高致密纳米金属材料的制备方法 技术领域
本发明涉及一种高致密纳米金属材料的制备方法，特别是一种纳米镍或镍基合金的制备方法。
背景技术
纳米科技的科学意义体现在纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土。在该尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头，在这一尺度下，充满了原始创新的机会。纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。在各种的纳米材料研究中，纳米金属材料制备是当前研究的热点之一。
纳米金属材料由于其结构的特殊性，决定了纳米金属材料会出现许多不同于传统材料的独特性能和规律。近年来的研究也已初步证明了纳米金属材料一些独特性能和规律。
由于晶粒大小是影响传统金属多晶材料力学性能的重要因素，随晶粒减少，材料在常温下的塑韧性以及强度均得到提高，但在金属晶粒减小至纳米数量级时，材料的力学性能与晶粒尺寸关系如何，至今为止，虽在国内外均广泛开展，然而大量研究获得地结果与人们的期望相差甚远。造成目前这种理论与实际巨大差距的关键原因，在于目前很多方法制备的纳米金属是“非理想纳米材料”。因此，要获得纳米金属的本征力学性能并研究其内在机理，从技术层面上要解决的瓶颈问题是必须制备出“理想纳米块体材料”——即全致密、无污染、晶粒尺寸均匀且完全驰豫状态的较大尺寸的纳米金属。
然而，迄今为止在制备及合成纳米块体金属材料诸多技术中，要解决这一瓶颈问题普遍存在着不同的差距。例如，目前最具有代表性的用惰性气体凝聚(IGC)原位加压合成(In-situ Compaction)技术虽然可获得微粉表面洁净的纳米材料，但样品致密度仅可达到75％-90％，样品中大量微孔隙的存在很难满足本征性能和机理的研究；而机械合金研磨(MA)结合加压成块技术除存在微孔隙外还有难以克服所获样品中的杂质、污染、氧化及内应力等问题；其它一些方法如大塑性变形、高压高温固相淬火、脉冲电流和深过冷直接晶化法等等技术虽然很有潜力，但目前仍处于探索和初步研究阶段。相比之下，非晶晶化法制备纳米金属由于所获材料致密度高、界面清洁、晶粒尺寸分布窄且易于控制，以及技术相对成熟，是目前诸多技术中可用于开展纳米金属本征力学性能和机理研究中较为理想的一种制备方法。
非晶晶化法是近年来发展迅速的一种工艺，其原理是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程而使晶化产物成为纳米晶粒，因此制备技术包括非晶态固体的获得和晶化过程两部分。目前获得非晶态固体包括采用熔体激冷、高速直流溅射、等离子流雾化等方法；而晶化技术主要采用等温退火包括采用分级退火、脉冲退火、激波诱导等方法。由于通过非晶晶化法制备质量良好的纳米金属从原理上是可行的，近年来国外十分重视这一技术，美国和日本等国家对一些非晶形成能力较强的合金系如Zr-Al-Cu-Ni、Mg-La-TM、La-Al-TM、(Nd，Pr)-Fe-(AL，Ga)等等开展了大量研究，也获得了一些尺寸较大的非晶态合金块体。然而至今为止运用非晶块体材料进行晶化处理这一技术，获得相应大尺寸理想纳米块体金属(全部晶化且纳米晶粒均匀)的实例报道并不多(较多的报道是合金中的析出相为纳米晶或部分晶化的非晶--纳米晶的复合体)，表明采用如上所述的这些技术，虽可制备出较大的非晶块体合金材料，但要获得组织结构均匀的相应纳米材料依然还有许多工作需要进行研究。
发明内容
本发明提供一种能够提高致密度并有助于降低成本的高致密纳米金属材料的制备方法，本发明具有晶界无污染、晶粒尺寸均匀且为完全驰豫状态的优点。
为实现解决上述技术问题，本发明采取的技术方案：
一种高致密纳米金属材料的制备方法，首先是采用化学沉积技术制备出非晶态金属，然后采用分级热处理技术对非晶态金属进行晶化处理。
利用下列技术措施可以使上述方法用于制备高致密纳米镍或镍基合金，即：将上述金属为镍或镍基合金；
非晶态金属镍或镍基合金的制备采用下列步骤：
