一种规则有序纳米多孔合金材料的制备方法

本发明涉及纳米多孔金属材料，更具体地说涉及一种规则纳米多孔fecr合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着纳米科技的不断进步，纳米材料在纳米电子器件、催化剂、机器人、纳米卫星和雷达隐身等领域表现出优异的性能和应用潜质。纳米材料向超微化、智能化、高集成化、高密度存储和超快传输等方向迅猛发展，开发高性能且稳定的纳米材料成为最热门的研究方向之一。

2、纳米多孔金属材料(npms:nanoporous metals)由于其独特的三维双连续多孔结构和优异的物理化学性质，有望在高性能纳米材料中得到应用。但是，国内外研究大都集中在npms微观组织形貌的调控以及化学/电化学性能提升等方面，而对npms强度不足、易碎性等严峻问题研究则远远不够，高性能纳米材料的使用可靠性、寿命已受到极大的限制。现已明确，通过选择性相腐蚀技术，可以一定程度上优化纳米多孔骨架结构，提升npms的力学强度。但是，目前制备得到的npms骨架结构大都呈无序分布，易产生应力集中而断裂，纳米材料的结构稳定性和力学性能较差，严重限制了npms的实际应用。因此，如何开发一种具有规则纳米多孔结构的npms成为当前高性能且稳定纳米材料的研究重点之一。

3、在先技术，公开号cn110787796a的“一种具有规则表面纳米多孔金属的制备方法”，该专利中对利用元素脱合金制备的纳米多孔金(缩写为npg)材料在300～500℃的气体系统下，通入甲烷气体进行催化热解反应，npg表面原子重新排列并产生更稳定的结构，导致npg骨架在反应过程中逐渐变得更加规则，使得npg形成规则表面。该专利制备的规则纳米多孔金属的方法步骤繁多，催化热解处理操作较为繁琐，不利于实际应用。此外，npms通过表面原子重排获得的多孔骨架结构取向仍然没有明确的规则形态，难以实现纳米材料优异的结构稳定性和本征力学强度。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术的制备规则纳米多孔金属的方法步骤繁多，催化热解处理操作较为繁琐，不利于实际应用，同时表面原子重排骨架的规则程度比较差等缺陷，提供了一种规则有序纳米多孔合金材料的制备方法。该方法先选择有序相结构呈层片状的双相合金为先驱体，再采用“一步相腐蚀”的方法制备规则有序纳米多孔合金材料。本发明得到了大尺寸规则有序纳米多孔合金，该材料为具有高强韧性的三维孔纳米能源电极材料，并且制备工艺简单、可适用于大规模生产。

2、本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

3、一种规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

4、(1).制备规则有序层片状al-ni-fe-cr双相合金先驱体板材

5、按照如下表达式al(100-x-y-z)nixfeycrz配料，其中，x＝20～26，y＝20～26，z＝20～26，表达式中的下标数字为各元素原子百分数，按照合金表达式将原子百分比转换为质量百分比进行配料，将得到的纯铝、纯镍、纯铁、纯铬混合后置于高真空电弧熔炼炉中，充入氩气作为保护气氛，熔炼3～6次；然后将液态al-ni-fe-cr合金注入水冷铜模内冷却至温度20～25℃，即得到al-ni-fe-cr双相合金板材；

6、其中，al-ni-fe-cr两相分别为alni合金相和fecr合金相，相结构分布为：每一种相在空间上保持连接，呈片层状网格分布；层厚度为30～50纳米；所述的网格为矩形或正方形，网格的骨架宽度为50～100纳米；不同相之间相互交织；

