纳米材料和技术：概论

2026/6/141《纳米材料和技术》

NanoMaterialsandTechnology

2026/6/142学时（Period）

32学时教学要求（Requirement）

本课程从纳米材料的组织结构、制备方法、性能之间的关系进行研究，着重阐述O维、一维、二维材纳米料的制备工艺及对材料组织与性能的影响，并介绍高性能材料制备所涉及的工艺设备。主要通过讲课及现场教学，对不同维数纳料材料的制备方法及形成机制有一个较为全面的了解。2026/6/143课程内容（Content）

第一章概论第二章一维纳米材料及其制备第三章纳米薄膜材料及其制备第四章纳米块体材料及其制备第五章纳米复合材料第六章纳米材料的应用2026/6/144主要参考书（Sourcesforfurtherreading）《纳米材料导论》曹茂盛，关长斌，徐甲强编著。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001。《纳米技术与应用》顾宁，付德刚，张海黔等编著。北京：人民邮电出版社，2002。2026/6/145第一章概论（Overview）

§1-1引言

（Introduction）

1959年，美国著名物理学家（1965年诺贝尔物理学奖获得者）费因曼教授（R.P.Feynman）曾指出：“如果有一天人类能够按照人的意志安排一个原子和分子，那将产生什么奇迹？”今天，这个美好的愿望由于纳米科技的发展已经开始走向实现。目前，人类已能运用纳米科技制造出了许多具有奇特性的纳米材料，这些特性是相同物质的传统材料所不具备的。2026/6/146

纳米科技（NanoScienceandTechnology）的首要任务是通过各种手段，如微细加工技术和扫描探针技术等制备纳米材料或具有纳米尺度的结构；其次借助许多先进的观察测量技术与仪器来研究制备纳米材料或纳米尺度结构的各种特性；最后根据其特殊的性质来进行有关的应用。因此，纳米材料、纳米加工制造技术以及纳米测量表征技术构成纳米科技发展的三个非常重要的支撑技术，并奠定了整个纳米科技发展的基础。2026/6/147图1-1纳米科技的主要基础与重要研究方向2026/6/148

纳米科技的核心思想是制造纳米尺度的材料或结构，发掘其不同凡响的特性并对此予以研究，以致最终能很好地被人们所应用。将这种思想和相关方法引入到各个领域，便形成形形色色的各类纳米科技研发领域，主要包括：纳米体系物理学；纳米体系化学；纳米材料学；纳米生物学；纳米机械学；纳米加工制造学；纳米表征测量学；纳米医学等。

2026/6/149§1-2纳米材料的概念与分类

（Conceptandgroupsofnanomaterials）

1.2.1纳米材料的概念（Conceptofnanomaterials）纳米颗粒（Nanoparticle，又称超微颗粒、超细粉末等）通常指具有纳米尺度的物质单元，小于通常的微粉。一般认为：无机材料的纳米颗粒尺寸<100nm。一维纳米材料（One-dimensionnanomaterials）通常指在两个方向上具有纳米尺寸，而在第三个方向上具有宏观尺寸的物质，包括纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等形态。2026/6/1410二维纳米材料（Two-dimensionnanomaterials）通常指在一个方向上具有纳米尺寸，而在其余两个方向上具有宏观尺寸的物质，包括纳米薄膜、纳米涂层等形态。三维纳米材料（Three-dimensionnanomaterials）指由纳米尺度的物质单元直接构成的物质、或者纳米尺度的物质单元与基体相构成的物质。包括纳米固体材料、纳米复合材料。2026/6/1411纳米固体材料（Nanobulkmaterials）指由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的原子排列而获得的具有新原子结构或微结构性质的固体，又分为纳米晶体材料、纳米结构材料。2026/6/14120-0复合指将不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体。0-3复合指将纳米粒子分散到常规的三维固体中而制备的具有优异性能的纳米固体，是当今纳米材料的研究热点之一。0-2复合指将纳米粒子分散到二维的薄膜材料中而制备的纳米固体。又可分为均匀弥散和非均匀弥散两大类。纳米复合材料的类型（Groupsofnanocomposites）2026/6/1413(1)

按形态外延分类（Byshape）零维纳米材料——原子团簇、纳米颗粒一维纳米材料——纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带二维纳米材料——纳米薄膜、纳米涂层三维纳米材料——纳米固体材料、纳米复合材料1.2.2纳米材料的分类（Groupsofnanomaterials）2026/6/1414(2)按结构外延分类（Bystructure）壳/核结构（Shellcorestructure）介孔结构（Mesoporousstructure

