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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 纳米粉体的制备(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul  9 08:58:36 2003)

　 材料的开发与应用在人类社会进步上起了极为关键的作用。人类文明史上的石器时代

、铜器朝代、铁器时代的划分就是以所用材料命名的。材料与能源、信息为当代技术的

三大支柱，而且信息与能源技术的发展也离不一材料技术的支持。江泽民主席在接见青

年材料科学家时指出：“材料是人类文明的物质基础”，又一次强调了材料研究的重要

性。

　　纳米材料指的是颗粒尺寸为1～100nm的粒子组成的新型材料。由于它的尺寸小、比

表面大及量子尺寸效应，使之具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、

催化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。

　　早在1861年，随着胶体化学的建立，科学家就开始对直径为1～100nm的粒子的体系

进行研究。真正有意识地研究纳米粒子可追溯到30年代的日本，当时为了军事需要而开

展了“沉烟试验”，但受到实验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成世界上第一批超

微铅粉，但光吸收性能很不稳定。直到本世纪60年代人们才开始对分立的纳米粒子进行

研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒，对其形貌和晶体结构进行了

电镜和电子衍射研究。1984年，德国的H. Gleiter等人将气体蒸发冷凝获得的纳米铁粒

子[1]，在真空下原位压制成纳米固体材料，使纳米材料研究成为材料科学中的热点。

　　国际上发达国家对这一新的纳米材料研究领域极为重视，日本的纳米材料的研究经

历了二个七年计划，已形成二个纳米材料研究制备中心。德国也在Ausburg建立了纳米材

料制备中心，发展纳米复合材料和金属氧化物纳米材料。1992年，美国将纳米材料列入

“先进材料与加工总统计划”，将用于此项目的研究经费增加10％，增加资金1.63亿美

元。美国Illinois大学和纳米技术公司建立了纳米材料制备基地。

　　我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方面取得了国际水平的创新

成果，已形成一些具有物色的研究集体和研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席

之地。在纳米制备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快。

1. 化学制备法

1.1 化学沉淀法

　　　沉淀法主要包括共沉淀法、均匀沉淀法、多元醇为介质的沉淀法、沉淀转化化、

直接沉淀法[2]等。

1.11共沉淀法

　　在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，使金属离子完全沉淀的方法称为共沉淀法

。共沉淀法可制备BaTiO3[3-5]、PbTiO3[6]等PZT系电子陶瓷及ZrO2[7,8]等粉体。以CrO

2为晶种的草酸沉淀法，制备了La、Ca、Co、Cr掺杂氧化物[9]及掺杂BaTiO3等。以Ni(NO

3)2·6H2O溶液为原料、乙二胺为络合剂，NaOH为沉淀剂，制得Ni(OH)2超微粉，经热处

理后得到NiO超微粉[10]。

　　与传统的固相反应法相比，共沉淀法可避免引入对材料性能不利的有害杂质[11]，

生成的粉末具有较高的化学均匀性，粒度较细，颗粒尺寸分布较窄且具有一定形貌。

1.12均匀沉淀法

