[發(fā)明專利]金屬氧化物包覆異質(zhì)金屬“核/殼”型納米粒子的合成方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810013327.7
• 申請(qǐng)日: 2008-09-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101362200A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董星龍;張雪峰;黃昊;呂波;俞快;王登科;雷軍鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B22F1/02
• 分類(lèi)號(hào): B22F1/02
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心
• 代理人: 侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料合成技術(shù)領(lǐng)域，是一種以金屬氧化物微米粉和異質(zhì)金屬微米粉為原料，壓制成復(fù)合塊體靶材，利用直流電弧放電蒸發(fā)，通過(guò)氣-液-固相轉(zhuǎn)變機(jī)制，合成“核/殼”型金屬氧化物陶瓷包覆異質(zhì)金屬納米復(fù)合顆粒材料的方法。

背景技術(shù)

納米顆粒通常是指尺寸分布在1-100nm之間，具有與塊體材料截然不同的表面界面效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)的超微粒子，納米粒子的特殊的性能使其在催化、光電、醫(yī)藥、磁介質(zhì)、電磁波吸收材料等方面具有非常重要的應(yīng)用前景。金屬納米顆粒材料的研究與開(kāi)發(fā)是二十一世紀(jì)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。然而，由于其高的表面活性，容易氧化或自燃，這種不穩(wěn)定性為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)一定困難。對(duì)金屬納米粒子表面進(jìn)行包覆處理可以很好的提高它在空氣中的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以賦予其特殊的性能，例如電、光、磁、熱、催化、生物相容等特性。

“核/殼”型納米復(fù)合顆粒的重要性體現(xiàn)在以下幾方面：(1)“核/殼”型納米結(jié)構(gòu)具有多樣性，其中“殼”和“核”可以是金屬(合金)、陶瓷和高分子材料中的任何一種；(2)金屬“核芯”的“核/殼”納米結(jié)構(gòu)，其“外殼”可以有效地保護(hù)金屬“核芯”，使其穩(wěn)定存在，防止其被環(huán)境腐蝕，拓展了這種材料的可應(yīng)用范圍和領(lǐng)域；(2)多種物質(zhì)種類(lèi)的“核/殼”結(jié)構(gòu)可以賦予納米復(fù)合顆粒許多特性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景，包括：電磁波吸收/屏蔽材料、磁介質(zhì)、催化劑、生物醫(yī)藥、磁/電流變材料、光電材料、環(huán)境檢測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)、基因分析、細(xì)胞成像、潤(rùn)滑劑、固態(tài)傳感器材料、顏料等領(lǐng)域。

目前為止，合成“核/殼”型納米顆粒材料的方法有許多，如氣相法、溶膠-凝膠法、微乳液法、熱處理法、化學(xué)聚合方法等。通過(guò)這些方法，可以制備出具有不同“核/殼”結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合顆粒，如碳包覆、聚合物包覆、硼化物包覆、氧化物包覆等各類(lèi)納米膠囊。而“核/殼”型金屬氧化物包覆異質(zhì)金屬納米復(fù)合粒子的制備方法以濕化學(xué)法為主，這種方法存在著一些不足，或者價(jià)格昂貴、或者工藝復(fù)雜、或者對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，發(fā)明一種簡(jiǎn)單、有效、低成本的制備“核/殼”結(jié)構(gòu)納米復(fù)合顆粒的方法成為一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是合成“核/殼”型金屬氧化物包覆異質(zhì)金屬或合金納米復(fù)合粒子，提供一種利用氫等離子體蒸發(fā)法，使用微米級(jí)的金屬和異質(zhì)氧化物陶瓷粉體，均勻混合并壓制成靶材，通過(guò)氣-液-固相轉(zhuǎn)變機(jī)制，在惰性、活性氣氛中蒸發(fā)靶材，原位復(fù)合具有特殊“核/殼”結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合粉體。解決目前制備“核/殼”結(jié)構(gòu)納米復(fù)合顆粒存在的工藝復(fù)雜、成本高以及環(huán)境污染等問(wèn)題，賦予這種納米復(fù)合顆粒電、磁、光、熱等多種特性，實(shí)現(xiàn)電磁波吸收/屏蔽材料、磁介質(zhì)、催化劑、生物醫(yī)藥、磁/電流變材料、光電材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是利用氫等離子體熱源，蒸發(fā)由微米級(jí)金屬或合金和異質(zhì)金屬氧化物粉體壓制而成的復(fù)合靶材，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、擴(kuò)散和冷凝過(guò)程，形成具有“核/殼”結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合顆粒材料。其具體制備步驟如下：

步驟1

首先將金屬和異質(zhì)金屬氧化物微米粉原料按質(zhì)量比，如5：1～20：1，均勻混合并壓制成塊體靶材，經(jīng)過(guò)真空燒結(jié)后作為陽(yáng)極。原料配比依據(jù)納米復(fù)合顆粒產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)要求以及塊體靶材的導(dǎo)電性具體確定。鎢棒或碳棒作為陰極。陽(yáng)極和陰極均安裝水冷裝置。

步驟2

將反應(yīng)室抽真空至10^-3乇，通入350乇氫氣350乇的氬氣或氦氣，塊體靶材被電弧引燃，形成高溫氫等離子體，并被快速蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)氣態(tài)-液態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)變形成具有“核/殼”結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合顆粒，沉積在有水冷裝置的反應(yīng)室壁上。蒸發(fā)過(guò)程可以通過(guò)電極間距、電壓及電流的調(diào)整而被控制。斷電弧后蒸發(fā)過(guò)程結(jié)束。放電電流為150～200安培；電壓為20～40伏特。

步驟3

待漂浮的粉體沉積在反應(yīng)室壁后，抽出氫氣和氬氣至10^-1～1.0乇，充入微量氧或空氣，靜置6～12小時(shí)，完成鈍化工藝。抽出反應(yīng)室內(nèi)氣體并充入空氣至一個(gè)大氣壓，完成2次以上循環(huán)后，打開(kāi)反應(yīng)室門(mén)并取出粉體樣品。

本發(fā)明以金屬或合金微米粉和與此金屬組元不同的異質(zhì)金屬氧化物微米粉為原料，壓制成塊體靶材。金屬微米粉可以是鐵、鈷、鎳、銅、鎂、錫、鋁等及其合金種類(lèi)，而異質(zhì)金屬氧化物微米粉可以是氧化鈦、氧化鋁、氧化錳、氧化釩、氧化鋅、氧化鋯、氧化鈰、氧化鑭、氧化釹、氧化釤和氧化釔等種類(lèi)。