）

1991年在葡萄牙首都里斯本召开的国际会议，将多孔固体划分为四个部分：一是微孔固体（孔径尺寸小于2nm）；二是介孔固体（孔径尺寸为2-50nm）；三是大孔固体（孔径小于1μm）；四是宏孔固体（孔径大于1μm）。其中：介孔固体属于纳米材料领域的范畴。2026/6/1415(3)按传统材料科学体系分类（Byconventionalmaterialssystem）纳米金属材料纳米陶瓷材料纳米高分子材料纳米复合材料2026/6/1416(4)按功能分类（Byperformance）纳米电子材料纳米磁性材料纳米隐身材料纳米生物材料2026/6/1417§1-3纳米材料的特性

(Characteristicsofnanomaterials)

1.3.1表面效应（Surfaceeffect）表面效应:指纳米微粒尺寸小、表面能高，位于表面的原子占相当大的比例的现象。图1-2表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系

2026/6/1418小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等宏观物理化学性质发生变化，称为“小尺寸效应”。超微颗粒的小尺寸效应主要表现在特殊的光学性质、热力学性质、磁学性质、力学性质等方面。1.3.2小尺寸效应（Smallsizeeffect）2026/6/1419宽频带强吸收（broad-frequencybandstrongabsorption）大块金属具有不同的颜色，这表明它们对可见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同。但是，当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米颗粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，这种现象称为“宽频带强吸收”。例：各种金属颗粒尺寸越小，颜色愈黑，例如：黄色的Au、银白色的Pt、金属Cr会变成金黑、铂黑、铬黑。(1)特殊的光学性质（Specialopticalproperties）2026/6/1420宽频带强吸收的用途（Useofbroad-frequencybandstrongabsorption）利用纳米颗粒的这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。可应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。2026/6/1421蓝移现象（Blueshift）与大块材料相比，纳米颗粒的吸收带普遍存在“蓝移现象”，即吸收带移向短波方向，如图1-3所示。1-6nm;2-4nm;3-2.5nm;4-1nm图1-3CdS溶胶微粒在不同尺寸下的吸收谱2026/6/1422(2)特殊的热力学性质（Specialthermodynamicproperties）

固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，当超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10nm数量级时尤为显著。例如：

Au常规熔点1064℃；颗粒尺寸2nm时，约327℃。

Ag常规熔点为967℃；而超微Ag颗粒的熔点<100℃。2026/6/1423图1-4

Au纳米颗粒的粒径与熔点的关系2026/6/1424用超细Ag粉制成的导电浆料可进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温陶瓷材料，甚至可用塑料；并且可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具有高质量。日本川崎制铁公司采用0.1-1μm的Cu、Ni超微颗粒制成导电浆料可代替Pd、Ag等贵金属。——对粉末冶金工业具有一定的吸引力。在W颗粒中附加0.1-0.5wt.％的超微Ni颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200℃-1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。特殊热力学性质的用途（Useofspecialthermodynamicproperties）2026/6/1425

人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的超顺磁细菌等生物体中存在超顺磁的磁性纳米颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的超顺磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在超顺磁细菌体内通常含有直径约20nm的磁性氧化物颗粒。小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料显著的不同：大块纯铁的矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，若尺寸进一步减小，减小到6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。(3)特殊的磁学性质（Specialmagneticproperties）2026/6/1426特殊磁学性质的用途（Useofspecialmagneticproperty）利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性纳米颗粒制成用途广泛的磁性液体。2026/6/1427

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。(4)特殊的力学性质（Specialmechanicproperties）2026/6/1428

美国学者报道CaF2纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不发生断裂。研究表明：人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由Ca3(P3O4)2等纳米材料构成的。纳米晶粒金属要比传统粗晶粒金属硬度高3-5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。

此外，超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。2026/6/1429

各种元素的原子具有特定的光谱线，如Na原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已运用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。1.3.3量子尺寸效应（Quantumsizeeffects）

2026/6/1430

可是，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级，能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为“量子尺寸效应”。例如：导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对纳米颗粒在低温条件下必须考虑量子尺寸效应。

2026/6/1431隧道效应：指微观粒子具有贯穿势垒的能力。宏观量子隧道效应：指微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等宏观物理量具有贯穿势垒的能力。

