專利名稱：納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以鋯為基的非蒸散型吸氣材料，尤其是涉及到獲得高孔隙度和大比表面積鋯基非蒸散型吸氣材料的制備工藝。
背景技術(shù)：
目前，非蒸散型吸氣材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于建立和維持高度真空條件的電真空器件；也被用于氣體純化的充氣容器及器件中，以獲得高純度的使用氣體。非蒸散型吸氣材料主要以下列金屬元素為基，如鋯(Zr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)鉭(Ta)、釩(V)以及它們的合金等，這些合金可能包含有其他附加元素，如鋁(Al)、鐵(Fe)和石墨(C)等。其中鋯基非蒸散型吸氣材料主要是由鋯或者鋯合金和其他活性金屬間化合物按一定的成分比例制成，如Zr-Al、Zr-Zr2Fe、Zr-V-Fe、Zr-C和Zr-V-Fe-Ti等吸氣材料。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對吸氣材料的吸氣性能要求也越來越高，不僅要求吸氣材料對氣體具有大的吸收量，還要求吸氣材料應(yīng)具有大的吸收速率。而采用現(xiàn)有制備工藝生產(chǎn)的鋯基非蒸散型吸氣材料已經(jīng)逐漸滿足不了科技進(jìn)步發(fā)展的需要。鋯基非蒸散型吸氣材料對空氣和大多數(shù)其他氣體都具有較高的活性，通常能吸收除惰性氣體外的多種氣體，包括O2、CO2、CO、N2、H2O和H2等，其在高溫下對氣體的吸氣速度取決于占優(yōu)勢的體擴(kuò)散或晶界擴(kuò)散，而在較低溫度下主要依靠氣體的表面擴(kuò)散起吸氣作用，可見，在室溫下吸氣材料的孔隙度和比表面積是影響材料吸氣速率的重要基本參數(shù)。因此，在保持鋯基非蒸散型吸氣材料的外形尺寸、化學(xué)成分及數(shù)量不變的前提下，提高吸氣材料比表面積是促進(jìn)氣體表面擴(kuò)散反應(yīng)有效提高其吸氣速率的最有效途徑，也是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)制備鋯基非蒸散型吸氣材料的制備工藝，通過利用此制備工藝使獲得的鋯基非蒸散型吸氣材料具有高的孔隙度和大的比表面積，使其吸氣速率進(jìn)一步提高，以滿足電真空科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的需要。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，該制備工藝包括下述步驟(1)利用物理納米材料制備方法，將常規(guī)鋯或鋯合金粉末進(jìn)行顆粒細(xì)化，獲得顆粒度小于100nm的金屬粉末；(2)將細(xì)化后的納米粉末與活性金屬間化合物粉末，按照鋯基非蒸散型吸氣材料的成分要求進(jìn)行配料；(3)將配好的粉末在惰性氣體保護(hù)下，在滾筒機(jī)上進(jìn)行機(jī)械混料，時間不小于24小時；(4)對混好的粉末進(jìn)行加工成型，然后在800～1200℃中燒結(jié)10～60分鐘。
本發(fā)明采用納米技術(shù)制備鋯基非蒸散型吸氣材料。由于納米微粒具有大的比表面積、高的比表面活化能等特點，能表現(xiàn)出常規(guī)粒子所不具備的物理和化學(xué)活性等特征，因此本發(fā)明采用納米級顆粒鋯或鋯合金粉末，代替?zhèn)鹘y(tǒng)制備鋯基非蒸散型吸氣材料的鋯或鋯合金粉末，制備鋯基非蒸散型吸氣材料。
其中，在所述的步驟(2)中，所用的活性金屬間化合物種類根據(jù)鋯基非蒸散型吸氣材料種類而定，而且顆粒度應(yīng)不大于50μm。
其中，在所述的步驟(2)中，所用的各種粉末間的配料比例根據(jù)鋯基非蒸散型吸氣材料種類而定。
