納米粉體又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料，具有特異的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，應(yīng)用廣泛。
納米粉體的制備方法分類
是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法。
物理方法涉及到蒸發(fā)、熔融、凝固、形變、粒徑變化等物理變化過程。
化學(xué)法有氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、苯熱合成法、溶膠凝膠法、微乳液法、真空冷凝法等。
綜合方法即制備過程中要伴隨一些化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)又涉及到粒子的物態(tài)變化過程，甚至在制備過程中要施加一定的物理手段來保證化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行。
以反應(yīng)過程中物料狀態(tài)來分可歸納為固相法、液相法、氣相法三大類。
固相法是從固相到固相的變化來制造納米粉體，不伴隨有氣相→固相、液相→固相的狀態(tài)（相）變化。物質(zhì)的微粉化機(jī)理大致分為兩類：一類是將大塊物質(zhì)極細(xì)分割（尺寸降低）的方法，物質(zhì)無變化，有機(jī)械粉碎法、爆炸燒結(jié)法、溶出法（化學(xué)處理）等；另一類是將最小單位（分子或原子）組合（構(gòu)筑過程）的方法，物質(zhì)發(fā)生變化，熱分解法、固相反應(yīng)法等。
液相法是目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上廣泛采用的制備納米粉體的一種方法。依據(jù)化學(xué)手段，在不需要復(fù)雜儀器的前提下，通過簡(jiǎn)單的溶液過程即可制備出納米粉體。包括沉淀法、水熱法、溶液蒸發(fā)法、溶液凝膠法、輻射化學(xué)合成法等。
氣相法直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長(zhǎng)大形成納米微粒的方法。氣相法大致分為氣體蒸發(fā)冷凝法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、化學(xué)氣相凝聚法和濺射法等。電爆法屬于特殊的電阻加熱法，是氣相法的一種
納米粉體的制備方法簡(jiǎn)介
1.固相法
1.1機(jī)械合金化法
機(jī)械合金化法是一種制備粉體的固態(tài)反應(yīng)方法，是在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)合金化，不受物質(zhì)的蒸汽壓、熔點(diǎn)等物理特性的制約，使過去用傳統(tǒng)熔煉工藝難以實(shí)現(xiàn)的某些物質(zhì)的合金化，以及一些遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)及新物質(zhì)的合成成為可能。
高能球磨制備材料的工藝過程
主要特點(diǎn)：機(jī)械合金化法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，能制備常規(guī)方法難以制備的高熔點(diǎn)金屬、互不相溶體系的固溶體、納米金屬間化合物及納米金屬一陶瓷復(fù)合材料；粒度可根據(jù)需要，通過工藝參數(shù)加以控制；產(chǎn)量較高，可用于工業(yè)化批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是能耗大、粒度分布較寬和易引入雜質(zhì)。
1.2電爆炸絲法
電爆炸法是通過脈沖電路的高頻電壓給電容組充電，然后突然放電，產(chǎn)生的高密度的儲(chǔ)存電量作為能量源。
電爆金屬絲制備納米粉體的裝置示意圖