1.3.4宏观量子隧道效应（Macroquantumtunnelingeffect）2026/6/1432

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如：在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25μm。目前，研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。2026/6/1433§1-4纳米材料的发展现状

（Researchprogressofnanomaterials）1970’s

纳米颗粒材料问世1980’s中期在实验室合成了纳米块体材料1980’s末期开始纳米材料真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点2026/6/1434

从纳米材料研究的内涵和特点来看，纳米材料的发展大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年前）主要是在实验室内探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体（纳米晶、纳米相、纳米非晶等），合成块体（包括纳米薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在1980’s末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称“纳米晶”或“纳米相材料”。2026/6/1435第二阶段（1994年前）人们关注的热点，是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。2026/6/1436第三阶段（从1994年至今）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新热点。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的组装材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米线和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。在这些体系中纳米颗粒、纳米线、纳米管可以是有序或无序地排列。2026/6/1437

如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么第三阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。美国加利福尼亚大学洛伦兹—伯克力国家实验室的科学家在《自然》杂志上发表论文，指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见，纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前沿主导方向。2026/6/1438§1-5纳米粒子的制备方法

（Preparationofnanoparticles）

(1)物理方法（Physicalmethods）机械粉碎法（分为球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨）蒸发凝聚法（分为金属烟粒子结晶法、真空蒸发沉积法、气体蒸发法）离子溅射法冷冻干燥法火花放电法2026/6/1439(2)化学方法（Chemicalmethods）气相化学反应法（分为气相分解法、气相合成法、气-气反应法、气-固反应法、气-液反应法）沉淀法（分为直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法）水热合成法喷雾热解法（分为喷雾干燥法、喷雾焙烧法、喷雾燃烧法、喷雾水解法）溶胶-凝胶法2026/6/1440(3)综合方法（Combinedmethods）激光诱导气相化学反应法等离子体加强气相化学反应法2026/6/14411.5.1物理方法（Physicalmethods

）

1.5.1.1机械粉碎法（Mechanicalpulverization）a、

机械粉碎法的工艺纳米机械粉碎法是在传统的机械粉碎技术基础上发展起来的。注意：这里的“粉碎”一词是指固体物料粒子尺寸由大变小过程的总称，包括“破碎”和“粉碎”。前者是由大料块变成小料块的过程，后者是由小料块变成粉体的过程。固体物料粒子的粉碎过程，实际上就是在粉碎力的作用下固体料块或粒子发生变形而断裂的过程。当粉碎力足够大又很迅猛时，物料块或粒子之间瞬间产生的应力，大大超过了物料的机械强度，因而物料发生了破碎。2026/6/1442

粉碎力作用的类型，主要有图1-5所示的几种。物料的基本粉碎方式有压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。工业上采用的粉碎设备，虽然技术设备不同，但粉碎机制大同小异。一般的粉碎作用力者是这几种力的组合，如球磨机和振动磨是磨碎与冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合；气流磨是冲击、磨碎和剪碎的组合等等。2026/6/1443图1-5粉碎作用力的作用形式2026/6/1444

物料粒子受到机械力作用而被粉碎，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致粒子晶体结构和物理化学性质的变化称为机械化学。2026/6/1445

在纳米粉碎加工过程中，由于粒子微细，会发生如下几种变化，即：粒子结构变化，如表面结构自发地重组，形成非晶态结构或重结晶；粒子表面物理化学性质变化，如表面电性、物理与化学吸附、溶解性、分散与团聚性质；在局部受反复应力作用区域产生化学反应，如由一种物质转变为另一种物质释放出气体、外来离子进入晶体结构中引起原物料中化学组成发生变化。2026/6/1446

理论上，固体粉碎的最小粒径可达0.01-0.05μm。然而，目前因受机械粉碎设备与工艺的限制，很难达到这一理想值。此外，粉碎极限还取决于物料种类、机械应力施加方式、粉碎方法、粉碎工艺条件、粉碎环境等因素。2026/6/1447几种典型的纳米粉碎技术

