專利名稱：一種制備塊體納米純鎳材料的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術領域，特別是提供了一種制備塊體納米純鎳材料的方法，廣泛應用于微機械、電子學和納米技術等領域。
背景技術：
納米材料是指至少在一個方向上的晶粒尺寸介于1～100nm的單相或多相多晶材料。它們與相同成分的普通材料相比不同之處僅為晶粒尺寸和晶界上的原子排列的差異。當多晶材料的晶粒尺寸減小到納米數量級時，其結構將發(fā)生顯著變化。首先，在材料中形成了不同于有序(晶體結構)或無序(液態(tài)或玻璃結構)狀態(tài)的短程序。隨晶粒的不斷減小，界面的數量持續(xù)增加，界面原子的數量也逐漸接近晶內的水平。如晶粒尺寸為5nm的材料中，位于晶界的原子體積分數將達到60％。因此，納米結構材料的性能將不再僅僅取決于晶內原子的作用。相反，這種材料表現出的奇特性能變化恰恰反映了界面的顯著作用。此外，晶內材料的原子結構也將發(fā)生一定的變化，如由于原子偏離其平衡位置而造成的缺陷、應變場和靜態(tài)或動態(tài)原子短程位移等。以上原子結構的變化將造成材料眾多物理和力學性能的變化。因此，與普通粗晶材料相比，納米材料表現出室溫強度的增加、擴散能力的提高、韌性的改善、密度的降低、彈性模量的降低、電阻率的增加、比熱的增加、熱膨脹系數的增大、熱傳導能力的降低以及優(yōu)異的磁性能等。納米材料表現出的優(yōu)異性能使其成為新世紀最具應用前景的材料之一。
塊體納米結構材料的研究和應用是納米材料發(fā)展的一個重要方向，對整個納米材料科學技術的進一步發(fā)展和應用具有舉足輕重的作用。雖然實驗室研究已經證明納米結構材料的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)粗晶材料(張立德，牟季美， 納米材料和納米結構，科學出版社，北京，2001，p260)，但是實驗室研究成果向工程應用的轉化進程卻明顯滯后。其中一個主要的障礙是塊體納米材料的制備成形技術沒有取得突破，即獲得具有納米結構的粉體和小樣品相對較容易，而獲得可以滿足實際結構應用要求的塊體材料卻困難的多。
目前制備納米粉體材料使用的技術主要包括氣體凝聚法、快速凝固法、濺射法、機械合金化或球磨法、傳統(tǒng)的氣相沉積法(物理氣相沉積PVD和化學氣相沉積CVD)、等離子輔助PVD/CVD、電沉積、等離子法和溶膠凝膠法等。但是，這些技術在使用過程中均存在一些問題和不足，成為限制新型納米材料實用化的重大障礙。這些問題包括(1)多數制備技術涉及的嚴重問題是極低的生產率。經常可以看到實驗室裝置每天僅合成數克納米材料的情形。如此低的生產效率造成極高的生產成本，嚴重限制了其作為納米結構材料應用的可行性；(2)多數制備方法僅能夠一次合成一種金屬或陶瓷納米粉末，而無法按預定比例制備兩種或多種均勻混合的納米顆粒，限制了納米結構材料的應用范圍；(3)多數制備技術需要昂貴的大型設備(如高能激光器或等離子發(fā)生器等)，導致過高的制造成本，不利于納米結構材料的大規(guī)模工業(yè)化應用；(4)在氣相沉積納米顆粒時，難以準確控制顆粒的尺寸和尺寸分布，往往出現很寬的顆粒尺寸分布，并出現尺寸數倍于平均顆粒尺寸的大顆粒，不利于獲得均勻一致的納米晶組織，將引起材料性能的波動；(5)某些工藝在合成陶瓷粉末時需要使用昂貴的原材料并可能產生有害的氣體排放，不利于環(huán)境保護。
綜合分析已有的研究結果，得出的結論是，球磨技術最有可能克服以上困難，成為低成本批量制備納米材料的實用化方法。然而，常溫下球磨韌性材料，如Ni時，軟金屬的Ni常常與磨球和球磨罐壁粘連，嚴重影響了球磨過程的進行。近年來，將低溫液體介質(如液氮)加入球磨環(huán)境中極大地影響了球磨過程(D.Witkin，Z.Lee，R.Rodrigurz，S.Nutt，E.J.Lavernia.Scripta Mater.，2003；49297；F.Zhou，X.Z.Liao，Y.T.Zhu，S.Dallek，E.J.Lavernia，Acta Materialia，2003；512777)。因為在較低的溫度下球磨有助于使軟的金屬變脆，有利于顆粒的破碎。而且，研究還表明液氮溫度下的球磨還會導致原位形成納米尺度的氮氧化物。低溫球磨粉末中觀察到的明顯熱穩(wěn)定性被歸結為這些氮氧化物顆粒產生的釘扎效應。這種具有高熱穩(wěn)定性的粉體特別有利于后期的塊體材料成形，可以在較高溫度條件下實現塊體材料的致密化燒結與成形，而不會引起晶粒尺寸的過度長大。顯然，這對于獲得高致密度的塊體納米材料十分有利。
高純度、高致密度的塊體納米Ni材料可以在室溫通過軋制獲得超塑性材料。這對在深層次上研究納米結構的形變機制非常有利。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于一種制備塊體納米純鎳材料的方法，利用液氮低溫球磨+熱等靜壓和靜液擠壓等中低溫強加工技術制備塊體納米純Ni材料。可廣泛應用于微機械、電子學和納米技術等領域。
