[發(fā)明專利]一種高純超細(xì)納米晶镥塊體材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310206774.5
• 申請日: 2013-05-29
• 公開（公告）號: CN103273069A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋曉艷;鄧韻文;喬印凱
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;B22F3/105
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明為一種高純超細(xì)納米晶镥塊體材料的制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

稀土镥為銀白色金屬，是稀土族元素中硬度最高和密度最大的金屬，在自然界儲量少，在空氣中性質(zhì)比較穩(wěn)定，并且镥元素與其他的稀土元素如釤無論物理性質(zhì)還是化學(xué)性質(zhì)等均具有本質(zhì)性不同，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸汽壓、密度、化學(xué)活性等存在很大差異，不同的物理化學(xué)性質(zhì)直接決定制備技術(shù)和工藝參數(shù)的不同。

已有的大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，元素的熔點(diǎn)越高，熔點(diǎn)與沸點(diǎn)間的溫度差越大，采用蒸發(fā)－冷凝的方法制備納米粉末的困難就越大；絕大多數(shù)學(xué)者預(yù)言，在元素的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)間的溫度差超過1000°C的情況下，采用蒸發(fā)－冷凝的方法制備金屬納米粉末的產(chǎn)率極低，甚至該技術(shù)無法實(shí)施。镥元素在常規(guī)粗晶狀態(tài)下的熔點(diǎn)為1656°C，沸點(diǎn)為3315°C，熔沸點(diǎn)間溫度差高達(dá)1659°C；而釤元素在常規(guī)粗晶狀態(tài)下的熔點(diǎn)為1072°C，沸點(diǎn)為1791°C，熔沸點(diǎn)間溫度差僅為719°C，比镥元素的一半還低。因此，制備镥納米粉末就相當(dāng)困難，更不用說制備超細(xì)納米晶镥塊體材料了。

镥元素在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景對其基礎(chǔ)特性的研究提出了緊迫的要求，特別是急需認(rèn)識镥在納米尺度下的各種特性。然而，稀土元素本身化學(xué)性質(zhì)非常活潑，納米化進(jìn)一步增加了活性，由此使得稀土納米材料的制備技術(shù)和工藝的探索困難重重。尤其是制備高純、小尺寸范圍的納米晶镥是目前國際上稀土和納米材料領(lǐng)域的極大挑戰(zhàn)。至今關(guān)于镥元素的納米化制備及其在納米尺度下的各種物理化學(xué)性能、熱力學(xué)特性等基礎(chǔ)研究未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明正是基于對納米稀土镥結(jié)構(gòu)與性能多種角度系統(tǒng)研究的需要，針對高純、小尺寸范圍的納米晶镥制備技術(shù)的急迫需求，提出一種高純超細(xì)納米晶镥塊體材料的制備方法。

本發(fā)明提供的高純超細(xì)納米晶镥塊體材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

（1）以純度為99.99wt.%的常規(guī)粗晶單質(zhì)镥為原料，將蒸發(fā)爐腔體抽至真空度1.0x10^-2Pa以上，通入氦氣使?fàn)t腔內(nèi)氣體壓力為0.5-1.0Pa，設(shè)置初始起弧電壓范圍為10-35V，起弧電流范圍為80-300A，蒸發(fā)時間30-60min，首先制備出镥的納米顆粒；

（2）在惰性氣氛保護(hù)下，將步驟（1）制備的镥納米顆粒依次通過40目、100目、200目三道篩后，裝入硬質(zhì)合金模具，預(yù)壓成坯，再送入真空度1.0x10^-7Pa以上、環(huán)境氧含量0.1ppm以下的放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)中；

（3）采用如下工藝參數(shù)對步驟（2）獲得的镥納米顆粒壓坯進(jìn)行放電等離子燒結(jié)：升溫速率60-120℃/min，燒結(jié)壓力300-500MPa，終態(tài)燒結(jié)溫度400-700℃，并在終態(tài)燒結(jié)溫度下保溫6-12min。

步驟（1）中，通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)爐內(nèi)氣體壓力、起弧電壓、電流強(qiáng)度和蒸發(fā)時間，可調(diào)整镥納米顆粒的產(chǎn)率、平均粒徑和粒徑分布。在控制氦氣流量使蒸發(fā)爐內(nèi)氣體壓力維持恒定的情況下，增大起弧電壓和電流強(qiáng)度，可提高镥納米顆粒的產(chǎn)率；維持起弧電壓和電流強(qiáng)度不變，增大氦氣流量，可提高蒸發(fā)爐內(nèi)氣體壓力，镥納米顆粒的產(chǎn)率也增加。另一方面，隨著納米顆粒的產(chǎn)率增大和蒸發(fā)時間延長，顆粒之間發(fā)生合并長大的趨勢增強(qiáng)，镥納米顆粒的平均粒徑增大且粒徑分布加寬。因此，需要兼顧镥納米顆粒的產(chǎn)率和粒徑分布均勻性而優(yōu)化調(diào)整蒸發(fā)爐內(nèi)氣體壓力、起弧電壓、電流強(qiáng)度和蒸發(fā)時間。

本發(fā)明的特征和優(yōu)勢包括以下幾個方面：

（1）高純度：制備過程全程在惰性氣氛、高真空、極低含氧量的環(huán)境中進(jìn)行，保證了镥納米顆粒和燒結(jié)塊體中最大程度減少乃至避免雜質(zhì)的引入。制備獲得的镥納米晶塊體的純度均在99.95wt.%以上。

（2）近全致密：步驟（1）獲得的納米顆粒純度高且粒徑分布均勻，步驟（2）獲得的壓坯中納米顆粒平均粒徑進(jìn)一步減小且壓坯致密度較高，此兩方面處理非常有利于步驟（3）的燒結(jié)致密化，從而使最終制備獲得的納米晶塊體接近全致密。以酒精為液體介質(zhì)利用阿基米德方法測得制備的镥納米晶塊體的致密度均達(dá)到99%以上。

（3）超細(xì)納米晶粒尺寸：經(jīng)過步驟（1）對納米顆粒的產(chǎn)率和粒徑分布均勻性的控制和步驟（2）過篩進(jìn)一步減小納米顆粒的平均粒徑和提高粒徑分布均勻性，結(jié)合步驟（3）調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)，最終制備獲得的镥納米晶塊體的平均晶粒尺寸均可達(dá)到40nm以下，屬于超細(xì)納米晶金屬塊體材料。而且，通過各步驟中工藝參數(shù)之間的匹配調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對超細(xì)納米晶塊體中晶粒尺寸的調(diào)節(jié)和控制。