其中，在所述的步驟(4)中，所述的加工成型工藝為模具成型、涂覆、噴涂和懸浮液浸泡中的任意一種工藝。
將常規(guī)鋯或鋯合金粉末進(jìn)行顆粒細(xì)化，獲得顆粒度小于100nm的金屬粉末，利用物理納米材料制備方法。例如，下述一種的高能球磨法。
在所述的步驟(1)中，所述的納米材料制備方法為高能球磨法，所用的鋯為鈣還原法生產(chǎn)制備的電真空鋯粉末，其方法是在球磨罐中，先后放入電真空鋯粉末、磨球，再用無水乙醇或丙酮覆蓋鋯金屬粉末，在惰性氣體的保護(hù)下，裝入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨3h～30h，然后在真空條件下烘干，再用充惰性氣體鈍化，鈍化后制成納米級鋯粉。也可以采用多種的制備納米級鋯或鋯合金粉末的方法，本發(fā)明并不限定上述方法。
在上述的用高能球磨法制備納米級鋯金屬粉末的工藝方法中，所用的鋯金屬粉末的顆粒度為30μm～100μm；烘干的溫度為40～60℃；鈍化的時間在5小時以上；磨球和鋯金屬粉末的球料重量比為1∶3～1∶10；所用的磨球材質(zhì)為硬質(zhì)合金或瑪瑙。
本發(fā)明制備工藝具有的優(yōu)點本發(fā)明制備工藝簡單，無須改變吸氣材料的化學(xué)成份和外形尺寸；采用本發(fā)明制備工藝能顯著地增加鋯基非蒸散型吸氣材料本身的孔隙度和比表面積，增加活性氣體與吸氣材料的有效接觸面積，使吸氣速率顯著提高。


圖1為采用常規(guī)顆粒度鋯金屬粉末與活性金屬間化合物Zr2Fe粉末混合，制備鋯基非蒸散型吸氣材料(材料1)的組織微觀形貌。
圖2為采用納米級顆粒度鋯金屬粉末與活性金屬間化合物Zr2Fe粉末混合，制備鋯基非蒸散型吸氣材料(材料2)的組織微觀形貌。
圖3為鋯基非蒸散型吸氣材料的吸氣速率隨吸氣時間變化的特征曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的納米級鋯基非蒸散型吸氣材料的制備工藝的實施方式及優(yōu)點作進(jìn)一步描述。
使用顆粒度為-400目(37μm)的鈣還原法電真空級鋯粉，采用高能球磨法對其進(jìn)行顆粒細(xì)化，其工藝參數(shù)和方法如下先將鋯金屬粉末裝入球磨罐；再以瑪瑙為研磨球材質(zhì)，往球磨罐放入磨球，球料重量配比采用1∶4的比例；然后以無水乙醇作為研磨介質(zhì)，往球磨罐倒入研磨介質(zhì)，直到完全覆蓋金屬粉末；再往球磨罐內(nèi)充入氬氣；然后將球磨罐裝入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨，球磨時間為6h；球磨結(jié)束，在充有氬氣的手套箱內(nèi)將鋯金屬粉末取出，并在溫度為50℃、真空條件下烘干；烘干結(jié)束后，用充氬氣鈍化5小時，鈍化結(jié)束后，即制成納米級鋯金屬粉末，其顆粒尺寸為50nm。
按照鋯基非蒸散型吸氣材料的化學(xué)成分要求對上述加工的納米鋯金屬粉末與活性金屬間化合物粉末(其顆粒度為-400目)進(jìn)行配料，其中鋯金屬粉末為56wt％，金屬間化合物粉末為44wt％；接著在滾筒機(jī)上進(jìn)行機(jī)械混料，保護(hù)氣體為氬氣，混料36小時；再對充分混合的金屬粉末并進(jìn)行壓模成型，壓力為1000kg/cm2，然后進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100℃，時間20分鐘，最終獲得采用本發(fā)明制備工藝制備的一種納米級鋯基非蒸散型吸氣材料(材料2)。
