材料的制备方法PPT文件格式下载.ppt

1、从过饱和溶液中自发析出晶体。优点：操作简单；基片材料不受限制（形状复杂）。应用：超大规模集成电路 液晶显示器,3、溶胶凝胶法 1）原理：利用成膜物质的水解，在基片上得到薄膜。2）步骤：溶胶制备制膜热处理3）优缺点：工艺设备简单；后处理温度低；对衬底的形状、大小要求低；涂层组分均匀、易定量掺杂；易得到纳米尺寸的薄膜；但易开裂。,（一）溶胶制备工艺,1、有机途径 组成：母体醇盐，浓度1050%；溶剂乙醇；催化剂盐酸、醋酸等 螯合剂乙酰丙酮 水用量一定要控制 特点：水、溶剂挥发，干燥龟裂；薄膜厚度受限；但可反复涂覆。,TiO2溶胶相关组分三元相图,A区：凝胶形成区 B区：镀膜区 C区：沉淀区,2、无

2、机途径,过程：氧化物微粒 溶剂、分散剂 稳定溶胶液特点：薄膜不开裂；附着力较差；纳米颗粒难分散。,（二）制膜方法提拉法（dipping）过程：基片浸入定速提拉（湿膜）干燥（干膜）热处理 特点：方法简单，膜厚难控，不适用小面积制膜。旋覆法（spinning）过程：基片置于匀胶台甩膜干燥热处理 特点：设备简单，需液体量少，但只适用于小面积薄膜的制备。喷射法（spraying）过程：基片移动喷枪喷到预热的基片上 特点：可以批量生产，但设备复杂，但只适用于平板基材。,4、低温成膜技术,非耐热基材：木材，纸，塑料等 方法：1）粘结剂法（氟树脂，硅溶胶）2）仿声沉积技术（90年代开始）五、纳米薄膜的表征方

3、法,四、薄膜表征方法,XRD：相组成（注意膜层厚度）SEM：微观形貌，膜厚，断面AFM：原子尺度形貌，表面粗糙度,AFM 1#,AFM 2#,AFM 3#,AFM 4#,AFM-5#,纳米粉体的制备方法,第二节,一、纳米粉体应具备的特性,1 化学成分配比准确：尽量符合化学计量，避免烧结出 现液相或阻碍烧结；2 纯度高：出现液相或影响电性能；3 成分分布均匀：尤其微量掺杂；4 粒度要细，尺寸分布范围要窄：结构均匀，密度高；5 无团聚体：软团聚，硬团聚。,二、制备方法分类,制备方法,化学法,物理法,存在不科学之处,一般地，化学方法（液相法,气相法）物理方法（机械粉碎法）但是，某些气相法在制备超微粒

4、的过程中并没有化学反 应，因此笼统划为化学法是不合适的。相反，机械粉碎法中的机械合金化在一定情况产可形成 金属间化合物（涉及到化学反应），因此把粉碎法 全归为物理方法也不合适。,制备方法的界定,1 机械粉碎法（大小）,1）球磨：临界尺寸3微米 2）振动磨：可获得小于1微米的粒子；行星磨（20世 纪 70年代）3）搅拌磨：静止的研磨筒和旋转搅拌器构成 4）胶体磨：剪切、摩擦、冲击作用粉碎、分散、乳 化、微粒化 5）气流磨：20世纪80年代，德国开发，高速气流300500米/秒或热蒸汽300400 OC,2 陶瓷法（固相反应法）,1）定义：固态原料通过高温条件下的界面扩散或反应，形 成新的多晶材料

5、。2）实例（镁铝尖晶石的制备）结构变化：MgO+Al2O3 Mg Al2O4 O-2密堆：（立方）（畸变六方）（立方）M 填隙：（八面体）（八面体）（四、八面体）特征：反应速度慢，需高温。原因：成核难结构差异大；扩散难产物层厚度。,3）陶瓷法的缺点：,原料细度有限，均匀性差；固相反应只能在界面上进行，扩散困难；得到的是反应物和产物的混合体系，难分离、提纯；反应器污染产物。,内容回顾,第二节 纳米粉体制备方法 1 机械粉碎法（大小）2 陶瓷法（固相反应法）,1）气体冷凝法 此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，使其蒸发后冷凝为纳米微粒。加热源：a 电阻加热法；b 等离子喷射法；c 高

