和反应；可使用非惰性的气体(反应性气体)，因此可制备化合物超微粒子。,1.1.7、激光诱导化学气相沉积(LICVD),原理:激光束照在反应气体上形成了反应焰，经反应在火焰中形成微粒，由氩气携带进入上方微粒捕集装置。特点:该法具有清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结、粒度分布均匀等优点，并容易制备出几纳米至几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。,1.1.8、化学蒸发凝聚法(CVC),原理:用高纯惰性气作为载气，携带有机高分子原料，例如六甲基二硅烷进入钼丝炉，温度为11001400、气氛的压力保持在低气压状态，在此环境下原料热解形成团簇进一步凝聚成纳米级颗粒最后附着在一个内部充满液氮的转动的衬底上,经刮刀刮下进行纳米粉体收集，示意图如图所示。这种方法优点足产量大，颗粒尺寸小，分布窄。,1.1.9、爆炸丝法,原理:先将金属丝固定在一个充满惰性气体(50bar)的反应室中，丝的两端卡头为两个电极，它们与一个大电容相联结形成回路，加15kV的高压、金属丝500一800kA下进行加热融断后在电流停止的一瞬间，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汽，与惰性气体碰撞形成纳米粒子沉降在容器的底部，,1.2、激光聚集原子沉积法,用激光控制原子束在纳米尺度下的移动，使原子平行沉积以实现纳米材料的有目的的构造。激光作用于原子束通过两个途径，即瞬时力和偶合力。在接近共振的条件下，原子束在沉积过程中被激光驻波作用而聚集，逐步沉积在衬底（如硅）上，形成指定形状，如线形。,1.3、非晶晶化法,非晶晶化法:采用快速凝固法将液态金属制备非晶条带,再将非晶条带经过热处理使其晶化获得纳米晶条带的方法。用非晶晶化法制备的纳米结构材料的塑性对晶粒的粒径十分敏感、只有晶粒直径很小时，塑性较好否则材料变得很脆。因此，对于某些成核激活能很小，晶粒长大激活能大的非晶合金采用非晶晶化法，才能获得塑性较好的纳米晶合金。特点工艺较简单,化学成分准确。,1.4、机械球磨法,机械球磨法以粉碎与研磨为主体来实现粉末的纳米化，可以制备纳米纯元素和合金。该法工艺简单，制备效率高，能制备出常规方法难以获得的高熔点金属合金纳米材料。近年来，发展出助磨剂物理粉碎法及超声波粉碎法，可制得粒径小于100nm的微粒。,