專利名稱：一種稀土RAl的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬的納米粉末材料技術(shù)，特別提供了一種含有鋁的稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法。
背景技術(shù)：
含有鋁的稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料是至少在一個(gè)方向上的尺寸在1～1000納米的超細(xì)微粒，制備狀態(tài)為粉末狀，納米粉末材料屬于原子和宏觀物體的過渡區(qū)，展現(xiàn)出既不同于晶態(tài)的長程有序，也不同于非晶態(tài)的短程有序的結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出許多奇異的特征，如量子限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，由此使納米粉末材料呈現(xiàn)出許多奇特的物理化學(xué)性能，如優(yōu)良的力學(xué)性能、特殊的電磁性能、高的反應(yīng)活性和催化活性以及吸收電磁波的性能。稀土和Al負(fù)電性相差較大，同時(shí)這兩類金屬原子半徑相差較大，決定了它們之間相互溶解度小，而易形成一系列化合物，這些化合物包括RAl，RAl2，RAl3。但是到目前為止，還未見到有關(guān)納米R(shí)Al，RAl2，RAl3的報(bào)道。
由于稀土活潑易氧化，納米級(jí)RAl2稀土金屬化合物必須有外殼保護(hù)免受氧化環(huán)境破壞，外殼為鋁的氧化物，稀土氧化物或稀土鋁氧化物(鋁酸鹽)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，用該方法可以大量地穩(wěn)定地獲得納米尺寸的稀土RAl2金屬化合物。
本發(fā)明具體提供了一種稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，納米粉末的外殼為鋁的氧化物，稀土氧化物或稀土鋁氧化物，其特征在于采用電弧放電產(chǎn)生等離子體的制備技術(shù)；所用消耗陽極的成分是，按原子計(jì)，Al5～66％，余量的稀土R，稀土R元素為Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu之一種或多種；制備在氬氣和氫氣混合氣氛中進(jìn)行，氬氣壓強(qiáng)為0.001～0.5Mpa，氫氣壓強(qiáng)為0.001～0.1Mpa；所用消耗陽極與陰極距離為1～200mm，電弧放電的電流為6～800A，電壓為6～80V。
本發(fā)明稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法中，制備完成后，可以用含有0～70％空氣的氬氣鈍化，鈍化時(shí)間為1～300小時(shí)，再進(jìn)行納米粉末的收集。
本發(fā)明稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法中，所述消耗陽極由鋁粉與稀土粉末混合、壓制成形，壓強(qiáng)為0.5MPa～2GPa。或者是鋁粉與稀土熔煉制成的鑄錠。
本發(fā)明稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法中，所用陰極是金屬鎢、或含鎢的合金。所用陽極為水冷陽極。
本發(fā)明稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法中，所述水冷陽極和消耗陽極之間有銅坩鍋，銅坩鍋的厚度為3～150mm。
本發(fā)明稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法中，所述鋁原料的純度，按重量計(jì)，等于或高于95％，稀土純度等于或高于90％。
電弧等離子體是電離了的氣體，它是由電子、離子和中性粒子組成。其中電子和離子的總數(shù)基本相等，因而作為整體是電中性的，若等離子體一旦出現(xiàn)電荷分離，立即就會(huì)產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)。
電子溫度在電弧放電過程中，電子在電場(chǎng)中獲得的能量w＝1eV，電子的電荷量為e＝1.6×10-19庫侖，V＝1伏特，因而可以得到1eV＝1.6×10-19庫侖×1伏特＝1.6×10-19焦耳。根據(jù)溫度的微觀定義，E＝W＝3/2 kT＝1eV＝1.6×10-19焦耳，把玻耳茲曼常數(shù)代入便可得到電子溫度TT＝11600K氣體電弧放電中，外部電源將能量傳遞給電子，因?yàn)殡娮邮请娏鞯妮d流體。電子直接從電源中獲得能量，因而溫度比較高。離子主要是通過跟電子的碰撞獲得能量。在每一次電子跟離子的碰撞中，由于兩者質(zhì)量相差很大，電子只是把自己很少的一部分能量傳遞給離子。電子雖然在碰撞中損失掉一小部分能量，卻同時(shí)又從外部電源中繼續(xù)獲得了能量，在等離子體中，電子溫度和離子溫度不同。在本發(fā)明中電子溫度高于離子溫度，在等離子體中高溫未必非常熱，如在日光燈中。這是因?yàn)楸M管電子動(dòng)能很大，但數(shù)量很少。
