專利名稱：晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤的制備方法
技術領域：
本發明為一種晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤材料的制備方法，屬于納米材料結構科學與制備技術領域。
背景技術：
當今，新型高性能納米材料的研制與開發為材料科學與工程領域公認的研究熱點和極富生命力的研究方向。而納米稀土材料的研究又是其中富有戰略意義的焦點。稀土元素具有獨特的4f電子結構、高的原子磁矩、豐富的電子能級等特性，使之展現出十分獨特的物理化學性能，倍受世界各國科學家的關注。稀土納米化后，由于高濃度晶界特征及小尺寸效應，稀土元素將會表現出更為優良的電學、磁學、光學、催化等性能，并隨之帶來顯微組織、晶體結構、物性、熱力學及相變特性、力學領域等一系列新的現象和規律。然而，由于稀土元素極高的化學活性及由此導致的對制備技術的苛刻要求，目前對稀土元素在納米尺度下的化學特性、物性、熱力學特性、力學性能等重要的基礎研究極為缺乏，特性數據鮮見報導，而對納米尺度下稀土元素基本性質的認識卻是研究開發新型納米稀土材料的關鍵之所在。
對稀土材料結構與性能的納米尺寸效應的研究需要多個尺寸級別的納米晶塊體材料，而現有的納米晶塊體材料的數種研制方法尚無法實現尺寸級別可調控的納米塊體材料的制備，目前國內外更無制備晶態、非晶態結構可調控的納米塊體材料的報道。
發明內容
本發明的晶態與非晶態結構及尺寸級別均可調控的納米純釤塊體材料完全可以滿足對納米稀土釤結構與性能多種角度系統而深入研究的需要。尤其，現有的由納米粉末燒結制備塊體納米晶材料的方法中，由于燒結致密化過程中納米粉末顆粒易于發生快速粗化而形成亞微米甚至微米級晶粒，得到的塊體材料晶粒尺寸均是不同程度地大于初始粉末粒徑。本發明根據研究發現的放電等離子燒結瞬時多點放電、顆粒間接觸部位溫度梯度陡增、臨界尺寸下顆粒熔融且超快凝固等獨特機制，利用納米顆粒非晶化、顆粒內晶胚形核、非晶態晶化轉變等過程制備出的致密純釤納米多晶塊體材料，晶粒尺寸均明顯小于初始納米粉末粒徑。這一具有開創性的納米塊體材料研制成果，顛覆了以往由納米粉末燒結制備塊體納米晶材料時人們關于納米晶粒尺寸必定大于初始粉末粒徑的傳統認識，對于超細(小于50納米)納米晶塊體材料的研究開發具有極為重要的意義，此科學機制及材料制備技術可推廣至多種超細納米多晶塊體材料的制備獲得，為研究稀土及其它納米材料的晶相結構、物性、力學性能、熱力學及相變特性等的納米尺寸效應創立了決定性條件。
本發明提供的晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將以純單質釤為原料、由惰性氣氛保護下的現有的蒸發-冷凝法制備出的純釤納米顆粒，在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室；加壓成型，壓力為30-100MPa；(2)采用如下工藝參數進行燒結終態燒結溫度150-350℃，升溫速率30-50℃/min，燒結壓力50-100MPa，終態燒結溫度下原位加壓保溫時間0-5min。
上述步驟(1)中加壓成型，隨壓力增加，燒結中非晶態晶化轉變趨勢增強，晶化后晶粒尺寸減小。
上述步驟(2)中隨燒結壓力增加、終態燒結溫度及保溫溫度升高、保溫時間延長，燒結中非晶態晶化轉變趨勢增強。隨保溫溫度升高、保溫時間延長，晶粒尺寸增大。
此材料的特征包括如下方面(不同實施例制備的晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤材料的表征參數見表1)(1)結構可調控通過調整成型壓力、燒結溫度、燒結壓力和終態保溫時間，控制非晶相的晶化轉變，可以獲得純釤的完全非晶態、晶態與非晶態雙相復合和完全晶態的三種晶相結構；(2)尺寸可調控通過調整燒結溫度、燒結壓力和終態保溫時間，控制晶相在非晶相基體中的形核及晶胚長大，可以實現純釤顯微組織尺寸的調控晶相與非晶相結構微元的尺寸在5-80納米之間，完全晶態的平均晶粒尺寸在5-60納米之間；(3)晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤材料，其硬度較傳統的粗晶釤塊體材料成倍增加。
圖1純釤的致密非晶態納米塊體材料(實施例1)的形貌圖(透射電子顯微鏡照片)。
圖2純釤的致密非晶態納米塊體材料(實施例1)的局部放大圖(透射電子顯微鏡照片)。
圖3純釤的致密晶態與非晶態納米雙相復合結構塊體材料(實施例3)的形貌圖(透射電子顯微鏡照片)圖4純釤的致密晶態與非晶態納米雙相復合結構塊體材料(實施例3)的選區電子衍射圖譜(晶體衍射斑點+非晶衍射環)。
圖5純釤的致密納米多晶塊體材料(實施例5)的晶粒顯微組織圖(高分辨透射電子顯微鏡照片)。
圖6純釤的在非晶態顆粒內部形成多位向晶粒的納米多晶塊體材料(實施例6)的形貌圖(高分辨透射電子顯微鏡照片)。
