纳米金属材料的制备

纳米金属材料的制备

学院:材料与冶金学院

专业：材料科学与工程

班级：材料10b

姓名：叶晓江

学号：1008020131

纳米金属材料的制备

摘要：纳米金属材料具有奇异的结构和特异的性能，这使得纳米金属材料的应用十分广泛。概括介绍了纳米金属材料的特性，对一些主要的制备技术作了较为详细的阐述，

关键词：纳米金属；特性；制备

1纳米金属材料

在金属材料的生产中利用纳米技术，有可能将材料成分和组织控制得极其精密和细小，从而使金属的力学性能和功能特性得到飞跃的提高。纳米金属材料是当今新材料研究领域中最具活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最活跃、最接近应用的组成部分。纳米金属材料是20世纪80年代开发的一种高新材料，是指晶粒尺寸小于100纳米的金属材料，包括纳米金属粉末和纳米金属结构材料[2]。

2 纳米金属的特性

2.1 表面效应

表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子之比随着粒子尺寸减少而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质变化的现象。由于纳米粒子的表面原子数增多，极不稳定，很容易与其他原子结合趋于稳定，因此，纳米粒子具有很高的化学活性。新制成的纳米粒子必须进行一定的稳定化处理或者保存。例如金属纳米粒子在空气中自燃，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应[3]。

2.2 小尺寸效应

固体物理的研究表明，当超细微粒的尺寸减小到与光波波长、得布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应，材料的宏观物理、化学性能将会

发生很大变化，这种现象称为小尺寸效应，又称体积效应。

2.3 量子尺寸效应

量子尺寸效应是指当粒子的尺寸减小下降某一数值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象。

2.4 宏观量子隧道效应

电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应，近年来人们发现一些宏观物理量，如颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，故称之为宏观量子隧道效应[4]。

所以，纳米金属材料不但具有块体金属所具有的特性，还具有块体金属所不具有的许多特性。纳米固体材料还具有许多既不同于块体金属又不同于纳米金属颗粒的新特性,如协同效应等。纳米金属粒子由于颗粒体积小，表面原子数目显著增大，量子尺寸效应、体积效应(小尺寸效应)、表面效应和宏观量子隧道效应明显，因而呈现出特异的物理、化学、光学、力学、电学与磁学性能[5]。这些性能已经被广泛地应用，因此，纳米金属材料在现代工业、国防和高技术发展中充当了越来越重要的角色，应用前景越来越广阔[6]。

3 纳米金属材料的制备方法

3.1 纳米金属的制备方法

3.1.1 气相法

气相法制备金属纳米粉体始于60年代初期，1984年西德Searlands大学材料系H.Gleiter教授的研究小组在气相法制备金属纳米粉体的基础上首次采用惰性气体保护原位加压成型法成功制备出了高性能的块体金属纳米Fe、Pd等材料，随后，气相法制备金属纳米粉体、固体材料在世界范围内掀起高潮，现已进入产业化阶段。气相法是直接利用气体，或通过各种手段将原料变成气相，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法[7]。用该方法制得的纳米粉纯度高，颗粒分散性好、粒径分布窄。

3.1.2 液相法

液相法是当前实验室及工业上广泛采用合成高纯微粒纳米粉体的方法，其原理是：选一种或几种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料的成分计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再加入一种合适的沉淀剂采用或蒸发、或升华、或水解等方法进行操作，将金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶物脱水或加热分解而制得纳米粉。液相法特别适合制备组成均匀、纯度高的复合氧化物纳米粉体，但其缺点是溶液中形成的粒子在干燥过程中，易发生相互团聚，导致分散性差，粒子粒度变大。应用于液相法制备纳米微粒的设备比较简单，其生成的粒子大小可以通过控制工艺条件来调整，如溶液浓度、溶液的PH值、反应压力、干燥方式等。

3.1.3 固相法

固相法是一种比较传统的粉末制备工艺，用于粗颗粒微细化。由于该方法具有成本低、产量高，制备工艺简单再加上近年来又涌现了高能球磨、气流粉碎和分级联合等新方法，因而在一些对粉体纯度和粒度要求不太高的场合仍然适用，但由于该方法效率低、能耗大、设备昂贵、粉不够细、有杂质、颗粒易变形或氧化等，在高科技领域中较少采用此方法[8]。

3.1.4 机械粉碎法

该法是将大块物料放入微粉粉碎机(高能球磨机或气流磨机)中，利用介质和物料之间相互研磨和冲击使物料细化，通过控制适当的研磨条件以制得纳米级晶粒的纯元素、合金或复合材料。该法制备纳米晶粉末的机理目前尚不清楚。通常认为在中低应变速率下，塑性变形由滑移及孪生产生。而在高应变速率情况下，产生剪切带，由高密度位错网构成。

