CN101088667A - 纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法。它是以已市场化的微、纳米粉体为原料，首先采用理论模型建立微、纳米粉体的质量配比关系，并将纳米陶瓷粉制成均匀稳定的悬浮液，然后将按计算好的配比称量的纳米悬浮液和微米粉混合，再通过机械复合法制备纳米陶瓷/微米金属复合粉体。该方法具有工艺简单、处理时间极短、反应过程容易控制、能连续批量生产等特点，可供推广和工程应用。

Description

纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型材料的制备方法，尤其是一种微纳米复合材料的制备方法，具体地说是一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法。

背景技术

随着纳米科技的发展，纳米材料研究的重点已由单一的纳米粉体制备逐渐转向纳米块体和纳米涂层的应用与开发，纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料是其中一个重要的发展趋势。众所周知，当尺寸达到纳米量级后，单个纳米粒子的表面能很高、表面活性很大、很不稳定，极易吸附其他物质或粒子，它们之间相互吸引发生团聚，使得纳米粉体的实际使用效果较差，其许多优异特性丧失。国内外众多研究表明，如果将纳米粉与微米粉进行适当复合时，制得的复合粉体往往均会不同程度地表现出纳米特性，同时还会呈现复合协同多功能效应。因此，纳米陶瓷/微米金属复合粉体的制备成为工程研究的热点问题之一。

微纳米复合粉体制备方法一般可分为机械法、气相法、液相法和固相法等四大类。其中，机械法具有反应过程容易控制、可连续批量生产等优点，在生产实践中得到了广泛的应用。纳米粉体与微米粉体的配比以及纳米粉体的添加工艺是纳米陶瓷/微米金属复合粉体机械制备工艺中的核心技术，也是决定复合粉体使用性能的决定性因素。

关于纳米粉体与微米粉体的配比关系，已有研究多采用试验法，这种方法存在着较大的盲目性，常常需要反复进行试验才能得出较好的配比关系。同时，由于微、纳米粉体的物性的差异性和多样性，已有研究对不同粉体基本不具有指导作用。日本学者M.Alonso等提出了一种纳米粒子和微米粒子以包覆型复合时的数量配比模型，但在纳米陶瓷/微米金属机械复合粉体中纳米粒子是以包覆在微米粒子表面和形成微团聚体两种形式存在，而且多数情况下以后者为主要存在形式，该模型与纳米陶瓷/微米金属粉体机械复合的实际情况相差较大。因此，纳米陶瓷/微米金属粉体机械复合时粉体配比关系的精确估算或确定尚处于空白。

关于纳米粉体的添加工艺，已有研究多为直接将纳米粉和微米粉混合进行机械复合。但事实上纳米粉体在制备收集的过程中本身就已存在较多软团聚甚至硬团聚，如果不加以处理直接与微米粉混合，机械复合过程中所提供的能量将无法打破团聚(其SEM形貌图如图1所示)，由此制备的纳米陶瓷/微米金属复合粉体的性能将大打折扣甚至低于单一粉体性能。国内有学者提出了如在微、纳米混合粉体加入分散剂或将微米粉体和纳米粉体分别制成悬浮液再混合进行机械复合等方法。其中，前者比不加分散剂的复合粉体效果要好，但直接加入分散剂实际上所起的作用非常有限；后者要求将微米粉体和纳米粉体都制成悬浮液，而事实上对于绝大多数微米级金属粉体是无法制成悬浮液的，所以这些方法都存在着很大的局限性。

因此，到目前为止，尚未得到一种以已市场化的纳米陶瓷粉体和微米金属粉体作为原料，切实、简便、高效地制备微纳米复合粉体的机械制备方法可供推广和工程应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的微纳米复合粉体制备存在的局限性大，未充分考虑二者质量配比而造成制备难度大的问题，发明一种能采用已市场化的纳米陶瓷粉体和微米金属粉体作为原料，通过机械复合法，切实简便高效地制备微纳米复合粉体，从而有效提高已市场化的纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的使用效果和附加值的纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法。

