功能材料概论6(纳米材料).ppt

4.4.1. 纳米材料的气相制备方法 B. 氢电弧等离子体法（活性氢—熔融金属反应法） 含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微粒子，用离心收集器或过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米微粒。 此种制备方法的优点是超微粒的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而上升。 a. 共沉淀法：在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。根据沉淀的类型可分为单相共沉淀(沉淀物为单一化合物或单相固溶体)和混合共沉淀(沉淀产物为混和物)。 例如： 在FeCl2和FeCl3溶液中加入氨水后可制得Fe3O4纳米粒子。 在Ba、Ti的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物BaTiO(C2H4)?4H2O沉淀。经高温分解，可制得BaTiO3的纳米粒子。 将Y2O3用盐酸溶解得到YCl3，然后将ZrOCl2?8H2O和YCl3配成一定浓度的混合溶液，在其中加入NH4OH后有Zr(OH)4和Y(OH)3的沉淀形成，经洗涤、脱水、煅烧可制得ZrO2(Y2O3)的纳米粒子。 C. 水热、溶剂热法 水热反应是高温高压下在水(水溶液)或蒸汽等流体中进行有关化学反应的总称。水热法在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。 水热技术具有两个特点：一是其相对低的温度；二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。 水热合成法：指在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶入水中同时析出氧化物。如果氧化物在高温高压下溶解度大于相对应的氢氧化物，则无法通过水热法来合成。水热合成法的优点在于可直接生成氧化物，避免了一般液相合成方法需要经过煅烧转化成氧化物这一步骤，从而极大地降低乃至避免了硬团聚的形成。 溶剂热合成法：由水热法发展而来的材料制备方法。它采用非水溶剂，如NH3、C2H5OH、C6H6等取代水热反应中的水。溶剂热合成不仅继承了水溶液传热、传压和充当矿化剂的作用，而且非水溶剂的诸多特性使得溶剂热合成技术具有很多独特的特点。 4.5 典型的纳米材料——纳米陶瓷材料、碳纳米管 4.5.1 纳米陶瓷材料 纳米陶瓷：指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与缺陷尺寸等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。 现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平。当其晶粒尺寸变小到纳米级的范围时，晶粒表面积和晶界体积会以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之剧增。由于颗粒的粒度减少而引起表面效应和体积效应，使得材料的物理、化学性质发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊的物理与化学性质。 利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，为陶瓷的应用开拓了新领域。 c. 超塑性 ：超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下，材料产生较大的拉伸形变。研究发现，纳米陶瓷(100nm左右)在室温拉伸试验后，其样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达百分之几百，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线，确认纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。 d. 烧结特性：纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600℃，烧结过程也大大缩短。12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度 400~600℃下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加3%Y2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶粒生长这两个高温动力学过程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。 2. 纳米陶瓷的应用 生物领域 生物功能陶瓷能够模仿人体某些特殊生理行为，可以用来构成牙齿和骨骼等某些人体部位，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某种组织器官，或者增加其功能。 压电方面 由于纳米陶瓷晶体结构上没有对称中心，具有压电效应。通过控制纳米晶粒的生长可获得量子限域效应，以及性能奇异的铁电体，以提高压电热解材料机电转换和热释性能。 坚韧方面 纳米功能陶瓷很好地解决了陶瓷的脆性问题，将纳米金属颗粒尤其是高温合金相制成的纳米颗粒，加入到陶瓷材料中，可以使陶瓷的韧性和抗冲击力得到很大的提高，又不降低原有的强度和硬度。 汽车工业 纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、超塑性、高耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能，拓展了它在汽车工业中的应用领域。 信息领域 电子陶瓷的应用范围日趋广阔，包括基板、传感器、感测器