德拜長度粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)所引起的電荷分離尺度是由德拜(Debye)長度λD來描述，它與電子溫度Te的平方根成正比，而與電子數(shù)密度ne的平方根成反比。
λD＝(ε0k Te/e2ne)1/2德拜長度定量的描述了等離子體由于某種原因引起的局部電荷分離，使電中性受到破壞的程度。也可以把λD看作電離氣體是否是等離子體的一個(gè)衡量尺度。
在電弧放電產(chǎn)生的等離子體中德拜長度為700納米，溫度是104K，密度是1014cm-3。在溫度是300K時(shí)，等離子體中德拜長度為7×10-9米，為7納米。
等離子體中電子和離子間的靜電吸引力使其不斷的振蕩，振蕩頻率f為f＝9000(n)1/2/秒，等離子體密度n越大，振蕩頻率越高。
在所有穩(wěn)定的RAl化合物中，RAl2的熔點(diǎn)最高，如YAl21485℃， LaAl21405℃，CeAl21480℃，PrAl21480℃，NdAl21460℃，PmAl21480℃，SmAl21500℃，EuAl21300℃，GdAl21525℃，TbAl21500℃，DyAl21500℃，HoAl21530℃，ErAl21455℃，TmAl21500℃，YbAl21360℃、LuAl21450℃當(dāng)溫度降低到熔點(diǎn)以下時(shí)，金屬化合物蒸氣易于形成晶核。因此，采用本發(fā)明電弧等離子體的方法，可以大量地穩(wěn)定地制備生成納米級(jí)的稀土RAl2金屬化合物粉末。
由于納米金屬粒子的粒徑小、比表面大，在空氣中極易氧化，因而難以應(yīng)用，特別是稀土。當(dāng)形成RAl2金屬化合物，其抗氧化性提高，特別當(dāng)表層形成Al2O3時(shí)，變成為相對(duì)穩(wěn)定的金屬化合物。


圖1為用電弧等離子體制備稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的裝置示意圖；圖2為沉積上蓋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料的透射電鏡照片；圖3為沉積上蓋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜，圖中所標(biāo)為GdAl2的衍射峰；圖4為沉積在圖1所示的銅坩鍋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料高分辨電鏡照片；圖5為沉積在圖1所示的銅坩鍋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜；圖6為沉積在圖1所示的上蓋上的NdAl2金屬化合物納米粉末材料，；圖7為沉積上蓋上的NdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜；圖8為沉積上蓋上的CeAl2金屬化合物納米粉末材料的透射電鏡照片；圖9為沉積上蓋上的CeAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式圖1是用電弧等離子體制備稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的裝置示意圖。圖中1是裝置上蓋，用于打開裝置。2是鎢或鎢的合金電極。3是用于抽真空的接口。4是消耗陽極，所用消耗陽極是成分按原子計(jì)為Al占5～66％，余為稀土R占34～95％，熔煉制成的鑄錠，R為稀土元素之一種。稀土元素為Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。5是觀察窗；6是用來收集稀土RAl2金屬化合物納米顆粒的金屬擋板。7是水冷陽極。8是冷卻水的進(jìn)出口。9是可調(diào)水冷陰極夾頭。10是純銅坩鍋，銅坩鍋的厚度為3～150mm。11是直流電源，工作時(shí)，產(chǎn)生電弧放電的電流為10～1000A，電壓為8～60V。12是氬氣入口，氬氣壓強(qiáng)為0.002～0.5Mpa；12可以用來放入含有0.1～70％空氣的氬氣鈍化，鈍化時(shí)間為1～300小時(shí)。13是氫氣入口，氫氣壓強(qiáng)為0.001～0.2Mpa。稀土RAl2金屬化合物納米顆粒沉積在銅坩鍋上，或擋板上，或上蓋和側(cè)壁上，并可根據(jù)需要用物理或化學(xué)方法將RAl2分離出。
實(shí)施例1將顆粒度在1微米到1毫米的Gd和Al顆粒，按Gd70Al30(原子百分比，at％粉末)壓制成形，壓強(qiáng)為1MPa～2GPa。壓成的塊體作為靶材，氬氣壓強(qiáng)為0.02Mpa，氫氣壓強(qiáng)為0.005Mpa，所用陰極是金屬鎢，產(chǎn)生電弧放電的電流為15～100A，電壓為12～28V。電弧熄滅后，放入0.01Mpa的氬氣和0.002Mpa的空氣鈍化，鈍化時(shí)間為15小時(shí)，沉積在圖一所示的上蓋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料。圖2為其透射電鏡照片。圖2表明GdAl2金屬化合物納米粉末材料尺寸在5～50nm。圖3是沉積上蓋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜，圖中所標(biāo)為GdAl2的衍射峰。