　　在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质，使溶液中的沉淀均匀出现，称为均匀

沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。

　　本法多数在金属盐溶液中采用尿素热分解生成沉淀剂NH4OH，促使沉淀均匀生成。制

备的粉体有Al、Zr、Fe、Sn的氢氧化物[12-17]及Nd2(CO3)3[18,19]等。

1.13多元醇沉淀法

　　许多无机化合物可溶于多元醇，由于多元醇具有较高的沸点，可大于100°C，因此

可用高温强制水解反应制备纳米颗粒[20]。例如Zn(HAC)2·2H2O溶于一缩二乙醇(DEG)，

于100-220°C 下强制水解可制得单分散球形ZnO纳米粒子。又如使酸化的FeCl3---乙二

醇---水体系强制水解可制得均匀的Fe(III)氧化物胶粒[21]。

1.14沉淀转化法

　　本法依据化合物之间溶解度的不同，通过改变沉淀转化剂的浓度、转化温度以及表

面活性剂来控制颗粒生长和防止颗粒团聚。例如：以Cu(NO3)2·3H2O、Ni(NO3)2·6H2O

为原料，分别以Na2CO3、NaC2O4为沉淀剂，加入一定量表面活性剂，加热搅拌，分别以N

aC2O3、NaOH为沉淀转化剂，可制得CuO、Ni(OH)2、NiO超细粉末[22]。

　　该法工艺流程短，操作简便，但制备的化合物仅局限于少数金属氧化物和氢氧化物[

23]。

1.2化学还原法

1.21水溶液还原法

　　采用水合肼、葡萄糖、硼氢化钠(钾)等还原剂，在水溶液中制备超细金属粉末或非

晶合金粉末，并利用高分子保护PVP(剂聚乙烯基吡咯烷酮)阻止颗炷团聚及减小晶粒尺寸

[24-26]。用水溶液还原法以KBH4作还原剂制得Fe-Co-B(10-100nm)[27]、Fe-B(400nm)、

Ni-P非晶合金[28-32]。

　　溶液还原法优点是获得的粒子分散性好，颗粒形状基本呈球形，过程也可控制。

1.22多元醇还原法

　　最近，多元醇还原法已被发展于合成细的金属粒子Cu[33]、Ni、Co[34]、Pd、Ag[35

-37]。该工艺主要利用金属盐可溶于或悬浮于乙二醇(EG)、一缩二乙二醇(DEG)等醇中，

当加热到醇的沸点时，与多元醇发生还原反应，生成金属沉淀物，通过控制反应温度或

引入外界成核剂，可得到纳米级粒子。

　　以HAuCl4为原料，PVP(聚乙烯基吡咯烷酮)为高分子保护剂，制得单分散球形Au粉。

如将Co(CH3COO)2·4H2O、Cu(CH3COO)2·H2O溶于或悬浮于定量乙二醇中，于180-190°C

下回流2小时，可得CoxCu100-x(x=4-49)高矫顽力磁性微粉，在高密度磁性记录上具有潜

在的应用前景。

1.23气相还原法

　　本法也是制备微粉的常用方法。例如，用15%H2-85%Ar还原金属复合氧化物制备出粒

径小于35nm的CuRh，g-Ni0.33Fe0.66[38]等。

1.24碳热还原法

　　碳热还原法的基本原理是以炭黑、SiO2为原料，在高温炉内氮气保护下，进行碳热

还原反应获得微粉，通过控制其工艺条件可获得不同产物。目前研究较多的是Si3N4、Si

C粉体及SiC- Si3N4复合粉体的制备[39-41]。

1.3溶胶－凝胶法

　　溶胶－凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备[1,42]。前驱物用金属醇盐或

非醇盐均可。方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材

料热处理后制得所需纳米粒子。例如，Culliver等[43]用醇盐水解制备了平均粒径2-3nm

的SnO2粒子。

　　在制备氧化物时，复合醇盐常被用作前驱物。在Ti或其它醇盐的乙醇溶液中[44-46]

，以醇盐或其它盐引入第二种金属离子(如Ba、Pb、Al)，可制得复合氧化物，如粒径小

于15nm的BaTiO3[47-51]，粒径小于100nm的PbTiO3[52]、粒径在80-300nm的AlTiO5[53]