本發(fā)明的構成選用市售Ni粉，粉體純度大于98重量％，粒度為50～200微米。采用液氮低溫球磨技術制備出高熱穩(wěn)定性的納米Ni粉體，然后利用中低溫強加工技術制備出塊體納米純Ni材料；具體方法如下1、低溫球磨制取高熱穩(wěn)定性的納米Ni粉體(1)球磨裝置的選用選擇立式轉子球磨機或高能臥式轉子球磨機進行球磨。
(2)球磨溫度低溫球磨液氮的溫度?？刂圃?110～-150℃之間。在較低的溫度下球磨可以使Ni變脆，有利于顆粒的破碎，獲得較小的納米晶尺寸。
(3)球磨時間球磨時間選為2～10小時。
(4)球料比球料比選擇為30～50∶1。
2、利用中低溫強加工技術制備出塊體納米Ni材料(1)冷等靜壓壓實壓力為1400～1600MPa。
(2)熱等靜壓溫度為1000～1100℃，壓力為150～250MPa，保壓時間為50～70分鐘。
(3)靜液擠壓溫度為室溫，擠壓比為3～5∶1。
本發(fā)明的優(yōu)點是(1)易于實現批量生產規(guī)模，有利于產業(yè)化開發(fā)；(2)設備簡單，工藝過程容易控制，綜合制備成本較低。


圖1是本發(fā)明的經7小時液氮球磨后形成的平均晶粒尺寸為28nm的Ni粉末的形貌。
圖2是本發(fā)明的經7小時液氮球磨，再經冷等靜壓預成形以及1050℃/200MPa熱等靜壓1小時后，最后經過靜液擠壓獲得塊體納米Ni棒材(直徑20mm，長度100mm)上切取的樣品圖。
圖3為圖2中相應塊體納米Ni的典型組織，平均晶粒尺寸小于100nm。
具體實施例方式
實施例1選用市售Ni粉，粉體純度為98.2重量％，粒度為53微米。選取立式轉子球磨機和不銹鋼球及罐，球料比為35∶1，球磨溫度為-130℃，球磨7小時后形成平均晶粒尺寸為28nm的Ni粉。采用冷等靜壓法獲得塊體Ni材料，壓力為1450MPa。熱等靜壓溫度為1050℃，壓力為200MPa，保壓時間為60分鐘。最后經過靜液擠壓獲得塊體納米Ni棒材。靜液擠壓溫度為室溫，擠壓比為4∶1。樣品硬度達到315DPH，為粗晶材料的近3倍。
實施例2選用市售Ni粉，粉體純度為98重量％，粒度為75微米。選取立式轉子球磨機和不銹鋼球及罐，球料比為40∶1，球磨溫度為-140℃，球磨9小時后形成平均晶粒尺寸為11nm的Ni粉。采用冷等靜壓法獲得塊體Ni材料，壓力為1600MPa。熱等靜壓溫度為1100℃，壓力為150MPa，保壓時間為50分鐘。最后經過靜液擠壓獲得塊體納米Ni棒材。靜液擠壓溫度為室溫，擠壓比為3∶1。樣品硬度達到328DPH。
實施例3選用市售Ni粉，粉體純度為98.5重量％，粒度為180微米。選取高能臥式轉子球磨機和不銹鋼球及罐，球料比為50∶1，球磨溫度為-150℃，球磨2小時后形成平均晶粒尺寸為32nm的Ni粉。采用冷等靜壓法獲得塊體Ni材料，壓力為1400MPa。熱等靜壓溫度為1000℃，壓力為250MPa，保壓時間為70分鐘。最后經過靜液擠壓獲得塊體納米Ni棒材。靜液擠壓溫度為室溫，擠壓比為5∶1。樣品硬度達到337DPH。
權利要求
1.一種制備塊體納米純鎳材料的方法，其特征在于選用市售Ni粉，粉體純度大于98重量％，粒度為50～200微米；采用液氮低溫球磨技術制備出高熱穩(wěn)定性的納米Ni粉體，然后利用中低溫強加工技術制備出塊體納米純Ni材料。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述低溫球磨制取高熱穩(wěn)定性的納米Ni粉體的工藝為a、球磨裝置的選用選擇立式轉子球磨機或高能臥式轉子球磨機進行球磨；b、球磨溫度低溫球磨液氮的溫度?？刂圃?110～-150℃之間；c、球磨時間球磨時間選為2～10小時；d、球料比球料比選擇為30～50∶1。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的利用中低溫強加工技術制備出塊體納米Ni材料的工藝為a、冷等靜壓壓實壓力為1400～1600MPa；b、熱等靜壓溫度為1000～1100℃，壓力為150～250MPa，保壓時間為50～70分鐘；c、靜液擠壓溫度為室溫，擠壓比為3～5∶1。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備塊體納米純鎳材料的方法，選用市售Ni粉，粉體純度大于98重量％，粒度為50～200微米；采用液氮低溫球磨技術制備出高熱穩(wěn)定性的納米Ni粉體，然后利用中低溫強加工技術制備出塊體納米純Ni材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于易于實現批量生產規(guī)模，有利于產業(yè)化開發(fā)；設備簡單，工藝過程容易控制，綜合制備成本較低；可廣泛應用于微機械、電子學和納米技術等領域。
文檔編號B22F9/04GK1600467SQ20041000966
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權日2004年10月14日
發(fā)明者楊濱, 樊建中, 張濟山, 熊柏青, 程軍勝, 田曉風, 郝斌, 崔華 申請人:北京科技大學