專利名稱：稀土納米顆粒及納米晶材料制備方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及稀土元素納米顆粒及高致密納米晶塊體材料的制備方法及其設(shè)備，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，納米材料因其具有傳統(tǒng)材料無法比擬的獨(dú)特性能而受到了廣泛的研究和關(guān)注。研究表明，納米材料所具有的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)決定了這類材料具有奇異的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)活性等特性，從而具有極大的潛在應(yīng)用價值。
從形態(tài)上來說，納米材料主要包括納米顆粒材料和具有納米晶組織的塊體材料。就應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景而言，后者具有更大的優(yōu)勢。目前，有關(guān)納米粉體制備的研究和產(chǎn)業(yè)化方面已經(jīng)開展了大量的工作。人們采用多種方法如惰性氣體冷凝法、等離子氣相合成法、溶膠—凝膠法、水熱法等等合成了Fe、Co、Ni等多種金屬以及ZnO、TiO2、ZrO2等多種化合物納米顆粒材料。而納米晶塊體材料的一般制備方法有大塑性變形法、熔煉凝固法、粉末冶金燒結(jié)法等，這些方法都具有很大的局限性，不能制備100nm以下的高致密納米晶材料。放電等離子燒結(jié)技術(shù)(Spark Plasma Sintering，簡稱SPS)具有升溫速率高(-1000℃/min)、燒結(jié)快速(燒結(jié)保溫時間只需3-5分鐘)、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)機(jī)理特殊等技術(shù)特點(diǎn)。雖然放電等離子燒結(jié)技術(shù)也被用于制備納米晶材料，但單機(jī)型SPS不能用于易氧化、高活性材料的制備。因此，稀土元素納米顆粒及納米晶塊體材料的制備卻存在著很大的困難，研究工作鮮見報道。具體而言，制備稀土元素納米顆粒及納米晶塊體材料存在兩個難點(diǎn)第一，對于稀土元素而言，其納米顆粒都具有很強(qiáng)的活性，十分容易氧化，因此采用普通的處理技術(shù)和設(shè)備很難保證材料在處理過程中不被氧化。第二，由于納米顆粒表面能大，晶粒生長迅速，采用常規(guī)的燒結(jié)技術(shù)很容易長大到100納米以上。因此，目前有關(guān)稀土元素納米顆粒及納米晶塊體材料的制備技術(shù)已經(jīng)成為制約這類材料進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域的主要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述稀土元素納米顆粒及納米晶塊體材料制備技術(shù)中存在的問題，提供了一種稀土元素納米顆粒及高致密納米晶塊體材料的原位制備技術(shù)。
一種稀土納米顆粒的制備方法，其特征在于，包括以下步驟用物理氣相沉積技術(shù)將稀土原料制備成粉末狀納米顆粒，以純度高于99.5wt％的高純稀土元素作為陽極，金屬鎢作為陰極，在氦氣的保護(hù)氣氛下，選擇電流50-400A，電弧電壓10-50V，起弧時間0.5-5小時將原料制備成納米顆粒。
一種稀土元素納米晶材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1利用物理氣相沉積技術(shù)，以純度高于99.5wt％的高純稀土元素作為陽極，金屬鎢作為陰極，在氦氣的保護(hù)氣氛下，選擇電流50-400A，電弧電壓10-50V，起弧時間0.5-5小時將原料制備成納米顆粒；步驟2將上述粉末顆粒置入惰性氣體保護(hù)的預(yù)處理室，將納米粉裝入碳化鎢硬質(zhì)合金模具或石墨模具并預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力范圍10-1000Mpa；步驟3預(yù)壓后在惰性氣體保護(hù)下，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)將壓坯燒結(jié)合成為納米晶塊體材料，燒結(jié)溫度控制在200-500℃，燒結(jié)壓力為30-1000Mpa，燒結(jié)保溫時間為0-10min，燒結(jié)升溫速率為20-100℃/min。
本發(fā)明提供的稀土元素納米顆粒顆粒度均勻，粒徑小于100納米，不同實(shí)施例制備的粉末的粒度見表1。顆粒的具體形貌如附圖2、3、4所示。
