專利名稱：一種制備塊體納米純鋁材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米鋁材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種制備塊體納米純鋁材料的方法?？蓮V泛應(yīng)用于微機(jī)械、電子學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米材料是指至少在一個(gè)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(dāng)多晶材料的晶粒尺寸減小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu))或無(wú)序(液態(tài)或玻璃結(jié)構(gòu))狀態(tài)的短程序。隨晶粒的不斷減小，界面的數(shù)量持續(xù)增加，界面原子的數(shù)量也逐漸接近晶內(nèi)的水平。如晶粒尺寸為5nm的材料中，位于晶界的原子體積分?jǐn)?shù)將達(dá)到60％。因此，納米結(jié)構(gòu)材料的性能將不再僅僅取決于晶內(nèi)原子的作用。相反，這種材料表現(xiàn)出的奇特性能變化恰恰反映了界面的顯著作用。此外，晶內(nèi)材料的原子結(jié)構(gòu)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(yīng)變場(chǎng)和靜態(tài)或動(dòng)態(tài)原子短程位移等。以上原子結(jié)構(gòu)的變化將造成材料眾多物理和力學(xué)性能的變化。因此，與普通粗晶材料相比，納米材料表現(xiàn)出室溫強(qiáng)度的增加、擴(kuò)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(shù)的增大、熱傳導(dǎo)能力的降低以及優(yōu)異的磁性能等。
塊體納米結(jié)構(gòu)材料的研究和應(yīng)用是納米材料發(fā)展的一個(gè)重要方向，對(duì)整個(gè)納米材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用具有舉足輕重的作用。雖然實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)證明納米結(jié)構(gòu)材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)粗晶材料(張立德，牟季美，納米材料和納米結(jié)構(gòu)，科學(xué)出版社，北京，2001，p260)，但是實(shí)驗(yàn)室研究成果向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化進(jìn)程卻明顯滯后。其中一個(gè)主要的障礙是塊體納米材料的制備成形技術(shù)沒(méi)有取得突破，即獲得具有納米結(jié)構(gòu)的粉體和小樣品相對(duì)較容易，而獲得可以滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)用要求的塊體材料卻困難的多。
目前制備納米材料使用的技術(shù)主要包括氣體凝聚法、快速凝固法、濺射法、機(jī)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(xué)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(shù)在使用過(guò)程中均存在這樣或那樣的問(wèn)題和不足，成為限制新型納米材料實(shí)用化的重大障礙。這些問(wèn)題包括(1)多數(shù)制備技術(shù)涉及的嚴(yán)重問(wèn)題是極低的生產(chǎn)速度。經(jīng)?？梢钥吹綄?shí)驗(yàn)室裝置每天僅合成數(shù)克納米材料的情形。如此低的生產(chǎn)效率造成極高的生產(chǎn)成本，嚴(yán)重限制了其作為納米結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的可行性。因此，開(kāi)發(fā)高效率和低成本的納米材料制備技術(shù)已經(jīng)成為納米結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的迫切需求。
(2)多數(shù)制備方法僅能夠一次合成一種金屬或陶瓷納米粉末，而無(wú)法按預(yù)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(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍。
(3)多數(shù)制備技術(shù)需要昂貴的大型設(shè)備(如高能激光器或等離子發(fā)生器等)，導(dǎo)致過(guò)高的制造成本，不利于納米結(jié)構(gòu)材料的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
(4)在氣相沉積納米顆粒時(shí)，難以準(zhǔn)確控制顆粒的尺寸和尺寸分布，往往出現(xiàn)很寬的顆粒尺寸分布，并出現(xiàn)尺寸數(shù)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(dòng)。
(5)某些工藝在合成陶瓷粉末時(shí)需要使用昂貴的原材料并可能產(chǎn)生有害的氣體排放，不利于環(huán)境保護(hù)。
綜合分析已有的研究結(jié)果，得出的結(jié)論是，球磨技術(shù)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(shí)用化方法。然而，常溫下球磨韌性材料，如Al時(shí)，軟金屬的Al常常與磨球和球磨罐壁粘連，嚴(yán)重影響了球磨過(guò)程的進(jìn)行。近年來(lái)，將低溫液體介質(zhì)(如液氮)加入球磨環(huán)境中極大地影響了球磨過(guò)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?yàn)樵谳^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(huì)導(dǎo)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(jié)為這些氮氧化物顆粒產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)。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(shí)現(xiàn)塊體材料的致密化燒結(jié)與成形，而不會(huì)引起晶粒尺寸的過(guò)度長(zhǎng)大。顯然，這對(duì)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鋁材料可以在室溫通過(guò)軋制獲得超塑性材料。這不僅有助于了解納米結(jié)構(gòu)的形變機(jī)制(晶界滑移或原子擴(kuò)散蠕變)，而且因其容易加工出復(fù)雜形狀的工件而非常具有吸引力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備塊體納米純鋁材料的方法，采用用液氮低溫球磨+中低溫強(qiáng)加工技術(shù)制備塊體納米純鋁材料?？蓮V泛應(yīng)用于微機(jī)械、電子學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域。
