專利名稱：一種純相超細納米晶CuO塊體材料的制備方法
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 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)十年來在國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、太陽能電池、場 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材料在光開關(guān)、鋰電池、磁性存儲介質(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)成為國際上的熱點課題。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 制備方法目前在國內(nèi)外均未見相關(guān)報道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種純相超細納米晶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，然后對制備的單相CuO粉 末進行球磨處理，利用Cuo材料在機械球磨的過程中容易形成亞結(jié)構(gòu)的 點， 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)過程中同時發(fā)生的非晶晶化和快速致密化機理將球磨后的CuO粉末在氬 氣保護下進行燒結(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。C,反應(yīng)時間4 10h，得到單相的CuO粉末。(2) 將固-氣反應(yīng)得到的單相CuO粉末進行球磨，球磨工藝參數(shù)為 球料比5:1 25:1，球磨時間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)方法對球磨后的CuO粉末在氬氣保護下進行 燒結(jié)，燒結(jié)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度350 450。C，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粉末與空氣直接進行固-氣反應(yīng)制備CuO 粉末，使用設(shè)備簡單，操作方便，反應(yīng)溫度和時間易于控制，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)元素的問題。反應(yīng)溫度區(qū)間的確定既要 使反應(yīng)充分進行而保證高的反應(yīng)效率，又要避開CuO的分解溫度，以保證制 備的CuO粉末具有純的單相。步驟(2 )中釆用的球磨工藝可以有效地促進在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高而 誘發(fā)CuO分解形成Cu20，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、短時保溫、較低燒結(jié)溫度、可控?zé)Y(jié)壓 力等獨特技術(shù)優(yōu)勢的放電等離子燒結(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)、無壓燒結(jié)等)相比，可顯著簡化燒結(jié)工藝流程，尤其是有 效地抑制粉末燒結(jié)致密化過程中發(fā)生的晶粒長大，從而保證制備的CuO塊體 材料既有高的致密度又具有超細的納米晶顯微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法的整條工藝路線簡單、操作方便，技術(shù)參數(shù)可控性強，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，制備工藝的實用性強。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。


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)實施例1; (b)實施例2; ( c )實施例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)實施例l; (b)實施例2; (c)實施例3。圖3、實施例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。
具體實施方式
所有實施例中，Cu粉(純度為99.5°/。)購自美國CERAC公司；將Cu粉放 入GSL 1600X型真空爐的敞口爐管中，并在其中完成Cu粉和空氣的固-氣反 應(yīng)；球磨工藝使用的設(shè)備為沈陽科源機電設(shè)備廠生產(chǎn)的GN-2型球磨機；燒結(jié) 工藝使用的設(shè)備為日本Sumitomo Coal Mining公司生產(chǎn)的SPS-3.20-MK-V型放電等離子燒結(jié)設(shè)備。實施例1:將純Cu粉放入敞口的高溫管式爐中，在加熱過程中使之與空氣發(fā)生固-氣反應(yīng)，反應(yīng)溫度500。C,反應(yīng)時間10h,得到單相的CuO粉末。將固-氣反 應(yīng)得到的單相CuO粉末進行球磨，球磨工藝參數(shù)為球料比5:1，球磨時間 25h，得到非晶和納米晶混合結(jié)構(gòu)的CuO粉末，其成相和結(jié)構(gòu)分析參見圖l( a )。 利用放電等離子燒結(jié)方法對球磨后的CuO粉末在氬氣保護下進行燒結(jié)，燒結(jié) 工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度350。C，燒結(jié)壓力500MPa,在燒結(jié)溫度下保溫5min, 最終得到純相的納米晶CuO塊體材料，具有致密度97.5%,其物相分析見圖 2 (a)，顯微組織形貌見圖3，平均晶粒尺寸為35nm。實施例2:將純Cu粉放入敞口的高溫管式爐中，在加熱過程中使之與空氣發(fā)生固-氣反應(yīng)，反應(yīng)溫度700。C，反應(yīng)時間7h，得到單相的CuO粉末。將固-氣反應(yīng)得到的單相CuO粉末進行球磨，球磨工藝參數(shù)為球料比15:1，球磨時間 15h，得到非晶和納米晶混合結(jié)構(gòu)的CuO粉末，其成相和結(jié)構(gòu)分析參見圖l( b )。 利用放電等離子燒結(jié)方法對球磨后的CuO粉末在氬氣保護下進行燒結(jié)，燒結(jié) 工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度400。C，燒結(jié)壓力450MPa,在燒結(jié)溫度下保溫3min, 最終得到純相的納米晶CuO塊體材料，具有致密度98.0%,其物相分析見圖 2(b),顯微組織形貌見圖4，平均晶粒尺寸為30nm。實施例3:將純Cu粉放入敞口的高溫管式爐中，在加熱過程中使之與空氣發(fā)生固-氣反應(yīng)，反應(yīng)溫度900。C,反應(yīng)時間4h,得到單相的CuO粉末。將固-氣反 應(yīng)得到的單相CuO粉末進行球磨，球磨工藝參數(shù)為球料比25:1，球磨時間 5h，得到非晶和納米晶混合結(jié)構(gòu)的CuO粉末，其成相和結(jié)構(gòu)分析參見圖l( c )。 利用放電等離子燒結(jié)方法對球磨后的CuO粉末在氬氣保護下進行燒結(jié)，燒結(jié) 工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度450。C，燒結(jié)壓力400MPa,在燒結(jié)溫度下不保溫，最 終得到純相的納米晶CuO塊體材料，具有致密度98.5%，其物相分析見圖2 (c)，顯微組織形貌見圖5,平均晶粒尺寸為26nm。
權(quán)利要求
1.一種純相超細納米晶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粉末放入敞口的容器，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粉末進行球磨，球磨工藝參數(shù)為球料比5∶1~25∶1，球磨時間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)方法對球磨后的CuO粉末在氬氣保護下進行燒結(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。
全文摘要
一種純相超細納米晶CuO塊體材料的制備方法屬于新型功能材料和粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明步驟將純Cu粉末放入敞口的容器，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)時間4~10h，得到單相的CuO粉末；將單相CuO粉末進行球磨，球料比5∶1~25∶1，球磨時間5~25h，得到非晶和納米晶混合結(jié)構(gòu)的CuO粉末；利用放電等離子燒結(jié)方法對球磨后的CuO粉末在氬氣保護下進行燒結(jié)，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。本發(fā)明方法的整條工藝路線簡單、操作方便，技術(shù)參數(shù)可控性強，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，制備工藝的實用性強。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。
文檔編號C01G3/02GK101633519SQ20091009073
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者孫中華, 宋曉艷, 徐玲玲 申請人:北京工業(yè)大學(xué)