[發(fā)明專利]一種純相超細(xì)納米晶CuO塊體材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910090733.8
• 申請(qǐng)日: 2009-08-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101633519A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-01-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋曉艷;孫中華;徐玲玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G3/02
• 分類號(hào): C01G3/02
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉 萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型功能材料和粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種純相超細(xì)納米晶CuO塊體材料的制備方法。

背景技術(shù)

具有半導(dǎo)體和超導(dǎo)性能的CuO材料數(shù)十年來(lái)在國(guó)際上一直受到特別關(guān)注，原因在于具有特殊物理性能的CuO材料在氣體傳感器、太陽(yáng)能電池、場(chǎng)發(fā)射器和電子陰極材料等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。此外，具有光電性能和光化學(xué)性能的CuO材料在光開(kāi)關(guān)、鋰電池、磁性存儲(chǔ)介質(zhì)和催化劑等領(lǐng)域也具有極為廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。

與傳統(tǒng)的CuO材料相比，納米結(jié)構(gòu)的CuO材料因具有突出的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等特性，使其在磁學(xué)、光學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)等方面表現(xiàn)出不同于常規(guī)材料的奇特的物理和化學(xué)性能。因此，研究和應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)的CuO材料已經(jīng)成為國(guó)際上的熱點(diǎn)課題。

關(guān)于納米CuO材料的研究，目前大多數(shù)集中于利用溶膠凝膠法、水熱法、液相沉積法、微波照射法、噴霧熱解法、聲化學(xué)法、電化學(xué)法和濕化學(xué)法等方法制備具有納米結(jié)構(gòu)的CuO納米管、納米棒、納米線、納米帶、納米球和納米顆粒等不同形態(tài)的CuO材料。然而，至今尚未看到有關(guān)高致密的納米晶結(jié)構(gòu)CuO塊體材料的制備研究的報(bào)道。因此，本發(fā)明提供一種結(jié)合球磨方法和放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備純相的納米晶結(jié)構(gòu)CuO塊體材料的制備方法。本制備方法目前在國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種純相超細(xì)納米晶CuO塊體材料的制備方法。首先利用可控固-氣反應(yīng)制備出單相的CuO粉末，然后對(duì)制備的單相CuO粉末進(jìn)行球磨處理，利用Cuo材料在機(jī)械球磨的過(guò)程中容易形成亞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，利用球磨得到具有非晶和納米晶混合亞結(jié)構(gòu)的CuO粉末，再利用放電等離子燒結(jié)過(guò)程中同時(shí)發(fā)生的非晶晶化和快速致密化機(jī)理將球磨后的CuO粉末在氬氣保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，最終獲得高致密度的純相的納米晶CuO塊體材料。

本發(fā)明所提供的純相超細(xì)納米晶CuO塊體材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將純Cu粉放入敞口的容器，加熱使之與空氣發(fā)生固-氣反應(yīng)，反應(yīng)溫度500～900℃，反應(yīng)時(shí)間4～10h，得到單相的CuO粉末。

(2)將固-氣反應(yīng)得到的單相CuO粉末進(jìn)行球磨，球磨工藝參數(shù)為：球料比5∶1～25∶1，球磨時(shí)間5～25h，得到非晶和納米晶混合結(jié)構(gòu)的CuO粉末。

(3)利用放電等離子燒結(jié)方法對(duì)球磨后的CuO粉末在氬氣保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度350～450℃，燒結(jié)壓力400～500MPa，在燒結(jié)溫度下保溫0～5min，最終得到純相的納米晶CuO塊體材料。

其中，步驟(1)中采用純Cu粉末與空氣直接進(jìn)行固-氣反應(yīng)制備CuO粉末，使用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，反應(yīng)溫度和時(shí)間易于控制，且可避免其它化學(xué)方法或液態(tài)合成方法易引入雜質(zhì)元素的問(wèn)題。反應(yīng)溫度區(qū)間的確定既要使反應(yīng)充分進(jìn)行而保證高的反應(yīng)效率，又要避開(kāi)CuO的分解溫度，以保證制備的CuO粉末具有純的單相。

步驟(2)中采用的球磨工藝可以有效地促進(jìn)在CuO粉末中形成非晶和納米晶的亞結(jié)構(gòu)。球磨工藝參數(shù)的制定一方面要確保足夠的輸出能量使得CuO粉末中形成所需的非晶和納米晶的結(jié)構(gòu)，另一方面又要避免球磨能量過(guò)高而誘發(fā)CuO分解形成Cu₂O，而不能得到單相的球磨CuO粉末。

步驟(3)中采用具有快速加熱、短時(shí)保溫、較低燒結(jié)溫度、可控?zé)Y(jié)壓力等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)的放電等離子燒結(jié)技術(shù)，與現(xiàn)有的其它燒結(jié)方法(如熱壓燒結(jié)、真空燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)等)相比，可顯著簡(jiǎn)化燒結(jié)工藝流程，尤其是有效地抑制粉末燒結(jié)致密化過(guò)程中發(fā)生的晶粒長(zhǎng)大，從而保證制備的CuO塊體材料既有高的致密度又具有超細(xì)的納米晶顯微結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明方法的整條工藝路線簡(jiǎn)單、操作方便，技術(shù)參數(shù)可控性強(qiáng)，且在不同制備階段的工藝參數(shù)均有較寬的可調(diào)節(jié)范圍，制備工藝的實(shí)用性強(qiáng)。所制備的純相納米晶CuO塊體材料可用于研究其磁學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等特性。

附圖說(shuō)明

圖1、本發(fā)明制備得到的具有非晶和納米晶混合結(jié)構(gòu)的CuO粉末的X-射線衍射分析圖譜：(a)實(shí)施例1；(b)實(shí)施例2；(c)實(shí)施例3。

圖2、本發(fā)明制備得到的純相的納米晶CuO塊體材料的X-射線衍射分析圖譜：(a)實(shí)施例1；(b)實(shí)施例2；(c)實(shí)施例3。

圖3、實(shí)施例1制備的納米晶CuO塊體材料的掃描電子顯微鏡照片。

圖4、實(shí)施例2制備的納米晶CuO塊體材料的掃描電子顯微鏡照片。

圖5、實(shí)施例3制備的納米晶CuO塊體材料的掃描電子顯微鏡照片。

具體實(shí)施方式