具體實施例方式
所有實施例中初始純釤納米顆粒均以單質釤(由有色金屬研究院制造)為原料、由惰性氣氛保護下的現有的蒸發-冷凝法制備得到，其中電弧電流50-200A，電弧電壓10-25V，起弧時間0.5-4小時。
例1、將純釤納米顆粒(平均粒徑為70納米)在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室。加壓成型，壓力為30MPa。具體燒結工藝參數為燒結溫度280℃，燒結壓力50MPa，燒結升溫速率50℃/min，制備得到純釤的非晶態納米塊體材料(顯微組織見圖1和圖2，材料表征參數見表1)。
例2、將純釤納米顆粒(平均粒徑為60納米)在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室。加壓成型，壓力為50MPa。具體燒結工藝參數為燒結溫度240℃，燒結壓力50MPa，燒結升溫速率30℃/min，制備得到純釤的非晶態納米塊體材料(顯微組織特征與圖1和圖2類似，材料表征參數見表1)。
例3、將純釤納米顆粒(平均粒徑為55納米)在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室。加壓成型，壓力為50MPa。具體燒結工藝參數為燒結溫度350℃，燒結壓力50MPa，燒結升溫速率50℃/min，致密化完成后原位加壓保溫2min，制備得到純釤的晶態與非晶態納米雙相復合結構塊體材料(顯微組織見圖3，晶相結構表征見圖4，材料表征參數見表1)。
例4、將純釤納米顆粒(平均粒徑為55納米)在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室。加壓成型，壓力為50MPa。具體燒結工藝參數為燒結溫度260℃，燒結壓力50MPa，燒結升溫速率40℃/min，致密化完成后原位加壓保溫5min，制備得到純釤的晶態與非晶態納米雙相復合結構塊體材料(顯微組織特征與圖3類似，材料表征參數見表1)。
例5、將純釤納米顆粒(平均粒徑為40納米)在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室。加壓成型，壓力為80MPa。具體燒結工藝參數為燒結溫度180℃，燒結壓力80MPa，燒結升溫速率50℃/min，致密化完成后原位加壓保溫5min，制備得到純釤的納米多晶塊體材料(顯微組織見圖5，材料表征參數見表1)。
例6、將純釤納米顆粒(平均粒徑為40納米)在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室。加壓成型，壓力為100MPa。具體燒結工藝參數為燒結溫度150℃，燒結壓力100MPa，燒結升溫速率30℃/min，致密化完成后原位加壓保溫2min，制備得到純釤的超細納米晶塊體材料(顯微組織見圖6，材料表征參數見表1)。
表1 不同實施例制備的晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤材料的表征參數
權利要求
1.一種晶態與非晶態結構及尺寸可調控的納米純釤的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將以純單質釤為原料、由惰性氣氛保護下的現有的蒸發-冷凝法制備出的純釤納米顆粒，在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室；加壓成型，壓力為30-100MPa；(2)采用如下工藝參數進行燒結終態燒結溫度150-350℃，升溫速率30-50℃/min，燒結壓力50-100MPa，終態燒結溫度下原位加壓保溫時間0-5min。
全文摘要
本發明屬于納米材料結構科學與制備領域。現有方法得到的塊體材料晶粒尺寸均大于初始粉末粒徑，一些燒結致密化過程中納米粉末顆粒易于發生快速粗化而形成亞微米甚至微米級晶粒。本發明包括以下步驟將以純度為99.5wt％的單質釤為原料、由惰性氣氛保護下的現有的蒸發－冷凝法制備出的純釤納米顆粒，在惰性氣體保護下裝入石墨模具，送入充滿惰性氣體的放電等離子燒結系統的燒結室；加壓成型，壓力為30－100MPa；采用如下工藝參數進行燒結終態燒結溫度150－350℃，升溫速率30－50℃/min，燒結壓力50－100MPa，保溫0－5min。本發明獲得三種晶相結構，尺寸可調控的納米純釤材料，硬度成倍增加，首次解決了100納米下多尺寸級別納米晶材料的制備問題，為研究稀土元素的納米尺寸效應開創條件。
文檔編號B22F9/02GK1743478SQ20051010568
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月30日 優先權日2005年9月30日
發明者宋曉艷, 張久興, 李爾東, 岳明, 盧年端 申請人:北京工業大學