验需求。关键词纳米粉体电弧加热制备冷阱第章绪论第.节引言“振兴东北老工业基地高技术产业化项目金属纳米粉制取设备技术与产业化”，是国务院为建设全面小康社会的重大举措，本项目的研究具有重要的应用前景。科学技术已发展进入知识爆炸时代，材料科学仍是科技三大支柱之。在材料科学领域中纳米技术正愈来愈受到广泛关注，它将能引发下场新的技术革命和产业革命，成为本世纪科学技术发展的前沿。将材料尺寸减少到纳米数量级时，材料颗粒表面特征突出，且颗粒中原子排列及电子云分布发生变化，导致些特别性能出现，这就是纳米材料。纳米材料具有常规材料不具有的特殊性质，这些特殊的性质使纳米材料在许多领域有着广泛的应用。纳米材料主要从表面效应体积效应量子尺寸效应进行分析。纳米材料的表面效应主要是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化，粒径在以下，将迅速增加表面原子的比例当粒径降到时，表面原子数比例达到约以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。体积效应是指由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小，随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。当纳米粒子的尺寸下降到值时，金属粒子费米能级附近电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽的现象均称为纳米材料的量子尺寸效应。表面效应体积效应量子尺寸效应使得纳米材料表现出很多异常的特性，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质，金属熔点降低，增强微波吸收，强度韧性和超塑性大为提高。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金塑性陶瓷金属化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。纳米科学技术是用单个原子分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学混沌物理量子力学介观物理分子生物学和现代技术计算机技术微电子和扫描隧道显微镜技术核分析技术结合的产物，纳米科学技术又将引发系列新的科学技术，例如纳电子学纳米材料科学纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的项高科技。在充满生机的世纪，信息生物技术能源环境先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化智能化高集成高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小航空航天新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术新产品的创新是未来年对社会发展经济振兴国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米的磁性纳米棒阵列的量子磁盘成本低廉发光频段可调的高效纳米阵列激光器价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局设计新产品形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长超导相干长度隧穿势垒厚度铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理化学特性既不同于微观的原子分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题。纳米结构设计，异质异相和不同性质的纳米基元零维纳米微粒维纳米管纳米棒和纳米丝的组合，纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物理特性新原理新方法设计纳米结构器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。金属纳米粉作为纳米材料中的员，有着其独特的材料特性，常用来制备金属纳米粉的材料有钴铜铁镍锌，另外还有它们的合金以及氧化物等等。钴粉具有记录密度高矫顽力高可达.信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。用铁钴镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震医疗器械声音调节光显示等。金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用，铁钴氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料可见光红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。纳米铝铜镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层，铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂，同样的铁，锌等金属有着自己的特性，这些特性为材料科学的发展打开了另外扇窗。