（Typicalnanopulverizationtechniques）球磨（Ballmilling）球磨机是目前广泛采用的纳米磨碎设备。它是利用介质与物料之间的相互研磨和冲击使物料粒子粉碎，经几百小时的球磨，可使小于1μm的粒子达到20%。振动球磨（Vibratorymilling）它是以球或棒为介质，介质在粉碎室内振动，冲击物料使其粉碎，可使粒径小于2μm的粒子数目达到90%，甚至可获得0.5μm的纳米粒子。2026/6/1448振动磨（Vibromilling）利用研磨介质可以在一定振幅振动的筒体内对物料进行冲击、磨擦、剪切等作用而使物料粉碎。与球磨不同，振动磨是通过介质与物料一起振动将物料进行粉碎的。相应纳米粒子粒径可达1μm以下。搅拌磨（Stirringmilling）搅拌磨由一个静止的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。在搅拌磨中，一般使用球形研磨介质，获得的粒子平均粒径小于6mm；用于纳米粉碎时，粒子平均粒径一般小于1μm。2026/6/1449胶体磨（Colloidmilling）利用一对固体磨子和高速旋转磨体的相对运动所产生的强大剪切、磨擦、冲击等作用力来粉碎或分散物料粒子的。被处理的桨料通过两磨体之间的微小间隙，被有效地粉碎、分散、乳化、微粒化。在短时间内，经处理的产品粒径可达1μm。气流粉碎（Comminutingbygasstream）这是一种较成熟的纳米技术。它是利用高速气流（300-500m/s）或热蒸气（300~500℃）的能量使粒子相互产生冲击、碰撞、磨擦而被较快粉碎。产品粒径极限可达0.1μm。2026/6/1450气流粉碎2026/6/1451胶体磨2026/6/1452b、机械粉碎法的特点

通常制备的是纳米晶粉末而不是纳米粉末；对于金属材料，高能球磨很容易磨成非晶态。优点：操作简单、生产成本低。缺点：通过机械粉碎法制备的纳米粒子粒径分布不均匀，且产品纯度低。2026/6/14532026/6/14542026/6/14552026/6/14562026/6/14572026/6/14582026/6/14592026/6/1460仪器加宽2026/6/1461纳米粉与球磨96小时粉末的XRD图2026/6/1462

球磨粉与纳米粉的镶嵌尺寸分布2026/6/1463

球磨粉与纳米粉的晶格畸变2026/6/1464

球磨粉的TEM图像2026/6/1465纳米粉TEM图像2026/6/14661.5.1.2

蒸发凝聚法（VaporationandCondense）

蒸发凝聚法是制备纳米粒子的一种早期物理方法，蒸发法所获得的产品粒子一般在5nm~100nm之间。蒸发法是将纳米粒子的原料加热、蒸发，使之成为原子或分子；再使许多原子或分子凝聚，生成极微细的纳米粒子。蒸发法制备纳米粒子大体上可分为金属烟粒子结晶法、真空蒸发沉积法、气体蒸发法等几类；按原料加热蒸发技术手段不同，又可分电极蒸发、高频感应蒸发、电子束蒸发、等离子体蒸发、激光束蒸发等几类。2026/6/1467(1)金属烟粒子结晶法（又称气体蒸发法）（Evaporation）

金属烟粒子结晶法是早期制备纳米粒子的一种实验室方法。实验原理（如图1-6所示）：先将金属原料置于真空室电极处，然后将真空室抽真空（1Pa）并导入102-103Pa氩气等惰性气体，最后用钨丝篮蒸发金属。1-加热电极;2-金属烟柱;3-排气;4-惰性气体;5-真空表

图1-6金属烟粒子蒸发装置2026/6/1468

利用金属烟粒子结晶法，早期制备的金属纳米粒子有Mg、Al、Cr、Mn、Fe等15种。后来，还制备了各类合金、氧化物、碳化物等多种纳米粒子。近年来，利用载气抽真空技术实现对纳米粒子的收集，相应的收集室和抽真空端设在金属烟场的正上方，其制备原理如图1-7所示。在这种改进后的蒸发装置上，成功地制备了Fe、Al、Cu、Fe-Ni-Co等一系列纳米粒子，其典型的形貌如图1-8所示。2026/6/1469图1-8几种典型金属与合金的纳米粒子形貌1-载气;2-边载气;3-电极;4-4-电阻丝;5-原料;6-烟柱;7-水冷管;8-收集器;9-排气管;10-制动图1-7改进的金属烟粒子蒸发装置2026/6/1470(2)流动油面上的真空蒸发沉积法

