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1、精品范文模板 可修改删除撰写人：_日 期：_纳米金属的制备与应用分析摘要：纳米金属是纳米材料学的重要组成部分，纳米金属材料具有许多本体所没有的独特物理、化学和机械性能。这使得纳米金属材料在光学、电学、热学等方面有巨大的应用潜力。本文着重介绍纳米金属的制备方法、性能和应用分析。并且从不同的方面对纳米金属的应用领域做了简要总结。关键词：纳米金属；制备；性能；应用分析Nanometer metal preparation and application analysisAbstract: Nana-metals is an important part of nano-materials,the n
2、anometer metal materials have the unique physical, chemical and mechanical properties. they have been exploited for the extensive potential application in optics ,electronics, thermology，etc. This paper emphasizes the preparation, property and application for nano-metals. It is summarized briefly ab
3、out nanometer mental in different application areas.Key word: nano-metal; preparation; properties; application analysis纳米材料是指晶粒尺寸小于100 nm的单晶体或多晶体。由于晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶粒内部的，即产生高浓度晶界，因而使纳米材料具有许多不同于一般粗晶材料的性能。纳米材料可以有各种不同的分类方法，如可分为金属、非金属、有机、无机和生物等纳米材料。纳米金属是利用纳米技术制造的金属材料，具有纳米级尺寸的组织结构，在其组织中也包含着纳米颗粒杂质。在金属材料生产
4、中利用纳米技术，有可能将材料成分和组织控制的极其精密和细小，从而使金属的力学性能和功能特性得到飞越的提高。其中纳米金属材料包括纳米粉末和纳米金属结构材料，将纳米金属粉末在保持新鲜表面的条件下，压在一起形成块状凝聚固体，就构成了纳米金属结构材料。此外，纳米金属材料还包括具有1-100nm尺寸的微晶和层状结构的金属材料。纳米金属粒子由于表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，使其具有不同于块金属的特殊性能，如表面效应使得表面积增大，表面能必然迅速增加，加之表面原子数多带来的原子配位不足，使表面原子的活性增大，所以金属纳米材料容易有吸附和团聚现象发生。由于体积效应，导致金属纳米粒子的熔
5、点降低，并呈现强度和硬度增大、低密度、高电阻、低热导率等。正是因为金属纳米材料展现出如此优良的性能，故金属纳米材料的制备和应用也倍受人们关注。1纳米金属材料的制备方法 纳米金属材料制备科学的研究主要集中在两个方面：(1)纳米金属粉末制备技术及其理论机制与模型，目的是改进纳米金属材料的品质和产量；（2）纳米金属粉末的固结技术，目的是获得密度和结构可控的块体纳米金属材料或纳米金属表面覆层。纳米金属材料的制备方法很多，但高效、低成本的纳米金属材料制备技术仍是各国科学家研究的重点。1.1纳米金属粉末的制备方法气相法(1)普通气相法普通气相法用普通热源在真空或者低压的惰性气体中加热柑祸内的金属使其蒸发后
