一种振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的设备及方法与流程

本发明涉及低温球磨领域，具体为一种采用液氮制冷的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的设备，及采用该设备制备纳米晶粉体的方法。

背景技术：
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球磨技术(机械合金化)是指金属或合金粉体在球磨集中通过粉体颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击碰撞，使粉体颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉体颗粒原子扩散，从而获得合金化粉体的一种粉体制备技术。

球磨技术也是制备非平衡材料的重要的加工方法，金属粉体通过球磨能够制备出过饱和固溶体、无序化程度增大的合金和金属间化合物、非晶和准晶合金、亚稳相及纳米晶材料。

低温球磨技术由于其较低的工作温度，大幅降低了粉体变形过程中的动态回复能力。特别适用于制备面心立方结构材料，如：铝、铜、镍及其合金的高热稳定性纳米晶粉体。

低温球磨的优点包括：(1)与常规球磨相比，由于较低的工作温度和及短的球磨时间，大幅减少空气中氧的污染；(2)较低的工作温度有利于破碎韧性材料冷焊产物；(3)较低的工作温度降低了材料的动态回复能力，大幅降低了将粉体晶粒尺寸球磨至纳米尺度的时间；(4)在液氮的环境中可以提高材料中氧氮化合物数量及弥散程度，提高材料的热稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的设备及方法，采用振动式球磨结合液氮制冷的方法实现低温球磨，依托振动低温球磨自身的特点，制备出一种粒度、形貌可控、粒度分布集中的高热稳定性纳米晶粉体。

本发明的技术方案如下：

一种振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的设备，该设备包括：通保护气体管路、通液氮管路、压力反馈线路、温度反馈线路、罐内压力及温度控制系统、球磨罐、驱动电机、主轴、偏心轮、弹簧及液氮及保护气体源，具体结构如下：

球磨罐分别通过通保护气体管路、通液氮管路与液氮及保护气体源连通，在所述通保护气体管路、通液氮管路上分别设置阀门；压力反馈线路、温度反馈线路的一端连至球磨罐，压力反馈线路的另一端连至通保护气体管路上的阀门，温度反馈线路的另一端连至通液氮管路上的阀门，压力反馈线路、温度反馈线路上设置罐内压力及温度控制系统，罐内压力及温度控制系统根据球磨罐中的压力和温度信号，控制压力反馈线路、温度反馈线路上阀门的开度和启闭；

球磨罐与主轴刚性连接，主轴与驱动电机连接，主轴上设置偏心轮并连接一端固定的弹簧。

所述的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的设备，球磨罐的外壳设置通氮夹层，通液氮管路分两路，一路连至球磨罐内，另一路连至通氮夹层内。

所述设备的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的方法，采用振动式球磨结合液氮制冷的方法制备纳米晶粉体，原料粒度为5～50μm，晶粒尺寸0.5～5μm的商用气雾化粉末；球磨参数如下：在液氮气氛或保护气体气氛下球磨，球磨温度在室温至-196℃范围调整，球磨振幅2～8mm，振动频率50Hz，球料质量比(5～15):1，球磨时间1～5h。

所述的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的方法，通过调整不锈钢磨球尺寸及过程控制剂加入量，精确控制受磨粉体的粒度。

所述的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的方法，通过调整液氮流量可以在常温至-196℃范围内自由控制球磨温度。

所述的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的方法，通过调整偏心轮角度、质量和驱动电机功率控制球磨振幅及振动频率。

所述的振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的方法，球磨罐实现罐内灌注液氮伴随球磨，或在罐外通液氮夹层中充液氮制冷，而在罐内充入保护气体伴随球磨，实现深冷球磨气氛的自由控制。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用振动式低温球磨设备，制备的纳米晶铝粉具有较高的热稳定性。

2、本发明可以制备粒度分布集中的等轴状纳米晶铝粉，并精确控制粉体的粒度范围(D50＝15～500μm)。

3、本发明可以制备厚度为100～200nm的二维片成状纳米晶铝粉。

附图说明

图1为振动式深冷球磨设备示意图。图中，1通保护气体管路；2通液氮管路；3压力反馈线路；4温度反馈线路；5罐内压力及温度控制系统；6球磨罐；7驱动电机；8主轴；9偏心轮；10弹簧。

图2为球磨制备的二维片成状粉体形貌图。其中，(b)图为(a)图的放大图。

图3为球磨制备的D50＝400μm的纳米晶粉体形貌图。

图4为球磨制备的D50＝100μm的纳米晶粉体形貌图。

图5为纳米晶粉体的组织结构图。其中，(a)为D50＝400μm的纳米晶铝粉体TEM衍射照片；(b)为D50＝400μm的纳米晶铝粉体TEM暗场照片。

具体实施方式

如图1所示，本发明振动式深冷球磨制备纳米晶粉体的设备，由振动装置、多功能球磨罐、外部辅助控制系统组成，将振动式球磨结合液氮制冷实现低温球磨，该设备主要包括：通保护气体管路1、通液氮管路2、压力反馈线路3、温度反馈线路4、罐内压力及温度控制系统5、球磨罐6、驱动电机7、主轴8、偏心轮9、弹簧10及液氮及保护气体源等，具体结构如下：