（Vacuumevaporationdepositionofoilsurface）a、VEDOS的制备原理如图1-9所示，首先，在高真空下的蒸发使用电子束加热，将原料加热、蒸发，然后将上部的挡板打开，让蒸发物沉积在旋转圆盘的下面，由该盘的中心向下表面供给的油在圆盘旋转的离心力作用下，沿下表面形成一层很薄的流动油膜，并被甩到容器侧壁上；然后，将物料在真空中连续地蒸发到流动着的油面上，并把含有纳米粒子的油回收到贮存器内，最后经过真空蒸馏、浓缩，从而在短时间内可制备大量纳米粒子。2026/6/14711-电子枪;2-水冷坩埚;3-排气口;4-载粒油;5-挡板;6-转盘;7-电机;8-储油器图1-9VEDOS蒸发法实验装置2026/6/1472b、VEDOS的特点优点：采用VEDOS法制备纳米粒子，可得到平均粒径小于10nm的各类金属纳米粒子，粒子分布窄，而且彼此相互独立地分散于油介质中，为大量制备纳米粒子创造了条件。缺点：VEDOS法制备的纳米粒子太细，从油中分离较困难。2026/6/1473

为了保证物料加热所需的足够能量，又要使物料蒸发后快速凝结，要求热源温度场分布空间范围尽量窄、热源附近的温度梯度大，这样才能获得粒径小、粒径分布窄的纳米粒子。从这一前题提出改建，人们改进了电阻蒸发技术，研究了多种新技术手段来实现原料蒸发，如：等离子体加热蒸发、电子束加热蒸发、电弧放电加热蒸发、高频感应电流加热蒸发、太阳炉加热蒸发等。2026/6/1474(3)等离子体加热蒸发法（Plasmaheating）a、等离子体加热蒸发法的原理等离子体加热蒸发是利用等离子体的高温实现对原料的加热蒸发。一般离子体焰流温度高达2000K以上，存在着大量的高活性原子、离子。当它们以100-500m/s的高速到达金属或化合物表面时，可使其熔融并大量迅速地溶解于金属熔体中，在金属熔体内形成溶解的超饱和区、过饱和区。这些原子、离子或分子与金属熔体对流与扩散使金属蒸发。同时，原子或离子又重新结合成分子从金属熔体表面溢出。蒸发出的金属原子经急冷后收集，即得到各类物质的纳米粒子。2026/6/1475

采用等离子体加热蒸发法可制备出金属、合金或金属化合物纳米粒子。其中：金属或合金可以直接蒸发、急冷而形成原物质的纳米粒子，制备过程为纯粹的物理过程；制备金属化合物的纳米粒子，一般需经过金属蒸发——化学反应——急冷，最后形成金属化合物纳米粒子。2026/6/1476b、等离子体加热蒸发法的特点优点：采用等离子体加热蒸发制备纳米粒子的产品收率大，特别适合制备高熔点的各类纳米粒子。缺点：等离体喷射的射流容易将金属熔融物质本身吹飞，这是工业生产中应解决的技术难题。2026/6/1477(4)激光加热蒸发法（Laserheating）a、激光加热蒸发法的原理激光加热蒸发法是采用CO2和YAG大功率激光器发射的大功率激光束直接照射各种靶材，通过原料对激光能量的有效吸收使物料蒸发，从而制备各类纳米粒子。采用这种方法已制备了Fe、Ni、Cr、Ti、Si等纳米粒子。2026/6/1478b、激光加热蒸发法的优点激光源可以独立地设置在蒸发系统外部，可使激光器不受蒸发室的影响。物料通过对入射激光能量的吸收，可以迅速被加热。激光束能量高度集中，周围环境温度梯度大，有利于纳米粒子的快速凝聚，从而制备的纳米粒子粒径小、粒径分布窄。适合于制备各类高熔点金属和化合物的纳米粒子。2026/6/1479(5)电子束加热蒸发法（Electronbeamheating）a、电子束加热蒸发法的原理在加有高速电压的电子枪与蒸发室之间产生电压差，使用电子透镜聚焦电子束于待蒸发物质表面，从而使物质被加热、蒸发、凝聚为细小的纳米粒子。b、电子束加热蒸发法的应用用电子束作为加热源可以获得很高的能量密度，特别适合于用来蒸发W、Ta、Pt等高熔点金属，制备出相应的金属、氧化物、碳化物、氮化物等纳米粒子。2026/6/1480(6)电弧放电加热法（Arcdischargeheating）a、电弧放电加热法的原理以两块块状金属作为电极，使之产生电弧，从而使两块金属的表面熔融、蒸发，产生相应的纳米粒子。b、电弧放电加热法的应用特别适合于制备Al2O3一类的金属氧化物粒子，因为将一定比例的氧气混于惰性气体中更有利于电极之间形成电弧。2026/6/1481(7)高频感应加热蒸发法（Highfrequencyinductionheating）a、高频感应加热蒸发法的原理利用高频感应的强电流产生的热量使金属物料被加热、熔解，再蒸发而得到相应的纳米粒子。b、高频感应加热蒸发法的应用采用高频感应加热蒸发法可以制备各种金属、合金纳米粒子，而且生成的纳米粒子比较均匀、产量大、便于工业化生产。2026/6/1482(8)太阳能加热法（Heatingbysolar）a、太阳能加热法的原理太阳能加热法是利用太阳光，通过大口径窗口将阳光聚焦于待蒸发的物料表面上而实现对物料加热、蒸发制备各类纳米粒子。b、太阳能加热法的特点优点：节能。2026/6/14831.5.1.3离子溅射法（Ionsputtering）a、离子溅射法的基本原理如图1-10所示，将两块金属极板平行放置在Ar气中（低压，压力约为40-250Pa），一块为阳极、另一板为阴极靶材，在两极之间加上数百伏的直流电，使其产生辉光放电，两极板间辉光放电中的离子撞击在阴极上，靶材中的原子就会由其表面蒸发出来。调节放电电流、电压以及气体的压力，都可以实现对纳米粒子生成各因素的控制。b、离子溅射法的特点优点：靶材蒸发面积大，粒子生产率高，制备的纳米粒子均匀、粒度分布窄，适合于制备高熔点金属型纳米粒子。2026/6/14841-Al阳极;2-靶阴极(物料);3-直流电源图1-10离子溅射法的原理图2026/6/14851.5.1.4冷冻干燥法（Freeze-drying）

