專利名稱：納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型材料的制備方法，尤其是一種微納米復(fù)合材料的制備方法，具體地說(shuō)是一種納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法。
背景技術(shù)：
隨著納米科技的發(fā)展，納米材料研究的重點(diǎn)已由單一的納米粉體制備逐漸轉(zhuǎn)向納米塊體和納米涂層的應(yīng)用與開發(fā)，納米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是其中一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。眾所周知，當(dāng)尺寸達(dá)到納米量級(jí)后，單個(gè)納米粒子的表面能很高、表面活性很大、很不穩(wěn)定，極易吸附其他物質(zhì)或粒子，它們之間相互吸引發(fā)生團(tuán)聚，使得納米粉體的實(shí)際使用效果較差，其許多優(yōu)異特性喪失。國(guó)內(nèi)外眾多研究表明，如果將納米粉與微米粉進(jìn)行適當(dāng)復(fù)合時(shí)，制得的復(fù)合粉體往往均會(huì)不同程度地表現(xiàn)出納米特性，同時(shí)還會(huì)呈現(xiàn)復(fù)合協(xié)同多功能效應(yīng)。因此，納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的制備成為工程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
微納米復(fù)合粉體制備方法一般可分為機(jī)械法、氣相法、液相法和固相法等四大類。其中，機(jī)械法具有反應(yīng)過(guò)程容易控制、可連續(xù)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。納米粉體與微米粉體的配比以及納米粉體的添加工藝是納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體機(jī)械制備工藝中的核心技術(shù)，也是決定復(fù)合粉體使用性能的決定性因素。
關(guān)于納米粉體與微米粉體的配比關(guān)系，已有研究多采用試驗(yàn)法，這種方法存在著較大的盲目性，常常需要反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)才能得出較好的配比關(guān)系。同時(shí)，由于微、納米粉體的物性的差異性和多樣性，已有研究對(duì)不同粉體基本不具有指導(dǎo)作用。日本學(xué)者M(jìn).Alonso等提出了一種納米粒子和微米粒子以包覆型復(fù)合時(shí)的數(shù)量配比模型，但在納米陶瓷/微米金屬機(jī)械復(fù)合粉體中納米粒子是以包覆在微米粒子表面和形成微團(tuán)聚體兩種形式存在，而且多數(shù)情況下以后者為主要存在形式，該模型與納米陶瓷/微米金屬粉體機(jī)械復(fù)合的實(shí)際情況相差較大。因此，納米陶瓷/微米金屬粉體機(jī)械復(fù)合時(shí)粉體配比關(guān)系的精確估算或確定尚處于空白。
關(guān)于納米粉體的添加工藝，已有研究多為直接將納米粉和微米粉混合進(jìn)行機(jī)械復(fù)合。但事實(shí)上納米粉體在制備收集的過(guò)程中本身就已存在較多軟團(tuán)聚甚至硬團(tuán)聚，如果不加以處理直接與微米粉混合，機(jī)械復(fù)合過(guò)程中所提供的能量將無(wú)法打破團(tuán)聚(其SEM形貌圖如圖1所示)，由此制備的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的性能將大打折扣甚至低于單一粉體性能。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出了如在微、納米混合粉體加入分散劑或?qū)⑽⒚追垠w和納米粉體分別制成懸浮液再混合進(jìn)行機(jī)械復(fù)合等方法。其中，前者比不加分散劑的復(fù)合粉體效果要好，但直接加入分散劑實(shí)際上所起的作用非常有限；后者要求將微米粉體和納米粉體都制成懸浮液，而事實(shí)上對(duì)于絕大多數(shù)微米級(jí)金屬粉體是無(wú)法制成懸浮液的，所以這些方法都存在著很大的局限性。
因此，到目前為止，尚未得到一種以已市場(chǎng)化的納米陶瓷粉體和微米金屬粉體作為原料，切實(shí)、簡(jiǎn)便、高效地制備微納米復(fù)合粉體的機(jī)械制備方法可供推廣和工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的微納米復(fù)合粉體制備存在的局限性大，未充分考慮二者質(zhì)量配比而造成制備難度大的問(wèn)題，發(fā)明一種能采用已市場(chǎng)化的納米陶瓷粉體和微米金屬粉體作為原料，通過(guò)機(jī)械復(fù)合法，切實(shí)簡(jiǎn)便高效地制備微納米復(fù)合粉體，從而有效提高已市場(chǎng)化的納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的使用效果和附加值的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法，其特征是首先根據(jù)所選納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的粒徑計(jì)算出兩者的質(zhì)量配比，如果兩者的粒徑相差3個(gè)數(shù)量級(jí)或3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，則按下式進(jìn)行質(zhì)量配比ϵwt=0.026gngw---(1)]]>
