摘 要: 利用惰性气体蒸发)冷凝法制备了系列纯稀土金属的纳米粉末颗粒。通过分析稀土金属的蒸气压随温度的变化特征,指出了适合用惰性气体蒸发)冷凝法制备纳米粉末的稀土金属的种类。以Sm、Nd、Gd纯稀土金属为例,用透射电镜观测了稀土金属纳米颗粒的形貌及晶体结构,并测算了平均粒径及粒径分布。
关键词:惰性气体蒸发-冷凝法;稀土金属;纳米颗粒;蒸气压
稀土元素具有独特的4f电子结构、高的原子磁矩、丰富的电子能级等特性[1-2],使之展现出十分独特的物理化学性能,倍受世界各国科学家的关注[3-5]。然而,由于稀土元素高的化学活性及由此导致的对制备技术的苛刻要求,目前对纯稀土金属基本性质的认识非常缺乏,有关纳米纯稀土材料的研究更是鲜见报道。
纳米材料的奇异性能是由其原子尺度上的晶体结构、特殊的界面和表面性质所决定的。当粒子尺寸进入纳米量级时,其本身具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应,因而展现出许多特有的性质[6-7]。这些特征使其具有许多特殊的物理、化学和力学性能[8],如:特殊的磁性能、高的扩散率、高的反应活性和催化性能,优良的强度、硬度和韧性等综合力学性能[9]。
新型高性能纳米材料的研制与开发成为材料科学与工程领域公认的研究热点和富有生命力的研究方向,而纳米稀土材料的研究又是其中富有战略意义的焦点。稀土纳米化后,由于高浓度晶界特征及小尺寸效应,稀土元素将会表现出更为优良的电学、磁学、光学、催化等性能[10-11],并随之带来显微组织、晶体结构、物性、热力学及相变特性以及力学领域等一系列新的现象和规律。然而,由于稀土金属在制备及测试时需要保证高的纯度而对相关研究技术的苛刻要求,目前对稀土元素在纳米尺度下的化学特性、物性、热力学特性、力学性能等[12]重要的基础研究非常缺乏,而对纳米尺度下稀土元素基本性质的认识却是研究开发新型纳米稀土材料的关键之所在。同时,纳米颗粒的制备又是后期获得高性能纳米块体材料的首要环节,制备出高纯度、无氧化、无杂质、无污染的纳米粉末,是最终得到高性能块体纳米材料的决定性条件。
目前制备纳米粉末的方法很多,如机械法、物理法和化学法等[13],这些方法都能成功制备出多种材料的纳米粉末,但是由于稀土金属的特殊活性,现在许多制备纳米粉末的方法都不能获得高纯度的纳米稀土粉末。本文介绍的惰性气体蒸发)冷凝法虽然是一种开发较早的纳米粉末制备的物理方法,由于其制备原理的适用性和所需设备比较简单,尤其是克服了稀土元素由于很高的化学活性所带来的保证高纯度制备的困难,并且通过控制有关工艺参数,可以实现对纳米粉末颗粒度的调控。
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