實(shí)施例2用Gd和Al純金屬，按Gd80Al20(原子百分比，at％粉末)熔煉成金屬錠做為靶材，氬氣壓強(qiáng)為0.02Mpa，氫氣壓強(qiáng)為0.006Mpa，產(chǎn)生電弧放電的電流為15～110A，電壓為12～30V，電弧熄滅后，放入0.02Mpa的氬氣鈍化10小時(shí)，沉積在圖1所示的銅坩鍋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料。圖4為其高分辨電鏡照片。圖5為沉積在圖1所示的銅坩鍋上的GdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜。
實(shí)施例3用Nd和Al純金屬，按Nd70Al30(原子百分比，at％粉末)熔煉成金屬錠做為靶材，氬氣壓強(qiáng)為0.03Mpa，氫氣壓強(qiáng)為0.006Mpa，產(chǎn)生電弧放電的電流為14～110A，電壓為12～30V，電弧熄滅后，放入0.02Mpa的空氣鈍化3小時(shí)，沉積在圖1所示的上蓋上的NdAl2金屬化合物納米粉末材料，圖6為其透射電鏡照片。圖6表明NdAl2金屬化合物納米粉末材料尺寸小于50nm。圖7是沉積上蓋上的NdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜，圖中所標(biāo)為NdAl2的衍射峰。
實(shí)施例4用Ce和Al純金屬，按Ce70Al30(原子百分比，at％粉末)熔煉成金屬錠做為靶材，氬氣壓強(qiáng)為0.03Mpa，氫氣壓強(qiáng)為0.006Mpa，產(chǎn)生電弧放電的電流為14～110A，電壓為12～30V，電弧熄滅后，放入含有0.02Mpa的氬氣鈍化50小時(shí)，沉積在圖1所示的上蓋上的CeAl2金屬化合物納米粉末材料，圖8為其透射電鏡照片。圖8表明NdAl2金屬化合物納米粉末材料尺寸小于100nm。圖9為沉積上蓋上的NdAl2金屬化合物納米粉末材料的X光衍射圖譜。
權(quán)利要求
1.一種稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，納米粉末的外殼為鋁的氧化物，稀土氧化物或稀土鋁氧化物，其特征在于采用電弧放電產(chǎn)生等離子體的制備技術(shù)；所用消耗陽極的成分是，按原子計(jì)，Al 5～66％，余量的稀土R，稀土R元素為Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu之一種或多種；制備在氬氣和氫氣混合氣氛中進(jìn)行，氬氣壓強(qiáng)為0.001～0.5Mpa，氫氣壓強(qiáng)為0.001～0.1Mpa；所用消耗陽極與陰極距離為1～200mm，電弧放電的電流為6～800A，電壓為6～80V。
2.按照權(quán)利要求1所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于制備完成后，用含有0～70％空氣的氬氣鈍化，鈍化時(shí)間為1～300小時(shí)，再進(jìn)行收集。
3.按照權(quán)利要求1所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于所述消耗陽極由鋁粉與稀土粉末混合、壓制成形，壓強(qiáng)為0.5MPa～2GPa。
4.按照權(quán)利要求1所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于所述消耗陽極是鋁粉與稀土熔煉制成的鑄錠。
5.按照權(quán)利要求1所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于所用陰極是金屬鎢、或含鎢的合金。
6.按照權(quán)利要求1所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于所用陽極為水冷陽極。
7.按照權(quán)利要求6所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于所述水冷陽極和消耗陽極之間有銅坩鍋，銅坩鍋的厚度為3～150mm。
8.按照權(quán)利要求3或4所述稀土RAl2金屬化合物納米粉末材料的制備方法，其特征在于所述鋁原料的純度，按重量計(jì)，等于或高于95％，稀土純度等于或高于90％。
全文摘要
一種稀土RAl
文檔編號(hào)C01F17/00GK101045547SQ20061004621
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者耿殿禹, 張志東, 馬嵩, 王振華, 孫乃坤, 劉先國, 李達(dá), 張維山, 劉偉, 趙新國, 任衛(wèi)軍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所