其中εwt納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的質(zhì)量配比；gn納米陶瓷粉體材料的密度；gw微米金屬粉體材料的密度；否則，按下式進(jìn)行質(zhì)量配比ϵwt=d3gnD3gw(π3(Dd+1)2+0.026(Dd+2)3)---(2)]]>其中D微米金屬粉體的平均粒徑；d納米陶瓷粉體的平均粒徑；其次，將納米陶瓷粉體制成均勻穩(wěn)定的納米陶瓷懸浮液；第三，將符合第一步所得質(zhì)量配比關(guān)系的微米金屬粉體與第二步所得的納米陶瓷懸浮液，一起放入機(jī)械復(fù)合設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械復(fù)合，經(jīng)過(guò)30～60分鐘的機(jī)械復(fù)合后，將其進(jìn)行干燥即可得到復(fù)合均勻的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體。
所述的機(jī)械復(fù)合設(shè)備為球磨機(jī)。
本發(fā)明的有益效果(1)本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單、處理時(shí)間極短、反應(yīng)過(guò)程容易控制、能連續(xù)批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，可切實(shí)、簡(jiǎn)便、高效地制備納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體，有效地提高了已市場(chǎng)化的納米粉體和微米粉體的使用效果和附加值。
(2)本發(fā)明方法采用理論模型建立納米陶瓷粉體和微米金屬粉體較為精確的配比關(guān)系，避免了試驗(yàn)法的盲目性，縮短了試驗(yàn)尋優(yōu)過(guò)程，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。
(3)本發(fā)明方法直接采用納米懸浮液作為粉體機(jī)械復(fù)合介質(zhì)，有效地解決了由于納米粉體本身已存在的團(tuán)聚而引起的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體實(shí)際使用性能較差的問(wèn)題。
(4)本發(fā)明通過(guò)大量的試驗(yàn)，給出了納米陶瓷粉體和微米金屬粉體配比關(guān)系的理論模型。本發(fā)明所揭示的理論模型可適用于不同成分的納米陶瓷粉體和微米金屬粉體配比關(guān)系的確定；同時(shí)，該模型所需參數(shù)的意義簡(jiǎn)單明確、容易獲得，可用于指導(dǎo)實(shí)際工程作業(yè)。
(5)本發(fā)明方法所揭示的理論模型，當(dāng)納米粉體和微米粉體的粒徑相差3個(gè)數(shù)量級(jí)或3個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，該模型只和粉體材料密度有關(guān)，減小了粉體粒徑一般分布較大而引起的誤差，所確定的配比關(guān)系更加精確。
(6)本發(fā)明方法所采用的納米懸浮液中納米粒子分散均勻，微、納米粉體機(jī)械復(fù)合所需時(shí)間極短，具有很高的效率。


圖1是不經(jīng)處理的納米粉體直接與微米粉體混合后，進(jìn)行機(jī)械復(fù)合所制備的微納米復(fù)合粉體的SEM(掃描電子顯示鏡)形貌圖。
圖2是采用本發(fā)明的方法制備所得的微納米復(fù)合粉體的SEM形貌圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
一種納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法，它由以下步驟組成。
首先，根據(jù)理論模型計(jì)算納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的質(zhì)量配比。其中，當(dāng)納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的粒徑相差1-2個(gè)數(shù)量級(jí)(小于3個(gè)數(shù)量級(jí))時(shí)，采用公式2進(jìn)行質(zhì)量配比計(jì)算；當(dāng)納米粉體和微米粉體的粒徑相差3個(gè)數(shù)量級(jí)或3個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，采用公式1進(jìn)行質(zhì)量配比計(jì)算ϵwt=0.026gngw---(1)]]>ϵwt=d3gnD3gw(π3(Dd+1)2+0.026(Dd+2)3)---(2)]]>其中εwt納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的質(zhì)量配比；gn納米陶瓷粉體材料的密度；gw微米金屬粉體材料的密度；D微米金屬粉體的平均粒徑；d納米陶瓷粉體的平均粒徑；其次，將納米陶瓷粉體在液體介質(zhì)(如無(wú)水乙醇)中采用超聲波分散或采用乳化剪切機(jī)分散后，靜置60分鐘制成均勻穩(wěn)定的納米懸浮液。
第三，按照上述計(jì)算好的配比關(guān)系，將適量的微米金屬粉和納米陶瓷懸浮液混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械復(fù)合，機(jī)械復(fù)合30～60分鐘后，將其干燥即可獲得納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體。