6、形成纳米微粒。(2)等离子体法等离子体温度高，反应速度快，可获得均匀小颗粒的纳米粉体，易于实现批量生产，几乎可制备任何纳米材料。(3)溅射法溅射法是在惰性气氛或活性气氛下在阳极和阴极蒸发材料间加上几百伏的直流电压，使之产生辉光放电，放电中的离子撞击阴极的蒸发材料靶，靶材的原子就会由其表面蒸发出来，蒸发原子被惰性气体冷却而凝结，或与活性气体反应而形成纳米微粒。粒子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电压、电流和气体压力。该法投资少，技术成熟，可制备出镍、铁、铜等多种金属与合金的纳米级粉末。(4)电爆炸法电爆炸法是制备金属和合金粉末的一种较新方法，用这种方法制备纳米粉体是在一定的气体介质环境下，通过
7、沿金属或合金原料丝轴线方向施加直流高电压，在原料丝内部形成很高的电流密度(107A/cm3)，使之爆炸获得纳米粉体。利用此方法，可制备所有能拉成丝的金属及金属合金粉体，可制备的金属纳米微粒有镍、钻、铁、钨、铜等多种纳米金属粉体，其粒度为10nm-100nm，纯度高于99%。目前，在美国、日本、德国已开始大规模应用。液相法(1)还原法在液相或非常接近液相的状态下用原料物质直接还原可以制备纳米金属粉体。溶液化学还原法具有工艺简单，产物粒径、形貌、纯度、性质易控等特点，因此备受人们的关注。用化学还原法可制备出纳米非晶粒子。例如硼氢化钠、次磷酸钠作还原剂可制备出非晶的球形NIB、Ni-P、NIB-P纳
8、米合金粒子。用NaBH4制备NIB合金粒子时，通过控制反应条件(如溶液浓度和滴加速度等)可制备出不同组成及不同分散状态的NIB合金。(2)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是将金属醇盐或无机盐经过水解直接形成溶胶或经过解凝形成溶胶，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料的方法。此方法反应温度低，产物颗粒小，粒度分布窄，纯度高，组成精确，但是由于使用金属醇盐作原料，成本高，有污染。(3)水热还原法水热法是在高温高压下、在水(水溶液)或蒸汽等流体中进行有关化学还原反应的方法。可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳米的粉末，且粒度分布窄，团聚程度低，纯度高，晶格发育完整，有良好
9、的烧结活性，在制备过程中污染小，能量消耗少。水热法中选择合适的原料配比尤为重要，对原料的纯度要求高。(4) 射线法射线辐射可直接从水溶液环境中制得纳米级金属，反应条件为常温常压，近年来被用于制备纳米粉体。在金属盐溶液中，加入过量异丙醇、十二烷基硫酸钠或聚乙烯作为自由基清除剂和分散剂，必要时加入适当的金属离子络合剂或其它添加剂，调节pH值。再将配制好的溶液进行超声脱气，并通入氮气以尽可能降低溶液中的氧含量，在一定量的60 Co等Y射线放射源中辐照，分离产物，用氨水和蒸馏水洗涤产物数次，干燥即得金属纳米粉。当所用的金属盐溶液浓度很稀且辐照时间短时，产物则处于离散的团粒或胶体状态。这些团粒仅由为数不
10、多的金属原子组成，实际上为一种微团簇结构。然而作为粉体产物，这种微团簇超精细微粒的收集相当困难，而水热处理是从辐照后的水溶液中收集纳米金属粉末的有效方法，因此经常将射线辐照成核与水热结晶结合起来。采用射线辐射一般制得球。形纳米粒子，但是在引入外磁场的条件下可以控制所得的粒子的形状。(5)微乳液法微乳液是指两种互不相溶的液体组成的、宏观上均一而微观上不均匀的混合物，其中分散相以微液滴的形式存在。反应可以由分别包有两种反应物的微乳液混合，使微液滴发生碰撞，生成沉淀，也可以是一种反应物微乳液与另一种反应物相互作用生成沉淀。由于微液滴极其微小，其中生成的沉淀颗粒也非常微小，而且均匀。此外，辐射技术等也
11、被引入纳米微粒的微乳液制备法中1。在水溶液中加入适量表面活性剂，如SDS，再经射线辐照还原，可制备出纳米微粒。(6)电解法电解法工艺简单，可以通过调整工艺参数来方便地控制粒径。在电解液中加入表面活性剂，还可以改变所得粉体的性质。何峰等人2在制备超细铜粉时，向电解液中加入用甲苯和油酸等表面活性剂配置的有机溶液，得到粒度均匀、平均粒径为80nm的纳米铜粉。而且每个粉末表面均存在一个厚约为5nm的有机包覆层，使粉末颗粒之间不易发生团聚，在空气中有抗氧化的能力，对粉末的储运和使用十分有利。除Cu外，此法还得到Ni、Ag、Sn及Cu-Zn、Cu-Ni等多种金属及合金纳米粉末。机械合金法又称为高能球磨法，
