[发明专利]金属氧化物包覆异质金属“核/壳”型纳米粒子的合成方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料合成技术领域，是一种以金属氧化物微米粉和异质金属微米粉为原料，压制成复合块体靶材，利用直流电弧放电蒸发，通过气-液-固相转变机制，合成“核/壳”型金属氧化物陶瓷包覆异质金属纳米复合颗粒材料的方法。

背景技术

纳米颗粒通常是指尺寸分布在1-100nm之间，具有与块体材料截然不同的表面界面效应，小尺寸效应和量子尺寸效应的超微粒子，纳米粒子的特殊的性能使其在催化、光电、医药、磁介质、电磁波吸收材料等方面具有非常重要的应用前景。金属纳米颗粒材料的研究与开发是二十一世纪材料科学与工程领域的热点之一。然而，由于其高的表面活性，容易氧化或自燃，这种不稳定性为实际应用带来一定困难。对金属纳米粒子表面进行包覆处理可以很好的提高它在空气中的稳定性，同时也可以赋予其特殊的性能，例如电、光、磁、热、催化、生物相容等特性。

“核/壳”型纳米复合颗粒的重要性体现在以下几方面：(1)“核/壳”型纳米结构具有多样性，其中“壳”和“核”可以是金属(合金)、陶瓷和高分子材料中的任何一种；(2)金属“核芯”的“核/壳”纳米结构，其“外壳”可以有效地保护金属“核芯”，使其稳定存在，防止其被环境腐蚀，拓展了这种材料的可应用范围和领域；(2)多种物质种类的“核/壳”结构可以赋予纳米复合颗粒许多特性，因此具有广阔的应用前景，包括：电磁波吸收/屏蔽材料、磁介质、催化剂、生物医药、磁/电流变材料、光电材料、环境检测、临床医学、基因分析、细胞成像、润滑剂、固态传感器材料、颜料等领域。

目前为止，合成“核/壳”型纳米颗粒材料的方法有许多，如气相法、溶胶-凝胶法、微乳液法、热处理法、化学聚合方法等。通过这些方法，可以制备出具有不同“核/壳”结构的纳米复合颗粒，如碳包覆、聚合物包覆、硼化物包覆、氧化物包覆等各类纳米胶囊。而“核/壳”型金属氧化物包覆异质金属纳米复合粒子的制备方法以湿化学法为主，这种方法存在着一些不足，或者价格昂贵、或者工艺复杂、或者对环境污染严重。因此，发明一种简单、有效、低成本的制备“核/壳”结构纳米复合颗粒的方法成为一个重要的研究内容。

发明内容

本发明的目的是合成“核/壳”型金属氧化物包覆异质金属或合金纳米复合粒子，提供一种利用氢等离子体蒸发法，使用微米级的金属和异质氧化物陶瓷粉体，均匀混合并压制成靶材，通过气-液-固相转变机制，在惰性、活性气氛中蒸发靶材，原位复合具有特殊“核/壳”结构的纳米复合粉体。解决目前制备“核/壳”结构纳米复合颗粒存在的工艺复杂、成本高以及环境污染等问题，赋予这种纳米复合颗粒电、磁、光、热等多种特性，实现电磁波吸收/屏蔽材料、磁介质、催化剂、生物医药、磁/电流变材料、光电材料等领域的应用。

本发明的技术方案是利用氢等离子体热源，蒸发由微米级金属或合金和异质金属氧化物粉体压制而成的复合靶材，经过蒸发、扩散和冷凝过程，形成具有“核/壳”结构的纳米复合颗粒材料。其具体制备步骤如下：

步骤1

首先将金属和异质金属氧化物微米粉原料按质量比，如5：1～20：1，均匀混合并压制成块体靶材，经过真空烧结后作为阳极。原料配比依据纳米复合颗粒产物的结构要求以及块体靶材的导电性具体确定。钨棒或碳棒作为阴极。阳极和阴极均安装水冷装置。

步骤2

将反应室抽真空至10^-3乇，通入350乇氢气350乇的氩气或氦气，块体靶材被电弧引燃，形成高温氢等离子体，并被快速蒸发，经过气态-液态-固态转变形成具有“核/壳”结构的纳米复合颗粒，沉积在有水冷装置的反应室壁上。蒸发过程可以通过电极间距、电压及电流的调整而被控制。断电弧后蒸发过程结束。放电电流为150～200安培；电压为20～40伏特。

步骤3

待漂浮的粉体沉积在反应室壁后，抽出氢气和氩气至10^-1～1.0乇，充入微量氧或空气，静置6～12小时，完成钝化工艺。抽出反应室内气体并充入空气至一个大气压，完成2次以上循环后，打开反应室门并取出粉体样品。

本发明以金属或合金微米粉和与此金属组元不同的异质金属氧化物微米粉为原料，压制成块体靶材。金属微米粉可以是铁、钴、镍、铜、镁、锡、铝等及其合金种类，而异质金属氧化物微米粉可以是氧化钛、氧化铝、氧化锰、氧化钒、氧化锌、氧化锆、氧化铈、氧化镧、氧化钕、氧化钐和氧化钇等种类。