机械力化学法制备纳米材料的研究进展.doc

Hefei University 题 目：机械力化学法制备纳米材料的研究进展 专 业：11级粉体材料科学与工程（1）班 姓 名：施学富 学 号：1103011002 机械力化学法制备纳米材料的研究进展 摘 要：机械力化学技术是一门新兴交叉学科，已成为制备纳米材料的一种重要方法，尤其是在制备纳米陶瓷材料和纳米复合材料上的应用更加广泛。本文主要综述了近几年来利用机械力化学法在制备纳米材料方面的研究现状，并总结了其优势和不足，进而展望了其发展趋势。机械力化学技术（Mechanochemical Process）也称高能球磨法（high-energy ball milling）是利用机械能诱发化学反应和诱导材料组织、结构和性能的变化，来制备新材料或对材料进行改性处理。机械力化学技术从人们开始研究至今，已发展成为一门古老而又新兴的科学，也因此越来越引起材料、冶金、生物等行业研究者的广发兴趣。尤其是成为了制备超细材料的一种重要途径，随着研究不断深入，现已广泛用于制备各种纳米材料。 关键词：机械力化学、纳米陶瓷材、BaTiO3纳米晶、纳米复合材料 1.机械力化学技术的发展 机械力化学法发展历史已久，早在原始社会人们就利用钻木取火，这也是机械力化学法最早的应用之一。如今，机械力化学仍在人们许多活动领域取得了广泛的应用。在传统的采矿和军事技术中，爆炸对撞击和摩擦的敏感性的利用就是很好的一个例子。1893年Lea是最早进行有关机械力化学实验的，在研磨HgCl2时观察到有少量Cl2逸出，说明 HgCl2有部分分解，而HgCl2在蒸发的状态下不发生分解，这说明局部温升不是引发分解的原因。20世纪2 0年代德国的Osywald对机械力化学的发展做出了重要的贡献，他根据化学能量来源的不同对化学学科进行了分类，首次提出了机械力诱发化学反应的机械化学的分支，并对机械能和化学能之间的联系进行了理论分析，但对机械力化学的基本原理尚不十分清楚。20世纪50年代，Peters和Cremer对机械力化学反应进行系统研究并发表了《机械力化学反应》的论文。直到60年代末期，机械力化学在材料科学和应用领域取得了关键性的进步，并已经通过球磨技术制备了镍基和铁基氧化物弥散强化合金。随后几十年，机械力化学法广泛用于非晶材料、纳米材料、陶瓷材料和纳米复合材料制备的研究[1,2]。 1.1机械力化学制备纳米材料的基本原理 机械力化学方法制备纳米材料的基本原理[3]是利用机械能来诱发化学反应和诱导材料组织、结构和性能变化，以此来达到制备纳米材料的目的。一般来说，有固相参加的多相化学反应过程是反应剂之间达到原子级别结合、克服反应势垒而发生化学反应的过程，其特点是反应剂之间有界面存在。影响反应速度的因素有反应过程的自由能变化、温度、界面特性、扩散速度和扩散层厚度等。粉末颗粒在高能球磨过程中机械力化学作用使晶格点阵排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，发生晶格畸变。粉末颗粒被强烈塑性变形，产生应力和应变，颗粒内产生大量的缺陷，颗粒非晶化。这显著降低了元素的扩散激活能，使得组元间在室温下可显著进行原子或离子扩散；颗粒不断冷焊、断裂和组织细化，形成了无数的扩散/反应偶，同时扩散距离也大大缩短。应力、应变、缺陷和大量纳米晶界、相界的产生，使系统储能很高(达十几kJ/mol)，粉末活性大大提高，甚至产生多相化学反应，从而成功合成新物质。 1.2固体物质在机械力作用下的变化 物质受到机械力作用时尤其是受到粉碎材料的机械力时，如球磨、冲击等， 常因此受到激活作用并使固体物质产生一系列变化[4]。若体系的化学组成不发生变化时称为机械激活；若化学组成或结构发生变化，则称之为机械化学激活。 1.3机械力化学法制备纳米材料的研究进展 利用机械力化学法制备纳米材料，可采用常用的化学原料，具有成本低、易工业化等特点。采用机械力化学技术已经制造出了Fe、Ti、Cu、Ni等纯金属纳米材料和一系列合金纳米材料，如Fe-Al、Ni-Si、Fe-Cu 等以及纳米复合材料，如金属碳化物、氮化物、氧化物、硅化物纳米材料。此外，采用高能球磨技术处理金属与陶瓷混合粉末，制得了纳米陶瓷复合材料，如Iwase等球磨Ti/Si3N4 时，制得了TiN-TiSi2复合纳米粉末，进一步制备出了纳米陶瓷复合材料，这种材料在高温下具有很强的超塑性质[7]。 2.1 机械力化学法制备纳米陶瓷材料的研究进展 Daniel Michel，Francoise Faudot，Eric Gaffe等[8]掺入各种外加剂机械力化学法制备出多种稳定立方ZrO2，将单斜型ZrO2分别与MgO，CaO，Y2O3外加剂放入行星磨的球磨罐内，氩气气氛，进行混合，经24 h粉磨，发生如下反应： 0.8ZrO2+0.2CaO→Ca0.2Zr0.8O1.8(萤