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金属纳米粉体材料的制备,应用及前景
2017年11月08日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:6025
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1984年,随着德国萨尔兰大学Gleiter教授成功得到纳米级的金属铁粉,人类正式拉开了纳米材料的帷幕。其中金属纳米粉体是指三维空间中一维或多维处1-100nm之间的超细粒子,在表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应及介电限域效应的影响下,这种尺寸的金属材料会表现出许多宏观材料所不具有的性能,并可根据不同需求支撑球形、角形、中空结构等不同形貌。这些独特的光学和电子性质在电化学、生物医药、电子信息、光学等领域中有极大的潜在应用价值。

 

-铂中空纳米材料

 

纳米之星

 

金纳米三角片

 

一、金属纳米粉体材料的制备

1.化学方法

目前广泛应用的化学方法制备纳米粉体材料包括化学还原法、光化学法、溶胶-凝胶法、辐射还原法、沉淀法等[1]


1.1化学还原法:目前是实验室和工业上较为常用的制备方法。选择利用合适的可溶性金属盐前驱体与适当的还原剂如NaBH4、柠檬酸钠等在液相中进行反应,还原,成核生长为金属单质。

 

1.2光化学法:卤化银的光化学分解可以被认为是一个简单的光化学制备单质银的过程,人们也将它应用到贵金属纳米材料的合成当中,类似的方法也被广泛应用于金属纳米粉体材料的绿色合成和结构构件中。

 

1.3溶胶-凝胶法:溶胶-凝胶法是用金属化合物的可溶性盐溶液,在某种溶剂中形成均质溶液, 溶质发生水解反应并生成纳米级的粒子从而形成胶体,经蒸发干燥转变为凝胶, 再经干燥、烧结等后处理得到所需的纳米金属粉体。

 

1.4辐射还原法:辐射还原法中最常见的为γ-射线辐射还原法。由于γ-射线辐射法在制备纳米金属材料中具有不引入杂质元素等特点,在绿色环保制备方面具有一定的优势。通过使用不同的表面活性剂能改变纳米金属材料形貌和结构,为工业应用发展中提供更多选择性。

 

1.5沉淀法:沉淀法主要包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。其原理主要根据难容化合物的溶度积不同,通过改变温度、表面活性剂种类、转化剂浓度等方面来对纳米粉体的制备进行控制。

 

用化学方法制备得到的金属纳米粉体可以根据不同品种和形貌要求选择不同方法,具有选择性强,产物纯度高等优点。

 

2.物理方法

物理法制备纳米金属粉体材料主要有磁控溅射法、蒸发冷凝法、离子注入法和高能机械球磨法[2]。其中高能球磨法是近年来快速发展起来的一种制备纳米粉体材料的方法,该方法在制备合金纳米粉末方面有良好的工业应用前景。

 

2.1磁控溅射法:磁控溅射法是指在电场的作用下, 电子在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞,形成氩离子和新的电子,氩离子在电场作用下以高能量加速飞向阴极,轰击靶表面, 使得靶材料发生溅射,促使靶材料表层的一些粒子依靠动能飞出材料表面,在基片形成一层纳米薄膜体。

 

2.2蒸发冷凝法:在高真空蒸发室内通入低压惰性气体,使金属材料生成蒸汽,雾化为原子雾与惰性原子发生碰撞而失去能量,从而凝聚形成纳米尺寸的团簇并在液氮冷阱上聚集起来,最后得到纳米粉体。

 

2.3离子注入法:即把要注入的分子、原子离子化,进而以数千电子伏特乃至数兆电子伏特的加速能,将离子注入基体中,经热处理而得金属纳米粒子。

 

2.4高能机械球磨法:高能机械球磨法主要依靠高速率的振动、旋转让球磨机里面的硬球和原材料产生不断碰撞,让合金、金属得以粉碎并产生纳米粉体材料。

 

二、金属纳米粉体材料的应用及前景

金属纳米材料自出现以来,在各个领域已展现出惊人的影响力,这主要归根于其本身的特殊性质。现列出一些金属纳米粉体材料的主要用途:

 

1.催化剂材料中的应用

纳米级别的金属粉体由于尺寸微小,但比表面积迅速增加,表面的活性位置增加,增加了化学反应的接触面。如纳米级镍、铜锌合金所制成的合金,比现有的雷尼镍(Raney Ni)高出5倍左右[3]。且可以降低贵金属的占用量,降低工业成本,广泛应用于汽车尾气净化催化、石油催化、高能燃料电池等领域。

 

新型纳米电池

 

2.光学材料中的应用

金属纳米材料由于小尺寸效应,具有特殊的光学性质,例如表面等离子共振效应,对一些特殊波长的光有特殊的吸收作用。例如铁、钴、氧化锌粉末可以作为军事用的隐形材料,纳米氧化铝粉体可以与稀土荧光粉混合,吸收有害的紫外光,而不降低荧光粉的发光效率。

 

纳米金属的表面等离子共振现象

 

3.医药学材料中的应用

纳米材料在生物工程领域应用广泛,包括金纳米材料、磁性氧化铁、银纳米粒等。由于其本身活性较弱且对细胞无损伤,不易引起其他不良反应,常用作药物载体。用于特殊药物或抗体进行的靶向治疗。此外,纳米银具有抗菌的作用,在涂料、医药、净水系统、纺织品以及塑料行业中的成功应用案例[4]

 

贵金属纳米保健品

 

纳米机器人载体在血管中

 

4.电子领域中的应用

由于金属纳米粒子表面积大,表面活性高,对周围环境敏感,可以制成敏感度高、能耗低的传感器。并且随着粉末粒径的减小,其物理性质例如熔点会发生改变。因此,纳米级的金属可以大大提高芯片的成品率,降低损耗率。在导电材料中,使用纳米材料可不必采用耐高温的特定金属,可节省一些贵金属的用量,解决产生的静电问题,增加安全性,降低生产成本。

 

纳米级芯片

 

5.信息存储领域中的应用

一些特殊的金属例如钴(Co)作为磁存储介质材料,具有高密度的记录材料,而纳米级别的钴,具有单磁畴结构,矫顽力高的特性。故其记录密度更高,且信噪比增强,具有抗氧化性的优点,大幅度改善软硬磁盘的性能。

 

金属纳米粉体材料的应用还有很多,例如在航天领域,军事领域,工业生产领域等。我国纳米材料的市场销售额约为40亿元,市场需求量迅速增长,正如钱学森院士所说的那样:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点,将是21世纪的又一次产业革命”。而纳米金属粉体材料的制备方法也从普通的化学法、PVD法发展到绿色的激光法、超声法、等离子法等,但这些方法均存在着产量低、成本高的问题,严重阻碍了其工业方面的应用和推广。不难看出:推动金属纳米材料的真正实现主要是解决其兼容性,稳定性,可重复性的问题,实现功能与结构一体化,大力发展纳米技术产业在工业发展上的应用,将实验室成果快速转化为实际应用中。

 

参考文献:

[1] 赵志强. 纳米材料的化学制备研究. 设备管理. 2014年8月: 165.

[2] 费金喜,朱维婷,吴红玉. 纳米材料的物理制备方法. 丽水师范专科学校学报. 2001, 23: 29-31.

[3] 熊静芳. 热解前驱物法制备多孔纳米材料及其性能研究. 南京大学. 2012.

[4] 叶伟杰陈楷航蔡少龄陈利科钟同苏王小英. 纳米银的合成及其抗菌应用研究进展. Journal of Materials Engineering. 2017, 9: 22-30.

 

作者:Avlon

 


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