纳米材料的制备方法 [纳米材料的特点及制备方法研究]

　　摘要： 纳米材料由于具有比表面大，熔点低等特性，在材料科学方面意义深远，文章就纳米材料的制备及特点做了系统的阐述，并展望了其未来的应用前景。　　Abstract: With the characteristics of large surface area, low melting point, nanomaterials has far-reaching significance in materials science. This paper expounds preparation and characteristics of nanomaterials systematically, and makes the prospects for its future application.
　　关键词： 纳米粒子；纳米材料；制备方法
　　Key words: nanoparticles；nanomaterials；preparation method
　　中图分类号：TB3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0021-02
　　0 引言
　　纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其在短短三十年发展迅猛，已引起一场技术革命。纳米技术包括纳米材料学，纳米工程学等，其中纳米材料学是关键。纳米材料是指结构单元尺寸介于1～100nm范围之间，其和普通材料相比，具有许多优良的特性。而纳米材料的制备是纳米材料学的核心，目前，制备纳米材料的方法众多，归纳起来，无外乎两种，即物理方法和化学方法。
　　1 纳米粒子的特性
　　纳米粒子是由数目较少的原子或分子形成，在热力学上是不稳定的，所以被视为一种新的物理状态，是介于宏观物质和微观原子、分子之间的一种状态，使其具有许多奇异的特性，除正在探索的性质以外，已经发现有：
　　1.1 比表面和表面张力较大
　　平均粒径为10-100nm的纳米粒子的比表面积可达10-70m2/g，纳米粒子内部会产生很高的压力，造成纳米粒子内部原子间距比块材小，所以表面张力较大。
　　1.2 纳米粒子的熔点降低
　　例如块状金的熔点为1063℃，但粒径为2nm的纳米时则金熔点降低到300℃左右，所以可在较低温度时发生烧结和熔融。
　　1.3 磁性的变化
　　晶粒的纳米化可使一些抗磁性物质变为顺磁性，如金属Sb通常为抗磁性，而纳米Sb则表现出顺磁性，此外，纳米化后还会出现各种显著的磁效应、巨磁阻效应等。
　　1.4 物理性质变化
　　金属纳米粉末一般呈黑色，而且粒径越小，颜色越深，即纳米粒子的吸收光能力越强；当其颗粒尺寸小于50nm时，位错源在通常应力下难以起作用，使得金属强度增大[1]。粒径约为5-7nm的纳米粒子制得的铜和钯纳米固体的硬度和弹性强度比常规金属样品高出5倍。
　　1.5 纳米离子的导电性增加
　　研究表明，纳米CaF2的离子电导率比多晶粉末CaF2高约一个数量级，比单晶CaF2高约两个数量级。
　　此外，纳米粒子还具有化学反应性能高、比热容大，在低温下有良好的热导性，作为催化剂效率高、随着粒度减小，超导临界温度逐渐提高等特点。
　　2 纳米粒子的制备方法
　　制备纳米粒子的方法归纳起来，无外乎两种方法，即物理制备方法和化学制备方法，两种方法的本质都是将块状的或者较大颗粒的物质变成颗粒更小的纳米级的粒子。
　　2.1 物理制备方法
　　根据物理化学原理，物质的分散度越高，即颗粒越小，其表面吉布斯自由能会越高，此时，形成的颗粒会自发聚集变大，也就是说粉碎到一定程度时就不能再被粉碎。我们可以通过一些物理方法，比如表面活性剂、改变温度压强等方法来制备纳米粒子。
　　2.1.1 低温低压制备方法 对于由固体物质来制备纳米粒子，可以在低温下进行粉碎，可采用液氮或者干冰来进行温度控制，这种方法缺点：在制备过程中容易引入杂质，并且粒子的颗粒大小难以控制，并且生成的粒子容易发生聚集。
　　对于由液体物质来制备纳米粒子，可以在低温低压下进行，先将溶液雾化冷冻，再在低温低压下干燥，然后将溶剂生化后得到纳米级尺度粒子。这种方法优点是操作简单，可制的10-50nm的微粒；缺点是一旦形成玻璃态，就无法生华溶剂。
　　2.1.2 表面活性剂作用下制备 由固体物质来制备 用纯度优于99%的粉状石墨和粉状金属按原子比为1:1的混合粉末，在氩气保护下置于容积为120mL的钢罐中，选用WC球（ф12mm），球与粉的质量比为18:1，然后在行星或球磨机上高能球磨，经过110h后得到粒径约为10nm的纳米粒子。加入表面活性剂作为助磨剂，可以获得力度更小的纳米粒子。该法可以制备高熔点金属碳化物TaC，NbC等。再如，可将颗粒较小的粉末状物质装入不锈钢容器内，再加入乙醇作为表面活性剂，用氮气作为保护气体，在45atm下进行超声波进行粉碎，亦可以得到纳米粒子（0.5μm）。这种方法已制备出SiC等超微粉末，操作简单可靠。
　　由液体物质来制备其操作步骤主要有:将所要制备物质原料和煤油按照1:1体积比混合，然后在高温条件下（不低于170℃）缓缓加入乳化剂，并在搅拌过程中将溶剂蒸发掉，并且进行干燥，最后经分离，对无水盐类物质进行加热分解即得到纳米级粉末。这种方法，目前已制备出橄榄石型超微纳米粉末。
　　2.2 化学制备方法
　　化学方法制备纳米粒子的方法就是通过化学反应来实现，其反应包括分解反应、沉淀反应、水解反应、还原反应等来制备，在制备过程中通过控制反应条件，来实现对纳米粒子尺度的控制。
　　2.2.1 分解反应原理制备纳米粒子 固相热分解法通常是将盐类物质或者氢氧化物加热达到其分解温度，就能得到各种纳米级别的氧化物超微粉末。例如用稀土草酸盐、在水蒸气存在下，热分解制得14种稀土氧化物超微粉末，其比表面积为50-150m2/g之间，粒子颗粒大小可以达到10-50nm之间。