第.节金属纳米粉的制备方法概述金属纳米粉末的制备涉及到物理化学材料等学科的交叉，所以制备方法的分类目前有不同的观点。般分为机械法物理法和化学法等。机械法机械法就是指用机械力将大块固体破碎成所需粒径的加工方法。机械法制备纳米粉通常用研磨冲击气流液流超声作为加工手段。按机械力的不同可分为机械冲击式粉碎法气流粉碎法球磨法和超声波粉碎法等。但目前用于制备金属纳米粉末的主要采用球磨法和超声波粉碎法。球磨法是制备金属纳米粉末最常用的方法，其制备机理是在中低应变速率下，塑性变形由滑移及孪生产生。而在高应变速率下，产生剪切带，由高密度错网构成。超声波粉碎法用于制备脆性金属材料比较有效，它是将几十微米的细粉装入盛有有机溶液的不锈钢容器里，通入几十个大气压的惰性气体，以定功率和频率的超声波进行粉碎得到。物理法物理法是指在粉末的制备过程中不发生化学变化,通过高压高热的方式使块状材料蒸发形成细微颗粒的气态粒子，冷凝在收集器上而得到纳米粉末。使用该法可以制备高纯纳米金属粉末。低压气体中蒸发法低压气体中蒸发法是在低压的惰性气体如氩气氮气中加热金属，使其蒸发后形成纳米粉末，加热源般有以下几种，电阻加热等离子喷射加热高频感应加热电子束加热激光和辉光等。电阻加热蒸发法是比较传统的方法，适用于熔点不太高的金属，目前有人采用石墨电阻加热器，在的氩气中蒸发了等金属，可以得到左右的金属粉末。等离子喷射加热法根据不同工艺方法可以又分为熔融蒸发法粉末蒸发法和活性等离子弧蒸发法。运用粉末蒸发法可以制备几乎所有的金属纳米粉末。现在有人用活性等离子弧蒸发法制备了粒径在范围内变化的高纯纳米粉末。清华大学的王加龙等人用直流等离子法，采用的粉作为原料制备了粒径小于的粉末。激光加热法是由日本人提出的，该法是将连续的高能量密度激光通过窗户照射到金属样品上使其蒸发来制备纳米粉末，在.的气氛中，用的激光束，就可以制得金属氧化物的纳米粉末。溅射法溅射法是用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两极间充入氩气，在定的电压下，两极间的辉光放电形成氩离子，在电场作用下氩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纳米粒子。用这种方法可以制备多种纳米金属，而且可以通过加大被溅射的阴极表面来提高纳米微粒的获得量，缺点就是投资比较大。雾化法雾化法分为普通雾化法和快速凝固雾化法，前者主要用于传统工业中生产些普通铁钢粉，而采用快速凝固工艺是由金属熔体直接雾化获得金属粉末来制备金属纳米粉末，尤其适用于不锈钢纳米粉末的制备。该制备方法分为三个阶段首先将金属熔融成为液态，然后使液态金属在雾化室里雾化分散为微小的液滴，再将液滴迅速冷凝形成固体粉末。化学法化学法是指在粉末的制备过程中要发生化学变化，般是通过氧化还原水解等方式获得纳米粉末。使用该方法可制备出高纯纳米金属粉末，但粉末收集难度较大。应用于制备纳米金属粉末的化学法很多，对常用的作简单的介绍。溶胶凝胶法溶胶凝胶法是世纪年代发展起来的种制备玻璃陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用来制备纳米粉末。其基本原理是将金属醇盐或无机盐在定条件下控制水解，不产生沉淀而形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥焙烧去除有机成分，最后得到金属纳米粉末。该法的优点是化学均匀性好纯度高粉末细可容纳不溶性组分或不沉淀组分。缺点是粉末之间的烧结性差干燥时收缩大。激光诱导化学气相沉积制备金属纳米粉末是近几年来兴起来的种制备金属纳米粉方法。以激光为加热热源，诱发气相反应来合成纳米粉末，主要用于合成些用常规办法难以获得的化合物纳米粉末,如,等，但也可以用来制备单质金属粉末，如银粉和铜粉等。激光制备纳米粉的基本原理是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，引起反应气体分子激光光解紫外光解或红外光子光解激光热解激光光敏化和激光诱导化学合成反应，在定工艺条件下激光功率密度反应池压力反应气体配比和流速反应温度等，获得纳米粉末，该制备方法具有清洁表面粒子大小可精确控制无粘结，粒度分布均匀等优点，并容易制备出粒径几纳米至几十微米的非晶态或晶态粉末，缺点是制备成本高，产率低。水热法高温水解法水热法是指在高温高压下，在水水溶液或水蒸汽等流体中进行有关化学反应来达到制备纳米粉末的方法。用该方法制备的超细粉末已经达到几个纳米的水平。根据反应类型的不同可以分为水解氧化水热沉淀水热合成水热还原水热分解水热结晶。该法工艺简单，易于控制且纯度高粒度细，近年来备受关注。目前用此法制备纳米粉末的实际例子很多，有报道说,用碱式碳酸镍及氢氧化镍水热还原工艺，可以成功的制备出最小粒径的镍粉。液相化学还原法液相化学还原法是制备金属纳米粉的常用方法，它主要通过液相氧化还原反应来制备金属纳米材料。该法具有制粉成本低设备要求不高工艺参数容易控制等优点，易于实现工业化大生产。第.节纳米粉体制备及应用国内外现状纳米粉体制备及应用的国内现状我国纳米材料研究始于年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会中国科学院国家教委分