納米材料的化學(xué)制備研究

趙志強(qiáng)(海西州經(jīng)濟(jì)和發(fā)展改革委員會(huì) 817000)

一、引言

納米材料的結(jié)構(gòu)、功能以及與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系、揭示反應(yīng)原理與新規(guī)律等研究的理論基礎(chǔ)因?yàn)榧{米材料的制備技術(shù)和方法不斷創(chuàng)新而得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著人們對(duì)納米材料認(rèn)識(shí)的不斷加深，制備納米材料的技術(shù)路線和方法愈加豐富。本文簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)單元的空間三維尺寸中至少有一維處于納米尺寸范圍內(nèi)則規(guī)定為納米材料。納米材料因其結(jié)構(gòu)的特殊性，因此它顯示出特異的光、磁、電、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，金屬納米粒子已在攝影技術(shù)、光電功能、生物標(biāo)記、信息存儲(chǔ)以及磁流體等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于顆粒尺寸達(dá)到納米量級(jí)的這些超細(xì)微粒被叫做納米顆粒,其聚集狀態(tài)在原子團(tuán)簇和宏觀物體之間。納米顆粒的聚集態(tài)為納米固體，又稱(chēng)為納米結(jié)構(gòu)材料。

表一 納米材料與一般材料性質(zhì)對(duì)比

三、納米材料的性能及應(yīng)用

在保持新鮮表面的情況下把粒徑尺寸為(1-10)nm數(shù)量級(jí)的小顆粒壓制成為塊狀固體，有時(shí)也會(huì)沉積成膜，此時(shí)出現(xiàn)很多獨(dú)特的物理現(xiàn)象。其說(shuō)明：納米材料本身具備獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。首先，納米材料擁有極大的界面原子數(shù)比率一般占總原子數(shù)的50%，因?yàn)槠浣M成顆粒為納米級(jí)。超微顆粒的界面始終呈無(wú)規(guī)則分布無(wú)論其組成是晶粒還是非晶態(tài)物質(zhì)。

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(jié)構(gòu)。所以研究學(xué)者將納米材料叫做晶態(tài)以及非晶態(tài)以外的“ 第三態(tài)固體材料”[3]。用燒結(jié)技術(shù)制成的碳纖維增強(qiáng)SiC/Sialon納米復(fù)合陶瓷材料和碳纖維增強(qiáng)Sialon微米復(fù)合材料相比,其強(qiáng)度和韌性也得到較大改善，性能對(duì)比如下：

表二 SiC/Sialon納米復(fù)合陶瓷材料和碳纖維增強(qiáng)Sialon微米復(fù)合材料性能對(duì)比

四、納米材料的合成與制備方法

1.物理制備方法

通過(guò)材料相態(tài)的變化制備納米材料的方法稱(chēng)為物理制備法。例如原材料由于電火花發(fā)生爆炸，有時(shí)也通過(guò)機(jī)械進(jìn)行粉碎，產(chǎn)生納米級(jí)顆粒，這種辦法就是物理粉碎法。對(duì)于高能球磨法而言，其主要依靠高速率的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)讓球磨機(jī)里面的硬球和原料產(chǎn)生不斷的碰撞，讓合金、金屬得以粉碎，產(chǎn)生納米級(jí)的顆粒。上述2類(lèi)辦法操作較為簡(jiǎn)便，成本也不高，但易有雜質(zhì)，產(chǎn)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(tài)特征。但因此成本較高，這種在大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)之中不易使用。對(duì)于濺射技術(shù)，它的原理即為：具有非常大的能量的原子進(jìn)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(dòng)能或動(dòng)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(xué)制備法

化學(xué)制備法屬于納米材料的一類(lèi)制備辦法。不僅包括沉淀法、水熱法、氣相冷凝法以及化學(xué)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(duì)于化學(xué)氣相冷凝法，其往往依靠有機(jī)高分子的熱解，進(jìn)而產(chǎn)生納米材料。首先把反應(yīng)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(yīng)物以及載氣氦由外部系統(tǒng)送到前部分的熱磁控濺射CVD裝置，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)物產(chǎn)物的前驅(qū)體,再依靠對(duì)流方式進(jìn)入后面部分的轉(zhuǎn)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(jī)醇鹽作為原料的水解與縮聚反應(yīng)公式如下(M代表金屬，R代表烷基)：[5]

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

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

總反應(yīng)式為M(OR)4+2H2O-àM O2+4RO H

在此反應(yīng)過(guò)程中，材料不需要進(jìn)行機(jī)械混合，不容易混進(jìn)雜質(zhì)，膠料小，膠粒間與膠粒內(nèi)的化學(xué)成分一致。同時(shí)由于合成溫度低，成分容易控制，工藝設(shè)備更加簡(jiǎn)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(xì)粉可以通過(guò)轉(zhuǎn)移沉淀法制備，其原理主要是根據(jù)難溶化合物溶度積不同，通過(guò)改變轉(zhuǎn)化劑的濃度、溫度與表面活性劑來(lái)對(duì)顆粒生長(zhǎng)進(jìn)行控制。

（4）微乳液法

主要是把兩種互不相溶的溶劑通過(guò)表面活性劑作用形成微乳液，經(jīng)核、聚結(jié)、團(tuán)聚與熱處理后形成納米粒子。

總結(jié)與展望

納米材料的所具有的特殊性能使其在國(guó)防和民用各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是目前的工藝水平很難形成工業(yè)化，規(guī)?；募{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(huì)加速納米材料的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。

[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.

[2]張立德,牟季美.《納米材料與納米結(jié)構(gòu)》［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：59-66.

[3]U Xiancai,Luo Lait ao,Liu Kangqiang,LaiZMhua,Interna?tional Symposium OnSolidSt ateChemistryinChina(1SSSCC-2002)[C].

[4]徐劍剛;余新泉;;電沉積納米晶鎳的研究現(xiàn)狀及展望[J];材料導(dǎo)報(bào);2006年S1期.

[5]屠振密;胡會(huì)利;于元春;高鵬;;電沉積納米晶材料制備方法及機(jī)理[J];電鍍與環(huán)保;2006年04期.