主要特點(diǎn)：電爆炸法利用金屬絲電阻熱儲(chǔ)能,能量轉(zhuǎn)換效率高，電爆炸幾乎能同時(shí)氣化整個(gè)金屬絲，產(chǎn)生的蒸氣比脈沖激光和粒子束從表面氣化得到的蒸氣更均勻，因此，得到納米粉末均勻程度高。通過改變放電電量的大小，能夠生產(chǎn)合適粒度直徑的納米金屬粉，產(chǎn)生的粉末純度高、無污染，是一種很環(huán)保的方法。
1.3非晶晶化法
采用快速凝固法將液態(tài)金屬制備非晶條帶，再將非晶條帶經(jīng)過熱處理使其晶化獲得納米晶條帶的方法。工藝較簡(jiǎn)單，化學(xué)成分準(zhǔn)確。
2氣相法
2.1蒸發(fā)一凝結(jié)法
基本原理：在真空蒸發(fā)室內(nèi)引入低壓惰性氣體（He或Ar），將蒸發(fā)材料加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸發(fā)物質(zhì)原子與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝結(jié)形成納米粒子。合金納米粒子可通過同時(shí)蒸發(fā)兩種或數(shù)種金屬而獲得。
主要特點(diǎn)：由于納米粒子的形成是在很高的溫度梯度下完成的，因此得到的納米粒子粒度范圍窄，而且粒子的團(tuán)聚、凝聚等形態(tài)特征可以控制。用惰性氣體蒸發(fā)一凝聚法制得的納米粒子結(jié)晶性好、表面潔凈且表面包覆一層起保護(hù)作用的致密氧化膜，便于處理和安全保存。但該方法存在一定的局限性，它比較適合制備低熔點(diǎn)的金屬納米粒子。
IGC制備納米粉體使用的加熱方法主要可分為電阻加熱法、等離子噴射加熱法、感應(yīng)加熱法、電子束加熱法、激光加熱法和輝光等離子濺射法六種。
2.1.1電阻加熱法
蒸發(fā)原料放在電阻加熱器上加熱。蒸發(fā)一次生成量較小，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模一次小于100g。
2.1.2高頻感應(yīng)法
以高頻感應(yīng)線圈為熱源，使坩堝內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)在渦流作用下加熱，在低壓惰性氣體中蒸發(fā)，蒸發(fā)后的原子與惰性氣體原子碰撞冷卻凝聚成納米顆粒。
特點(diǎn)：采用坩堝，一般只制備低熔點(diǎn)物質(zhì)。粒徑容易控制,可大功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.1.3等離子束加熱
用等離子束加熱水冷銅坩堝中的金屬材料。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模產(chǎn)量每批20～30g，幾乎適用于所有金屬。
2.1.4電子束加熱
高真空電子束發(fā)生室與壓力為133Pa的蒸發(fā)室保持壓力差，原料用粉末?？芍迫a、W等高熔點(diǎn)金屬及TiN、AlN等高熔點(diǎn)化合物。
采用電子束加熱的氣體中蒸發(fā)法納米微粒制備裝置
2.1.5激光束加熱
用連續(xù)、高能激光束通過透鏡聚焦照射原料?？烧舭l(fā)礦物、化合物等，對(duì)SiC等金屬化合物有效。
2.1.6濺射法
原理：在電場(chǎng)的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子，并在附著面上沉積下來。
用濺射法制備納米微粒的原理
特點(diǎn)：可制備高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)金屬；能制備多組元的化合物納米微粒；通過加大被濺射的陰極表面可提高納米微粒的獲得量。
2.1.7流動(dòng)液面真空蒸鍍法
在高真空中蒸發(fā)的金屬原子在流動(dòng)的油面內(nèi)形成極超微粒子，產(chǎn)品為含有大量超微粒的糊狀油。
流動(dòng)液面真空蒸鍍法制備納米粒子的原理
特點(diǎn)：①可制備平均粒徑約3nm的小微粒；②粒徑均勻、分布窄；③納米顆粒均勻地分布在油中；④粒徑的尺寸可控。
2.1.8通電加熱蒸發(fā)法
通過碳棒與金屬相接觸，通電加熱使金屬熔化。金屬與高溫碳棒反應(yīng)并蒸發(fā)形成碳化物超微粒子。
制備SiC超微粒子的裝置
