一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法.pdf

一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征是在干法室温状态下利用滚压振动磨使钛、锆两种元素粉末实现纳米合金化；A)将摩尔比为1∶1的钛、锆两种元素粉末分别与过程控制剂均匀混合；B)首先将钛与过程控制剂的混合物投入滚压振动磨中，将滚压振动磨置入手套箱中，接着将手套箱抽成真空并充入惰性气体，并使手套箱中的压力与外界大气压达到平衡状态，滚压振动磨开始运行；C)再将锆与过程控制剂的混合物加入到滚压振动磨中，使滚压振动磨再运行，最后收集产物。为了释放材料内部应力，滚压振动磨每运行10小时停机

1.  一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征在于：在干法室温状态下利用滚压振动磨使钛-锆两种元素粉末实现纳米合金化；具体步骤如下：
A)将摩尔比为1∶1的钛、锆两种元素粉末分别与过程控制剂均匀混合；
B)首先将钛与过程控制剂的混合物投入滚压振动磨中，将滚压振动磨置入手套箱中，接着将手套箱抽成真空并充入惰性气体，并使手套箱中的压力与外界大气压达到平衡状态，滚压振动磨开始运行；
C)再将锆与过程控制剂的混合物加入所述的滚压振动磨中，使滚压振动磨再运行，最后收集产物。

2.  根据权利要求1所述的一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征在于：所述的滚压振动磨每运行10小时，就停机1小时。

3.  根据权利要求1所述的一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征在于：所用惰性气体可以是氩气、氮气气体。

4.  根据权利要求1所述的一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征在于：所用的过程控制剂可以是硬脂酸等，它在混合物中的质量百分比约为4％。

一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法
技术领域
本发明涉及一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，属于纳米材料和纳米结构制备技术领域。
背景技术
钛和锆都被誉为生命元素，钛锆合金在生物细胞环境中能够在表面形成与基体紧密结合的具有金红石结构的氧化膜，这种氧化膜具有很强的耐腐蚀作用，另一方面，锆离子不易溶解，较为稳定，从而有利于氧化膜的再生成，使再钝化的发生优先于溶解。对合金机械性能的研究证明，摩尔比为1∶1的钛、锆二元合金的微观组织最细，硬度和拉申强度也最高，均达到纯钛或纯锆的2.5倍。由此可见，钛、锆二元合金具有突出的机械性能，在生物医学和国防工业领域具有重要应用前景。但是，传统的钛、锆合金都采用铸造和锻造方法生产，形成的材料晶粒较粗，并容易造成成分偏析和显微组织缺陷，而且材料利用率较低，能耗高。20世纪80年代后期兴起的纳米材料和纳米技术为新材料的发展注入了强大动力，钛、锆二元纳米合金化研究也因此成为国际纳米科技领域研究的热点之一，其中机械合金化法是利用机械力使材料发生合金化。
纳米钛、锆二元机械合金化的研究始于上世纪90年代。日本Tohoko大学的Aoki等人利用高能球磨法在室温和氮气保护下试图合成钛锆纳米合金(见：.Appl.Phys.Lett.1992，61，1037-1039)。结果是，当氮气压力为2Mpa时，生成物为纳米c-TiZrN0.9，当氮气压力为0.04Mpa时，生成物为无定形的α-TiZrN0.3，但两种情况下都有氮气参与了反应。据此，他们认为，对于元素周期表中的同簇而且具有完全固溶性的元素，比如Ti，Zr等，不可能用机械合金化或快速冷凝得到纯净的二元的非晶合金。随后，他们又发展了一种在氢气气氛下机械合金化钛锆合金的方法，结果仍旧生成了无定形的TiZrHx，而且其中仍然有气氛物质的存在。1994年，Aoki等人利用行星球磨法在H2、N2、O2气氛下得到了非晶Ti-Zr合金，但同样有保护气体参与了反应(见：Materials Science and Engineering，1994，A181，1263-1267)。
为了攻克上述难关，本发明提出一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，得到的纳米合金的晶粒尺度在10nm以下。光电子能谱表明，合金的机械性能、生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性和稳定性显著提高。本发明得到的钛、锆二元纳米合金在生物医学材料领域具有光明的应用前景。
发明内容
本发明提供一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其目的在于克服传统的钛、锆合金形成的材料晶粒较粗，并容易造成成分偏析和显微组织缺陷，而且材料利用率较低，生产能耗高，采用球磨法在室温和氮气或氢气保护下合成钛锆纳米合金，生成物均为无定形产品，不能生成纯净的钛、锆二元纳米合金；本发明是在干法室温状态下利用滚压振动磨使钛、锆两种元素粉末实现纳米合金化。所述的滚压振动磨是本发明人发明的一种制备纳米颗粒的设备和方法，已经获得国家发明专利，专利号：ZL 99112092.2。本发明不需要任何冷却措施。本发明利用滚压振动磨制备的钛-锆二元纳米合金，不仅机械强度高，而且具有良好的生物相容性。
一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征是：在干法室温状态下利用滚压振动磨使钛、锆两种元素粉末实现纳米合金化；具体步骤如下：
A)将摩尔比为1∶1的钛、锆两种元素粉末分别与过程控制剂均匀混合；
B)首先将钛与过程控制剂的混合物投入滚压振动磨中，将滚压振动磨置入手套箱中，接着将手套箱抽成真空并充入惰性气体，并使手套箱中的压力与外界大气压达到平衡状态，滚压振动磨开始运行；
C)再将锆与过程控制剂的混合物加入所述的滚压振动磨中，并再使滚压振动磨运行，最后收集产物。
所述的滚压振动磨每运行10小时，就停机1小时，其目的为了释放材料内部应力。
所用惰性气体可以是氩气、氮气等气体。
所用的过程控制剂可以是硬脂酸等，它在混合物中的质量百分比约为4％。
本发明的优点和积极效果是：采用本发明方法不但可以制备出钛、锆二元纳米合金，而且可以制备出晶粒度为10纳米以下的钛、锆二元纳米合金，光电子能谱表明，合金的机械性能、生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性和稳定性有显著提高。本发明得到的钛、锆二元纳米合金在生物医学材料领域具有光明的应用前景。
具体实施方式
以下结合实施例进一步阐述本发明，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
一种利用滚压振动磨制备钛、锆二元纳米合金的方法，其特征是在干法室温状态下利用滚压振动磨使钛、锆两种元素粉末实现纳米合金化；具体步骤是：
A)将摩尔比为1∶1的钛、锆两种元素粉末分别与硬脂酸均匀混合；根据摩尔比1∶1的要求，分别称取钛57.9克，锆110克，钛、锆两种粉末的纯度均为99％，钛颗粒原始粒度为70-80微米，锆颗粒原始粒度为30-40微米，硬脂酸在两种元素中的质量百分比均为4％。为了防止氧化和粉尘爆炸，本发明将整个制备过程置于惰性气体保护之下。
B)首先将钛与硬脂酸的混合物投入滚压振动磨中，将滚压振动磨置入密闭的手套箱中，接着将手套箱抽成真空并充入氩气，并使手套箱中的压力与外界大气压达到平衡状态，使滚压振动磨运行20小时，每运行10小时停顿1小时。
C)然后，再将锆与硬脂酸的混合物加入所述的滚压振动磨中，并再使滚压振动磨运行60小时，其中每10小时停顿1小时，最后收集产物，即得到晶粒度为7.6纳米的钛、锆二元纳米合金。