专利名称：一种Sn晶须的制备方法
技术领域：
本发明涉及新材料制备领域，具体说是提供一种新的金属晶须制备材料与方法， 制造金属Sn晶须材料。
背景技术：
晶须是一种在人工控制条件下以单晶形式生长出来的细纤维材料。由于晶须的横 向尺寸很小(一般只有1-10微米)，又以单晶形式存在，因此晶须被认为是一种晶格结构完 美的晶体材料。由于晶须中晶体缺陷很少，所以材料科学家认为，理论上晶须本身可以达到 很高的晶体理论强度。上世纪六十年代，美国Bell实验室的材料科学家Herring和Galt 用Sn晶须的弯曲试验成功地证明，只要晶体中没有位错缺陷，其晶体理论强度可以比实际 观察到的大块金属强度高几个数量级以上。这一实验工作奠定了材料科学中晶体强度的物 理基础，并成为金属强度中有关位错理论的经典实验证据之一。由于晶须本身的高强度性能，作为一种新材料，它特别适用于作为增强相，与基体 材料复合，制备高强度的复合材料。从上世纪六十年代以来，人们已经制备成功了多种晶须 材料，包括金属晶须、氧化物陶瓷晶须和碳化物晶须等，采用这些晶须作为原材料，目前材 料工业界已成功地制备了多种高性能的纤维增强复合材料。目前，现有技术制备晶须的主要工艺路线为气相法。它的基本方法是在一密闭容 器中先预置一些催化剂粉末，然后通入一些特定的气体，在一定的温度和压力条件下，这些 气体分子先在催化剂颗粒表面分解并形核，形成最初的晶须晶体，继而反应气体分子在此 晶须的头部凝结成液核，维持其大小，并由此液核从晶须的头部供养晶须的生长，并促使晶 须在轴向不断长大。这种晶须的生长机制又称为VLS机制(Vapor-Liguid-solid)。这种 气相法生产晶须的工艺优点是相对比较成熟，对不同的晶须，有不同的气体和工艺方法。例 如铜晶须，原料为CuI和H2 ；Ni晶须，原料为NiBr2和H2 ；Zn晶须，原料为Zn蒸气，触媒为 Sn等。这种气相法生产晶须的工艺的主要缺点是设备要求高，包括要采用密闭的容器以保 持气体的压力，精确的控制晶须生长的温度和压力，要求采用特殊的催化剂材料以及特定 的反应气体等。这些特殊的设备与工艺条件极大的限制了晶须材料生产成本的下降。因 此，尽管晶须制备方法已经研究了多年，但目前晶须材料，尤其是金属晶须材料的价格仍然 是居高不下。
发明内容
为了克服采用气相生长法(VLP机制)制备晶须工艺路线的技术缺陷，本发明提供 一种固相分解法制备锡晶须的新工艺方法，解决现有技术中生产晶须的设备要求高、制备 工艺复杂，晶须的价格居高不下等问题。本发明的技术方案是一种Sn晶须的制备方法，先将Sn与稀土元素(Nd，Ce, La)冶炼成Sn-RE化合物， 然后将其粉碎成粉末状态，粉末的粒度为5-200微米，将这些Sn-RE化合物粉末作为生长Sn晶须的母体原料，在室温大气条件下自然储存一定时间后，通过Sn-RE化合物在大气条件 下自动分解的化学反应，触发Sn晶须在母体原料上自发生长，制备Sn晶须材料。为实现上述目的，本发明要求制备的原料Sn-RE化合物的化学配方为(均为原子 百分比，at% )Sn 75 ；RE 25。其中，RE指稀土元素，主要包括Nd，Ce和La，它们可以是单独添加，或复合添加， 但总量应等于25at%，成分的误差范围为士5%。根据上述配方，本发明提供的锡-稀土化 合物的分子式可以简写为RESn3(金属间化合物)，这种化合物可以选择一种常规的冶炼方 法(真空熔炼或电弧熔炼等)制备，制备过程中要采取有效的技术措施，避免稀土合金的氧 化。上述方法制备的Sn-RE化合物在室温大气环境下(_20 50°C，相对湿度10 95% RH)自然存放一段时间(1小时至2000小时)，由于Sn-RE化合物与大气条件中的水和 氧的化学反应会发生自动分解，由此释放的Sn原子通过迁移与扩散，成为晶须的自发生长 的营养源，并以这些锡-稀土化合物为母体，自发生长出新的Sn晶须。本发明中，室温大气环境的温度优选为15-30°C，相对湿度优选为30-50% RH, Sn-RE化合物存放时间优选为20-1000小时。本发明的技术原理与前述的VLP机制明显不同。由于稀土元素是一种化学性质活 泼的元素，在室温大气环境下上述Sn-RE化合物是不稳定的，其中的稀土将与空气中不可 避免含有的水及氧发生化学反应，形成稀土氢氧化物，即RESn3+3H20 = RE (OH) s+3Sn+3H ；或者，2RESn3+3H20+l.502 = 2RE (OH) 3+6Sn。由于上述反应，使作为原料的锡_稀土化合物产生自然分解，并释放出自由锡原 子。