铝纳米粒子

基本粒子发现年表

-----------------------------------------------------------------------

1.1833年，法拉第（Michael Faraday,1791-1867）提出电解定律：析出的物质质量与物质的化学当量成正比，奠定基本电量的基石，测出氢离子的e/m＝9.65x104库仑/克。

2.1897年，英国的汤姆生发现电子，阴极射线管内带负电粒子的e/m＝1.76x108库仑/克。1906年诺贝尔物理奖。

3.1900年，德国人普朗克提出量子论。于1918年诺贝尔物理奖。

4.1905年，犹太人爱因斯坦发表狭义相对论，提出光子说。1921年因“光电效应”获诺贝尔物理奖。

5.1908年，伯兰经由布朗运动的观察，证实水分子的存在。

6.1908年，英国的卢瑟福，证实α粒子即氦核，1908年诺贝尔化学奖。

7.1911年，英国的卢瑟福发现原子核。

8.1911年，密立根油滴实验，测出电子的带电量为1.6x10-19库仑。1923年诺贝尔物理奖。

9.1912年苏格兰的威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson 1869-1959)发明云室(Cloud

Chamber)，当高速的原子或原子核等粒子在云室中行进时，沿其路程所生离子使水汽凝结成小水滴，呈现粒子所经的轨迹，威尔逊因此发明获1927年诺贝尔物理奖。

10.1913年，丹麦人波尔提出原子模型。1922年诺贝尔物理奖。

11.1919年，英国的卢瑟福以α粒子撞击氮核,撞出氢核即质子，发现质子。

12.1924年，法国人德布罗意(Louis Victor de Broglie1892-?)提出物质波的理论(电子的波动性质)。1929年诺贝尔物理奖。

第ｌ４卷　第４期　２００６年８月　含　能　材　料　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＮＥＲＧＥＴＩＣ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　Ｖｏ１．１４，Ｎｏ．４　Ａｕｇｕｓｔ，２００６　文章编号：１００６—９９４１（２００６）０４　０２７６—０４　粒径大小对高频感应加热制备纳米铝粉活性影响　郭连贵，宋武林，谢长生，胡木林，王建军　（华中科技大学材料学院模具技术国家重点实验室，湖北武汉４３００７４）　摘要：采用高频感应加热蒸发一冷凝法制备了２０，２５，５０　ｎｍ三种不同粒度的纳米铝粉，并运用ｘ射线衍射（ＸＲＤ）　和透射电镜（ＴＥＭ）对纳米铝粉进行表征，使用差热分析（ＤＴＡ）研究了不同粒径纳米铝粉的热学行为。结果发现，随　着纳米粒子粒径从５０　ｎｍ减小到２０　ｎｍ，纳米铝粉反应放热热焓从３．７２１　ｋＪ・ｇ　减少到０．９２８　ｋＪ・ｇ～，　即随着粒径的减小纳米铝粉的活性反而变低。认为这是由于铝纳米粒子表面氧化铝膜含量的增加，采用高频感应　加热方法制备的粒子不存在内部储能所致。因此，纳米铝粉的活性，不仅取决于粒子的尺寸大小，还取决于粒子的　制备方法，以及粒子表面包覆壳层的种类、结构、厚度等。　