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第1章超微粉末的制备技术

1.1概述

金属和陶瓷粉末是重要的基础原材料，既可以直接分散使用，也可以将其压制成型

形并烧结成块体材料，还可以制成膜状材料，其使用性能取决于粉末的特性，包括物理

性质、化学性质、粒度和表面特征等。

随着粉末颗粒尺寸的减小，其原子数相应地减少，比表面积及表面原子数占颗粒总

原子数的比例逐渐增大。当粉末颗粒的尺寸小到某一临界值以下时，颗粒的性质就会发

生突变，出现一些与大颗粒或块体材料明显不同的性质。通常将这种粉末颗粒称之为“超

微粒子”。不同材料的超微粒子发生性质突变的临界尺寸不同，同一种粉末颗粒不同性

质发生突变所需的临界尺寸大小也不同。

1.1.1超微粒子的定义

关于超微粒子的概念一直没有严格的定义。在20世纪80年代以前，日本学

者通常把粒径在1m以下的粉末颗粒称为超微粒子，将超微粒子的集合体称为超

微粉末。超微粒子粒径上限的定义随着对超微粒子特性研究的深入而不断变化。

例如，自日本物理学家Kubo教授发表了著名的“金属超微粒子的久保效应”论

文后，研究者将粒径在0.1m(100nm)以下的粉末颗粒称之为超微粒子。到20世

纪80年代，纳米材料的概念提出后，人们又把粒径小于100nm的粉末颗粒称之

为纳米粒子，将这种粒子的集合体称之为纳米粉末。研究表明，超微粒子(或纳米

粒子)具有显著的体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，而且

粒子尺寸越小，材料的物性变化就越显著。

从广义上来说，凡是出现尺寸效应的粉末体系均可以纳入超微粒子的范畴。

本文仍选择超微粒子为基本概念来介绍粒径在0.1m以下的微小粒子的特性及制

备方面的理论和技术问题。

超微粉末的种类很多，包括金属、陶瓷、高分子和碳材料等。本文重点阐述

金属和陶瓷超微粉末。

1.1.2超微粉末研究的发展历史[1-3]

早在19世纪90年代，随着胶体化学的建立，人们就开始研究直径在1~100nm

间的粒子系统，即所谓的胶体；Graham等人对胶体系统中的微粒子特性进行了研

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究，目的是获得具有实际应用价值的颜料、粘合剂、添加剂和触媒等化学工业原

料。1900年初有人利用多种方法制备出了白金黑催化剂。1921年Kohlschutter等

人以Al、Bi、Cu、Fe、Ni等金属作为电极，在空气中利用放电电弧，制备出氧

化物的空气凝胶，但当时还没有电镜等工具来观察粉末粒子的形貌，仅根据X射

线衍射峰的宽化来计算超微粉末的粒径特征。由于在此期间的研究带有很大的随

机性，故超微粒子的概念还没有被明确提出。1945年Beek在研究金属薄膜的制

备技术时指出，在低压惰性气体中蒸发金属能够产生超微粉末。第二次世界大战

期间，日本学者上田良二等人采用气相蒸发法制备了具有红外吸收能力的氧化锌

超微粉末，粉末的粒径小于10nm。

1962年，日本物理学家Kubo在量子统计力学的基础上分析了金属超微粒子

的特性及粒子中电子间的相互作用，提出了著名的“久保效应”，开创了近代超微

粒子研究的新阶段。透射电子显微镜开发成功后，被成功用于研究超微粒子的晶

体学和形貌特点。1963年RyoziUyeda等人发展了气相蒸发法制备金属超微粉末

的方法。

20世纪60年代，超微粒子的研究工作主要集中在晶体学和形貌特点方面。

从70年代开始，日本开始重视超微粉末制备技术的研究，