这些由固态反应释放的新鲜锡原子处于较高的能量状态，它们将通过自发的迁移与扩 散，聚集形核并结晶，降低自己的能量，以达到化学上的稳定和平衡。由于β-Sn的晶体结 构是一种体心正方结构，其晶体各向异性很强，这一特性可促使晶体在一维方向上快速生 长，最终完成Sn晶须的发芽和长大过程。显然，当上述化学反应充分进行之后，锡_稀土化 合物完全分解，晶须生长过程也就逐渐随之完成。根据这一原理，晶须生长的时间与室温放 置时空气中所含的水份(湿度)有关。同时，根据化学反应的一般常识，化学反应过程还应 当与温度密切相关。为了有效地控制晶须的生产成本，本发明主要通过生长时间对晶须生 长过程进行控制，即本发明可以适用于各地自然环境，而无须增加相应的生产设备和温、湿 控制条件。因此，本发明的技术优点是显而易见的，它不但可有效地降低了锡晶须的生产成 本，而且也降低了工艺操作的技术难度。
图l(a)-(b)为本发明实施例1获得的Sn晶须效果图。其中，(b)图为(a)图的 放大图。
具体实施例方式下面结合实施例进一步详述本发明。实施例1 配制Sn75at%，其余为Nd的Sn-Nd合金，选择氩气保护钨极电弧熔化法对上述配 比的合金进行熔化冶炼，冷却后获得NdSn3金属间化合物的合金锭。冶炼后的NdSn3为脆性 金属间化合物，用机械的方法将其破碎为粉末状态，粉末的粒度为50-100微米，并作为原 料置于室温大气环境下，进行晶须生长，室温环境的温度波动变化范围为(20 25°C )，湿 度波动变化范围为(30 45% RH，相对湿度)。样品在上述环境下自然放置26天后，在原 料母体表面生长出了浓密而细长的Sn晶须，如图1所示。实施例2 配制Sn75at%，其余为Ce的Sn-Ce合金，制备方法同实施例1，获得CeSn3金属 间化合物的合金锭。室温环境的温度波动变化范围为(15 20°C)，湿度波动变化范围为 (20 40% RH，相对湿度)。样品在室温大气下放置30天后，在原料母体表面生长了大量 细长的锡晶须。实施例3 配制Sn75at %，其余为La的Sn-La合金，制备方法同实施例1，获得LaSn3金属 间化合物的合金锭。室温环境的温度波动变化范围为(5 I(TC)，湿度波动变化范围为 (10 20% RH，相对湿度)。样品在室温大气下放置50天后，在原料母体表面生长了大量 细长的锡晶须。实施例4 配制Sn75at%,NdlOat%,CelOat%,La5at%的 Sn-RE合金，制备方法同实施例 1， 获得Sn-RE金属间化合物的合金锭。室温环境的温度波动变化范围为(25 35°C)，湿度 波动变化范围为(80 90%RH，相对湿度)。样品在室温大气下放置2天后，在原料母体表 面生长了大量细长的锡晶须。
权利要求
一种Sn晶须的制备方法，其特征在于生长Sn晶须的母体原料为RESn3金属间化合物，其中RE为稀土元素；将RESn3粉末置于室温大气环境下贮藏，使Sn晶须在母体原料上自发生长，获得Sn晶须材料。
2.按照权利要求1所述的Sn晶须的制备方法，其特征在于=RESn3金属间化合物中，稀 土元素RE含量为25at %，波动范围为士5%，稀土元素RE可以是Nd，Ce或La中的一种，也 可以是两种以上稀土元素的复合，对后一种情况，三种稀土元素的总量限于25at%。
3.按照权利要求1所述的Sn晶须的制备方法，其特征在于在室温大气环境下自然存 放时，室温温度波动范围为-20 50°C，相对湿度10 95% RH，放置时间为1小时到2000 小时。
全文摘要
本发明涉及新材料制备领域，具体说是提供一种新的金属晶须制备材料与方法，制造金属Sn晶须材料，解决现有技术中生产晶须的设备要求高、晶须制备工艺复杂，晶须价格居高不下等问题。该方法先将Sn与稀土元素(Nd，Ce，La)冶炼成Sn-RE化合物，然后将其粉碎成粉末状态，将这些Sn-RE化合物粉末作为生长Sn晶须的母体原料，在室温大气条件下自然储存一定时间后，通过Sn-RE化合物在大气条件下自动分解的化学反应，触发Sn晶须在母体原料上自发生长，获得Sn晶须材料。本发明主要通过生长时间对晶须生长过程进行控制，即晶须生长条件可以适用于各地自然环境，而无须增加相应的生产设备和温、湿控制条件，因此可有效地控制晶须的生产成本。
文档编号C30B29/02GK101935872SQ20091001233
公开日2011年1月5日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者冼爱平, 刘萌 申请人:中国科学院金属研究所