本发明的技术方案是：

一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法，其特征是：

首先根据所选纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的粒径计算出两者的质量配比，如果两者的粒径相差3个数量级或3个数量级以上，则按下式进行质量配比：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{wt}}=0.026\frac{g_n}{g_w}---\left(1\right)$

其中：

ε_wt：纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的质量配比；

g_n：纳米陶瓷粉体材料的密度；

g_w：微米金属粉体材料的密度；

否则，按下式进行质量配比：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{wt}}=\frac{d^3{g}_n}{D^3{g}_w}(\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{3}}{(\frac{D}{d}+1)}^2+0.026{(\frac{D}{d}+2)}^3)---\left(2\right)$

其中：D：微米金属粉体的平均粒径；

d：纳米陶瓷粉体的平均粒径；

其次，将纳米陶瓷粉体制成均匀稳定的纳米陶瓷悬浮液；

第三，将符合第一步所得质量配比关系的微米金属粉体与第二步所得的纳米陶瓷悬浮液，一起放入机械复合设备中进行机械复合，经过30～60分钟的机械复合后，将其进行干燥即可得到复合均匀的纳米陶瓷/微米金属复合粉体。

所述的机械复合设备为球磨机。

本发明的有益效果：

(1)本发明方法具有工艺简单、处理时间极短、反应过程容易控制、能连续批量生产等特点，可切实、简便、高效地制备纳米陶瓷/微米金属复合粉体，有效地提高了已市场化的纳米粉体和微米粉体的使用效果和附加值。

(2)本发明方法采用理论模型建立纳米陶瓷粉体和微米金属粉体较为精确的配比关系，避免了试验法的盲目性，缩短了试验寻优过程，具有很强的工程应用价值。

(3)本发明方法直接采用纳米悬浮液作为粉体机械复合介质，有效地解决了由于纳米粉体本身已存在的团聚而引起的纳米陶瓷/微米金属复合粉体实际使用性能较差的问题。

(4)本发明通过大量的试验，给出了纳米陶瓷粉体和微米金属粉体配比关系的理论模型。本发明所揭示的理论模型可适用于不同成分的纳米陶瓷粉体和微米金属粉体配比关系的确定；同时，该模型所需参数的意义简单明确、容易获得，可用于指导实际工程作业。

(5)本发明方法所揭示的理论模型，当纳米粉体和微米粉体的粒径相差3个数量级或3个数量级以上时，该模型只和粉体材料密度有关，减小了粉体粒径一般分布较大而引起的误差，所确定的配比关系更加精确。

(6)本发明方法所采用的纳米悬浮液中纳米粒子分散均匀，微、纳米粉体机械复合所需时间极短，具有很高的效率。

附图说明

图1是不经处理的纳米粉体直接与微米粉体混合后，进行机械复合所制备的微纳米复合粉体的SEM(扫描电子显示镜)形貌图。

图2是采用本发明的方法制备所得的微纳米复合粉体的SEM形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法，它由以下步骤组成。

首先，根据理论模型计算纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的质量配比。其中，当纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的粒径相差1-2个数量级(小于3个数量级)时，采用公式2进行质量配比计算；当纳米粉体和微米粉体的粒径相差3个数量级或3个数量级以上时，采用公式1进行质量配比计算：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{wt}}=0.026\frac{g_n}{g_w}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{wt}}=\frac{d^3{g}_n}{D^3{g}_w}(\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{3}}{(\frac{D}{d}+1)}^2+0.026{(\frac{D}{d}+2)}^3)---\left(2\right)$

