【精品课件】纳米块体材料的制备

图6.1是惰性气体蒸发(凝聚)、原位加压法
制备纳米金属和合金的示意图。这个装置主
要由三个部分组成：
第一部分为纳米粉体的获得； 第二部分为纳米粉体的收集； 第三部分为粉体的压制成型。
其中第一和第二部分与用惰性气体蒸发
法制备纳米金属粒子的方法一样。由惰性气
体蒸发制备的纳米金属或合金微粒，在真空
中由聚四氟乙烯刮刀从冷阱上刮下，经漏斗
例如，如何获得高致密度的纳米陶瓷仍处于摸索工艺的 阶段，这是当前材料工作者所关心的重要课题之一。
如何由纳米粉体制备具有极低密度、高强度的催化剂、 金属催化剂载体以及过滤器等工艺探索工作也刚刚起步。
因此，这里仅就当前采用的几种制备纳米固体材料的 方法进行简单的介绍。
6.1 惰性气体蒸发、原位加压制备法
SPS-1030
1988年日本研制出了第一台SPS装置，可以在材料研究领
域内使用。
1990年后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品， 具有10~100t的烧结压力和5000~8000A的脉冲电流。目前有压 力最大达500t、脉冲电流为25000A的大型SPS装置。由于SPS系 统具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大学和科 研机构引进了SPS系统，并利用SPS进行了材料制备和加工的研 究和开发。1998年瑞典在欧洲第一次引进了SPS系统，现已对 烧结纳米碳化物、氧化物、生物陶瓷等方面作了较多的研究。
从理论上来说，制备纳米金属和合金的方法很多，但真正 获得具有清洁界面的金属和合金纳米块材的方法并不多，目 前比较成功的方法是惰性气体蒸发、原位加压法。
此法首先由格来特等人提出，此法成功地制备了Fe、Cu、 Au、Pd等纳米晶金属块体和Si25-Pd75、Pd70Fe5Si25、Si75Al25等 纳米金属玻璃。
纳米结构材料中的纳米金属与合金材料是一种二次凝 将纳米颗粒压在—起形成块状 凝聚固体。步骤是：
①制备纳米颗粒；
②颗粒收集；
③压制成块体。
为了防止氧化，以上步骤一般都在真空(<10-6Pa)中进行， 这给制备纳米金属和合金固体带来很大困难。
直到1965年后，才在美国、日本等国得到应用。日本获得 了SPS方面的专利，但由于生产效率等问题没有能够很好地解 决，也就没得到推广应用。
SPS-511S with Digital Radiation Thermometer
SPS-515S with Analysis Unit
SPS-2050 with Analysis Unit
等离子体是解离的、高温导电气体，可提供反应活性高的状 态。等离子体温度4000～10999℃，其气态分子和原子处在高度 活化状态，而且等离子气体内离子化程度很高，这些性质使等离 子体成为一种非常重要的材料制备和加工工具。
等离子体加工技术已得到较多的应用，例如等离子体 CVD、低温等离子体PVD以及等离子体和离子束刻蚀等。
6.2 SPS（Spark Plasma Sintering ）烧结法
放电等离子加压烧结技术（SPS）是材料合成与加工领 域的一种新技术 。
放电等离子烧结是利用脉冲电流来加热的，有的文献上 也称SPS为等离子活化烧结（plasma activated sintering— PAS或plasma-assisted sintering—PAS），早在1930年，脉 冲电流技术原理在美国已被提起。
4、你是如何理解 “自上而下”和“自下而上”两种纳米 科技的研究线路的？
5、纳米材料的结构组成中由“晶体组元”和“晶界组元”， 试说明“晶界组元”对纳米材料的作用。
6、名词解释：小尺寸效应、表面效应
7、刚玉质（镁铬质）耐火材料的烧成温度一般在1700℃ 以上，利用你所学的知识，在不影响刚玉质耐火材料性能的 前提下，可采用什么方法降低烧成温度？为什么？
8、请说明用TEM、XRD及BET法测试纳米材料粒度时 有什么区别，它们分别测定的是什么粒度？
9、分别举例固相法、液相法和气相法制备纳米粉体材料 的典型例子。
绪论
纳米块体(固体、膜)的制备方法是近几年发展起来的， 但至今已有的一些制备方法并不是十分理想，特别是块体 试样的制备还有待进一步改进工艺。
复习与回顾
1、1959年诺贝尔物理奖得主理查德.费曼在一次演讲中指 出， “如果我们按自己的愿望一个一个地排列原子,将会出现 什么呢?”你是如何理解其含义的？
2、你是如何理解20世纪80年代世界十大科技成果之一的 STM被认为是纳米世界的“眼睛”和“手”的？
3、碳纳米管的密度只有钢的1/6，强度却是钢的100倍，从 你所学材料学知识的角度，描述碳纳米管有何特殊的用途？
国内近三年也对SPS进行了研究，引进和订购了数台SPS系 统（武汉有一台），主要开展了SPS烧结纳米材料和陶瓷，SPS 系统作为一种材料制备新技术，引起了广泛的重视。
6.2.1 SPS烧结原理
SPS是利用放电等离子体进行烧结的。
等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除 固态、液态和气态以外，物质的第四种状态。等离子体是电离气 体，是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行 为的一种准中性气体。
目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子腐蚀方面， 在制备高纯碳化物和氮化物粉体上也有一定应用。而等离 子体的另一个很有潜力的应用领域是在陶瓷等材料的烧结 方面。
产生等离子体的方法包括加热、放电和光激励等。放 电产生的等离子体包括直流放电、射频放电和微波放电等 离子体。SPS利用的是放电等离子体。
直接落入低压压实装置，粉体在此装置经轻
度压实后，由机械手将它们送至高压原位加
压装置，压制成块状试样，压力为1~5GPa， 图6.1 惰性气体凝聚、原
温度为300—800K。
位加压装置示意图
特点
由于惰性气体蒸发冷凝形成的金属和合金纳米微粒 几乎无硬团聚体存在，因此，即使在室温下压制，也能 获得相对密度高于90％的块体，最高密度可达97％，因 此，此种制备方法的优点是：纳米微粒具有清洁的表面， 很少团聚成粗团聚体，因此块体纯度高，相对密度也较 高。