專利名稱：一種Sn晶須的制備方法
技術領域：
本發明涉及新材料制備領域，具體說是提供一種新的金屬晶須制備材料與方法， 制造金屬Sn晶須材料。
背景技術：
晶須是一種在人工控制條件下以單晶形式生長出來的細纖維材料。由于晶須的橫 向尺寸很小(一般只有1-10微米)，又以單晶形式存在，因此晶須被認為是一種晶格結構完 美的晶體材料。由于晶須中晶體缺陷很少，所以材料科學家認為，理論上晶須本身可以達到 很高的晶體理論強度。上世紀六十年代，美國Bell實驗室的材料科學家Herring和Galt 用Sn晶須的彎曲試驗成功地證明，只要晶體中沒有位錯缺陷，其晶體理論強度可以比實際 觀察到的大塊金屬強度高幾個數量級以上。這一實驗工作奠定了材料科學中晶體強度的物 理基礎，并成為金屬強度中有關位錯理論的經典實驗證據之一。由于晶須本身的高強度性能，作為一種新材料，它特別適用于作為增強相，與基體 材料復合，制備高強度的復合材料。從上世紀六十年代以來，人們已經制備成功了多種晶須 材料，包括金屬晶須、氧化物陶瓷晶須和碳化物晶須等，采用這些晶須作為原材料，目前材 料工業界已成功地制備了多種高性能的纖維增強復合材料。目前，現有技術制備晶須的主要工藝路線為氣相法。它的基本方法是在一密閉容 器中先預置一些催化劑粉末，然后通入一些特定的氣體，在一定的溫度和壓力條件下，這些 氣體分子先在催化劑顆粒表面分解并形核，形成最初的晶須晶體，繼而反應氣體分子在此 晶須的頭部凝結成液核，維持其大小，并由此液核從晶須的頭部供養晶須的生長，并促使晶 須在軸向不斷長大。這種晶須的生長機制又稱為VLS機制(Vapor-Liguid-solid)。這種 氣相法生產晶須的工藝優點是相對比較成熟，對不同的晶須，有不同的氣體和工藝方法。例 如銅晶須，原料為CuI和H2 ；Ni晶須，原料為NiBr2和H2 ；Zn晶須，原料為Zn蒸氣，觸媒為 Sn等。這種氣相法生產晶須的工藝的主要缺點是設備要求高，包括要采用密閉的容器以保 持氣體的壓力，精確的控制晶須生長的溫度和壓力，要求采用特殊的催化劑材料以及特定 的反應氣體等。這些特殊的設備與工藝條件極大的限制了晶須材料生產成本的下降。因 此，盡管晶須制備方法已經研究了多年，但目前晶須材料，尤其是金屬晶須材料的價格仍然 是居高不下。
發明內容
為了克服采用氣相生長法(VLP機制)制備晶須工藝路線的技術缺陷，本發明提供 一種固相分解法制備錫晶須的新工藝方法，解決現有技術中生產晶須的設備要求高、制備 工藝復雜，晶須的價格居高不下等問題。本發明的技術方案是一種Sn晶須的制備方法，先將Sn與稀土元素(Nd，Ce, La)冶煉成Sn-RE化合物， 然后將其粉碎成粉末狀態，粉末的粒度為5-200微米，將這些Sn-RE化合物粉末作為生長Sn晶須的母體原料，在室溫大氣條件下自然儲存一定時間后，通過Sn-RE化合物在大氣條件 下自動分解的化學反應，觸發Sn晶須在母體原料上自發生長，制備Sn晶須材料。為實現上述目的，本發明要求制備的原料Sn-RE化合物的化學配方為(均為原子 百分比，at% )Sn 75 ；RE 25。其中，RE指稀土元素，主要包括Nd，Ce和La，它們可以是單獨添加，或復合添加， 但總量應等于25at%，成分的誤差范圍為士5%。根據上述配方，本發明提供的錫-稀土化 合物的分子式可以簡寫為RESn3(金屬間化合物)，這種化合物可以選擇一種常規的冶煉方 法(真空熔煉或電弧熔煉等)制備，制備過程中要采取有效的技術措施，避免稀土合金的氧 化。上述方法制備的Sn-RE化合物在室溫大氣環境下(_20 50°C，相對濕度10 95% RH)自然存放一段時間(1小時至2000小時)，由于Sn-RE化合物與大氣條件中的水和 氧的化學反應會發生自動分解，由此釋放的Sn原子通過遷移與擴散，成為晶須的自發生長 的營養源，并以這些錫-稀土化合物為母體，自發生長出新的Sn晶須。本發明中，室溫大氣環境的溫度優選為15-30°C，相對濕度優選為30-50% RH, Sn-RE化合物存放時間優選為20-1000小時。本發明的技術原理與前述的VLP機制明顯不同。由于稀土元素是一種化學性質活 潑的元素，在室溫大氣環境下上述Sn-RE化合物是不穩定的，其中的稀土將與空氣中不可 避免含有的水及氧發生化學反應，形成稀土氫氧化物，即RESn3+3H20 = RE (OH) s+3Sn+3H ；或者，2RESn3+3H20+l.502 = 2RE (OH) 3+6Sn。由于上述反應，使作為原料的錫_稀土化合物產生自然分解，并釋放出自由錫原 子。