球磨罐6分别通过通保护气体管路1、通液氮管路2与液氮及保护气体源连通，在所述通保护气体管路1、通液氮管路2上分别设置阀门；压力反馈线路3、温度反馈线路4的一端连至球磨罐6，压力反馈线路3的另一端连至通保护气体管路1上的阀门，温度反馈线路4的另一端连至通液氮管路2上的阀门，压力反馈线路3、温度反馈线路4上设置罐内压力及温度控制系统5，罐内压力及温度控制系统5根据球磨罐6中的压力和温度信号，控制压力反馈线路3、温度反馈线路4上阀门的开度和启闭。

球磨罐6与主轴8刚性连接，主轴8与驱动电机7连接，主轴8上设置偏心轮9；弹簧10的一端固定，弹簧10的另一端连接主轴8。

球磨罐6的外壳设置通氮夹层，通液氮管路2分两路，一路连至球磨罐6内，另一路连至球磨罐6的通氮夹层内。

本发明采用上述设备制备纳米晶粉体可调整的工艺参数如下：液氮气氛或保护气体气氛下球磨，球磨温度在室温至-196℃范围调整，球磨振幅2～8mm，振动频率50Hz。并且，通过调整磨球材质、尺寸，以及过程控制剂加入量、球料质量比和填充系数等，能够精确控制受磨粉体的粒度，制备粒度、形貌可控，且粒度分布集中的高热稳定性纳米晶粉末。

特别是，本发明通过调整液氮流量可以在常温至-196℃范围内自由控制球磨温度；本发明通过调整偏心轮角度、质量和驱动电机功率可以控制球磨振幅及振动频率。本发明可以在球磨罐内灌注液氮伴随球磨，或在罐外夹层中充液氮制冷，而在罐内充入一定压力的保护气体伴随球磨，实现球磨气氛的自由控制。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，球磨原始晶粒尺寸约为1～5μm的商用气雾化铝粉。球磨温度-180℃，球磨振幅5mm，振动频率50Hz，球磨时间2小时，采用不锈钢磨球，球料质量比10:1，加入硬脂酸量为磨料质量2％，制备出厚度为100～200nm的二维片成状纳米晶粉体，晶粒尺寸约为35nm。

实施例2

本实施例中，球磨原始晶粒尺寸约为1～5μm的商用气雾化铝粉。球磨温度-180℃，球磨振幅6mm，振动频率50Hz，球磨时间4小时，采用不锈钢磨球，球料质量比10:1，调整磨球尺寸后能够制备出粒度分布集中、D50在15～500μm范围内精确控制的等轴状纳米晶粉体，晶粒尺寸约为50nm。

实施例3

本实施例中，球磨原始晶粒尺寸约为1～5μm的商用气雾化铝粉。球磨温度-180℃，球磨振幅4mm，振动频率50Hz，球磨时间2小时，采用不锈钢磨球，球料质量比10:1，调整磨球尺寸后能够制备出粒度分布集中、D50在15～500μm范围内精确控制的等轴状超细晶粉体，晶粒尺寸约为200nm。

如图2所示，采用本发明球磨制备的二维片成状粉体的SEM照片，由图(a)可知粉体在两个维度上呈微米尺度；由图(b)可知二维片成状粉体的厚度约为100～200nm。

如图3、图4所示，采用本发明球磨制备的D50＝400μm及D50＝100μm的纳米晶粉体的SEM照片，由图可知粉体呈等轴块状，具有很好的流动性及气动加速效果，且粒度分布集中。

如图5所示，采用本发明球磨制备的D50＝400μm纳米晶粉体的TEM照片。图(a)为粉体的TEM衍射花样为环形，是典型的纳米晶结构衍射花样，图(b)为该区域TEM暗场照片，由照片可知粉体的平均晶粒尺寸约为50nm。

实施例结果表明，采用振动式球磨工艺结合液氮(液氮)制冷实现振动式低温球磨制粉，区别于已有的行星式、搅拌式低温球磨设备，该设备的球磨原理以振动挤压破碎、夯实为主，并能够灵活控制球磨气氛。从而，可以通过调整球磨参数在短时间内制备出粒度、形貌可控，且粒度分布集中的高热稳定性的纳米晶粉体。球磨过程中可以选择在保护气体气氛中球磨，以减少氧气的污染，也可选择在液氮气氛中球磨，使受磨粉体中含有弥散分布的氮氧化物，增强粉体的稳定性。