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第7章纳米材料制备方法;纳米在自然界的尺度;;纳米材料的发展历程;纳米材料的特性;纳米材料的制备方法;;;气相法-物理法-气体冷凝法;气体冷凝法制备纳米微粒的原理图;蒸发原理
用分子涡轮抽真空至0.1Pa以上的超高真空室内,充入低压(约2KPa)的纯净惰性气体(He或Ar,纯度为~99.9996%)
欲蒸的物质置于坩埚内,通过加热蒸发,产生物质烟雾,再由惰性气体的对流,烟雾向上移动,接近充液氮(77K)的冷却棒
源物质原子与惰性气体原子碰撞,迅速损失能量而冷却,在源物质蒸气中造成很高的局域过饱和,导致均匀的成核过程
纳米颗粒形成过程
在接近冷却棒的过程中,源物质蒸气首先形成原子簇
然后形成单个纳米微粒
在接近冷却棒表面的区域内,单个纳米微粒聚合长大
最后在冷却棒表面上积累起来
用聚四氟乙烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉
;惰性气体压力:压力的增加,粒子变大
惰性气体的原子量:大原子质量将导致大粒子,(碰撞机会增多,冷却速度加快)
蒸发物质的分压,即蒸发温度或速率:蒸发源温度升高,引起蒸发速率的增加和源物质蒸气压力的增加,粒子变大,(源物质气体浓度增大,碰撞机会增多,粒径增大);粒子大小正比于lnPv(Pv为金属蒸气的压力);气体冷凝法优缺点
优点:
设备相对简单,易于操作
纳米颗粒表面清洁
粒度齐整,粒度分布窄
粒度容易控制
缺点:
难以获得高熔点的纳米微粒
主要用于Ag、Al、Cu、Au等低熔点金属纳米粒子的合成;气体冷凝法合成Cu纳米粒子:
金属铜粒子呈球形,粒径20—100nm
粒子之间存在粘结。;气相法-物理法-活性氢熔融金属反应法;活性氢熔融金属反应法的优缺点:
采用氢等离子体加热蒸发法可以制备出金属、合金或金属化合物纳米粒子
优点:
等离子体温度高,几乎可以制取任何金属的微粒
金属或合金可以直接蒸发、急冷而形成原物质的纳米粒子,为物理过程
金属化合物,如氧化物、碳化物、氮化物的制备,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
缺点:氢等离子体喷射的射流容易将金属熔融物质本身吹飞,这是工业中应解决的技术难点。;气相法-物理法-溅射法(直流,射频,磁控,离子束辅助);粒子的大小及尺寸分布主要取决于:
两电极间的电压、电流和气体压力;相似于气体冷凝法
靶材的表面积愈大,原子的蒸发速度愈高,超微粒的获得量愈多
溅射法的优点:
不需要坩锅;蒸发材料(靶)放在什么地方都可以
靶材料蒸发面积大,粒子收率高
可制备多种纳米金属,包括高熔点和低熔点金属。常规的热蒸发法只能适用于低熔点金属
能制备多组元的化合物纳米微粒,如Al52Ti48,Cu91Mn9及ZrO2
利用反应性气体的反应性溅射,还可以制备出各类复合材料和化合物的纳米粒子
。;气相法-物理法-蒸发法;衬底材料:
玻璃,微晶玻璃,细晶陶瓷,单晶硅,红宝石,蓝宝石
优点:
设备简单,易操作,纯度高,厚度可精确控制,质量好,速率快,效率高,用掩膜可得清晰图形,制备机制较单纯
缺点:
在基板上的附着力小,工艺重复性不够好,不易获得结晶态材料
;;不同电阻加热器的特点;真空规读数;DM-300热蒸发机不同部件;气相法-物理法-流动液面上真空蒸镀法;工艺过程:
高真空中,采用电子束加热蒸发
当水冷坩埚中的蒸发原料被加热时,打开快门,使蒸发物质沉积在旋转的圆盘下表面上
从圆盘中心流出的油,由于圆盘旋转时的离心力,在下表面上形成流动的油膜,使蒸发原子在油膜中形成超微粒子
含有超微粒子的油被甩进了真空室沿壁的容器中
这种超微粒含量很低的油在真空下进行蒸馏,使它成为浓缩的含有超微粒子的糊状物;优点:
粒径均匀,分布窄,均匀分布在油中
粒径的尺寸通过改变蒸发条件来控制,如蒸发速度,油的粘度,圆盘转速等
圆盘转速低,蒸发速度快,油的粘度高均使粒子的粒径增大,最大可达8nm;气相法-物理法-通电加热蒸发法;SiC合成工艺过程:
棒状碳棒与Si板接触,在蒸发室内充l~10KPa的Ar或He气
在碳棒与Si板间通交流电,Si板被加热器加热,随Si板温度上升,电阻下降,电路接通
当碳棒温度达白热程度时,Si板与碳棒相接触的部位熔化
当碳棒温度高于2473K时,在它的周围形成了SiC超微粒的“烟”,将它们收集起来
;气相法-物理法-爆炸丝法;爆炸丝法制备纳米粉体装置示意图;爆炸丝法制备易氧化金属的氧化物纳米粉体:
一,在惰性气体中充入一些氧气
二,己获得的金属纳米粉进行水热氧化
前者制备的氧化铝为球形,后者为针状粒子
这种方法适用于工业上连续生产纳米金属、合金和金属氧化物纳米粉体
;基本原理:
利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收,引起反应气体分子激光光解(紫外光解或红外多光子光解)、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应
在一定工艺
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