冷冻干燥法的基本原理先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低压下真空干燥，将溶剂升华除去，就可得到相应物质的纳米粒子。如果从水溶液制备出纳米粒子，冻结后将深渗剂升华除去，可直接制备纳米粒子；如果从熔融盐出发，冻结后需要进行热分解，最后得到相应的纳米粒子。2026/6/14861.5.1.5火花放电法（Sparkdischarge）火花放电法的原理利用电极与被加工物之间稳定的火花放电，可连续不断地生成金属纳米粒子。2026/6/14871.5.2化学方法（chemicalmethods）

1.5.2.1气相化学反应法（Chemicalvapordeposition）

a、气相化学反应法制备纳米粒子的基本原理先将挥发性的金属化合物进行加热（如：电阻炉加热、化学火焰加热、等离子体加热、激光诱导、γ射线辐照）制备其蒸气，然后通过化学反应生成所需要的化合物，并在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。b、气相化学反应法的优点适合于制备各类金属、金属化合物以及非金属化合物的纳米粒子。粒子均匀、纯度高、粒径分布窄、粒度小、分散性好、化学反应性与活性高。2026/6/1488

c、气相化学反应法的分类按体系反应类型分类气相分解法

气相合成法按反应前原料物态分类气-气反应法气-固反应法气-液反应法2026/6/1489(1)气相分解法（又称单一化合物热分解法）

（Vapordecomposition）a、气相分解法的原理气相分解法是将待分解的化合物或经前期预处理的中间化合物进行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳米粒子。气相分解制备纳米粒子要求原料中必须含有制备目标纳米粒子物质的全部所需元素的化合物。热分解一般具有反应形式

A(气)→B(固)+C(气)↑

气相热分解的原料通常是容易挥发、蒸气压高、反应性好的有机硅、金属氯化物或其它化合物。b、气相分解法的应用运用Fe(CO)5、SiH4、Si(NH)2、(CH3)4Si、Si(OH)4等原料可制备Fe、Si、Si3N4、SiC、SiO2等纳米粒子。2026/6/1490(2)气相合成法（Vapoursynthesis）气相合成法的原理气相合成法通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化合物，再经快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。利用气相合成法可以进行多种纳米粒子的合成，具有灵活性和互换性，其反应形式可用下式表示A(气)+B(气)→C(固)+D(气)↑

依靠气相化学反应合成法合成纳米粒子，是由于气相下均匀形核及核长大而产生的，反应气要有较高的过饱和度，反应体系要有较大的平衡常数。2026/6/14912026/6/1492图1-11气相化学反应法制备的Si3N4、SiC、Fe/N纳米粒子的形貌2026/6/1493(3)气-固反应法（Gas-solidreaction）