本發(fā)明提供的稀土元素納米晶塊體材料材料具有很高的致密度(達(dá)到理論密度的99％以上)。材料顯微組織晶粒細(xì)小、均勻，晶粒度小于100納米(如附圖5所示)。同時，X射線衍射表明材料具有很好的單相性，不存在氧化物(如附圖6所示)。
本發(fā)明提供的一種稀土納米顆粒及納米晶材料的制備方法所用設(shè)備，其特征在于，依次包括材料物理氣相沉積部分1，帶有納米粉末收集容器的納米粉末捕集機(jī)構(gòu)2，帶有專用機(jī)械傳遞機(jī)構(gòu)的納米粉末傳遞機(jī)構(gòu)3，納米粉末顆粒預(yù)處理部分4，納米晶塊體材料燒結(jié)成型部分5(如附圖1所示)，上述各部分均包括用于抽真空的真空泵和通入惰性氣氛保護(hù)的氣瓶，其中捕集機(jī)構(gòu)2，傳遞機(jī)構(gòu)3，預(yù)處理部分4，燒結(jié)成型部分5置入充有惰性保護(hù)氣氛的手套箱中；納米粉末顆粒預(yù)處理部分4和燒結(jié)成型部分5具有氣體循環(huán)凈化裝置；在納米粉末預(yù)處理部分4有磁場取向裝置，熱處理裝置，粉末成型模具，液壓裝置以及球磨裝置。
本設(shè)備中用于制備納米粉末的物理氣相沉積部分以及用于納米晶塊體材料燒結(jié)的放電等離子燒結(jié)設(shè)備均屬于目前通用設(shè)備。但目前的設(shè)備均屬于單機(jī)型，無法制備象稀土元素這類易于氧化、活性高的材料。而本設(shè)備將這兩個主要設(shè)備通過納米粉末的捕集、傳遞機(jī)構(gòu)連接起來，并且設(shè)置了用于粉末預(yù)處理的裝置。同時全套設(shè)備均置入手套箱。設(shè)備通過抽真空，沖入惰性氣體以及氣體循環(huán)凈化等手段，有效地實(shí)現(xiàn)了無氧操作環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了稀土元素材料從粉末到納米晶塊體制備的功能。


圖1是本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-物理氣相沉積部分；2-捕集機(jī)構(gòu)；3-傳遞機(jī)構(gòu)；4-預(yù)處理部分；5-燒結(jié)成型部分。
圖2是采用原位物理氣相沉積技術(shù)制備的稀土元素釹納米顆粒(實(shí)施例1)的形貌圖(透射電子顯微鏡照片)。
圖3是采用原位物理氣相沉積技術(shù)制備的稀土元素釓納米顆粒(實(shí)施例2)的形貌圖(透射電子顯微鏡照片)。
圖4是采用原位物理氣相沉積技術(shù)制備的稀土元素釤納米顆粒(實(shí)施例3)的形貌圖(透射電子顯微鏡照片)。
圖5是采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備的稀土元素釓的納米晶塊體材料(實(shí)施例2)的晶粒顯微組織圖(高分辯透射電子顯微鏡照片)。
圖6是采用本設(shè)備制備的稀土釤元素的納米晶塊體材料(實(shí)施例3)的X射線衍射圖。
具體實(shí)施例方式
例1、將純度為99.5wt％高純釹放入物理氣相沉積設(shè)備，在氦氣氣氛下，選擇電弧電流400A，電弧電壓50V，起弧時間5小時將原料制備成稀土元素釹的納米顆粒。將上述的釹的納米顆粒在高純氬氣體保護(hù)的預(yù)處理室粉裝入石墨模具并預(yù)壓成型。壓力10MPa。將生坯利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)成為塊體材料。具體燒結(jié)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度為500℃，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)保溫時間為10min，燒結(jié)升溫速率為20℃/min。
例2、將純度為99.8wt％高純釓放入物理氣相沉積設(shè)備，在氦氣氣氛下，選擇電弧電流200A，電弧電壓35V，起弧時間2小時將原料制備成稀土元素釓的納米顆粒。將上述的釓的納米顆粒在高純氬氣體保護(hù)的預(yù)處理室粉裝入碳化鎢硬質(zhì)合金模具并預(yù)壓成型。壓力500MPa。將生坯利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)成為塊體材料。具體燒結(jié)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度為300℃，燒結(jié)壓力為100MPa，燒結(jié)保溫時間為2min，燒結(jié)升溫速率為40℃/min。