12、在控制适当的球磨条件下可制得纳米级金属、合金或复合材料。该法已成为制备纳米金属材料的一种重要方法，其显著特点是产量高，工艺简单，能制备常规方法难以制备的高熔点金属。缺点是晶粒尺寸不均匀，球磨过程中易引入杂质，降低产物的纯度。到目前为止，纳米金属材料的制备研究己取得了骄人成绩，研究出了许多新的方法，如微波水热法等。但无论在理论上和实践上都还存在许多有待研究的问题:如何有效地防止其团聚，如何有效地防止其表面的氧化，如何有效地保持其活性等都是在制备和应用中面临的严峻问题，因此从实验室走向工业化尚需进一步努力。可以预见，纳米金属粉制备方法的改进必将推动其在国民经济中发挥更加重要的作用。1.2块体纳米金
13、属的制备方法目前，块体纳米金属的制备分为“两步过程”和“一步过程”。“ 两步过程”是将预先制备的纳米金属压制成块体材料，其中以惰性气体冷凝、原位加压法最具代表性。“一步过程”则是将外部能量引人或作用于母体材料，使其产生相变或结构转变，直接制备出块体纳米金属或合金材料，如非晶晶化法、脉冲电流直接晶化法等。下面简要介绍几种有代表性的制备方法。2.2.1惰性气体冷凝、原位加压法1984年，德国科学家Gleiter3等首次采用惰性气体蒸发制得6nm的铁超微粒子，并在超真空的条件下将其压制成纳米微晶块体。这是世界上获得的第一块纳米金属材料。 后来他们用此方法成功地制备了Cu、Au、Pd等纳米金属块体。目
14、前， 采用这种方法制备的块体纳米金属材料已达几十种，如Al、Mg、Zn、Sn、Cr、Fe、Co、Ag、Cu、Mo、Pd、Ta、Ti等纳米块体。惰性气体冷凝、原位加压法的装置主要由蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落输运系统及原位加压成形（烧结）系统组成。其制备过程和原理是在高真空反应室中充人惰性气体，把金属加热蒸发形成金属蒸气。金属蒸气在惰性气体的作用下，在冷却棒附近首先形成原子簇，,然后形成单个纳米微粒。最后在冷却棒表面上积聚很多纳米金属微粒，用刮板将金属粉从冷却棒上刮下即获得纳米金属粉。也可用刮板将冷却棒上的纳米微粒刮入漏斗并导入模具，在10-6Pa高真空下，加压系统以1-5GPa的压
15、力使纳米粉原位加压（烧结）成块。1.2.2高能球磨法结合加压成块法1990年，日本京都大学Shingu等人4首先报道了用高能球磨法制得Al-Fe纳米合金材料，为制备纳米金属找到了一条实用化的途径。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动使磨球对金属粉体进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属粉碎为纳米级微粒的方法。采用热挤压、热静压等技术可将纳米金属制成块体纳米材料。目前， 用高能球磨法可制备纳米晶纯金属（如Fe、Nb、W、Zr、Co、Ru、Cr等）。1.2.3金属丝电爆炸法电爆炸法适合规模化生产高质量的纳米金属。俄罗斯在电爆炸法制备纳米金属微粉工艺技术方面有其独到之处，20多年前就开始采用金属丝电爆炸法
16、制备纳米铝粉。该工艺采用的设备主要由高压工作电源、金属丝输送系统、电爆炸室、介质气体循环风机、三组微粉收集器及原位包装系统等组成5。在电爆炸室内，金属原料丝两端加高电压，强电流流过金属丝使其熔断。金属丝熔断的瞬间产生强大的电弧，使金属丝气化，金属蒸气在惰性气体的作用下形成具有一定粒度分布的纳米金属粉。循环风机使介质气体在整个设备内实现循环，循环的介质气体使瞬间产生的纳米金属粉迅速冷却，并分别在三个微粉收集装置内沉降下来。在原料耗尽后，将三个收集装置内的三种不同粒度的纳米金属微粉取出，并原位包装。从金属丝爆炸形成纳米粉到微粉的收集包装均在惰性气体环境下完成，有效地防止了纳米金属粉的氧化、潮解和自燃。1.2.4非晶晶化法非晶晶化法6是近年来发展极为迅速的一种新工艺。它是通过控制