。La1-xSrxFeO3复合氧化物纳米晶系列[54-57]也被合成出来。

　　溶胶－凝胶法可以大大降低合成温度。制(BaPb)TiO3用固相反应需1000°C左右，易

使组分Pb挥发。用溶胶－凝胶技术温度较低[58]，粉末表面积为50m2/g，粒径尺寸控制

在纳米级。

　　用无机盐作原料，价格相对便宜。如以硅溶胶和炭黑为原料合成高纯b?SiC粉末，降

低了反应温度，产物粒径在100－200nm[59]，比以Si(OC2H5)4、C6H5Si(OC2H5)3为原料

制备的SiC粉末成本低[60]。以SnCl4·5H2O水解制备出粒径为2-3nm SnO2粉体[61]。

1.4水热法

　　水热法[62]是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通

常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点，一是其相对

低的温度，二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。水热条件下粉体的制备有水热结

晶法、水热合成法、水热分解法、水热脱水法、水热氧化法、水热还原法等。近年来还

发展出电化学热法以及微波水热合成法。前者将水热法与电场相结合，而后者用微波加

热水热反应体系。与一般湿化学法相比较，水热法可直接得到分散且结晶良好的粉体，

不需作高温灼烧处理，避免了可能形成的粉体硬团聚。以ZrOCl2·8H2O和YCl3作为反应

前驱物制备6nm ZrO2粒子[63]。用金属Sn粉溶于HNO3形成a- H2SnO3溶胶，水热处理制得

分散均匀的5nm四方相SnO2[64-66]。以SnCl4·5H2O前驱物水热合成出2-6 SnO2粒子。

　　水热过程中通过实验条件的调节控制纳米颗粒的晶体结构、结晶形态与晶粒纯度。

利用金属Ti粉能溶解于H2O2的碱性溶液生成Ti的过氧化物溶剂(TiO42-)的性质，在不同

的介质中进行水热处理，制备出不同晶型、九种形状的TiO2纳米粉[67,68]。

　　以FeCl3为原料，加入适量金属粉，进行水热还原，分别用尿素和氨水作沉淀剂，水

热制备出80＊160nm棒状Fe3O4和80nm板状Fe3O4[69]，类似的反应制备出30nm球状NiFe2O

4及30nm ZnFe2O4纳米粉末[70,71]。

　　在水中稳定的化合物和金属也能用此技术制备。用水热法制备6nmZnS[72,73]。水热

晶化有仅能提高产物的晶化程度，而且有效地防止纳米硫化物的氧化。

1.5溶剂热合成法

　　用有机溶剂代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。非水溶剂代替

水，不仅扩大了水热技术的应用范围，而且能够实现通常条件下无法实现的反应，包括

制备具有亚稳态结构的材料[74]。

　　Masashi Inoue等报道了250°C下乙二醇体系中，对勃姆石进行加压脱水制得a-Al2O

3微粉[75]。

　　苯由于其稳定的共轭结构，是溶剂热合成的优良溶剂，最近成功地发展成苯热合成

技术，首先用来制备成30nmGaN[76]。具体反应是GaCl3+Li3N?GaN+3LiCl。纳米GaN除了

大部分的六方相外，还含有少量的岩盐型GaN，可见溶剂加压热合成技术可以在相对低的

温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的、在超高压下才能存在的亚稳相。并

用高分辨电镜对GaN进行了物相分析[77]。

　　聚醚类溶剂是制备纳米InP的优选溶剂，在聚醚体系中于160°C制备出纳米InP材料[

78,79]。IIIA族卤化物由于IIIA族金属离子的Lewis酸性一般是以二聚体形式存在，能够

打开这些卤化物的二聚体结构，形成离子配合物，这样可使得尺寸控制在10nm左右。

1.6热分解法

　　在间硝基苯甲酸稀土配合物的热分解中，由于含有NO2基团，其分解反应极为迅速，

使产物粒子来不及长大，得到纳米微粉[80]。

　　在低于200°C的情况下，硝酸盐分解制备10nm的Fe2O3，碳酸盐分解制备14nm的ZrO2

。BH-4还原Ti4+然后使产物Ti(BH4)2热分解已被广泛用制备各种金属硼化物，如NaBH4和

TiCl4还原制备TiB2纳米颗粒[81]。前驱物Ti(BH4)粒子分解形成无定形TiB2，经900°C-

1100°C烧结，最终产物TiB2粒径为100nm。与碳热还原Ti醇盐制备TiB2的方法相比较，

它具有更小的粒子尺寸。由于只使用普通反应体系和简单设备，它更易于进行规模生产

。

1.7微乳液法

　　微乳液通常是有表面活性剂、助表面活性剂(通常为醇类)、油类(通常为碳氢化合物

)组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。微乳液中，微小的“水池”为表面活性剂

和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒，其大小在几至几十个纳米间，这

些微小的“水池”彼此分离，就是“微反应器”。它拥有很大的界面，有利于化学反应[

82,83]。这显然是制备纳米材料的又一有效技术。

　　与其它化学法相比，微乳法制备的粒子不易聚结，大小可控，分散性好。运用微乳

法制备的纳米微粒主要有以下几类：(1)金属，如Pt，Pd，Rh，Ir[84]Au,Ag,Cu等[83]；

(2)硫化物CdS，PbS，CuS等；(3)Ni, Co, Fe等与B的化合物[85]；(4)氯化物AgCl，AuCl

3等[86,87]；(5)碱土金属碳酸盐，如CaCO3[88]，BaCO3，SrCO3[89]；(6)氧化物Eu2O3[

90]，Fe2O3，Bi2O3[91]及氢氧化物Al(OH3)[92-95]等。

1.8高温燃烧合成法

　　利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应，体系局部发生反应形成化学反应前

沿(燃烧波)，化学反应在自身放出热量的支持下快速进行，燃烧波蔓延整个体系。反应

热使前驱物快速分解，导致大量气体放出，避免了前驱物因熔融而粘连，减小了产物的

粒径。体系在瞬间达到几千度的高温，可使挥发性杂质蒸发除去。例如，以硝酸盐和有

机燃料经氧化还原反应制备Y掺杂的10nmZrO2粒子[96]，采用柠檬酸盐/醋酸盐/硝酸盐体

系，所形成的凝胶在加热过程中经历自点燃过程，得到超微La0.84Sr0.16MnO3粒子[97]