气-固反应法也常被用来制备Si3N4、SiC、AlN和Sialon等纳米粒子。采用气-固反应法制备纳米粒子时，通常要求相应的起始固相原料为纳米颗粒，并合成了非氧化物纳米粒子和非氧化物-氧化物复合纳米粒子。

2026/6/1494图1-12气-固化学反应法合成的γ´-Fe4N纳米粒子形貌2026/6/14951.5.2.2沉淀法（Precipitation）

沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。例如：利用金属盐或氢氧化物的溶解度，调节溶液酸度、温度、溶液剂，使其沉淀，然后对沉淀物进行洗涤、干燥、加热处理制成相应的纳米粒子。溶液中的沉淀物可以通过过滤与溶液分离获得。一般纳米粒子在1μm左右时就可以发生沉淀，从而产生沉淀物，生成粒子的粒径通常取决于沉淀物的溶解度，沉淀物的溶解度越小，相应粒子粒径也越小。2026/6/1496

沉淀法制备纳米粒子又可分为以下几类：直接沉淀法（Directprecipitation）共沉淀法（Co-precipitation）均相沉淀法（Uniformprecipitation）化合物沉淀法（Compoundprecipitation）水解沉淀法（Hydrolysisprecipitation）下面仅列出几种代表性方法来说明沉淀法的基本原理。2026/6/1497(1)共沉淀法（Co-precipitation）

共沉淀法，通常将氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、草酸盐等物质配成共沉淀溶液，使溶液中各种阴离子实现原子级的混合，溶液中的金属阳离子随pH值的上升，按照满足沉淀条件的顺序依次沉淀，形成一种或几种金属离子构成的沉淀混合物。实质上，共沉淀法还是一种分别沉淀，其沉淀物是一种混合物。2026/6/1498(2)水解沉淀法（Hydrolysis-precipitation）

对许多化合物可采用水解生成相应的沉淀物，用来制备纳米粒子。一般是利用氢氧化物、水合物、原料的水解反应对象是金属盐和水。配制水溶液的原料是各类无机盐，如：氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氨盐、金属醇盐等。

无机盐水解沉淀法的原理是：通过配制无机盐的水合物，控制其水解条件，合成单分散性的球、立方体等形状的纳米粒子。这种方法目前正广泛地应用于各类新材料的合成，如：能够对钛盐溶液的水解使其沉淀，合成了球状的单分散形态的TiO2纳米粒子。

金属醇盐水解沉淀法的原理是：金属醇盐(是一种有机金属化合物)与水反应，可生成氧化物、氢氧化物、水合物的沉淀，最后通过干燥制得相应的各类氧化物陶瓷纳米粒子。2026/6/14991.5.2.3水热合成法（Hydro-thermalsynthensis）

水热合成法是从液相中制备纳米粒子的一种新方法。一般是在100℃~350℃温度下和高气压环境下使无机或有机化合物与水化合，通过对渗析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再过滤、洗涤、干燥，从而得到高纯的各类纳米粒子。2026/6/141002026/6/141012026/6/141021.5.2.4喷雾热解法（Spraypyrolysis）a、喷雾热解法的原理将含所需阳离子的某种金属盐的溶液喷成雾状，送入加热设备的反应室内，通过化学反应生成微细的粉末粒子。一般情况下，金属盐的溶剂中需加入可燃性溶剂，利用其燃烧热分解金属盐。喷雾热解法制备纳米粒子的主要过程包括溶液配制、喷雾、反应、收集四个环节。从这个意义上讲，常有人将喷雾热解法归为物理方法。根据喷雾液滴热处理的方式不同，可以将喷雾热解法分为喷雾干燥、喷雾焙烧、喷雾燃烧、喷雾水解四种。2026/6/141032026/6/14104

喷雾热解法属于气-液反应一类的方法，因为其原料制备过程是液相法，而其部分化学反应又是气相法，因此，该方法集中了气相法、液相法两者的优点。

b、喷雾热解法的优点可以方便地制备多种组元的复合粉末粒子；粒子分布均匀；粒子形状好，一般呈理想球状；制备过程简单，从配制溶液到粒子形成，几乎是一步到位。2026/6/14105ZnO2γ-Fe2O3图1-13喷雾热解法制备的ZnO2与γ-Fe2O3粒子形貌2026/6/141061.5.2.5溶胶-凝胶法（Sol-gel）