2.2化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法是用一種或數(shù)種反應(yīng)氣體在熱、微波、激光、等離子體等的作用下，在反應(yīng)氣體間引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，并生成所需的化合物，在氣相環(huán)境下快速冷凝，從而制備出各種納米粒子的方法。
主要特點(diǎn)：CVD法制備納米粒子時(shí)，可控的工藝參數(shù)多，比如濃度、流速、溫度、組成和配比等。因此可以通過控制工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)納米粒子組成、形貌、尺寸和晶相等的主動(dòng)控制。在氣相狀態(tài)下，微粒成核和生長(zhǎng)空間大，使制備的納米粒子粒徑分布窄，單分散度好，形貌均一。
2.3激光誘導(dǎo)氣相沉積法
LICVD是利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收，使反應(yīng)氣體分子產(chǎn)生熱解或化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生核的形成和生長(zhǎng)過程，從而制備納米粒子。
LICVD原理
主要特點(diǎn)：由于LICVD法加熱速率快，高溫駐留時(shí)間短（約10-3s），冷卻速率快，所以制備的納米粉體粒徑小、分布均勻。同時(shí)，由于反應(yīng)中心區(qū)域與反應(yīng)器之間被原料隔離，污染小，制備的納米粉體純度較高。缺點(diǎn)是制備成本高。
2.4化學(xué)蒸發(fā)凝聚法(CVC)
在高溫高壓環(huán)境下有機(jī)原料熱解形成團(tuán)簇進(jìn)一步凝聚成納米級(jí)顆粒。特點(diǎn)：產(chǎn)量大、尺寸小、分布窄。
CVC示意
2.5直流電弧等離子體法
等離子體氣相合成法是制備納米粉體的主要方法之一。低溫等離子體法中微粒形成是化學(xué)反應(yīng)和成核生長(zhǎng)的結(jié)果，其原理與高溫?zé)峤夥磻?yīng)、激光誘導(dǎo)反應(yīng)的熱化學(xué)反應(yīng)過程類似。高溫等離子體法中微粒的形成是反應(yīng)氣體等離子化后冷卻和凝聚的結(jié)果。等離子體氣相合成法又分為直流電弧等離子體法（DC法）、高頻等離子體法（RF法）和復(fù)合等離子體法。
直流電弧等離子體法不但可以合成金屬納米粉，也可以合成金屬一陶瓷納米粉、陶瓷納米粉和碳納米管。其優(yōu)點(diǎn)是使用設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作,并且粉體合成速度快、純度高、種類多、活性強(qiáng),適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
3.液相法
3.1溶膠一凝膠法
基本原理：將易于水解的金屬化合物（無機(jī)鹽或金屬醇鹽）在某種溶劑中與水或其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)水解與縮聚過程逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥/鍛燒和還原等熱處理后，制得所需的納米粒子。
合成路線
主要特點(diǎn)：操作溫度低，制備過程易于控制，可以用來制備粉體、薄膜、纖維、管狀、棒狀等各種形狀的材料。
3.2微乳液聚合法
基本原理：微乳液聚合過程分為成核、長(zhǎng)大和完成三個(gè)階段。
微乳結(jié)構(gòu)的三種類型
工藝流程
主要特點(diǎn)：利用微乳液法制備的納米粒子粒徑分布窄，并且較易控制；通過選擇不同的表面活性劑分子對(duì)微粒表面進(jìn)行修飾，可獲得具有特殊物理、化學(xué)性質(zhì)的納米粒子；由于微粒表面包覆一層或幾層表面活性劑分子，納米微粒之間不易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，因此其穩(wěn)定性好，可以較長(zhǎng)時(shí)間放置；納米粒子表面的活性劑層類似于一個(gè)“活性膜”，該層可以被相應(yīng)有機(jī)基團(tuán)取代，從而制備出特殊的納米功能材料；納米粒子表面的包覆，改善了納米材料的界面性質(zhì)，同時(shí)顯著地改善了其光學(xué)、催化及電流變等性質(zhì)。