6、频感应法；d 电子束法；e 激光诱导。不同的加热方法制备出的超微粒的量、品种、粒径大小及分布等存在着一定的差别。,3 气相法,发展：1963年由Ryozi Oyeda及其合作者研制成功。80年代初，德国萨尔蓝大学HGleiter等人首先提 出，将气 体冷凝法制得具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下得到纳米块材。原理：易挥发的金属化合物加热蒸发冷凝纳米粒子特点：在纯净的情性气体中蒸发、冷凝，可获得较 干净 的纳米微粒，粒度小，分散性好，活性高。,气体冷凝法的原理见图1。整个制备过程是在超高真空室内进行，通过分子涡轮泵使其达到0.1Pa以上的真空度，然后充入低压（约2kPa）的纯净惰性气体（H

7、e或Ar）。欲蒸物质（例金属，CaF2、NaCl、FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧化物等）置于坩埚内，通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置，逐渐加热蒸发，产生原物质烟雾。,图1 气体冷凝法制备纳米微粒原理图,此方法的原理如图2所示。用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气（40 250 Pa），两电极间施加的电压范围为0.31.5kv。由于两电极间的辉光放电使Ar电离成离子，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子并在附着面上沉积下来。,2）溅射法,图2 溅射法原理图,特点：1、粒子的大小及尺寸分布主要取决

8、于两电极间的电压、电 流和气体压力。2、可制备多种纳米金属。包括高熔点和低熔点金属,而常 规的热蒸发法只能适用于低熔点金属；3、能制备多组元的化合物纳米微粒，如Al52Ti48、Cu91Mn9，及ZrO2等；4、通过加大被溅射的阴极表面，可提高纳米微粒的获得量。,3）激光诱导化学气相沉积（LICVD）基本原理：利用反应气体分子（或光敏剂分子）对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子的光解、热解、光敏化和诱导化学合成反应，在一定工艺条件下获得超细粒子。特点：具有表面清洁、粒子大小可控、无粘结、粒度分布均匀等优点，并容易制备出几几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。研究进展：己制备出多种单质、无机化合物

9、和复合材料超细微粉末；目前已进入规模生产阶段，美国的MIT（麻省理工学）于1986年已建成年产几十吨的装置。,4 液相法,特点：化学组成可控 高纯、均相 成核速度可控 合成温度低 形状大小可控 纳米颗粒分类：溶胶凝胶法；沉淀法；水热法等。,1）沉淀-共沉淀法,定义：含阳离子的溶液中加入沉淀剂后，使离子沉淀的 方法。（以沉淀反应为基础）分类：单组分沉淀：溶液只含一种阳离子，得到单组分沉淀。单相共沉淀：溶液含多种阳离子，沉淀为化合物（固溶体）。共沉淀：溶液中含多种阳离子，沉淀产物为混合物。ZrOCl2+Y（NO3）+NH3.H2O Zr（HO）4.Y（HO）3+NH4Cl+NH4NO3,过程与原理

10、可溶性盐混合溶液加入沉淀剂沉淀物过滤、洗涤热处理粉末 沉淀剂（如OH-、C2O42-、CO32-）实例：以四氯化钛TiCl4为原料、氨水NH4OH为试剂，生成沉淀。优缺点 A 样品的晶型结构完整，原料便宜；B 设备简单、适于批量生产；C 粉末易团聚，制备较为困难。,2）水热法（高温水解法）定义：指在高温（1001000）高压（10100Mpa）下，利用溶液中物质化学反应进行的合成。水的作用：作为一种组分参与反应（即是溶剂又是矿化剂），还可作为压力的传递介质。1982年开始用水热反应制备超细微粉的水热法已引起国内外的重视。用水热法制备的超细粉末，最小粒径已经达到数纳米的水平。归纳起来，可分成以下