以下是按照本發(fā)明的方法所制備的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體實(shí)例，但不僅僅限于這些實(shí)例，對(duì)于不同成分的納米陶瓷粉體和微米金屬粉體，只要采用本發(fā)明所述方法，均可達(dá)到本發(fā)明的目的。
實(shí)例1選用市購(gòu)平均粒徑為6μm的純鋁粉和平均粒徑為25nm的SiC粉，微米粉體材料的密度為2.7g/cm3，納米粉體材料的密度為3.2g/cm3。本實(shí)例中納米粉體和微米粉體的粒徑相差2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此采用公式2計(jì)算其質(zhì)量配比為4∶100。將納米SiC粉放入無(wú)水乙醇中采用乳化剪切機(jī)分散后，靜置60分鐘制成均勻穩(wěn)定的納米懸浮液后，將按計(jì)算好的配比稱量的納米SiC懸浮液和微米純鋁粉混合，然后采用濕法球磨進(jìn)行粉體機(jī)械復(fù)合，球磨速度為150r/min，球磨時(shí)間為60分鐘，球料比3∶1，即可制備出納米顆粒分布均勻的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體。
實(shí)例2選用市購(gòu)平均粒徑為75μm的NiCrAlY粉和平均粒徑為20nm的Al2O3粉，微米粉體材料的密度為8.5g/cm3，納米粉體材料的密度為3.97g/cm3。由于本實(shí)例中納米粉體和微米粉體的粒徑相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，采用公式1計(jì)算其質(zhì)量配比，可得納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的質(zhì)量配比為1.2∶100。將納米Al2O3粉放入無(wú)水乙醇中采用超聲波分散30分鐘后，靜置60分鐘制成均勻穩(wěn)定的納米懸浮液后，將按計(jì)算好的配比稱量的納米Al2O3懸浮液和微米NiCrAlY粉混合，然后采用濕法球磨進(jìn)行粉體機(jī)械復(fù)合，球磨速度為260r/min，球磨時(shí)間為30分鐘，球料比3∶1，即可制備出納米顆粒分布均勻的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體。所得復(fù)合粉體的SEM形貌圖如圖2所示。從圖2與圖1的對(duì)比可明顯地看出，二者的結(jié)構(gòu)均勻性有著本質(zhì)上的區(qū)別。由此可看出本發(fā)明通過(guò)控制兩種粉體的質(zhì)量配比和改進(jìn)制備方法即先將納米粉體制成納米懸浮液然后與微米粉體一起進(jìn)行機(jī)械復(fù)合，制備的復(fù)合粉體不僅能很好地表現(xiàn)出納米特性，同時(shí)還會(huì)呈現(xiàn)復(fù)合協(xié)同多功能效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法，其特征是首先根據(jù)所選納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的粒徑計(jì)算出兩者的質(zhì)量配比，如果兩者的粒徑相差3個(gè)數(shù)量級(jí)或3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，則按下式計(jì)算質(zhì)量配比ϵwt=0.026gngw---(1)]]>其中εwt納米陶瓷粉體和微米金屬粉體的質(zhì)量配比；gn納米陶瓷粉體材料的密度；gw微米金屬粉體材料的密度；否則，按下式進(jìn)行質(zhì)量配比ϵwt=d3gnD3gw(π3(Dd+1)2+0.026(Dd+2)3)---(2)]]>其中D微米金屬粉體的平均粒徑；d納米陶瓷粉體的平均粒徑；其次，將納米陶瓷粉體制成均勻穩(wěn)定的納米陶瓷懸浮液；第三，將符合第一步所得質(zhì)量配比關(guān)系的微米金屬粉體與第二步所得的納米陶瓷懸浮液，一起放入機(jī)械復(fù)合設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械復(fù)合，經(jīng)過(guò)30～60分鐘的機(jī)械復(fù)合后，將其進(jìn)行干燥，即可得到復(fù)合均勻的納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的機(jī)械復(fù)合設(shè)備為球磨機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體的機(jī)械制備方法。它是以已市場(chǎng)化的微、納米粉體為原料，首先采用理論模型建立微、納米粉體的質(zhì)量配比關(guān)系，并將納米陶瓷粉制成均勻穩(wěn)定的懸浮液，然后將按計(jì)算好的配比稱量的納米懸浮液和微米粉混合，再通過(guò)機(jī)械復(fù)合法制備納米陶瓷/微米金屬?gòu)?fù)合粉體。該方法具有工藝簡(jiǎn)單、處理時(shí)間極短、反應(yīng)過(guò)程容易控制、能連續(xù)批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，可供推廣和工程應(yīng)用。
文檔編號(hào)B22F9/02GK101088667SQ20071002499
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者王宏宇, 左敦穩(wěn), 李多生, 駱心怡, 王明娣, 朱永偉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)