。在合成氮化物、氢化物时，反应物为固态金属和气态N2、H2等，反应气渗透到金属压

坯空隙中进行反应。如采用钛粉坯在N2中燃烧，获得的高温来点燃镁粉坯合成出Mg3N2[9

8]。

1.9模板合成法

　　利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成。结构基质为多孔玻璃、分子筛、大

孔离子交换树脂等。例如将纳米微粒置于分子筛的笼中，可以得到尺寸均匀，在空间具

有周期性构型的纳米材料。Herron[99]等Na-Y将型沸石与Cd(NO3)溶液混合，离子交换后

形成Cd-Y型沸石，经干燥后与N2S气体反应，在分子筛八面体沸石笼中生成CdS超微粒子

。南京大学采用气体输运将C60引入13X分子筛与水滑石分子层间[100,101]，并可以将Ni

置换到Y型沸石中去，观察到C60Y光致光谱由于Ni的掺入而产生蓝移现象。

1.10电解法

　　此法包括水溶液电解和熔盐电解两种。用此法可制得很多用通常方法不能制备或难

以制备的金属超微粉，尤其是负电性很大的金属粉末。还可制备氧化物超微粉。采用加

有机溶剂于电解液中的滚筒阴极电解法，制备出金属超微粉。滚筒置于两液相交界处，

跨于两液相之中。当滚筒在水溶液中时，金属在其上面析出，而转动到有机液中时，金

属析出停止，而且已析出之金属被有机溶液涂覆。当再转动到水溶液中时，又有金属析

出，但此次析出之金属与上次析出之金属间因有机膜阻隔而不能联结在一起，仅以超微

粉体形式析出。用这种方法得到的粉末纯度高，粒径细，而且成本低，适于扩大和工业

生产。

2.化学物理合成法

2.1喷雾法

　　喷雾法是将溶液通过各种物理手段雾化，再经物理、化学途径而转变为超细微粒子

。

2.11喷雾干燥法

　　将金属盐溶液送入雾化器，由喷嘴高速喷入干燥室获得金属盐的微粒，收集后焙烧

成超微粒子，如铁氧体的超微粒子可采用此种方法制备。

2.12喷雾热解法

　　金属盐溶液经压缩空气由贲嘴喷出而雾化，喷雾后生成的液滴大小随着喷嘴而改变

，液滴受热分解生成超微粒子。例如，将Mg(NO3)2- Al(NO3)3水溶液与甲醇混合喷雾热

解(T=800°C)合成镁铝尖晶石，产物粒径为几十纳米。

　　等离子喷雾热解工艺是将相应溶液喷成雾状送入等离子体尾焰中，热解生成超细粉

末。等离子体喷雾热解法制得的二氧化锆超细粉末分为两级：平均尺寸为20－50nm的颗

粒及平均尺寸为1mm的球状颗粒。

2.13喷雾水解法

　　在反应室中醇盐气溶胶化，气溶胶由单分散液滴构成。气溶胶与水蒸汽进行水解，

以合成单分散性微粉。例如，铝醇盐的蒸气通过分散在载气中的AgCl核后冷却，生成以A

l2O3为核的Al的丁醇盐气溶胶，水解为单分散Al(OH)3微粒，将其焙烧后得到Al2O3超微

颗粒。

2.2化学气相沉淀法

　　一种或数种反应气体通过热、激光、等离子体等而发生化学反应析出超微粉的方法

，叫做化学气相沉积法。由于气相中的粒子成核及生长的空间增大，制得的产物粒子细

，形貌均一，交具有良好的单分散度，而制备常常在封闭容器中进行，保证了粒子具有

更高的纯度。
CVD技术更多的应用于陶瓷超微粉的制备，如AlN[102]，SiN[103]，SiC，其中源材料为

气体或易于气化，沸点低的金属化合物。在AlN超细粉末的合成中，在700-1000°C下，

以无水AlCl3和NH3作为源物质，用CVD技术得到高纯AlN超细粉末。

　　利用CVD技术在1300°C 以上制备SiC纳米粉末[104-106]。采用(CH3)2SiCl-NH3-H2

体系制备出SiC/Si3N4纳米粉体[107]。以CH4和C2H4气体为原料，在饱和蒸气中合成SiC

超细粉末[108]。

　　　1981年美国MIT报道了[109]用激光气相法制备超微粒子。当反应物的吸收与激光

某一波长相近或重合时，反应物最有效地吸收光子产生可控气相反应，瞬时(10-3s)完成

成核、长大和终止过程。在反应过程中，可以采用光敏剂(SH6 ,C2H4)作能量传递，以促

使反应气体的分解[110]。由于激光加热只限于一个微小的空间，反应气体在此区域内经

历快速升温，分解反应，快速冷却，可生成非晶、多晶超微粉末。例如纳米级SiC粉末[1

11]、70 nmSi3N4纳米粉末、2-10nm的g- Fe2 O3粒子[112]、6-200nm的球形单分散TiO2

粉末[113]。

　　等离子体作为CVD的热源时，按其产生方式分为直流等离子体(D. C. Plasma)和射频

等离子体(R. F. Plasma)。作为理想高温热源，利用等离子体内的高能电子激活反应气

体分子使之离解或电离，获得离子和大量活性基团，在收集体表面进行化学反应，形成

纳米固体。

　　等离子体具有气氛可变、温度易控的优异特点，选用不同的成流气体，形成氧化、

还原或惰性气氛以制备各种氧化物、碳化物或氮化物纳米粒子。由于反应物利用率高、

产率大，而使其应用范围拓宽[114]。

　　物料可采用固相、气相和液相的进料方式。制备SiC纳米粉[115]，主要有下面几种

反应：

固－固反应 Si(s)+C(s)→SiC(s) (1)
固－气反应 SiO2(s)+CH4(g)→SiC(s)+2H2O (2)
　　　　　 Si(s)+CH4(g)→SiC(s)+2H2(g) (3)