這些由固態反應釋放的新鮮錫原子處于較高的能量狀態，它們將通過自發的遷移與擴 散，聚集形核并結晶，降低自己的能量，以達到化學上的穩定和平衡。由于β-Sn的晶體結 構是一種體心正方結構，其晶體各向異性很強，這一特性可促使晶體在一維方向上快速生 長，最終完成Sn晶須的發芽和長大過程。顯然，當上述化學反應充分進行之后，錫_稀土化 合物完全分解，晶須生長過程也就逐漸隨之完成。根據這一原理，晶須生長的時間與室溫放 置時空氣中所含的水份(濕度)有關。同時，根據化學反應的一般常識，化學反應過程還應 當與溫度密切相關。為了有效地控制晶須的生產成本，本發明主要通過生長時間對晶須生 長過程進行控制，即本發明可以適用于各地自然環境，而無須增加相應的生產設備和溫、濕 控制條件。因此，本發明的技術優點是顯而易見的，它不但可有效地降低了錫晶須的生產成 本，而且也降低了工藝操作的技術難度。
圖l(a)-(b)為本發明實施例1獲得的Sn晶須效果圖。其中，(b)圖為(a)圖的 放大圖。
具體實施例方式下面結合實施例進一步詳述本發明。實施例1 配制Sn75at%，其余為Nd的Sn-Nd合金，選擇氬氣保護鎢極電弧熔化法對上述配 比的合金進行熔化冶煉，冷卻后獲得NdSn3金屬間化合物的合金錠。冶煉后的NdSn3為脆性 金屬間化合物，用機械的方法將其破碎為粉末狀態，粉末的粒度為50-100微米，并作為原 料置于室溫大氣環境下，進行晶須生長，室溫環境的溫度波動變化范圍為(20 25°C )，濕 度波動變化范圍為(30 45% RH，相對濕度)。樣品在上述環境下自然放置26天后，在原 料母體表面生長出了濃密而細長的Sn晶須，如圖1所示。實施例2 配制Sn75at%，其余為Ce的Sn-Ce合金，制備方法同實施例1，獲得CeSn3金屬 間化合物的合金錠。室溫環境的溫度波動變化范圍為(15 20°C)，濕度波動變化范圍為 (20 40% RH，相對濕度)。樣品在室溫大氣下放置30天后，在原料母體表面生長了大量 細長的錫晶須。實施例3 配制Sn75at %，其余為La的Sn-La合金，制備方法同實施例1，獲得LaSn3金屬 間化合物的合金錠。室溫環境的溫度波動變化范圍為(5 I(TC)，濕度波動變化范圍為 (10 20% RH，相對濕度)。樣品在室溫大氣下放置50天后，在原料母體表面生長了大量 細長的錫晶須。實施例4 配制Sn75at%,NdlOat%,CelOat%,La5at%的 Sn-RE合金，制備方法同實施例 1， 獲得Sn-RE金屬間化合物的合金錠。室溫環境的溫度波動變化范圍為(25 35°C)，濕度 波動變化范圍為(80 90%RH，相對濕度)。樣品在室溫大氣下放置2天后，在原料母體表 面生長了大量細長的錫晶須。
權利要求
一種Sn晶須的制備方法，其特征在于生長Sn晶須的母體原料為RESn3金屬間化合物，其中RE為稀土元素；將RESn3粉末置于室溫大氣環境下貯藏，使Sn晶須在母體原料上自發生長，獲得Sn晶須材料。
2.按照權利要求1所述的Sn晶須的制備方法，其特征在于=RESn3金屬間化合物中，稀 土元素RE含量為25at %，波動范圍為士5%，稀土元素RE可以是Nd，Ce或La中的一種，也 可以是兩種以上稀土元素的復合，對后一種情況，三種稀土元素的總量限于25at%。
3.按照權利要求1所述的Sn晶須的制備方法，其特征在于在室溫大氣環境下自然存 放時，室溫溫度波動范圍為-20 50°C，相對濕度10 95% RH，放置時間為1小時到2000 小時。
全文摘要
本發明涉及新材料制備領域，具體說是提供一種新的金屬晶須制備材料與方法，制造金屬Sn晶須材料，解決現有技術中生產晶須的設備要求高、晶須制備工藝復雜，晶須價格居高不下等問題。該方法先將Sn與稀土元素(Nd，Ce，La)冶煉成Sn-RE化合物，然后將其粉碎成粉末狀態，將這些Sn-RE化合物粉末作為生長Sn晶須的母體原料，在室溫大氣條件下自然儲存一定時間后，通過Sn-RE化合物在大氣條件下自動分解的化學反應，觸發Sn晶須在母體原料上自發生長，獲得Sn晶須材料。本發明主要通過生長時間對晶須生長過程進行控制，即晶須生長條件可以適用于各地自然環境，而無須增加相應的生產設備和溫、濕控制條件，因此可有效地控制晶須的生產成本。
文檔編號C30B29/02GK101935872SQ20091001233
公開日2011年1月5日 申請日期2009年7月2日 優先權日2009年7月2日
發明者冼愛平, 劉萌 申請人:中國科學院金屬研究所