关键词：材料科学；纳米铝粉；粒子尺寸；活性；热学行为；储能　中图分类号：ＴＪ５５；０６３　文献标识码：Ａ　１　引　言　金属铝粉是固体火箭推进剂及火炸药中广泛采用　的金属添加剂。但目前使用的传统微米级铝粉存在很　多问题，这种铝粉在推进剂燃烧表面上先熔化再燃烧，　熔化的铝颗粒凝结成大的“集块”（尺寸达到５０～　２００　Ｉｘｍ），降低了燃速。同时，产生燃烧不完全、增加　红外信号、喷管的两相流损失和形成羽烟状的气体排　出等缺陷…。纳米结构材料因其具有小尺寸效应、表　面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，表现出许　多与传统材料不同的独特性能。利用纳米技术对已有　的含能材料（如铝粉）进行加工处理，可获得能量释放　速率高的纳米新材料（如纳米铝粉）。在固体火箭推　进剂中用纳米铝粉取代普通微米铝粉，其燃速可提高　３０多倍，当压强从常压增加到ｌ１．０３　ＭＰａ时，含纳米　铝粉的复合推进剂的压强指数为０．４３，其比冲是普通　推进剂的４００倍　。　目前国外对微米铝粉、超细铝粉（０．１～ｌ　ｍ）及　纳米铝粉（１００　ａｍ以下）热学行为及燃烧性能开展了　对比研究　。一般认为，铝纳米粒子越小，其比表面　积越大，表面能越高，化学反应活性越好，其低温反应　放热焓值越多。本文采用高频感应加热蒸发．冷凝法　收稿日期：２００５．１２．２２；修回日期：２００６－０３．２０　基金项目：国家自然科学基金（５０４７１０６１）　作者简介：郭连贵（１９７８一）．爿，在漠博士，从事核／壳结构纳米铝粉的　制备及其活性研究。ｅ—ｍａｉｌ：ｗｈｇｌｇｕｉ＠ｙａｈｏｏ．ｅｏｍ．ｅｌｌ　通讯联系人：宋武林（１９６４一），男，教授，博士生导师．从事材料激光表　面改性新技术的研究及推进剂纳米铝粉表面改性技术的研究。　ｅ・ｍａｉｌ：ｗｕｌｉｎｓ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ　制备了三种１００　ａｍ以下、不同粒径的铝纳米粒子，使　用ＤＴＡ测定其热学性能，研究粒径大小对铝纳米粒子　活性的影响规律。　２　实　验　采用高频感应加热蒸发法制备纳米铝粉，实验装　置如图ｌ所示。将：　业纯销块（９９．９９％）盛放于石墨－　氧化铝复合坩埚中，对蒸发室抽真空，并用高纯Ａｒ　（９９．９９９％）清洗多次以进一步降低真空室内杂质气　体浓度，然后充入一定压力的高纯Ａｒ。启动高频感应　电源，缓慢提升感应电流，使坩锅内的铝块熔化直至蒸　发，并保持一定的蒸发时问，最后通入少量空气进行钝　化处理。纳米锅粉颗粒大小可通过调整高频感应电流　及惰性气体压力来控制（见表１）。　－＿ｊ■■■■一●●■■■●　彝　１一高频感应器，２一收集室，３一抽真空，　４一坩锅，５＿－气体充人管　图１　高频感应加热实验装置　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　１一ｈｊｇＩｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ，　２一ｃ０ｌｌｅｃｌ０ｆ，３－－ｐｕｍｐｉｎｇ，４…ｃｒｕｃｉｂｌｅ，５一ｇａｓ　ｉｎｌｅｔ