　　以(2)的方法制备出b-SiC粒子[116]，粒径在2-40nm之间。以(3)的方式制备出20-40

nm的b-SiC粒子[117]。

2.3爆炸反应法

　　本法是在高强度密封容器中发生爆炸反应而生成产物纳米微粉。例如，用爆炸反应

法制备出5-10nm金刚石微粉[118,119]，方法是密封容吕中装入炸药后抽真空，然后充入

CO2气体，以避免爆炸过程中被氧化，并注入一定量水作为冷却剂，以增大爆炸产物的降

温速率，减少单质碳生成石墨和无定形碳，提高金刚石的产率。

2.4冷冻－干燥法

　　冷冻干燥法将金属盐的溶液雾化成微小液滴，快速冻结为粉体。加入冷却剂使其中

的水升华气化，再焙烧合成超微粒。在冻结过程中，为了防止溶解于溶液中的盐发生分

离，最好尽可能把溶液变为细小液滴[120]。常见的冷冻剂有乙烷、液氮。借助于干冰－

丙酮的冷却使乙烷维持在-77°C的低温，而液氮能直接冷却到-196°C，但是用乙烷的效

果较好。干燥过程中，冻结的液滴受热，使水快速升华，同时采用凝结器捕获升华的水

，使装置中的水蒸气降压，提高干燥效果。为了提高冻结干燥效率，盐的浓度很重要，

过高或过低均有不利影响。

　　将Ba和Ti硝酸盐混液进行冷却干燥，所得到的高反应活性前驱物在600°C温度下焙

烧10分钟制得10-15nm的均匀BaTiO3纳米粒子[121]。

2.5反应性球磨法

　　反应性球磨法克服了气相冷凝法制粉效率低、产量小而成本高的局限。一定粒度的

反应粉末(或反应气体)以一定的配比置于球磨机中高能粉磨，同时保持研磨体与粉末的

重量比和研磨体球径比并通入氩气保护。例如固体所采用球磨法制备出纳米合金WSi2、M

oSi[122]等。

　　反应性机械球磨法应用于金属氮化物合金的制备。室温下将金属粉在氮气流中球磨

，制得Fe-N[123]、TiN[124]和AlTa[125]纳米粒子。

　　室温下镍粉在提纯后的氮气流中进行球磨，制备出fcc的NiN介稳合金粉末[126]。晶

粒尺寸为5nm。

　　作为反应球磨法的另一种应用，在球磨过程中进行还原反应，如用Ca、Mg等强还原

性物质还原金属氧化物和卤化物以实现提纯，如下式所示：

2TaCl5+5Mg→2Ta+5MgCl2

　　经球磨后，反应物紧密混合，在球磨过程中研磨体与反应物间的碰撞产生的热量使

温度至反应物的燃烧温度后，瞬间燃烧形成Ta颗粒[127]，粒径在50-200nm。

2.5超临界流体干燥法

　　超临界干燥技术是使被除去的液体处在临界状态，在除去溶剂过程中气液两相不在

共存，从而消除表面张力及毛细管作为力防止凝胶的结构塌陷和凝聚，得到具有大孔、

高表面积的超细氧化物[127]。制备过程中，达到临界状态可通过两种途径，一般是在高

压釜中温度和压力同时增加到临界点以上；也有先把压力升到临界压力以上，然后升温

并在升温过程中不断放出溶剂，保持所需的压力。例如，发展了超临界干燥法制备纳米S

iO2、Al2O3气凝胶。

　　各种溶剂作超临界流体抽提干燥剂时，极性溶剂比非极性溶剂抽提效果好。在乙醇

、甲醇、异丙醇和苯溶剂的比较中，甲醇最好，制得4-5nm SnO2粒子[128-131]。

2.6g射线辐照还原法

　　文献报道对无机盐水溶液的辐射化学研究主要集中于低浓度(约10-4M)溶液中用脉冲

辐射技术产生的金属轩簇的胶体。其基本原理为：

H2O γ-Ray H2 ,H2 ,O2 ,H,OH2 e-aq,H2 O+,H2 O*,H2 HO2

