一种制备块体纳米纯铝材料的方法.pdf

本发明提供了一种制备块体纳米纯铝材料的方法，其特征在于：选用市售Al粉，粉体纯度大于98重量％，粒度为50～200微米；采用液氮低温球磨技术制备出高热稳定性的纳米Al粉体，然后利用中低温强加工技术制备出块体纳米纯Al材料。本发明的优点在于；易于实现批量生产规模，有利于产业化开发；设备简单，工艺过程容易控制，综合制备成本较低；可广泛应用于微机械、电子学和纳米技术等领域。

1、  一种制备块体纳米纯铝材料的方法，其特征在于：选用市售Al粉，粉体纯度大于98重量％，粒度为50～200微米；采用液氮低温球磨技术制备出高热稳定性的纳米Al粉体，然后利用中低温强加工技术制备出块体纳米纯Al材料。

2、  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的低温球磨制取高热稳定性的纳米Al粉体的工艺为：
a、球磨装置的选用：选择立式转子球磨机或高能卧式转子球磨机进行球磨；
b、球磨温度：低温球磨液氮的温度控制在-110～-160℃之间；
c、球磨时间：球磨时间选为2～12小时；
d、球料比：球料比选择为30～50∶1。

3、  按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的利用中低温强加工技术制备出块体纳米纯Al材料的工艺为：
a、真空热压：真空度为10^-2～10^-3帕，加热温度为400～550℃，压力为200～500Mpa；
b、挤压：温度为400～450℃，挤压比为20～40∶1。