纳米氧化铝的制备方法及应用Ξ李慧韫,张天胜,杨　南(天津科技大学材料与化学工程学院,天津300222)摘　要:纳米氧化铝是一种用途广泛的纳米材料,它的制备方法主要有固相法、液相法和气相法。文中对这3种方法分别进行叙述,并介绍了各种方法的国内外研究进展,同时对纳米氧化铝的应用领域和发展现状做了阐述。关键词:纳米氧化铝;制备;应用中图分类号:TQ133.1 文献标识码:A 文章编号:10012456X(2003)0420034204THEPREPARATIONANDAPPLICATIONOFNANOMETER2Al2O3LIHui2yun,ZHANGTian2sheng,YANGNan(CollegeofMaterialScienceandChemicalEngineering,TianjinUniversityofSci2enceandTechnology,Tianjin300222,China)Abstract:Nano2Al2O3isawidelyusednanomaterial,thepreparationmethodsmainlyincludesolidphasesynthesis,liquidphasesynthesisandgasphasesynthesis.Thispapergivesareviewofthesemethods,andintroducestheadvancements.Atthesametime,theusageandpresentsituationofnano2Al2O3powdercanbefoundinthispaper.Keywords:nano2A12O3;preparation;application 纳米粉体材料是上世纪80年代中期以后发展起来的一种新型固体材料,它由尺寸在(1～100)nm的固体颗粒组成。纳米材料由于具有良好的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,在材料、机械、化工、医药、军事等领域都有广泛的用途。 纳米氧化铝具有高硬度、高强度、耐热、耐腐蚀等特性,广泛应用于精细陶瓷、复合材料、催化剂等领域。本文综述了当前纳米氧化铝的制备和应用。1　纳米氧化铝的制备1.1　固相合成法 固相法是将铝或铝盐研磨煅烧,发生固相反应后,直接得到纳米氧化铝的方法。1.1.1　化学热解法[1] 化学热解法主要包括铵明矾热解法、碳酸铝铵热解法和喷雾热解法3种。 铵明矾热解法是用硫酸铝铵溶液与硫酸铵反应,制得铵明矾,再加热分解成纳米氧化铝。煅烧过程收集的炉气可制成硫酸铵循环使用。此法工艺简单,但生产周期长,难实现规模化。 铵明矾热解法改进后形成了碳酸铝铵热解法。目前已见报道的是将铵明矾与碳酸氢铵反应制得铵片钠铝石前驱沉淀,然后经1200℃灼烧,可制得粒径为15nm的氧化铝粉体[2]。此法不产生腐蚀性气体,但要求严格控制反应物配比,而且杂质的删除较困难。 喷雾热解法是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中,使其中的水分蒸发,金属盐发生热分解,析出固相,直接制备出纳米氧化铝陶瓷粉。1.1.2　非晶晶化法[3] 主要是使非晶态的化合物经退火处理后晶化。这种方法可生产出成分准确的纳米材料,且不需经过成型处理,由非晶态可直接制备出纳米氧化铝。这种方法生产的纳米结构材料的塑性对晶粒的粒径十分敏感。只有粒径较小时,塑性较好,否则材料变得很脆。 固相法设备工艺简单,产率高,成本低,环境污染Ξ收稿日期:2003204226　33作者简介:李慧韫(1978-),女,内蒙古人,硕士研究生。　第18卷第4期2003年12月天津轻工业学院学报JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYOFLIGHTINDUSTRYVol.18　No.4Dec.　2003小,但产品粒度分布不均,易团聚。1.2　液相法 液相法是目前合成纳米粒子最常用的方法。与固相法相比,它的优点体现在[4]: (1)可精确控制化学组成; (2)易添加微量有效成分,制成多种成分的均一微粉体; (3)超细微粒表面活性好; (4)形状粒径易控制; (5)工业化生产成本低。 不过,液相法容易引入杂质,产品纯度稍差。近年来,通过引入超声、微波、共沸蒸馏等技术,使传统液相法有了新的发展,产量和质量都有所提高。液相法制备纳米氧化铝主要有以下几种方法。1.2.1　溶胶—凝胶法[5] 该法在氧化物纳米粉制备中应用较多。其化学过程是将原料经水解反应生成活性单体,再聚合成溶胶,进而生成具有一定结构的凝胶,最后经干燥和热处理得纳米粒子。整个反应是: 分子态→聚合体→溶胶→凝胶→晶态(或非晶态)的过程。 余忠清等[6]用乙醇铝为原料,与烷烃配成溶液,制得粒径为40nm和100nm的γ2A12O3球形粉末。FeldeB等[7]以异丁醇铝为前驱体,加入乙酰丙酮和硝酸铵,制得50nm的α2Al2O3粒子。李海波等[8]也通过该法制出Al(OH)3干凝胶,在700℃,1000℃,1400℃煅烧分别得到10nm以下,15nm和10nm以上的氧化铝陶瓷粉。 