3.3沉淀法
沉淀法是由液相化學(xué)反應(yīng)制取納米粉體最常用的方法。把易溶性的鹽溶液進(jìn)行混合，控制其反應(yīng)生成難溶鹽納米沉淀，必要時(shí)再將此沉淀物鍛燒，就成為納米粉體。沉淀法又可以具體分為直接沉淀法、共沉淀法、均勻沉淀法和沉淀轉(zhuǎn)化法。
3.3.1直接沉淀法
使溶液中的某一種金屬陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成沉淀物。主要缺點(diǎn)是反應(yīng)器中過飽和度的非均勻性，導(dǎo)致生成的沉淀顆粒粒徑不均勻。
3.3.2均勻沉淀法
不外加沉淀劑，而使沉淀劑在溶液內(nèi)緩慢生成，消除了沉淀劑的局部不均勻性，并且沉淀的純度很高。由于立即將生成的沉淀劑消耗，其濃度保持在很低的狀態(tài)，因此，沉淀純度高，容易進(jìn)行過濾、清洗操作。利用此方法可以制得NiO，MgO，Er2O3，ZnO等納米微粒。
3.3.3沉淀轉(zhuǎn)換法
首先生成一種沉淀，然后加入另一種溶液使沉淀轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)的沉淀。該方法也可以消除直接沉淀產(chǎn)生的溶液局部過飽和的情況。
沉淀轉(zhuǎn)化法有利于生成單分散的納米粉體。但存在的問題有：①因?yàn)樯傻某恋砦锍赡z狀，很難進(jìn)行水洗和過濾；②沉淀劑易作為雜質(zhì)混入粉體中；③沉淀過程中各成分可能分離；④在水洗時(shí)一部分沉淀物再溶解。
3.4水解法
水解法工藝簡(jiǎn)單、易于控制、成分精確、分散均勻、純度高、粒度細(xì)、規(guī)模大，是極有希望的氧化物納米粉體的制備方法。主要分為無機(jī)鹽水解和金屬醇鹽水解法。
無機(jī)鹽水解法是將一些金屬鹽溶液如明礬鹽溶液，硫酸鹽溶液，鹵化物溶液，在高溫下可水解生成氫氧化物或水合氧化物沉淀，經(jīng)加熱分解后可得到納米氧化物粉末。
金屬醇鹽水解法是將金屬醇鹽與水反應(yīng)后，過濾、干燥，可制得粒徑從幾十至幾百納米的氧化物納米粉體。
3.5噴霧干燥法
溶劑蒸發(fā)法是把金屬鹽溶液加熱使溶劑蒸發(fā)。根據(jù)物料的特性及過程不同又分為冷凍干燥法、噴霧干燥法、噴霧熱分解法。
噴霧干燥法是將溶液分散成小液滴噴入熱風(fēng)中，使之迅速干燥的方法。也可以采用這樣的方法，即將溶液噴到高溫不相溶的液體（如煤油）中，使溶劑迅速地蒸發(fā)。
噴霧干燥裝置的模型圖
3.6噴霧熱分解法
噴霧熱分解法是一種前驅(qū)體溶液噴入高溫氣氛中，同時(shí)瞬間引起溶劑的蒸發(fā)和金屬鹽的熱分解，從而直接合成氧化物粉料的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是采用液相物質(zhì)前驅(qū)體通過氣溶膠過程得到最終產(chǎn)物，所以不需要過濾、洗滌、干燥、燒結(jié)及再粉碎等過程，產(chǎn)品純度高、分散性好、粒度均勻可控，而且可以制備多組分復(fù)合納米粉體，特別適用于連續(xù)性制備，生產(chǎn)效率高。主要缺點(diǎn)是生成的納米顆粒中有許多空心顆粒，而且粒徑分布不均勻。
噴霧熱解
3.7冷凍干燥法
冷凍干燥法屬于制備納米粉體液相法中的溶劑蒸發(fā)法。一般采用冷凍干燥法制備納米粉體要經(jīng)過四個(gè)步驟,即制取前驅(qū)體溶液或溶膠、前驅(qū)體溶液或溶膠的凍結(jié)、凍結(jié)物的冷凍干燥和干燥物的熱處理。
參考資料：
百度百科.納米粉體制備
毛志國.電爆炸金屬絲制備納米粉體的研究
劉軍.真空冷凍干燥法制備無機(jī)功能納米粉體的研究
孫維民.電弧法制備納米粉體的穩(wěn)定化處理及應(yīng)用研究
鮑久圣等.蒸發(fā)冷凝法制備納米粉體的研究進(jìn)展
文章來源：中國粉體網(wǎng)