同樣采用未經(jīng)細(xì)化的鋯粉金屬粉末(-400目)，制備出與上述實施例相同外型尺寸、化學(xué)成分及數(shù)量的鋯基非蒸散型吸氣材料(材料1)，然后對這兩種吸氣材料在掃描電鏡進(jìn)行相同條件的微觀組織形貌觀察，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吸氣速率測量，結(jié)果見圖1、圖2和圖3。通過比較圖1和圖2，通過比較可以看出采用本發(fā)明制備工藝制備的鋯基非蒸散型吸氣材料(材料2)具有較高的孔隙度和較大的比表面積。從圖3的吸氣性能曲線也可以看出，采用本發(fā)明制備工藝制備的鋯基非蒸散型吸氣材料(材料2)的吸氣速率顯著提高。
綜上所述，本發(fā)明的制備工藝無須改變吸氣材料的外形尺寸、化學(xué)成分及數(shù)量，能顯著提高鋯基非蒸散型吸氣材料的高孔隙度和比表面積，使鋯基非蒸散型吸氣材料的吸氣速率得到提高。
權(quán)利要求
1.一種納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，其特征在于該制備工藝包括下述步驟(1)利用物理納米材料制備方法，將常規(guī)鋯或鋯合金粉末進(jìn)行顆粒細(xì)化，獲得顆粒度小于100nm的金屬粉末；(2)將細(xì)化后的納米粉末與活性金屬間化合物粉末，按照鋯基非蒸散型吸氣材料的成分要求進(jìn)行配料；(3)將配好的粉末在惰性氣體保護(hù)下，在滾筒機(jī)上進(jìn)行機(jī)械混料，時間不小于24小時；(4)對混好的粉末進(jìn)行加工成型，然后在800～1200℃中燒結(jié)10～60分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，其特征在于在所述的步驟(2)中，所用的活性金屬間化合物種類根據(jù)鋯基非蒸散型吸氣材料種類而定，而且顆粒度應(yīng)不大于50μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，其特征在于在所述的步驟(2)中，所用的各種粉末間的配料比例根據(jù)鋯基非蒸散型吸氣材料種類而定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，其特征在于在所述的步驟(4)中，所述的加工成型工藝為模具成型、涂覆、噴涂和懸浮液浸泡中的任意一種工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，其特征在于在所述的步驟(1)中，所述的納米材料制備方法為高能球磨法，所用的鋯為鈣還原法生產(chǎn)制備的電真空鋯粉末，其方法是在球磨罐中，先后放入電真空鋯粉末、磨球，再用無水乙醇或丙酮覆蓋鋯金屬粉末，在惰性氣體的保護(hù)下，裝入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨3h～30h，然后在真空條件下烘干，再用充惰性氣體鈍化，鈍化后制成納米級鋯粉。
全文摘要
一種納米級鋯基非蒸散型吸氣材料制備工藝，該制備工藝包括下述步驟(1)利用物理納米材料制備方法，將常規(guī)鋯或鋯合金粉末進(jìn)行顆粒細(xì)化，獲得顆粒度小于100nm的金屬粉末；(2)將細(xì)化后的納米粉末與活性金屬間化合物粉末，按照鋯基非蒸散型吸氣材料的成分要求進(jìn)行配料；(3)將配好的粉末在惰性氣體保護(hù)下，在滾筒機(jī)上進(jìn)行機(jī)械混料，時間不小于24小時；(4)對混好的粉末進(jìn)行加工成型，然后在800～1200℃中燒結(jié)10～60分鐘。本發(fā)明制備工藝簡單，無須改變吸氣材料的化學(xué)成分和外形尺寸；采用本發(fā)明制備工藝能顯著地增加鋯基非蒸散型吸氣材料本身的孔隙度和比表面積，增加活性氣體與吸氣材料的有效接觸面積，使吸氣速率顯著提高。
文檔編號C22C16/00GK1580304SQ03149860
公開日2005年2月16日 申請日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者尉秀英, 秦光榮, 詹鋒, 杜軍, 蔣利軍, 苑鵬, 王志剛, 鄭強(qiáng) 申請人:北京有色金屬研究總院