11、几种类型：,类型：水热氧化：典型反应可用下式表示：mM十nH20 MmOn+H2 其中M可为铬、铁及合金等。水热沉淀：如 KF+MnCl2一KMnF2水热合成：比如 FeTiO3+K0H一K20.nTiO2水热还原：比如 MexOy+yH2一xMe+yH20 其中Me可为 铜、银等。水热分解：比如 ZrSiO4+NaOH一ZrO2+NaSiO3水热结晶：比如 Al（OH）3一A1203H20,反应装置：高压釜 外封式容器从外边用螺钉上紧 自紧式随着内部压力增加自动压紧到更高压力 水热合成的特点（1）反应速度快；（2）高纯、超细（几几十纳米）、成分均匀 实例：单斜氧化锆；氧化铝等,3）溶胶-凝胶

12、法（1）研究进展 30年代：W.Geffcken用金属纯盐的水解、凝胶化制备氧化物 薄膜；1971年：德国H.Dislich通过金属纯盐的水解在650700制备 多组分玻璃；1975年：B.E.Yoldas将凝胶干燥制得陶瓷块体材料；80年代：在玻璃、涂层、陶瓷粉料、复合氧化物材料中得到 广泛应用。,（2）名词解释 前驱体（precursor）：起始原料。例：金属醇盐、金属 盐的水溶液。溶胶：纳米级固体颗粒（15nm）在液体介质中形 成的分散体系。凝胶：溶胶失去部分介质液体的产物。（半固态物质；固态粒子呈连续网络）,（3）S-G法的基本原理 1）前驱体+溶剂 溶液；2）水解（醇解）反应 溶胶；

13、3）溶胶干燥 凝胶。应称 S-S-G 法。,（4）S-G法的特点,1）纯度高、均匀性好。2）烧成温度低。（部分产物烧前形成；凝胶比表面积大）3）可获得不同形态的制品（粉末、薄膜、纤维）。4）设备简单，操作方便。5）成本高、制品易开裂。,4）微乳液法,微乳液：由油、水、表面活性剂组成的透明的、各向 同性、低粘度的热力学稳定体系。表面活性剂阴离子型（SDS、DBS等）；阳离子型 CTAB 等；非离子型（聚氧乙烯醚类）有机溶剂烷烃，环烷烃。影响因素：乳液组成；反应物浓度；活性剂选择等。,第三节 纳米陶瓷的制备,1 纳米陶瓷 三维纳米块体材料（晶粒尺寸、晶界宽度、缺 陷尺寸）2 性能特点 传统陶瓷耐磨

14、；耐腐蚀；耐高温；硬度大；但脆性大，难加工。纳米陶瓷高韧性，低温超塑性（弯曲180o）,3 制备特点,制粉：纳米粉体合成。成型：粉体团聚堆积不均匀，影响密度；吸附杂质影响成型；烧结：表面能高，晶粒生长快影响致密化；控制晶粒长大。4 烧结方法 无压烧结：烧结温度、保温时间、升降温速度可控。热压烧结：促进物质迁移，使烧结温度降低。,第四节 复合材料的制备,一、基本概念 纳米复合材料：分散相至少在一个维度上小于100nm。分类：0-0复合纳米颗粒之间的复合 0-3复合纳米颗粒与体材料的复合 0-2复合纳米颗粒与薄膜,特性：高强度与粒径d的关系式 超塑性材料在一定拉伸应力作用下产生极大的伸长，拉伸后的长度拉伸前的两倍以上。界面滑移；临界尺寸：200-500nm 实例：ZrO2+Y2O3 超塑800%;ZrO2+Al2O3超塑200-500%烧成温度降低表面能高，致密化过程加快,二、复合材料简介,1 纳米涂层 优点：活性高易扩散，与衬底结合力好；烧成温度下降，低温下易获得致密涂层。2 高力学性能复合材料 高强度合金：Al-金属-La化合物，Al-Ce-金属化合物 增韧复相陶瓷：3 高分子基纳米复合材料 Fe-Cu合金/环氧树脂：类金刚