一種大量制備錫晶須的方法

一種大量制備錫晶須的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料制備領域，具體涉及大量生長的錫晶須的方法。
【背景技術】
[0002]金屬晶須是自然形成或在人工控制條件下生長而成的一種纖維狀單晶，通常不含有晶體學缺陷，原子排列高度有序，因而其強度接近完整晶體的理論值。同時金屬晶須的高度取向結構還使其具有優異的電學、磁學、光學、介電、導電和超導等性能，因此在電子和光電設備上有巨大的應用前景。錫晶須作為一種典型的金屬晶須，優異的力學性能使其可以作為高強度復合材料的增強相。且錫晶須理論比容量高達994mAh/g，遠高于商用鋰離子電池中所采用的石墨的理論比容量(372mAh/g)(Y.1dota et al.Science.1997，276:1395-1397);錫晶須可以有效緩解電化學反應中錫的體積膨脹與收縮，同時電荷沿晶須傳輸，具有高的運輸效率。這使得以錫晶須作為鋰離子電池電極具有很大的發展潛能。
[0003]目前晶須的制備方法主要有氣相-液相-固相法(VLS)(R.S.Wagner eta 1.Applied Physics Letters.1964，4:89-90)和模板法(C.R.Mart in.Science.1994，266:1961-1966) JLS的生長過程為:在一定溫度下，固體襯底上形成含有催化劑的小液滴，然后蒸發態的反應物融入金屬催化劑的液滴中，在其中形核生長，最后反應物在催化劑液滴的控制下逐漸生長成晶須。VLS的優點是產率大，產物一般為單晶。但是對設備要求高，反應過程需要引入氣相和催化劑，大大提高了晶須制備成本。另外催化劑的使用還可能對產品造成污染。模板法是制備晶須的另一種常用方法，利用電化學沉積法、溶膠-凝膠沉淀法、化學氣相沉積法、化學沉積法等方法均能在模板內合成所需晶須。模板法是一種相對簡單、高效、價廉的方法，且可以通過模板孔徑來控制晶須直徑。但模板法制備的晶須通常是多晶，且在數量上也受到一定限制。除了 VLS和模板法，冼愛平等人以NdSn3為原料制備了 Sn晶須，詳見《一種Sn晶須的制備方法》一例(CN 101935872A)。
[0004]錫晶須的自發生長現象最早于20世紀40年代發現在錫鍍層上。近年來，在金屬間化合物以及Ti2SnC等金屬性陶瓷材料上也發現了錫晶須自發生長現象。本發明利用Sn晶須在T1-Sn-C合金化體系中的快速生長現象大量制備了 Sn晶須單晶。

