纳米固体材料制备方法
§1 纳米金属材料的制备
1.1惰性气体蒸发原位加压法 1.2高能球磨法 1.3非晶晶化法 §2 纳米陶瓷材料的制备
2.1无压烧结 2.2热压烧结 2.3微波烧结
§ 3 纳米金属材料的制备 1.惰性气体蒸发原位加压法
（a） 用该方法成功地制备了Fe、Cu、Au、Pd等纳米晶金属
块体和Si－Pd、Pd－Fe－Si、Si－Al等纳米金属玻璃。
（b） 惰性气体蒸发原位加压法属于“一步法”，步骤是：制备
纳米颗粒颗粒收集压制成块体。上述步骤一般都是在真空下进行的。
图3-1 惰性气体蒸发原位加压装置示意图
2.高能球磨法
（a） 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料
进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。
（b） 将两种或两种以上金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中
进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压合的反复过程，最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。这种方法称为机械合金法(Mechanical Alloying，简写成MA)。
高能球磨法已成功地制备出以下几类纳米晶材料
（a） 纳米晶纯金属。高能球磨可以容易地使具有体心立方
（bcc）结构和六方最紧密堆积（hcp）结构的金属形成纳米晶结构，而对于具有面心立方（fcc）结构的金属则不易形成纳米晶。
（b） 不互溶体系纳米结构。可将相图上几乎不互溶的几种元
素制成固溶体，这是用常规熔炼方法根本无法实现的。
（c） 纳米金属间化合物。目前已制备Ti—B、Ti—A1等十多
个合金系纳米金属间化台物。
（d） 纳米金属—陶瓷复合粉体。如，采用高能球磨法把纳米
Y2O3粉体复合到Co－Ni－Zr合金中，使矫顽力提高两个数量级。
3.非晶晶化法
图3-2 非晶晶化法制备的纳米晶Ni—P合金的晶粒尺寸与退火温度
的关系
图3-3非晶晶化法制备的FeBSi纳米合金的晶粒尺寸与退火温度的关
系
卢柯等人率先采用非晶晶化法成功地制备出纳米晶Ni—P合金（图3-2）。采用非晶晶化法还可制备FeBSi纳米合金（图3-3）。
§2 纳米陶瓷材料的制备
纳米陶瓷的优越特性有以下几个主要方面：
（a） 超塑性：例如纳米晶Ti02(金红石)在低温下具有超塑性； （b） 在保持原来常规陶瓷的断裂韧性的同时，强度大大提高； （c） 烧结温度可降低几百度，烧结速度大大提高。如，10nm的
陶瓷微粒比10m的理论烧结速度提高12个数量级。
为了使纳米陶瓷具有高的致密度，主要采用以下几种工艺路线。 1.无压烧结
（a） 该工艺过程是将无团聚的纳米粉，在室温下经模压成块
状试样，然后在一定的温度下烧结使其致密化。
（b） 无压力烧结工艺简单，不需特殊的设备，因此成本低。 （c） 稳定剂掺入。在纳米ZrO2粉中掺入5Vol%MgO，通过无
压烧结，相对密度可达98%。掺MgO的纳米ZrO2粉晶粒长大的速率，远低于未掺稳定剂MgO的ZrO2试样(见图3-4)。
图3-4 稳定剂对ZrO2 纳米晶粒长大的影响
2.热压烧结
（a） 无团聚的粉体在一定压力下进行烧结，称为热压烧结。 （b） 该工艺优点是对于许多未掺杂的纳米粉，可制得具有较高
致密度的纳米陶瓷，并且晶粒无明显长大。
（c） 但该工艺要求的设备比无压烧结复杂，操作也较复杂。 （d） 纳米TiO2金红石和纳米ZrO2的生坯经不同温度烧结24小
时后的相对密度、平均粒径与烧结温度的关系见图3-5和图3-6。
图3-5 纳米相TiO2块体的相对密度、平均粒径与烧结温度的关系
图3-6 无压力烧结过程中纳米相ZrO2密度和粒径与烧结温度的关系 3.微波烧结
（a） 要想使纳米陶瓷材料烧结过程中晶粒不过分长大，必须
采用快速升温、快速降温的烧结方法。
（b） 微波烧结的升温速度快（500 oC/min），升温时间短（约
2min），解决了纳米晶异常长大问题。且能量可节约50%
左右。
（c） 微波烧结的原理是利用在微波电磁场中材料的介质损
耗，使陶瓷材料整体加热到烧结温度而实现致密化。
（d） 采用微波烧结可制备ZrO2或Al2O3纳米陶瓷材料。