溶胶-凝胶法是制备纳米粒子的一种湿化学方法。它的基本原理：以液体的化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐前驱物，前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，溶质与溶剂发生水解或醇解反应，生成物经聚集后，一般生成1nm左右的粒子并形成溶胶。通常要求反应物在液相下均匀混合，均匀反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，在这段反应过程中不应该有沉淀发生。经长时间放置或干燥处理溶胶会转化为凝胶。2026/6/14107图1-14溶胶、凝胶与沉淀物的区别2026/6/141081.5.3综合方法（Combinedmethods）

1.5.3.1激光诱导气相化学反应法

（Laserinducedchemicalvapordeposition）

利用激光引发、活化反应物体系，从而制备高质量物质的纳米粒子的工作源于美国。1978年，W.R.Cannon和J.S.Haggerty等人提出了用激光诱导气相化学反应合成硅系纳米粒子的实验方法，获得了Si、Si3N4、SiC等纳米粒子。2026/6/14109激光法与普通电阻炉加热法制备纳米粒子的本质区别由于反应器壁是冷的，因此无潜在污染；原料气体分子直接或间接吸收激光光子能量后迅速进行反应；反应具有选择性；反应区条件可以精确地控制；激光能量高度集中，反应区与周围环境之间温度梯度大，有利于成核粒子快速凝结；由于具有上述优势，采用激光法可以制备均匀、高纯、超细、粒度分布窄的各类纳米粒子。2026/6/14110a、激光诱导气相化学反应法合成纳米粒子的原理

利用大功率激光器的激光束照射于反应气体，反应气体通过对入射激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短时间内反应气体分子或原子获得化学反应所需的温度后，迅速完成化学反应、形核、凝聚、生成等过程，从而制得相应物质的纳米粒子。因此，简单地说，激光法就是利用激光光子能量加热反应体系，从而制备出纳米粒子的一种方法。

图1-15是激光法合成纳米粒子的原理示意图。2026/6/141111-反应气;2-保护气;3-激光束;4-反应区;5-反应焰;6-冷壁;7-收集室入口图1-15激光法合成纳米粒子的原理示意图2026/6/14112

在激光法中，为了保证化学反应所需要的能量，需要选择对入射激光具有强吸收的反应气体，如SiH4、C2H4、NH3对CO2激光光子都具有较强的吸收能力；为了保证反应生成的核粒子快速凝固，获得超细的粒子，需要采用冷壁反应室，通常采用的是水冷室反应器壁和透明辐射式反应器壁。2026/6/14113(2)激光诱导气相化学反应法合成纳米粒子的过程

激光诱导气相化学反应法合成纳米粒子，首先要根据反应需要调节激光器的输出功率、调整激光光束半径以及经过聚焦后的光斑尺寸，并预先调整好激光束光斑反应区域中的最佳位置。其次，要作好反应室净化处理，即进行抽真空准备，同时充入高纯惰性保护气体，以保证反应能在清洁的环境中进行。激光法合成纳米粒子的主要过程包括原料处理、原料蒸发、反应气配制、成核与生长、抽集等过程。2026/6/14114

原料纯化处理激光法合成纳米粒子的主要原料是各类反应气，此外还包括惰性保护气体和载气，这些气体中通常都含有微量的杂质氧和吸附水，这些杂质在合成反应发生前应去除，否则会混杂于产品中，或影响合成反应进行。为了提高反应气体的利用率，从而提高反应收率，合成反应前要对反应气体进行预混合和预热处理。2026/6/14115(3)激光诱导气相化学反应法合成纳米粒子机制描述

激光诱导气相化学反应法合成纳米粒子的机制就在于反应气体对照射激光光子具有选择吸收性。反应气体分子吸收激光光子后将通过两种物理图像得到加热：气体分子吸收单光子或多光子而得到加热；气体分子吸收光子能量后平均平动动能提高，与其它气体分子碰撞发生能量交换或转移，即通过碰撞加热反应体系。根据气体反应的物理化学过程，可以将反应成核过程分为能量吸收、能量转移、反应、失活等过程。2026/6/141161.5.3.2等离子体加强气相化学反应法

（Plasmaenhancedchemicalvapordeposition）

(1)等离子体的概念等离子体是物质存在的第四种状态，它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子以及光子。事实上，等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体。目前，产生等离子体