【發明內容】

[0005]技術問題:為了解決現有錫晶須制備方法中存在的工藝復雜、成本高、晶須質量有待提高等問題，本發明提供了一種利用粉末冶金途徑大量制備錫晶須的方法。
[0006]技術方案:本發明以T1、Sn、C元素為原料，利用球磨機進行球磨，球磨后將粉體取出，在一定壓力下成形制樣或保持粉末狀態，培養一段時間后樣品中生長出大量錫晶須。
[0007]本發明是通過粉末冶金途徑制備錫晶須，具體包括以下步驟:
[0008]步驟1.將Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料；
[0009]步驟2.將步驟I中得到混合原料與磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至I?10Pa；
[0010]步驟3.將步驟2中密封好的真空球磨罐裝入行星式球磨機中，球磨轉速為100?1000r/min，球磨時間為I?50h;
[0011]步驟4.將步驟3中球磨后所得的粉體在O?IGPa下成形制樣或保持粉末狀態；
[0012]步驟5.將步驟4中所得制樣培養后，樣品中生長出大量的錫晶須。
[0013]其中:
[0014]所述的Ti粉、Sn粉和C粉的摩爾比為:1:1:1?1:2:1。
[0015]所述的磨球與原料的質量比為1:1?100:1。
[0016]所述的步驟5中對制樣的培養條件是:生長溫度為-10°C至錫的熔點231.89°C，培養氣氛為空氣、真空或氬氣氣氛。
[00? 7 ]技術原理:Ti粉、Sn粉和C粉在高能球磨過程中發生機械合金化反應，生成一定量的Ti2SnC微晶。Ti2SnC金屬性陶瓷材料是一種三元層狀化合物，由Ti的八面體和Sn原子層交替排列組成，其中C位于Ti的八面體間隙中，這種特殊的層狀結構使T1-Sn之間的鍵合很弱，Ti2SnC晶粒在繼續球磨過程中極易發生斷裂，形成大量Ti2SnC解理面。當粉體中自由Sn與Ti2SnC解理面接觸時，就會形成錫晶須自發生長所需的晶須核，同時基體中大量自由Sn為錫晶須的生長提供了充足Sn原子來源。因此，短時間內就能形成大量的錫晶須。
[0018]有益效果:本發明與VLS和模板法等傳統錫晶須制備工藝相比，工藝簡單，無需引入氣相、催化劑和模板等，對設備要求低、工藝參數范圍寬，大大降低了錫晶須制備的成本；制備的晶須數量多，且均為單晶體，晶須質量高。與冼愛平等人的錫晶須制備方法(CN101935872A)相比，本發明中以T1、Sn、C元素為原料，未使用價格昂貴的稀土元素，原材料成本低;制備過程僅需球磨即可，工藝簡單，節約能源；晶須生長速度快，晶須數量顯著多于前者O
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明實施例1中，T1、Sn、C混合粉末球磨后的X射線衍射圖譜；
[0020]圖2為本發明實施例1制備的錫晶須的X射線衍射圖譜；
[0021]圖3為本發明實施例1制備的錫晶須的光學照片；
[0022]圖4為本發明實施例1制備的錫晶須的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0023]下面結合實施例對本發明進行詳細的描述:
[0024]本發明實施例所選用的T1、Sn、C粉均由國藥集團化學試劑有限公司生產，純度分別為99.0 %、99.5 %和99.85%,粒度分別為250、200和500目。
[0025]實施例1:
[0026]按摩爾比1:2:1稱量Ti粉、Sn粉和C粉作為制備錫晶須的原料;采用不銹鋼球作為磨球，磨球與原料的質量比為20:1;將稱量得到的原料與磨球一起加入不銹鋼真空球磨罐中，抽真空至約1Pa;將密封好的不銹鋼真空球磨罐裝入球磨機中，球磨轉速設置為800r/min，球磨時間設置為8h;球磨結束后取出粉體，其X射線衍射圖譜如圖1所示;將經過球磨的粉體置于室溫空氣環境下，7天后，粉體中生長出大量的錫晶須，如圖3和圖4所示。
[0027]實施例2:
[0028]按摩爾比1:1:1稱量Ti粉、Sn粉和C粉作為制備錫晶須的原料;采用不銹鋼球作為磨球，磨球與原料的質量比為30:1;將稱量得到的原料與磨球一起加入不銹鋼真空球磨罐中，抽真空至約1Pa;將密封好的不銹鋼真空球磨罐裝入球磨機中，球磨轉速設置為800r/min，球磨時間設置為4h;球磨結束后將粉體取出，在200MPa下成形制樣，然后將樣品置于室溫空氣環境下，12天后，樣品中生長出大量的錫晶須。
[0029]實施例3:
[0030]按摩爾比1:1:1稱量Ti粉、Sn粉和C粉作為制備錫晶須的原料;采用不銹鋼球作為磨球，磨球與原料的質量比為10:1;將稱量得到的原料與磨球一起加入不銹鋼真空球磨罐中，抽真空至約1Pa;將密封好的不銹鋼真空球磨罐裝入球磨機中，球磨轉速設置為600r/min，球磨時間設置為1h;球磨結束后將粉體取出，在200MPa下成形制樣，然后將樣品置于室溫空氣環境下，21天后，樣品中生長出大量的錫晶須。
【主權項】
1.一種大量制備錫晶須的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1.將Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料； 步驟2.將步驟I中得到混合原料與磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至I?10Pa; 步驟3.將步驟2中密封好的真空球磨罐裝入行星式球磨機中，球磨轉速為100?100r/min，球磨時間為I?50h; 步驟4.將步驟3中球磨后所得的粉體在O?IGPa下成形制樣或保持粉末狀態； 步驟5.將步驟4中所得制樣培養后，樣品中生長出大量的錫晶須。2.根據權利要求1所述的一種大量制備錫晶須的方法，其特征在于，所述的Ti粉、Sn粉和C粉的摩爾比為:1:1:1?1:2:1。3.根據權利要求1所述的一種大量制備錫晶須的方法，其特征在于，所述的磨球與原料的質量比為1:1?100:1。4.根據權利要求1所述的一種大量制備錫晶須的方法，其特征在于，所述的步驟5中對制樣的培養條件是:生長溫度為-10°C至錫的熔點231.89°C，培養氣氛為空氣、真空或氬氣氣氛。
【專利摘要】本發明是一種大量制備錫晶須的方法，具有工藝簡單、生產效率高、成本低，晶須生長速度快、數量多、質量高等優點，解決了目前錫晶須制備中存在的工藝復雜、成本高、晶須質量不高等問題。具體方法為：步驟1.將Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料；步驟2.將步驟1中得到混合原料與磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至1～100Pa；步驟3.將步驟2中密封好的真空球磨罐裝入行星式球磨機中，球磨轉速為100～1000r/min，球磨時間為1～50h；步驟4.將步驟3中球磨后所得的粉體在0～1GPa下成形制樣或保持粉末狀態；步驟5.將步驟4中所得制樣培養后，樣品中生長出大量的錫晶須。
【IPC分類】C30B29/02, C30B1/00, C30B29/62
【公開號】CN105714370
【申請號】CN201610113698
【發明人】孫正明, 劉玉爽, 張培根, 張亞梅, 丁健翔, 凌晨
【申請人】東南大學