CN101633519B - 一种纯相超细纳米晶CuO块体材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纯相超细纳米晶CuO块体材料的制备方法属于新型功能材料和粉末冶金技术领域。本发明步骤：将纯Cu粉末放入敞口的容器，加热使之与空气发生固-气反应，反应温度500~900℃，反应时间4~10h，得到单相的CuO粉末；将单相CuO粉末进行球磨，球料比5∶1~25∶1，球磨时间5~25h，得到非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末；利用放电等离子烧结方法对球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，烧结温度350~450℃，烧结压力400~500MPa，在烧结温度下保温0~5min，最终得到纯相的纳米晶CuO块体材料。本发明方法的整条工艺路线简单、操作方便，技术参数可控性强，且在不同制备阶段的工艺参数均有较宽的可调节范围，制备工艺的实用性强。所制备的纯相纳米晶CuO块体材料可用于研究其磁学、光学、电学和热学等特性。
Description
技术领域
本发明属于新型功能材料和粉末冶金技术领域，具体涉及一种纯相超细纳米晶CuO块体材料的制备方法。
背景技术
具有半导体和超导性能的CuO材料数十年来在国际上一直受到特别关注，原因在于具有特殊物理性能的CuO材料在气体传感器、太阳能电池、场发射器和电子阴极材料等领域具有非常重要的应用前景。此外，具有光电性能和光化学性能的CuO材料在光开关、锂电池、磁性存储介质和催化剂等领域也具有极为广泛的潜在应用价值。
与传统的CuO材料相比，纳米结构的CuO材料因具有突出的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特性，使其在磁学、光学、电学以及热学等方面表现出不同于常规材料的奇特的物理和化学性能。因此，研究和应用纳米结构的CuO材料已经成为国际上的热点课题。
关于纳米CuO材料的研究，目前大多数集中于利用溶胶凝胶法、水热法、液相沉积法、微波照射法、喷雾热解法、声化学法、电化学法和湿化学法等方法制备具有纳米结构的CuO纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带、纳米球和纳米颗粒等不同形态的CuO材料。然而，至今尚未看到有关高致密的纳米晶结构CuO块体材料的制备研究的报道。因此，本发明提供一种结合球磨方法和放电等离子烧结技术制备纯相的纳米晶结构CuO块体材料的制备方法。本制备方法目前在国内外均未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纯相超细纳米晶CuO块体材料的制备方法。首先利用可控固-气反应制备出单相的CuO粉末，然后对制备的单相CuO粉末进行球磨处理，利用Cuo材料在机械球磨的过程中容易形成亚结构的特点，利用球磨得到具有非晶和纳米晶混合亚结构的CuO粉末，再利用放电等离子烧结过程中同时发生的非晶晶化和快速致密化机理将球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，最终获得高致密度的纯相的纳米晶CuO块体材料。
本发明所提供的纯相超细纳米晶CuO块体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯Cu粉放入敞口的容器，加热使之与空气发生固-气反应，反应温度500～900℃，反应时间4～10h，得到单相的CuO粉末。
(2)将固-气反应得到的单相CuO粉末进行球磨，球磨工艺参数为：球料比5∶1～25∶1，球磨时间5～25h，得到非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末。
(3)利用放电等离子烧结方法对球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度350～450℃，烧结压力400～500MPa，在烧结温度下保温0～5min，最终得到纯相的纳米晶CuO块体材料。
其中，步骤(1)中采用纯Cu粉末与空气直接进行固-气反应制备CuO粉末，使用设备简单，操作方便，反应温度和时间易于控制，且可避免其它化学方法或液态合成方法易引入杂质元素的问题。反应温度区间的确定既要使反应充分进行而保证高的反应效率，又要避开CuO的分解温度，以保证制备的CuO粉末具有纯的单相。
步骤(2)中采用的球磨工艺可以有效地促进在CuO粉末中形成非晶和纳米晶的亚结构。球磨工艺参数的制定一方面要确保足够的输出能量使得CuO粉末中形成所需的非晶和纳米晶的结构，另一方面又要避免球磨能量过高而诱发CuO分解形成Cu2O，而不能得到单相的球磨CuO粉末。