另外,近年来对无机盐做起始原料制备纳米氧化铝粒子的工艺也有了一定的研究。W.M.Zeng[9]以AlCl3・6H2O为原料,制成γ2Al2O3和30nm的α2Al2O3。H.Wang[10]在A1(NO3)3溶液中加入丙烯酰胺单体、N,N—亚甲基丙烯酰胺,制得10nm的α2Al2O3粉体。 溶胶—凝胶法和其它方法相结合也为纳米氧化铝的制备开辟了新途径。比如,彭天佑等[11]以Al(NO3)和(NH4)2CO3采用溶胶———凝胶法结合异相共沸蒸馏技术对氧化铝凝胶脱水,有效防止了硬团聚,制成粒径为68nm的单分散球形氧化铝粉体。并以XRD,TEM,DTA,TG,BET等手段监测整个工艺过程,初步确定了制备超细氧化铝粉体的工艺条件。 溶胶—凝胶法反应温度低,产品晶型、粒度可控,且粒子均匀度高,纯度高,反应过程易于控制,副反应少,但产品团聚问题显著,且以有机物为原料时毒性大,价格高,实现工业化生产还有一定困难。1.2.2　液相沉淀法[4,5] 液相沉淀法是在溶液状态下,通过化学反应使原料中的有效成分生成沉淀,再经过滤、洗涤、干燥、热分解制备纳米粒子。它包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。 直接沉淀法是通过沉淀反应从溶液中制备纳米粒子。共沉淀法是把沉淀剂加入到混合后的金属盐溶液中,使各组份混合沉淀,再经加热分解得到超微粒子。均匀沉淀法是以易缓慢水解的物质为沉淀剂,利用水解速率控制粒子生长速度从而得到纳米粒子的方法。它可减少团聚,产品粒度均匀,粒径分布窄,纯度高。Gu.YanFang[12]以Al(NH4)(CO3)2和(NH4)2CO3为原料,利用直接沉淀法制得粒径为90nm,纯度为99.98%的氧化铝粉末。周曦亚[3]用均匀沉淀法,以硝酸铝和脲为原料,制得40nm以下的γ2Al2O3。章跃[13]通过此法以NH4Al(SO4)2・12H2O和NH4HCO3为原料制得平均粒径小于25nm的氧化铝粉末。 沉淀法操作简单,工艺流程短,成本低,但反应易受溶液组分、浓度、温度、时间等的控制,不易形成分散粒子。但近年来,通过引入冷冻干燥、共沸干燥、超临界干燥等工艺,有效解决了硬团聚问题,能制得质量较高的纳米粒子。1.2.3　反胶团微乳法[5] 该法是使互不相溶的两种溶液中的一种以微小液滴的形式(水相)分散于另一相中(油相)形成微乳液(W/O型),用水相作为氧化物或氢氧化物生成的微反应器,发生沉淀反应,再经洗涤、干燥、煅烧得到纳米氧化铝粉体。法国的E.Ponthieu[14]利用硝酸铝、二甲苯(或环已烷、癸烷等)及表面活性剂组成的微乳体系,制得(40～50)nm的氧化铝粒子。甘礼华等[15]也用此法制得了粒径为9nm的γ2Al2O3。 反胶团微乳法操作简单,可以通过改变原料组分的方式控制粒径,而且粒径分布窄,制出的均匀多相无机化合物粉末对功能陶瓷材料的生产有重要意义。但产品粒子过细,提高了后续分离过程的难度。1.2.4　溶剂蒸发法[16] 该法先将金属盐溶液制成微小液滴,将溶剂快速蒸发,溶质析出得纳米粒子。溶剂蒸发法又包括直接干燥法、喷雾干燥法及冷冻干燥法、超临界干燥法等。其中直接以干燥法效率酸低,质量差,应用受到了限制;喷雾干燥法以硝酸铝、碳酸铝铵为原料,操作简单,但硝酸铝分解放出氮氧化物,可能会污染环境;冷冻干燥法产品均匀性好,但成本高;超临界流体干燥技・53・　2003年12月 李慧韫,等:纳米氧化铝的制备方法及应用术[17]以硝酸铝为原料,在无机盐—有机溶剂体系制得的氧化铝粒径小(纤维相长轴100nm,短轴5nm),孔径大,密度低,表面能高,产品应用潜力巨大。1.2.5　醇盐水解法[18] 将醇铝在酸性溶剂中水解,产生凝胶,经过滤、洗涤、加热分解制得氧化铝纳米粉体。唐芳琼等[19]以经超声分散后的异丙醇铝溶液水解,在不同条件下,获得了粒径为(20～100)nm的氧化铝粉体。陈肖虎[20]也以AlCl3与无水乙醇或异丙醇反应,在通NH3的条件下,水解生成(0.025～0.15)μm的氧化铝。 此法条件温和,产品纯度高,粒度均匀,但原料成本较高。1.2.6　相转移分离法[3] 该法是利用阴离子表面活性剂将铝盐与氢氧化钠作用生成的氢氧化铝胶体转移到油相中,然后脱水,再将溶剂减压除去,溶质经煅烧得氧化铝纳米粒子。方佑龄[21]用AlCl3・6H2O加阴离子表面活性剂制得5nm的γ2Al2O3和128nm的α2Al2O3。这种粒子在许多有机溶剂及合成树脂中易分散呈透明状态。周恩绚等[22]用硫酸铝铵溶液与碳酸氢铵溶液作用制得(20～30)nm的α2Al2O3。该工艺中溶胶的浓缩过程不需离心沉降,而且操作简单,易于工业化生产。1.2.7　水热法[5] 这是近几年发展起来的一种方法。以水溶液为反应体系,采用高温高压将体系加热至临界温度,加速离子反应和促进水解反应,在水溶液或蒸汽流中制备氧化物,再经分离和热处理得纳米粒子。以一水软胶体为前驱物,加入添加剂和晶种,已制得纳米Al2O3粒子[23]。