本發(fā)明的構(gòu)成選用市售Al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(shù)制備出高熱穩(wěn)定性的納米Al粉體，然后利用中低溫強(qiáng)加工技術(shù)制備出塊體納米純Al材料；具體方法如下1、低溫球磨制取高熱穩(wěn)定性的納米Al粉體(1)球磨裝置的選用選擇立式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)或高能臥式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)進(jìn)行球磨。
(2)球磨溫度低溫球磨液氮的溫度控制在-110～-160℃之間。在較低的溫度下球磨可以使Al變脆，有利于顆粒的破碎，獲得較小的納米晶尺寸。
(3)球磨時(shí)間球磨時(shí)間選為2～12小時(shí)。
(4)球料比球料比選擇為30～50∶1。
2、利用中低溫強(qiáng)加工技術(shù)制備出塊體納米純Al材料(1)真空熱壓真空度為10-2～10-3帕，加熱溫度為400～550℃，壓力為200～500MPa。
(2)擠壓溫度為400～450℃，擠壓比為20～40∶1。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)規(guī)模，有利于產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)；(2)設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝過(guò)程容易控制，綜合制備成本較低。


圖1是本發(fā)明的經(jīng)3小時(shí)液氮球磨后形成的平均晶粒尺寸為49nm的Al粉末的形貌。
圖2是本發(fā)明的經(jīng)450℃/300MPa真空(真空度為10-2帕)熱壓獲得的塊體納米Al材料。
圖3是本發(fā)明的經(jīng)410℃、擠壓比為25∶1擠壓后的Al棒材。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1選用市售Al粉，粉體純度為98重量％，粒度為75微米。選取立式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)和不銹鋼球及罐，球料比為30∶1，球磨溫度為-120℃，球磨3小時(shí)后形成平均晶粒尺寸為39nm的Al粉。采用真空熱壓法獲得塊體Al材料。真空度為1.2×10-2帕，加熱溫度為420℃，壓力為284MPa。塊體Al材料密度為2.68×103kg/m3，平均晶粒尺寸為52nm。試棒極限抗拉強(qiáng)度為150MPa，延伸率為18％。
實(shí)施例2選用市售Al粉，粉體純度為98.5重量％，粒度為100微米。選取立式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)和不銹鋼球及罐，球料比為40∶1，球磨溫度為-140℃，球磨11小時(shí)后形成平均晶粒尺寸為22nm的Al粉。采用真空熱壓法獲得塊體Al材料。真空度為1.1×10-3帕，加熱溫度為480℃，壓力為386MPa。塊體Al材料密度為2.69×103kg/m3，平均晶粒尺寸為62nm。試棒極限抗拉強(qiáng)度為167MPa，延伸率為14％。
實(shí)施例3選用市售Al粉，粉體純度為98.2重量％，粒度為180微米。選取高能臥式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)和不銹鋼球及罐，球料比為50∶1，球磨溫度為-150℃，球磨5小時(shí)后形成平均晶粒尺寸為28nm的Al粉。采用真空熱壓法獲得塊體Al材料。真空度為1.7×10-2帕，加熱溫度為550℃，壓力為484MPa。塊體Al材料密度為2.71×103kg/m3，平均晶粒尺寸為74nm。試棒極限抗拉強(qiáng)度為173MPa，延伸率為11％。
權(quán)利要求
1.一種制備塊體納米純鋁材料的方法，其特征在于選用市售Al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(shù)制備出高熱穩(wěn)定性的納米Al粉體，然后利用中低溫強(qiáng)加工技術(shù)制備出塊體納米純Al材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的低溫球磨制取高熱穩(wěn)定性的納米Al粉體的工藝為a、球磨裝置的選用選擇立式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)或高能臥式轉(zhuǎn)子球磨機(jī)進(jìn)行球磨；b、球磨溫度低溫球磨液氮的溫度控制在-110～-160℃之間；c、球磨時(shí)間球磨時(shí)間選為2～12小時(shí)；d、球料比球料比選擇為30～50∶1。
3.按照權(quán)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(qiáng)加工技術(shù)制備出塊體納米純Al材料的工藝為a、真空熱壓真空度為10-2～10-3帕，加熱溫度為400～550℃，壓力為200～500Mpa；b、擠壓溫度為400～450℃，擠壓比為20～40∶1。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備塊體納米純鋁材料的方法，其特征在于選用市售Al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(shù)制備出高熱穩(wěn)定性的納米Al粉體，然后利用中低溫強(qiáng)加工技術(shù)制備出塊體納米純Al材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于；易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)規(guī)模，有利于產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)；設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝過(guò)程容易控制，綜合制備成本較低；可廣泛應(yīng)用于微機(jī)械、電子學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B21C23/01GK1600465SQ200410009660
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者楊濱, 樊建中, 張濟(jì)山, 熊柏青, 程軍勝, 田曉風(fēng), 崔華 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)