3　自分散微纳米金属粉制备方法

3.1　微纳米金属粉制备方法

3.1.1　概述

超细材料是20世纪80年代发展起来的新兴学科,而金属超细材料是超细材料的一个分支。目前,在化学领域对超细材料没有一个严格的定义。从几纳米到几百纳米的粉体都可称为超细材料。

鉴于国际共识,将粒径小于100nm的超细粉称为纳米材料,大于100nm的超细材料由于其自身性能和微米态没有质的区别,仍然当作微米材料来看待。因此,我们将小于1μm的金属超细粉的混合体称为微纳米金属混合粉。所谓混合体就是粒径<100nm的纳米粉体和粒径介于100~1000nm的粉体共存,而把主要由粒径<100nm的纳米粉体组成的纳米金属混合粉称为纳米金属粉。从本质上来讲,微纳米金属粉是特定工艺决定的一种粉体,它的粒径构成、性能都由其制备条件所决定。

微纳米金属粉制备方法主要有物理法和化学法两类。

3.1.2　物理法

物理法指微纳米金属粉制备过程中靠机械作用力、电、热、光等作用,不发生化学反应的方法。物理法主要有高能球磨法和气相法。

① 高能球磨法　物理法中最具代表性的就是高能球磨法。高能球磨法是在较低温度下,于保护性气氛中,利用球磨机的高速转动或高频振动,使珠子对原料进行强烈的撞击、研磨和搅动,逐步将金属粉碎成微纳米级粒子。目前,高能球磨机主要有振动球磨机、搅拌球磨机和行星球磨机等用于纳米粉体的制备。大规模的粉体制备都离不开机械力的作用。机械力不仅对粉体的制备过程起重要作用,而且对粉体的最终性能也会产生重要影响。物料粉碎时,物料受到外界输入的冲击、摩擦、剪切等机械能作用,使粉体原有的结构缺陷急速发展而碎化。高能球磨的过程就是粒子经受循环剪切形变的过程,在这个过程中,粒子内晶格缺陷不断产生,当粒子内局部应变带中缺陷密度达到临界值时,晶粒开始破碎,该过程不断进行,晶粒不断细化直到形成纳米粒子。

实验证明,用高能球磨法可以制备出晶粒尺寸为5nm的金属钨纳米粉,70nm以下的钛纳米材料。

② 气相法　气相法是直接利用气体或通过各种手段将固体物质转变成气体,在气体状态下发生物理化学变化或反应,最后在冷却过程中凝聚形成纳米粒子的方法,包括电阻加热法、等离子体加热法、电子束法、爆炸丝法等。

3.1.3　化学法

化学法是采用化学反应来制备微纳米粒子粉的方法,主要有以下几种:

① 化学气相反应法　化学气相反应法利用挥发性的金属化合物的蒸气,通过化学反应生成所需的化合物,在保护性气体环境中快速冷凝,来制备所需的纳米粒子。其优点为颗粒均匀、纯度高、粒径小、分散性好、反应活性高、工艺可控,可以生产各种金属、碳化物、氮化物等。此法有激光诱导法等离子体加强化学气相反应法、化学气相凝聚法、溅射法。

② 液相法　该法采用均相的溶液,通过各种方法使溶质和溶剂分离,溶质形成一定形状和大小的粒子,得到所需的前驱体,热解后获得纳米粒子。主要方法有沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法、乳液法、辐射化学合成法、溶胶-凝胶法。

③ 固相法　通过固相到固相的变化来制造粉体,主要有热分解法、火花放电法和溶出法。