　　其中的H和 e-aq活性粒子是还原性的， e-aq的还原电位为-2.77eV，具有很强的还

原能力，加入异丙醇等清除氧化性自由基OH。水溶液中的 e-aq可逐步把溶液中的金属离

子在室温下还原为金属原子或低价金属离子。新生成的金属原子聚集成核，生长成纳米

颗粒，从溶液中沉淀出来。如制备贵金属Ag(8nm)[128]，Cu(16nm)[129]，Pb(10nm)，Pt

(5nm), Au(10nm)等及合金Ag-Cu，AuCu[130]纳米粉，活泼金属纳米粉末Ni(10nm)[131]

，Co(22nm)，Cd(20nm)[132]，Sn(25nm)[133]，Pb(45nm), Bi(10nm), Sb(8nm)和In(12n

m)[134]等，还制备出非金属如Se[135]、As和Te[136]等纳米微粉。用g射线辐照法制备

出14nm氧化亚铜粉末[137]。8nmMnO2和12nmMn2O2[138]。纳米非晶Cr2O3微粉。

　　将g射线辐照与sol-gel过程相结合[139,140]成功地制备出纳米Ag-非晶SiO2及纳米A

g/TiO2材料[141]。

　　最近用g射线辐照技术成功地制成一系列金属硫化物，如CdS, ZnS等纳米微粉。

2.7微波辐照法

　　利用微波照射含有极性分子(如水分子)的电介质，由于水的偶极子随电场正负方向

的变化而振动，转变为热而起到内部加热作用，从而使体系的温度迅速升高。微波加热

既快又均匀，有利于匀分散粒子的形成。

　　将Si粉、C粉在丙酮中混合，采用微波炉加热，产物成核与生长过程均匀进行，使反

应以很短的时间(4-5分钟)、在相对低的温度(<1250K)得到高纯的b-SiC相[124]。在PH=7

.5的CoSO4+ NaH2pO4+ CO(NH2)2体系中，微波辐照反应均匀进行，各处的PH值同步增加

，发生“突然成核”，然后粒子均匀成长为均分散胶粒，得到100左右的Co3(PO4)2粒子[

143]。
在FeCl3+ CO(NH2)2+H2O体系中，微波加热在极短时间内提供给Fe3+水解足够的能量，加

速Fe3水解从而在溶液中均匀的突发成核，制备b-FeO(OH)超微粒子[144]。在一定的浓度

范围内，FeO(OH)继续水解，得到亚微米a- Fe2O3粒子[145]。微波加热将Bi3+迅速水解

产生晶核，得到均分散的80nmBiPO4·5H2O粒子。

　　微波水热法通过控制体系中PH值、温度、压力以及反应物浓度，可以制备出二元及

多元氧化物。微波加速了反应过程，并使最终产物出现新相，如在Ba(NO3)2+Sr(NO3)2+T

iCl3+KOH体系中合成出100nm的Ba0.5Sr0.5TiO3粒子。

2.8紫外红外光辐照分解法

　　用紫外光作辐射源辐照适当的前驱体溶液，也可制备纳米微粉。例如，用紫外辐照

含有Ag2Pb(C2O4)2和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的水溶液，制备出Ag-Pd合金微粉。用紫外光

辐照含Ag2Rh(C2O4)2、PVP、NaBH4的水溶液制备出Ag-Rh合金微粉[146]。

　　利用红外光作为热源，照射可吸收红外光的前驱体，如金属羰基络全物溶液，使得

金属羰基分子团之间的键打破，从而使金属原子缓慢地聚集成核、长大以至形成非晶态

纳米颗粒。在热解过程中充入惰性气体，可制备出金属纳米颗粒。如Fe粉、Ni粉(25nm)

