专利名称：稀土纳米颗粒及纳米晶材料制备方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及稀土元素纳米颗粒及高致密纳米晶块体材料的制备方法及其设备，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术：
近年来，纳米材料因其具有传统材料无法比拟的独特性能而受到了广泛的研究和关注。研究表明，纳米材料所具有的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应决定了这类材料具有奇异的力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特性，从而具有极大的潜在应用价值。
从形态上来说，纳米材料主要包括纳米颗粒材料和具有纳米晶组织的块体材料。就应用范围和应用前景而言，后者具有更大的优势。目前，有关纳米粉体制备的研究和产业化方面已经开展了大量的工作。人们采用多种方法如惰性气体冷凝法、等离子气相合成法、溶胶—凝胶法、水热法等等合成了Fe、Co、Ni等多种金属以及ZnO、TiO2、ZrO2等多种化合物纳米颗粒材料。而纳米晶块体材料的一般制备方法有大塑性变形法、熔炼凝固法、粉末冶金烧结法等，这些方法都具有很大的局限性，不能制备100nm以下的高致密纳米晶材料。放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering，简称SPS)具有升温速率高(-1000℃/min)、烧结快速(烧结保温时间只需3-5分钟)、烧结温度低、烧结机理特殊等技术特点。虽然放电等离子烧结技术也被用于制备纳米晶材料，但单机型SPS不能用于易氧化、高活性材料的制备。因此，稀土元素纳米颗粒及纳米晶块体材料的制备却存在着很大的困难，研究工作鲜见报道。具体而言，制备稀土元素纳米颗粒及纳米晶块体材料存在两个难点第一，对于稀土元素而言，其纳米颗粒都具有很强的活性，十分容易氧化，因此采用普通的处理技术和设备很难保证材料在处理过程中不被氧化。第二，由于纳米颗粒表面能大，晶粒生长迅速，采用常规的烧结技术很容易长大到100纳米以上。因此，目前有关稀土元素纳米颗粒及纳米晶块体材料的制备技术已经成为制约这类材料进一步扩大应用领域的主要问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述稀土元素纳米颗粒及纳米晶块体材料制备技术中存在的问题，提供了一种稀土元素纳米颗粒及高致密纳米晶块体材料的原位制备技术。
一种稀土纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤用物理气相沉积技术将稀土原料制备成粉末状纳米颗粒，以纯度高于99.5wt％的高纯稀土元素作为阳极，金属钨作为阴极，在氦气的保护气氛下，选择电流50-400A，电弧电压10-50V，起弧时间0.5-5小时将原料制备成纳米颗粒。
一种稀土元素纳米晶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1利用物理气相沉积技术，以纯度高于99.5wt％的高纯稀土元素作为阳极，金属钨作为阴极，在氦气的保护气氛下，选择电流50-400A，电弧电压10-50V，起弧时间0.5-5小时将原料制备成纳米颗粒；步骤2将上述粉末颗粒置入惰性气体保护的预处理室，将纳米粉装入碳化钨硬质合金模具或石墨模具并预压成型，预压压力范围10-1000Mpa；步骤3预压后在惰性气体保护下，利用放电等离子烧结技术将压坯烧结合成为纳米晶块体材料，烧结温度控制在200-500℃，烧结压力为30-1000Mpa，烧结保温时间为0-10min，烧结升温速率为20-100℃/min。
本发明提供的稀土元素纳米颗粒颗粒度均匀，粒径小于100纳米，不同实施例制备的粉末的粒度见表1。颗粒的具体形貌如附图2、3、4所示。
本发明提供的稀土元素纳米晶块体材料材料具有很高的致密度(达到理论密度的99％以上)。材料显微组织晶粒细小、均匀，晶粒度小于100纳米(如附图5所示)。同时，X射线衍射表明材料具有很好的单相性，不存在氧化物(如附图6所示)。
本发明提供的一种稀土纳米颗粒及纳米晶材料的制备方法所用设备，其特征在于，依次包括材料物理气相沉积部分1，带有纳米粉末收集容器的纳米粉末捕集机构2，带有专用机械传递机构的纳米粉末传递机构3，纳米粉末颗粒预处理部分4，纳米晶块体材料烧结成型部分5(如附图1所示)，上述各部分均包括用于抽真空的真空泵和通入惰性气氛保护的气瓶，其中捕集机构2，传递机构3，预处理部分4，烧结成型部分5置入充有惰性保护气氛的手套箱中；纳米粉末颗粒预处理部分4和烧结成型部分5具有气体循环净化装置；在纳米粉末预处理部分4有磁场取向装置，热处理装置，粉末成型模具，液压装置以及球磨装置。
本设备中用于制备纳米粉末的物理气相沉积部分以及用于纳米晶块体材料烧结的放电等离子烧结设备均属于目前通用设备。但目前的设备均属于单机型，无法制备象稀土元素这类易于氧化、活性高的材料。而本设备将这两个主要设备通过纳米粉末的捕集、传递机构连接起来，并且设置了用于粉末预处理的装置。同时全套设备均置入手套箱。设备通过抽真空，冲入惰性气体以及气体循环净化等手段，有效地实现了无氧操作环境，从而实现了稀土元素材料从粉末到纳米晶块体制备的功能。