一种制备块体纳米纯铝材料的方法
技术领域
本发明属于纳米铝材料制备技术领域，特别是提供了一种制备块体纳米纯铝材料的方法。可广泛应用于微机械、电子学和纳米技术等领域。
背景技术
纳米材料是指至少在一个方向上的晶粒尺寸介于1～100nm的单相或多相多晶材料。它们与相同成分的普通材料相比不同之处仅为晶粒尺寸和晶界上的原子排列的差异。当多晶材料的晶粒尺寸减小到纳米数量级时，其结构将发生显著变化。首先，在材料中形成了不同于有序(晶体结构)或无序(液态或玻璃结构)状态的短程序。随晶粒的不断减小，界面的数量持续增加，界面原子的数量也逐渐接近晶内的水平。如晶粒尺寸为5nm的材料中，位于晶界的原子体积分数将达到60％。因此，纳米结构材料的性能将不再仅仅取决于晶内原子的作用。相反，这种材料表现出的奇特性能变化恰恰反映了界面的显著作用。此外，晶内材料的原子结构也将发生一定的变化，如由于原子偏离其平衡位置而造成的缺陷、应变场和静态或动态原子短程位移等。以上原子结构的变化将造成材料众多物理和力学性能的变化。因此，与普通粗晶材料相比，纳米材料表现出室温强度的增加、扩散能力的提高、韧性的改善、密度的降低、弹性模量的降低、电阻率的增加、比热的增加、热膨胀系数的增大、热传导能力的降低以及优异的磁性能等。
块体纳米结构材料的研究和应用是纳米材料发展的一个重要方向，对整个纳米材料科学技术的进一步发展和应用具有举足轻重的作用。虽然实验室研究已经证明纳米结构材料的性能远远优于传统粗晶材料(张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，北京，2001，p260)，但是实验室研究成果向工程应用的转化进程却明显滞后。其中一个主要的障碍是块体纳米材料的制备成形技术没有取得突破，即获得具有纳米结构的粉体和小样品相对较容易，而获得可以满足实际结构应用要求的块体材料却困难的多。
目前制备纳米材料使用的技术主要包括气体凝聚法、快速凝固法、溅射法、机械合金化或球磨法、传统的气相沉积法(物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD)、等离子辅助PVD/CVD、电沉积、等离子法和溶胶凝胶法等。但是，这些技术在使用过程中均存在这样或那样的问题和不足，成为限制新型纳米材料实用化的重大障碍。这些问题包括：
(1)多数制备技术涉及的严重问题是极低的生产速度。经常可以看到实验室装置每天仅合成数克纳米材料的情形。如此低的生产效率造成极高的生产成本，严重限制了其作为纳米结构材料应用的可行性。因此，开发高效率和低成本的纳米材料制备技术已经成为纳米结构材料发展的迫切需求。
(2)多数制备方法仅能够一次合成一种金属或陶瓷纳米粉末，而无法按预定比例制备两种或多种均匀混合的纳米颗粒，限制了纳米结构材料的应用范围。
(3)多数制备技术需要昂贵的大型设备(如高能激光器或等离子发生器等)，导致过高的制造成本，不利于纳米结构材料的大规模工业化应用。
(4)在气相沉积纳米颗粒时，难以准确控制颗粒的尺寸和尺寸分布，往往出现很宽的颗粒尺寸分布，并出现尺寸数倍于平均颗粒尺寸的大颗粒，不利于获得均匀一致的纳米晶组织，将引起材料性能的波动。
(5)某些工艺在合成陶瓷粉末时需要使用昂贵的原材料并可能产生有害的气体排放，不利于环境保护。
综合分析已有的研究结果，得出地结论是，球磨技术最有可能克服以上困难，成为低成本批量制备纳米材料的实用化方法。然而，常温下球磨韧性材料，如Al时，软金属的Al常常与磨球和球磨罐壁粘连，严重影响了球磨过程的进行。近年来，将低温液体介质(如液氮)加入球磨环境中极大地影响了球磨过程(D.Witkin，Z.Lee，R.Rodrigurz，S.Nutt，E.J.Lavernia.Scripta Mater.，2003；49：297；F.Zhou，X.Z.Liao，Y.T.Zhu，S.Dallek，E.J.Lavernia，Acta Materialia，2003；51：2777)。因为在较低的温度下球磨有助于使软的金属变脆，有利于颗粒的破碎。而且，研究还表明液氮温度下的球磨还会导致原位形成纳米尺度的氮氧化物。低温球磨粉末中观察到的明显热稳定性被归结为这些氮氧化物颗粒产生的钉扎效应。这种具有高热稳定性的粉体特别有利于后期的块体材料成形，可以在较高温度条件下实现块体材料的致密化烧结与成形，而不会引起晶粒尺寸的过度长大。显然，这对于获得高致密度的块体纳米材料十分有利。
高纯度、高致密度的块体纳米铝材料可以在室温通过轧制获得超塑性材料。这不仅有助于了解纳米结构的形变机制(晶界滑移或原子扩散蠕变)，而且因其容易加工出复杂形状的工件而非常具有吸引力。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种制备块体纳米纯铝材料的方法，采用用液氮低温球磨+中低温强加工技术制备块体纳米纯铝材料。可广泛应用于微机械、电子学和纳米技术等领域。
本发明的构成：选用市售Al粉，粉体纯度大于98重量％，粒度为50～200微米。采用液氮低温球磨技术制备出高热稳定性的纳米Al粉体，然后利用中低温强加工技术制备出块体纳米纯Al材料；具体方法如下：
1、低温球磨制取高热稳定性的纳米Al粉体：
(1)球磨装置的选用：选择立式转子球磨机或高能卧式转子球磨机进行球磨。
(2)球磨温度：低温球磨液氮的温度控制在-110～-160℃之间。在较低的温度下球磨可以使Al变脆，有利于颗粒的破碎，获得较小的纳米晶尺寸。
(3)球磨时间：球磨时间选为2～12小时。
(4)球料比：球料比选择为30～50∶1。
2、利用中低温强加工技术制备出块体纳米纯Al材料：
(1)真空热压：真空度为10^-2～10^-3帕，加热温度为400～550℃，压力为200～500MPa。
(2)挤压：温度为400～450℃，挤压比为20～40∶1。
本发明的优点是：(1)易于实现批量生产规模，有利于产业化开发；(2)设备简单，工艺过程容易控制，综合制备成本较低。
附图说明
图1是本发明的经3小时液氮球磨后形成的平均晶粒尺寸为49nm的Al粉末的形貌。
图2是本发明的经450℃/300MPa真空(真空度为10^-2帕)热压获得的块体纳米Al材料。
图3是本发明的经410℃、挤压比为25∶1挤压后的Al棒材。
具体实施方式
实施例1
选用市售Al粉，粉体纯度为98重量％，粒度为75微米。选取立式转子球磨机和不锈钢球及罐，球料比为30∶1，球磨温度为-120℃，球磨3小时后形成平均晶粒尺寸为39nm的Al粉。采用真空热压法获得块体Al材料。真空度为1.2×10^-2帕，加热温度为420℃，压力为284MPa。块体Al材料密度为2.68×10³kg/m³，平均晶粒尺寸为52nm。试棒极限抗拉强度为150MPa，延伸率为18％。
实施例2
选用市售Al粉，粉体纯度为98.5重量％，粒度为100微米。选取立式转子球磨机和不锈钢球及罐，球料比为40∶1，球磨温度为-140℃，球磨11小时后形成平均晶粒尺寸为22nm的Al粉。采用真空热压法获得块体Al材料。真空度为1.1×10^-3帕，加热温度为480℃，压力为386MPa。块体Al材料密度为2.69×10³kg/m³，平均晶粒尺寸为62nm。试棒极限抗拉强度为167MPa，延伸率为14％。
实施例3
选用市售Al粉，粉体纯度为98.2重量％，粒度为180微米。选取高能卧式转子球磨机和不锈钢球及罐，球料比为50∶1，球磨温度为-150℃，球磨5小时后形成平均晶粒尺寸为28nm的Al粉。采用真空热压法获得块体Al材料。真空度为1.7×10^-2帕，加热温度为550℃，压力为484MPa。块体Al材料密度为2.71×10³kg/m³，平均晶粒尺寸为74nm。试棒极限抗拉强度为173MPa，延伸率为11％。