7、所述步骤(1)中的纯铝、纯镍、纯铁、纯铬的纯度均高于99.9wt％；

8、所述步骤(1)中的惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气。

9、所述步骤(1)中的电弧熔炼时，真空度为8.0～10.0×10-4帕，吹铸所需压力为0.03～0.06兆帕。

10、所述步骤(1)中的板材的尺寸为：厚度1～2毫米，宽度0.5～2厘米，长度9～10厘米；

11、(2).制备规则有序纳米多孔fecr合金材料

12、30～80℃下，将截取得到的al-ni-fe-cr双相合金板材浸没入酸性腐蚀液中静置1～5天，得到纳米多孔板材，清洗后，得到规则有序纳米多孔合金材料；

13、所述的酸性腐蚀液是浓度为0.5～1.5摩尔每升的硫酸。

14、步骤(2)中的温度优选为40～50℃。

15、本发明的实质性特点为：

16、规则多孔材料中，厘米或毫米的规则多孔可以通过钎焊或胶粘，或者是3d打印技术。但是纳米级的多孔因为尺寸在100nm以下，很难通过正常的加工制造当前技术中；对于纳米规则多孔材料，是采用先对合金先驱体材料脱合金，制备无序纳米多孔金属(该技术是利用成分(元素或者物相)之间化学活泼差异性，将活泼的去除，相对惰性成分保留形成纳米多孔金属材料。元素脱合金是利用原子表面重构，形成的是无序均匀结构。而相腐蚀获得的纳米结构与先驱体相结构有关，先驱体相结构是什么形状，多孔材料就是什么结构)；再利用催化热解反应，纳米多孔金属表面能比较高，因而纳米多孔金属表面发生原子的重新排列，并产生更稳定的有序结构。由于这种方法复杂，而且有序结构仅局限于纳米多孔金属表面，内部仍为无序结构，就造成无序纳米多孔金属的韧带形状和表面曲率都是不规则的，容易产生应力集中而断裂，表现为明显的宏观脆性(强度低：一般＜100兆帕，没有塑性或很低：一般＜5％)，这将导致在实际应用中作为储能电极材料时，使用耐久性较差。

17、本发明利用现有的相腐蚀手段，先选用有序相结构的双相合金，用来“一步相刻蚀”处理，利用相腐蚀手段，去除合金中一规则有序层片状物相，形成具有明确正交取向的，纳米结构规则有序的纳米多孔合金。

18、本发明的有益效果为：

19、本发明选取规则有序层片状双相合金为先驱体材料，利用“一步相腐蚀”方法，便可获得规则有序纳米多孔合金材料。得到的有序结构材料不容易产生应力集中，表现出优异的强韧性；得到的规则有序纳米多孔fecr合金材料的强度高达250兆帕，塑性变形高达25％，这有利于实现好的机械完整性和结构稳定性，保证纳米多孔金属材料作为新能源储能和催化电极的使用可靠性和长寿命。

20、其中，规则有序纳米多孔金属不容易产生应力集中，形变均匀，有效缓解裂纹的快速萌生和扩展，形成多重微小裂纹(图9和图10)，所以表现优异的强韧性(强度高：250兆帕，塑性变形大：25％)，如图8。强韧性好的纳米多孔金属材料更有利于用以能源领域，比如电池、超级电容器的储能电极，保证好的机械完整性和结构稳定性，有利于实现纳米材料的使用可靠性和长寿命。本技术是利于“一步相腐蚀”的方法，通过对双相调幅分解反应得到的规则有序层片状合金进行化学腐蚀处理，形成大面积规则有序的纳米多孔合金材料。

技术特征：

1.一种规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为所述步骤(1)中的纯铝、纯镍、纯铁、纯铬的纯度均高于99.9wt％。

3.如权利要求1所述的规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为所述步骤(1)中的惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气。

4.如权利要求1所述的规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为所述步骤(1)中的电弧熔炼时，真空度为8.0～10.0×10-4帕，吹铸所需压力为0.03～0.06兆帕。

5.如权利要求1所述的规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为所述步骤(1)中的板材的尺寸为：厚度1～2毫米，宽度0.5～2厘米，长度9～10厘米。

6.如权利要求1所述的规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为步骤(2)中的温度优选为40～50℃。

7.如权利要求1所述的规则有序纳米多孔合金材料的制备方法，其特征为其中所述的al-ni-fe-cr两相分别为alni合金相和fecr合金相，相结构分布为：每一种相在空间上保持连接，呈片层状网格分布；层厚度为30～50纳米；所述的网格为矩形或正方形，网格的骨架宽度为50～100纳米；不同相之间相互交织。

技术总结
本发明为一种规则有序纳米多孔合金材料的制备方法。该方法包括如下步骤：(1)按照如下表达式Al<subgt;(100‑x‑y‑z)</subgt;Ni<subgt;x</subgt;Fe<subgt;y</subgt;Cr<subgt;z</subgt;配料，制备规则有序层片状Al‑Ni‑Fe‑Cr双相合金先驱体板材；(2)将截取得到的Al‑Ni‑Fe‑Cr双相合金板材浸没入酸性腐蚀液中，静置1～5天，得到纳米多孔板材，清洗后，得到规则有序纳米多孔合金材料。本发明得到了大尺寸规则有序纳米多孔合金，该材料为具有高强韧性的三维孔纳米能源电极材料，并且制备工艺简单、可适用于大规模生产。

技术研发人员：王超洋,常春涛,王芳,赵成亮,谢春晓
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11