机械粉碎法的优点是工业化较易实行，工艺简单，制备效率高,能粉碎高熔点金属或合金；缺点是晶粒尺寸不均匀，易引入某些杂质，使颗粒表面和界面发生污染，纯度不高。

3.1.5 电爆法

电爆法是利用高压放电，使得金属丝熔融汽化，金属蒸汽在惰性气体碰撞下形成纳米金属粒子。该方法适用于工业上连续生产纳米金属粉末。

电爆法是美国Argonide公司的专利技术,并于20世纪90年代应用该法进行纳米铝粉的商业生产。即在惰性气体中,脉冲大电流(兆安级)作用于金属丝，将

产生10000-20000℃高温，同时形成金属等离子体。在等离子体弧柱中，金属的蒸气压非常高,从而能克服电磁场的束缚，产生爆炸,在其周围形成含有粒径为100/1/11左右的金属微粒蒸发区,冷凝后形成纳米粒子[9]。

3.1.6 金属喷雾燃烧法

喷雾燃烧法是一种将金属熔体直接雾化燃烧以获得纳米级金属氧化物的新方法。由于金属氧化燃烧反应是氧原子与各个金属原子间的化合反应，则合金熔体在经雾化、燃烧后可获得复合的金属氧化物粉末。此工艺国外已经用于工业生产，但国内用于工业化生产还比较少。

喷雾燃烧法的显著特点[10]是反应速度快，生产效率高，整个工艺过程中除氧气外，没有其他任何酸、碱、盐及水等物质参与反应，对环境不构成任何污染，尤具吸引力的是能够制备均匀混合的多相氧化物纳米粉体，即所谓复合粉体。此工艺的缺点是要求金属熔体过热度较高，目前仅限于制备低熔点金属的氧化物粉体，即使是低熔点金属，为了使金属熔体在雾化后能着火燃烧，也必须将其过热到数倍于熔点的温度。且对高压氧气加热的操作具有一定的危险性。

3.2 纳米金属薄膜的制备方法

3.2.1纳米金属纳米金属薄膜的制备方法主要有以下三种。①溶液-凝胶法：先用金属盒无机盐化合物制备溶胶，然后将衬底浸入溶液，再以一定速度进行提拉，溶液便附着在衬底上，经加热后，得到纳米级金属薄膜。②气相沉积法：采用蒸发、溅射等方法得到纳米粒子，用一定压力的惰性气体作载流体，通过喷嘴在基板上形成膜。③真空溅镀法：通过氩离子束将金属表面的原子激发出来并沉积呈层状，可制出几百层、几千层的纳米金属薄膜材料。

3.2.2 纳米金属材料的特殊性能

（1）熔点降低

纳米金属的熔点较普通金属熔点低，如金的熔点是1063OC，而纳米金只有330℃，熔点降低近700℃;银的熔点由金属银的960.8℃降为纳米银的100℃。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为现实，还可使不互溶的金属冶炼成合金，对粉末冶金工业具有一定的吸引力。如在钨颗粒中加入0.1%-0.5%(质量比)的纳米Ni粉，烧结温度可从3000℃降为1200-1300℃[5]。

(2) 硬度增加、抗断裂应力提高

纳米金属或合金固体的硬度要比传统的粗晶材料硬3-5倍。众所周知我国是钢铁大国，钢又是工业基础，若能解决钢的硬度问题，无疑会给国防和航空工业带来一场革命。与普通钢相比，纳米钢具有较好的硬度和抗断裂能力。如目前正在研究的M50钢，它是一种高温轴承钢，主要应用于航空发动机的耐高温轴承，对其性能要求是:在300一400℃时有较好的硬度和具有较好的加工性，传统的M50钢使用寿命短，锻造、车削等加工性能差，同时也使得飞机轴承易出现破碎性断裂，造成飞机灾难性事故。纳米M50钢的硬度是普通M50钢的2.3倍，使用寿命大大提高，所以纳米M50钢的制备研究在航空工业上有重大意义，美国政府已资助Connecticut和Rutgers两所大学及国家海军实验室从事纳米M50钢制备的基础研究，我国于1997年开始纳米M50钢的项目研究，现已成功的制备了纳米M50钢，这无疑会促进航空工业的发展[6]。

结语

在过去十多年里，尽管纳米金属材料的研究已经取得了显著进展，但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如，如何真实地反映纳米材料的本征结构与性能？如何开发新的制备技术与工艺，实现高品质、低成本、多品种的纳米金属材料产业化？纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构（晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等）的？反之，如何利用微观结构的设计与控制，发展具有新颖性能的纳米金属材料，以拓宽纳米金属材料的应用领域？等等。这些基本问题还需继续研究和解决。