步骤(3)中采用具有快速加热、短时保温、较低烧结温度、可控烧结压力等独特技术优势的放电等离子烧结技术，与现有的其它烧结方法(如热压烧结、真空烧结、无压烧结等)相比，可显著简化烧结工艺流程，尤其是有效地抑制粉末烧结致密化过程中发生的晶粒长大，从而保证制备的CuO块体材料既有高的致密度又具有超细的纳米晶显微结构。
本发明方法的整条工艺路线简单、操作方便，技术参数可控性强，且在不同制备阶段的工艺参数均有较宽的可调节范围，制备工艺的实用性强。所制备的纯相纳米晶CuO块体材料可用于研究其磁学、光学、电学和热学等特性。
附图说明
图1、本发明制备得到的具有非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末的X-射线衍射分析图谱：(a)实施例1；(b)实施例2；(c)实施例3。
图2、本发明制备得到的纯相的纳米晶CuO块体材料的X-射线衍射分析图谱：(a)实施例1；(b)实施例2；(c)实施例3。
图3、实施例1制备的纳米晶CuO块体材料的扫描电子显微镜照片。
图4、实施例2制备的纳米晶CuO块体材料的扫描电子显微镜照片。
图5、实施例3制备的纳米晶CuO块体材料的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
所有实施例中，Cu粉(纯度为99.5％)购自美国CERAC公司；将Cu粉放入GSL 1600X型真空炉的敞口炉管中，并在其中完成Cu粉和空气的固-气反应；球磨工艺使用的设备为沈阳科源机电设备厂生产的GN-2型球磨机；烧结工艺使用的设备为日本Sumitomo Coal Mining公司生产的SPS-3.20-MK-V型放电等离子烧结设备。
实施例1：
将纯Cu粉放入敞口的高温管式炉中，在加热过程中使之与空气发生固-气反应，反应温度500℃，反应时间10h，得到单相的CuO粉末。将固-气反应得到的单相CuO粉末进行球磨，球磨工艺参数为：球料比5∶1，球磨时间25h，得到非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末，其成相和结构分析参见图1(a)。利用放电等离子烧结方法对球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度350℃，烧结压力500MPa，在烧结温度下保温5min，最终得到纯相的纳米晶CuO块体材料，具有致密度97.5％，其物相分析见图2(a)，显微组织形貌见图3，平均晶粒尺寸为35nm。
实施例2：
将纯Cu粉放入敞口的高温管式炉中，在加热过程中使之与空气发生固-气反应，反应温度700℃，反应时间7h，得到单相的CuO粉末。将固-气反应得到的单相CuO粉末进行球磨，球磨工艺参数为：球料比15∶1，球磨时间15h，得到非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末，其成相和结构分析参见图1(b)。利用放电等离子烧结方法对球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度400℃，烧结压力450MPa，在烧结温度下保温3min，最终得到纯相的纳米晶CuO块体材料，具有致密度98.0％，其物相分析见图2(b)，显微组织形貌见图4，平均晶粒尺寸为30nm。
实施例3：
将纯Cu粉放入敞口的高温管式炉中，在加热过程中使之与空气发生固-气反应，反应温度900℃，反应时间4h，得到单相的CuO粉末。将固-气反应得到的单相CuO粉末进行球磨，球磨工艺参数为：球料比25∶1，球磨时间5h，得到非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末，其成相和结构分析参见图1(c)。利用放电等离子烧结方法对球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度450℃，烧结压力400MPa，在烧结温度下不保温，最终得到纯相的纳米晶CuO块体材料，具有致密度98.5％，其物相分析见图2(c)，显微组织形貌见图5，平均晶粒尺寸为26nm。
Claims (1)
1.一种纯相超细纳米晶CuO块体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯Cu粉末放入敞口的容器，加热使之与空气发生固-气反应，反应温度500~900℃，反应时间4~10h，得到单相的CuO粉末；
(2)将固-气反应得到的单相CuO粉末进行球磨，球磨工艺参数为：球料比5∶1~25∶1，球磨时间5~25h，得到非晶和纳米晶混合结构的CuO粉末；
(3)利用放电等离子烧结方法对球磨后的CuO粉末在氩气保护下进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度350~450℃，烧结压力400~500MPa，在烧结温度下保温0~5min，最终得到纯相的纳米晶CuO块体材料。
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