。


3.物理方法

　　物理方法采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成

纳米颗粒。它还包括球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术。

3.1蒸发冷凝法

　　蒸发冷凝法是指在高真空的条件下，金属试样经蒸发后冷凝。试样蒸发方式包括电

弧放电[147]产生高能电脉冲或高频感应等以产生高温等离子体，使金属蒸发。80年代初

，H. Gleiter等人[148]首先将气体冷凝法制得的具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空

条件下紧压致密得到纳米固体。在高真空室内，导入一定压力Ar气，当金属蒸发后，金

属粒子被周围气体分子碰撞，凝聚在冷凝管上成10nm左右的纳米颗粒，其尺寸可以通过

调节蒸发温度场、气体压力进行控制，最小的可以制备出粒径为2nm的颗粒。蒸发冷凝法

制备的超微颗粒具有如下特征：(1)高纯度(2)粒径分布窄(3)良好结晶和清洁表面(4)粒

度易于控制等，在原则上适用于任何被蒸发的元素以及化合物。

　　流动油面冷凝法是在相当于冷凝器的转动圆盘上保持油的流动，当金属蒸气降落在

油面上时，冷凝形成纳米粒子，通过控制金属蒸发速度、油的粘度、圆盘转数等，可制

得平均粒径为3nm的Ag、Au、Cu、Pb等粒子。

3.2激光聚集原子沉积法

　　用激光控制原子束在纳米尺度下的移动[149]，使原子平行沉积以实现纳米材料的有

目的的构造。激光作用于原子束通过两个途径，即瞬时力和偶合力。在接近共振的条件

下，原子束在沉积过程中被激光驻波作用而聚集，逐步沉积在硅衬底上，形成指定形状

如线形。

3.3非晶晶化法

　　通过晶化过程的控制，将非晶材料转变为纳米材料。例如，将Ni80P20非晶合金条带

在不同温度下进行等温热处理，使其产生纳米尺寸的合金晶粒。纳米晶粒的长大与其中

的晶界类型有关。采用单辊液态法制备出系列纳米微晶合金FeCuMSiB(M=Nb、Mo、Cr等)[

151,152]，利用非晶晶化方法，在最佳的退火条件下，从非晶体中均匀地长出粒径为10-

20nm的a-Fe(Si)晶粒。由于减少了Nb的含量，降低原料成本40%。在纳米结构的控制中其

它元素的加入具有相当重要的作用。研究表明，加入Cu、Nb、W元素可以在不同的热处理

温度得到不同的纳米结构，如450°C晶粒为2nm；500-600°C为10nm；而当温度高于650

°C，晶粒大于60nm。

3.4机械球磨法

　　机械球磨法以粉碎与研磨为主体来实现粉末的纳米化，可以制备纳米纯元素和合金

。高能球磨可以制备具有bcc结构(如Cr、Nb、W等)和hcp结构(如Zr, Hf, Ru等)的金属纳

米晶，但会有相当的非晶成分；而对于fcc结构的金属(如Cu)则不易形成纳米晶。

　　机械合金化法是1970年美国INCO公司的Benjamin为制备Ni基氧化物粒子弥散强化合

金而研制成的一种技术。1988年Shingu首先报道了用此法制备晶粒小于10nm的Al-Fe合金

[153]，该法工艺简单，制备效率高，能制备出常规方法难以获得的高熔点金属合金纳米

材料。近年来，发展出助磨剂物理粉碎法[154及超声波粉碎法[155]，可制得粒径小于10

0nm的微粒。

3.5离子注入法

　　用同位素分离器使具有一定能量的离子硬嵌在某一与它固态不相溶的衬底中，然后

加热退火，让它偏析出来。它形成的纳米微晶在衬底中深度分布和颗粒大小可通过改变

注入离子的能量和剂量，以及退火温度来控制。在一定注入条件下，经一定含量氢气保

护的热处理后获得了在Cu、Ag, Al, SiO2中的a-Fe纳米微晶[156]。Fe和C双注入，Fe和

双注入制备出在SiO2和Cu中的Fe3O4和Fe-N纳米微晶[157]。纳米微晶的形成和热扩散系

数以及扩散长度有关。例如，Fe在Si中就不能制备纳米微晶，这可能由于Fe在Si中扩散

系数和扩散长度太大的缘故。

3.6原子法

　　50年代，Feynman曾设想“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子将会产生