例3、將純度為99.6wt％高純釤放入物理氣相沉積設(shè)備，在氦氣氣氛下，選擇電弧電流50A，電弧電壓10V，起弧時間0.5小時將原料制備成稀土元素釤的納米顆粒。將上述的釤的納米顆粒在高純氬氣體保護(hù)的預(yù)處理室粉裝入碳化鎢硬質(zhì)合金模具并預(yù)壓成型。壓力1000MPa。將生坯利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)成為塊體材料。具體燒結(jié)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度為200℃，燒結(jié)壓力為1000MPa，燒結(jié)保溫時間為0min，燒結(jié)升溫速率為100℃/min。
本發(fā)明的設(shè)備發(fā)明點(diǎn)不在于各部分的結(jié)構(gòu)，其總體思路在發(fā)明內(nèi)容中已經(jīng)描述，不再贅述。
表1
權(quán)利要求
1.一種稀土納米顆粒的制備方法，其特征在于，包括以下步驟用物理氣相沉積技術(shù)將稀土原料制備成粉末狀納米顆粒，以純度高于99.5wt％的高純稀土元素作為陽極，金屬鎢作為陰極，在氦氣的保護(hù)氣氛下，選擇電流50-400A，電弧電壓10-50V，起弧時間0.5-5小時將原料制備成納米顆粒。
2.一種稀土納米晶材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1利用物理氣相沉積技術(shù)，以純度高于99.5wt％的高純稀土元素作為陽極，金屬鎢作為陰極，在氦氣的保護(hù)氣氛下，選擇電流50-400A，電弧電壓10-50V，起弧時間0.5-5小時將原料制備成納米顆粒；步驟2將上述粉末顆粒置入惰性氣體保護(hù)的預(yù)處理室，將納米粉裝入碳化鎢硬質(zhì)合金模具或石墨模具并預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力范圍10-1000Mpa；步驟3預(yù)壓后在惰性氣體保護(hù)下，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)將壓坯燒結(jié)合成為納米晶塊體材料，燒結(jié)溫度控制在200-500℃，燒結(jié)壓力為30-1000Mpa，燒結(jié)保溫時間為0-10min，燒結(jié)升溫速率為20-100℃/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的稀土納米顆粒及納米晶材料的制備方法所用設(shè)備，其特征在于，依次包括材料物理氣相沉積部分(1)，帶有納米粉末收集容器的納米粉末捕集機(jī)構(gòu)(2)，帶有專用機(jī)械傳遞機(jī)構(gòu)的納米粉末傳遞機(jī)構(gòu)(3)，納米粉末顆粒預(yù)處理部分(4)，納米晶塊體材料燒結(jié)成型部分(5)，上述各部分均包括用于抽真空的真空泵和通入惰性氣氛保護(hù)的氣瓶，其中捕集機(jī)構(gòu)(2)，傳遞機(jī)構(gòu)(3)，預(yù)處理部分(4)，燒結(jié)成型部分(5)置入充有惰性保護(hù)氣氛的手套箱中；納米粉末顆粒預(yù)處理部分(4)和燒結(jié)成型部分(5)具有氣體循環(huán)凈化裝置；在納米粉末預(yù)處理部分(4)有磁場取向裝置，熱處理裝置，粉末成型模具，液壓裝置以及球磨裝置。
全文摘要
本發(fā)明屬納米材料領(lǐng)域。顆粒制造物理氣相沉積，稀土為陽極，鎢為陰極，氦氣保護(hù)下，50－400A，10－50V，起弧0.5－5小時制成納米顆粒。晶材料制造上述納米顆粒置入惰性氣體保護(hù)的預(yù)處理室，裝入模具預(yù)壓成型，壓力10－1000MPa；惰性氣體保護(hù)下，放電等離子燒結(jié)溫度200－500℃，壓力30－1000MPa，保溫0－10min，升溫速率為20－100℃/min。設(shè)備依次包括物理氣相沉積部分(1)，粉末捕集機(jī)構(gòu)(2)，傳遞機(jī)構(gòu)(3)，預(yù)處理部分(4)，燒結(jié)成型部分(5)，各部分均有真空泵和惰性氣瓶，置入有惰性保護(hù)氣氛的手套箱中；預(yù)處理部分(4)和燒結(jié)成型部分(5)有氣體循環(huán)凈化裝置。本發(fā)明顆粒粒度均勻，粒徑小于100納米；晶塊體材料致密度高，晶粒細(xì)小、均勻，單相性好。
文檔編號B22F9/14GK1743103SQ200510089080
公開日2006年3月8日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者張久興, 岳明, 宋曉艷, 曾宏, 張東濤, 周美玲, 左鐵鏞 申請人:北京工業(yè)大學(xué)