其中：

ε_wt：纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的质量配比；

g_n：纳米陶瓷粉体材料的密度；

g_w：微米金属粉体材料的密度；

D：微米金属粉体的平均粒径；

d：纳米陶瓷粉体的平均粒径；

其次，将纳米陶瓷粉体在液体介质(如无水乙醇)中采用超声波分散或采用乳化剪切机分散后，静置60分钟制成均匀稳定的纳米悬浮液。

第三，按照上述计算好的配比关系，将适量的微米金属粉和纳米陶瓷悬浮液混合后放入球磨机中进行机械复合，机械复合30～60分钟后，将其干燥即可获得纳米陶瓷/微米金属复合粉体。

以下是按照本发明的方法所制备的纳米陶瓷/微米金属复合粉体实例，但不仅仅限于这些实例，对于不同成分的纳米陶瓷粉体和微米金属粉体，只要采用本发明所述方法，均可达到本发明的目的。

实例1：选用市购平均粒径为6μm的纯铝粉和平均粒径为25nm的SiC粉，微米粉体材料的密度为2.7g/cm³，纳米粉体材料的密度为3.2g/cm³。本实例中纳米粉体和微米粉体的粒径相差2个数量级，因此采用公式2计算其质量配比为4∶100。将纳米SiC粉放入无水乙醇中采用乳化剪切机分散后，静置60分钟制成均匀稳定的纳米悬浮液后，将按计算好的配比称量的纳米SiC悬浮液和微米纯铝粉混合，然后采用湿法球磨进行粉体机械复合，球磨速度为150r/min，球磨时间为60分钟，球料比3∶1，即可制备出纳米颗粒分布均匀的纳米陶瓷/微米金属复合粉体。

实例2：选用市购平均粒径为75μm的NiCrAlY粉和平均粒径为20nm的Al₂O₃粉，微米粉体材料的密度为8.5g/cm³，纳米粉体材料的密度为3.97g/cm³。由于本实例中纳米粉体和微米粉体的粒径相差3个数量级，采用公式1计算其质量配比，可得纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的质量配比为1.2∶100。将纳米Al₂O₃粉放入无水乙醇中采用超声波分散30分钟后，静置60分钟制成均匀稳定的纳米悬浮液后，将按计算好的配比称量的纳米Al₂O₃悬浮液和微米NiCrAlY粉混合，然后采用湿法球磨进行粉体机械复合，球磨速度为260r/min，球磨时间为30分钟，球料比3∶1，即可制备出纳米颗粒分布均匀的纳米陶瓷/微米金属复合粉体。所得复合粉体的SEM形貌图如图2所示。从图2与图1的对比可明显地看出，二者的结构均匀性有着本质上的区别。由此可看出本发明通过控制两种粉体的质量配比和改进制备方法即先将纳米粉体制成纳米悬浮液然后与微米粉体一起进行机械复合，制备的复合粉体不仅能很好地表现出纳米特性，同时还会呈现复合协同多功能效应。

Claims (2)

1、一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法，其特征是：

首先根据所选纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的粒径计算出两者的质量配比，如果两者的粒径相差3个数量级或3个数量级以上，则按下式计算质量配比：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{wt}}=0.026\frac{g_n}{g_w}---\left(1\right)$

其中：

ε_wt：纳米陶瓷粉体和微米金属粉体的质量配比；

g_n：纳米陶瓷粉体材料的密度；

g_w：微米金属粉体材料的密度；

否则，按下式进行质量配比：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{wt}}=\frac{d^3{g}_n}{D^3{g}_w}(\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{3}}{(\frac{D}{d}+1)}^2+0.026{(\frac{D}{d}+2)}^3)---\left(2\right)$

其中：D：微米金属粉体的平均粒径；

d：纳米陶瓷粉体的平均粒径；

其次，将纳米陶瓷粉体制成均匀稳定的纳米陶瓷悬浮液；

第三，将符合第一步所得质量配比关系的微米金属粉体与第二步所得的纳米陶瓷悬浮液，一起放入机械复合设备中进行机械复合，经过30～60分钟的机械复合后，将其进行干燥，即可得到复合均匀的纳米陶瓷/微米金属复合粉体。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的机械复合设备为球磨机。

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