什么样的奇迹”？1982年G. Binnig等发明了扫描隧道显微镜(STM)[158]，以空前的分辨

率为我们揭示了一个“可见”的原子、分子世界[159]。在80年代末，STM已发展成为一

个可排布原子的工具[160]。1990年人们首次用STM进行了原子、分子水平的操作[161]。


　　综上所述，目前纳米材料的制备方法，以物料状态来分可归纳为固相法，液相法和

气相法三大类。固相法中热分解法制备的产物易固结，需再次粉碎，成本较高。物理粉

碎法及机械合金化法工艺简单，产量高，但制备过程中易引入杂质。气相法可制备出纯

度高，颗粒分散性好，粒径分布窄而细的纳米微粒。80年代以来，随着对材料性能与结

构关系的理解，开始采用化学途径对性能进行“剪裁”。并显示出巨大的优越性和广泛

的应用前景。液相法是实现化学"剪裁"的主要途径。这是因为依据化学手段，往往不需

要复杂的仪器，仅通过简单的溶液过程就可牟性能进行"剪裁"。例如，T. S. Ahmade等[

162]利用聚乙烯酸钠作为Pt离子的模板物，在室温下惰性气氛中用H2还原，制备出形状

可控的Pt胶体粒子。

　　(1)新的制备技术的发展是十分重要的；

　　(2)这些制备方法将会扩大纳米微粒的应用范围和改进其性能。尤其是溶剂热合成法

，由于其诸多的优点有可能发展成为较低温度下纳米固体材料的重要制备方法。预期对

纳米材料制备科学发展趋势的探索能使产物颗粒粒径更小，且大小均匀，形貌均一，粒

径和形貌均可调控，且成本降低，并可推向产业化。

　　(3)利用纳米微粒来实现不互溶合金的制备是另一个值得注意的问题。利用小尺寸效

应已制备出性能优异的纳米微晶软磁、永磁材料及高密度磁记录用纳米磁性向粉，并已

进入工业化生产，预期这方面研究还会继续深入下去。

　　(4)量子点的研究是近年来的热门课题。在分子束外延技术中利用组装制备出InAs量

子点列阵，并实现了激光发射，是十分引人注意的新发展。而利用简单的化学技术如胶

体化学法可制备尺寸基本相同的量子点列阵，现已用此法制备成功CdS和CdSe量子点超晶

格，其光学和电学性质很引人注目。类似地，金属(如Au)量子点列阵的制备，在国际上

也引起了重视。此外，以精巧的化学方法或物理与化学相结合的方法，来制备能在室温

工作的光电子器件，涉及的尺度一般在5nm以下。这些都是纳米材料领域十分富有挑战和

机遇的研究方向，必将推动纳米材料研究的进一步深入发展。

　　世界工业发达国家，如美国、日本等一些纳米材料的生产已具有商业规模。如美国

伊利诺州Nanophase Technologic Corp公司生产单相氧化物陶瓷如氧化铝、氧化锆等纳

米材料，所用生产方法为气相蒸发冷凝法。该公司的每个装置每小时可生产50-100克。

另一家位于新泽西州的Nanodyne公司用喷涂转化法生产钴碳化钨纳米复合材料，用于制

造切削工具和其它耐磨装置。

　　　俄罗斯在纳米微粉的生产和应用上也居世界先进水平。例如，克拉斯诺亚尔斯克

国立技术大学制备的金刚石粉末粒度在2-14nm范围，平均粒径4nm，比表面积为250-350m

2/g。该微粉热稳定性好。用这种金刚石粉末制作各种工具、表面涂层，可提高涂层硬度

1.5-3倍，提高耐磨性1.5-8倍。俄罗斯原子能部还开发出制备Ni，Cu，Al，Ag，Fe，Sn

，Mg, Mn, Pt, Au, Mo, W, V及稀土金属等纳米微粉的生产工艺。

　　国内纳米材料的制备研究开展较多，其中制备纳米微粉最为普遍。国内目前在研制

纳米微的大约有100家，据不完全统计，国内目前已能制备出近50种纳米材料，主要是纳

米微粉。但从总体来看，制备研究与工业化规模生产还有相当的距离。

　　制备和发展超微粉末材料，满足当今高科技对结构和功能材料之需要，是当今材料

科学的重要组成部分。相信不久的将来在某种超微粉或某类超微粉的制备技术上将产生

突破，在工业生产中广泛应用，从而使超微粉的优良特性得以造福人类。在今后的高科

技角逐中，超微粉材料必将更加展示出它的魅力。

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