1)配制化学沉积溶液，其组分包括：硫酸镍15-30g/L，次磷酸钠15-30g/L，醋酸钠5-15g/L，丁二酸2-10g/L，醋酸铅0.1-3mg/L，硫尿0.1-3mg/L，碘化钾20-80mg/L，余为水，
2)将配制的化学沉积溶液加热升温至75-95℃，然后将基体材料碳钢或铝置于化学沉积溶液中，即可在基体材料表面形成非晶态金属金属镍或镍基合金。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
①制备出的纳米金属可以是二维的薄膜或三维的块体材料。
②纳米晶粒尺寸在5-200nm之间均易控制。
③所获材料高度致密、晶界无污染、晶粒尺寸均匀且为完全驰豫状态，所获材料致密度明显高于现有技术的75％-90％。
④工序和所需设备简单，易于操作，无污染，易工业化应用，这将有助于降低制造成本。
附图说明
图1所示为由本发明制得的纳米金属镍的5万倍透射电子显微镜照片。
图2所示为由本发明制得的纳米金属镍的7.5万倍透射电子显微镜照片。
图3所示为由本发明制得的纳米金属镍的6万倍透射电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
配制化学沉积溶液，溶液组成包括：硫酸镍18g/L，次磷酸钠22g/L，醋酸钠15g/L，丁二酸3g/L，醋酸铅0.5mg/L，硫尿0.5mg/L，碘化钾30mg/L，余为水。将配制化学沉积溶液加热升温至90℃，然后将基体材料铝置于化学沉积溶液中，在基体材料表面获得非晶态金属镍。对非晶态金属镍进行晶化处理，其工艺为在真空热处理炉中进行100℃保温1h加200℃保温2h。图1所示为纳米金属镍的透射电子显微镜照片。
实施例2
配制化学沉积溶液，溶液组成包括：硫酸镍20g/L，次磷酸钠25g/L，醋酸钠10g/L，丁二酸3g/L，醋酸铅0.5mg/L，硫尿0.5mg/L，碘化钾50mg/L，余为水。将配制化学沉积溶液加热升温至90℃，然后将基体材料碳钢置于化学沉积溶液中，在基体材料表面获得非晶态金属镍。对非晶态金属镍进行晶化处理，其工艺为在真空热处理炉中进行100℃保温1.5h加400℃保温1h。图2所示为纳米金属镍的透射电子显微镜照片。
实施例3
配制化学沉积溶液，溶液组成包括：硫酸镍20g/L，次磷酸钠25g/L，醋酸钠10g/L，丁二酸3g/L，醋酸铅0.5mg/L，硫尿0.5mg/L，碘化钾50mg/L，余为水。将配制化学沉积溶液加热升温至90℃，然后将基体材料碳钢置于化学沉积溶液中，在基体材料表面获得非晶态金属镍。对非晶态金属镍进行晶化处理，其工艺为在真空热处理炉中进行200℃保温0.5h加500℃保温0.7h。图3所示为纳米金属镍的透射电子显微镜照片。
由图可见，纳米晶粒总体分布均匀而且高度致密，从实验上充分证实了采用本发明这一技术制备出高质量的纳米金属是合理可行的。
实施例4
一种高致密纳米金属材料的制备方法，首先是采用化学沉积技术制备出非晶态金属，然后采用分级热处理技术对非晶态金属进行晶化处理。
利用上述方法可以制得纳米金属材料，在本实施例中，可以利用上述方法制备纳米镍或镍基合金，具体技术措施如下：
①上述金属为镍或镍基合金；
②制备非晶态金属镍或镍基合金的方法采用下列步骤：
1)配制化学沉积溶液，其组分包括：硫酸镍15-30g/L，次磷酸钠15-30g/L，醋酸钠5-15g/L，丁二酸2-10g/L，醋酸铅0.1-3mg/L，硫尿0.1-3mg/L，碘化钾20-80mg/L，余为水，
2)将配制的化学沉积溶液加热升温至75-95℃，然后将基体材料碳钢或铝置于化学沉积溶液中，即可在基体材料表面形成非晶态金属金属镍或镍基合金。
③对非晶态金属镍或镍基合金进行晶化处理所采用分级热处理工艺为在真空热处理炉中，在100℃-200℃温度下保温0.5-1.5h后，再在400℃-600℃温度下保温0.5-2.0h，在本实施例中，采用在100℃温度下保温0.5或1.5h后，再在400℃温度下保温0.5或2.0h，或者，在200℃温度下保温0.5或1.5h后，再在500℃温度下保温0.5或2.0h。