图1是本发明设备的结构示意图。
图中1-物理气相沉积部分；2-捕集机构；3-传递机构；4-预处理部分；5-烧结成型部分。
图2是采用原位物理气相沉积技术制备的稀土元素钕纳米颗粒(实施例1)的形貌图(透射电子显微镜照片)。
图3是采用原位物理气相沉积技术制备的稀土元素钆纳米颗粒(实施例2)的形貌图(透射电子显微镜照片)。
图4是采用原位物理气相沉积技术制备的稀土元素钐纳米颗粒(实施例3)的形貌图(透射电子显微镜照片)。
图5是采用放电等离子烧结技术制备的稀土元素钆的纳米晶块体材料(实施例2)的晶粒显微组织图(高分辩透射电子显微镜照片)。
图6是采用本设备制备的稀土钐元素的纳米晶块体材料(实施例3)的X射线衍射图。
具体实施例方式
例1、将纯度为99.5wt％高纯钕放入物理气相沉积设备，在氦气气氛下，选择电弧电流400A，电弧电压50V，起弧时间5小时将原料制备成稀土元素钕的纳米颗粒。将上述的钕的纳米颗粒在高纯氩气体保护的预处理室粉装入石墨模具并预压成型。压力10MPa。将生坯利用放电等离子烧结技术烧结成为块体材料。具体烧结工艺参数为烧结温度为500℃，烧结压力为30MPa，烧结保温时间为10min，烧结升温速率为20℃/min。
例2、将纯度为99.8wt％高纯钆放入物理气相沉积设备，在氦气气氛下，选择电弧电流200A，电弧电压35V，起弧时间2小时将原料制备成稀土元素钆的纳米颗粒。将上述的钆的纳米颗粒在高纯氩气体保护的预处理室粉装入碳化钨硬质合金模具并预压成型。压力500MPa。将生坯利用放电等离子烧结技术烧结成为块体材料。具体烧结工艺参数为烧结温度为300℃，烧结压力为100MPa，烧结保温时间为2min，烧结升温速率为40℃/min。
例3、将纯度为99.6wt％高纯钐放入物理气相沉积设备，在氦气气氛下，选择电弧电流50A，电弧电压10V，起弧时间0.5小时将原料制备成稀土元素钐的纳米颗粒。将上述的钐的纳米颗粒在高纯氩气体保护的预处理室粉装入碳化钨硬质合金模具并预压成型。压力1000MPa。将生坯利用放电等离子烧结技术烧结成为块体材料。具体烧结工艺参数为烧结温度为200℃，烧结压力为1000MPa，烧结保温时间为0min，烧结升温速率为100℃/min。
本发明的设备发明点不在于各部分的结构，其总体思路在发明内容中已经描述，不再赘述。
表1
权利要求
1.一种稀土纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤用物理气相沉积技术将稀土原料制备成粉末状纳米颗粒，以纯度高于99.5wt％的高纯稀土元素作为阳极，金属钨作为阴极，在氦气的保护气氛下，选择电流50-400A，电弧电压10-50V，起弧时间0.5-5小时将原料制备成纳米颗粒。
2.一种稀土纳米晶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1利用物理气相沉积技术，以纯度高于99.5wt％的高纯稀土元素作为阳极，金属钨作为阴极，在氦气的保护气氛下，选择电流50-400A，电弧电压10-50V，起弧时间0.5-5小时将原料制备成纳米颗粒；步骤2将上述粉末颗粒置入惰性气体保护的预处理室，将纳米粉装入碳化钨硬质合金模具或石墨模具并预压成型，预压压力范围10-1000Mpa；步骤3预压后在惰性气体保护下，利用放电等离子烧结技术将压坯烧结合成为纳米晶块体材料，烧结温度控制在200-500℃，烧结压力为30-1000Mpa，烧结保温时间为0-10min，烧结升温速率为20-100℃/min。
3.根据权利要求1或2所述的稀土纳米颗粒及纳米晶材料的制备方法所用设备，其特征在于，依次包括材料物理气相沉积部分(1)，带有纳米粉末收集容器的纳米粉末捕集机构(2)，带有专用机械传递机构的纳米粉末传递机构(3)，纳米粉末颗粒预处理部分(4)，纳米晶块体材料烧结成型部分(5)，上述各部分均包括用于抽真空的真空泵和通入惰性气氛保护的气瓶，其中捕集机构(2)，传递机构(3)，预处理部分(4)，烧结成型部分(5)置入充有惰性保护气氛的手套箱中；纳米粉末颗粒预处理部分(4)和烧结成型部分(5)具有气体循环净化装置；在纳米粉末预处理部分(4)有磁场取向装置，热处理装置，粉末成型模具，液压装置以及球磨装置。
全文摘要
本发明属纳米材料领域。颗粒制造物理气相沉积，稀土为阳极，钨为阴极，氦气保护下，50－400A，10－50V，起弧0.5－5小时制成纳米颗粒。晶材料制造上述纳米颗粒置入惰性气体保护的预处理室，装入模具预压成型，压力10－1000MPa；惰性气体保护下，放电等离子烧结温度200－500℃，压力30－1000MPa，保温0－10min，升温速率为20－100℃/min。设备依次包括物理气相沉积部分(1)，粉末捕集机构(2)，传递机构(3)，预处理部分(4)，烧结成型部分(5)，各部分均有真空泵和惰性气瓶，置入有惰性保护气氛的手套箱中；预处理部分(4)和烧结成型部分(5)有气体循环净化装置。本发明颗粒粒度均匀，粒径小于100纳米；晶块体材料致密度高，晶粒细小、均匀，单相性好。
文档编号B22F9/14GK1743103SQ200510089080
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月5日 优先权日2005年8月5日
发明者张久兴, 岳明, 宋晓艳, 曾宏, 张东涛, 周美玲, 左铁镛 申请人:北京工业大学