1.3　气相合成法1.3.1　化学气相沉积法[1] 该法是使AlCl3溶液在远离热力学的临界反应温度下,形成过饱和蒸汽压,与氧气反应,生成氧化铝,并自动聚成晶核;晶核在加热区不断长大,聚集成颗粒;随着气流进入低温区,颗粒长大,聚集,晶化停止,最终收集到纳米氧化铝粉体。1.3.2　激光诱导气相沉积法 该法主要利用激光照射铝靶,使之融化产生Al2O3蒸汽,冷却得到纳米Al2O3。麻省理工学院及OestreichC等[5]用此法制成了氧化铝球形粒子。 该法具有清洁表面,无粘结,粒度分布均匀、可精确控制等优点,产物粒径可从几纳米到几十纳米。1.3.3　等离子气相合成法[1] 等离子气相合成法可分为直流电弧等离子体法、高频等离子体法和复合等离子体法等。直流电弧等离子体法利用电弧间产生高温,在反应气体等离子化的同时,电极熔化或蒸发;高频等离子体法能量利用率低,产物稳定性差;复合等离子体法不需电极,产物纯度、生产效率、系统稳定性都较高。该法已成功生产出粒径为50nm的γ2Al2O3和(20～40)nmδ2Al2O3。 气相法产品团聚少,分散性好,粒径小,分布窄,但产率低,粉末不易收集。2　纳米氧化铝的应用[3,4,24]2.1　陶瓷材料 将纳米氧化铝添加到陶瓷中,可以改善陶瓷材料的多种性质。例如[25],添加到粗晶粉体中,可以提高氧化铝的致密度和耐冷热疲劳性能;英国将其与二氧化锆混合,烧结温度降低100℃,在常规85瓷、95瓷中添加纳米氧化铝,强度和韧性均提高50%以上。在微米氧化铝粉体中加入40%的纳米γ2Al2O3[26],素坯相对密度达80%,烧结后接近于完全致密,而且烧结温度也有所降低。在其它陶瓷基体中,加入少量的亚微米或纳米Al2O3材料后力学性能可成倍提高,其中以SiC2Al2O3纳米复合材料最为显著,抗弯强度从(300～400)MPa提高到1GPa,经热处理可达1.5GPa,断裂韧性也提高了40%以上。2.2　复合材料 Al2O3可作为结构材料的弥散相,增强基体材料的强度。例如我国在制备铝合金时,加入纳米氧化铝粒子,使铝的强度得到很大改善。 同时Al2O3作为复合材料,在人体正常生理条件下不腐蚀,与机体组织的结构相容性较好,且强度高,摩擦系数小,磨损率低,因而在医学中有广泛的应用,可制成承力的人工骨、关节修复体、牙根种植体、折骨夹板与内固定器件等;还可用于颌面骨缺损重建、五官矫形与修复及牙齿美容等方面。2.3　表面防护层材料 将纳米氧化铝粒子喷涂在金属陶瓷、塑料、玻璃、漆料及硬质合金的表面上,可提高表面强度、耐磨性和耐腐蚀性,且有防污、防尘、防水等功能。因此,可用于机械、刀具、化工管道等表面防护。在发达国家,涂层刀具已占总量的80%以上,它们的硬度比一般刀具提高十几倍。2.4　光学材料 Al2O3可烧结成透明陶瓷,作为高压钠灯管的材料;可用作紧凑型荧光灯中荧光粉层的保护涂膜;还可・63・天津轻工业学院学报　第18卷　第4期

共沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体及其性能表征

摘 要

掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)透明陶瓷因其优异的光学性能和制备工艺方面的优势而成为极具潜力的激光材料,合成烧结性能良好的Nd:YAG纳米粉体为制备其的关键因素。本文研究了共沉淀法制备Nd:YAG透明陶瓷的前期原料粉体的工艺,并对Nd:YAG纳米粉体的性能进行了探讨。利用DX-2700X型X射线衍射仪（XRD）、RF-5301PC型荧光分光光度计、扫描电子显微镜等测试手段分析了产物的结构和形貌。得到了适合制备Nd:YAG透明激光陶瓷的原料粉体,并确定了共沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体的最佳条件。

关键词：透明激光陶瓷 Nd:YAG纳米粉体 共沉淀法 荧光性质

目 录

论文总页数：16页

1 引言............................................................................................................................................. 2

2 国内外对三氧化钼纳米颗粒的研究进展 ............................................... 错误！未定义书签。

2.1 纳米MOO3的基本性质 ..................................................................... 错误！未定义书签。

2.2 纳米材料的特性及纳米MOO3颗粒的研究 ..................................... 错误！未定义书签。

2.2.1 纳米材料的特性 ......................................................................... 错误！未定义书签。