CN106893967A - 一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法 - Google Patents

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程广贵
唐荣荣
丁建宁
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
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Abstract

本发明涉及一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法，属于纳米材料领域。该方法的具体步骤为：将金属合金材料放入真空热处理炉中；将真空热处理炉进行抽真空处理，并将真空热处理炉的腔室加热至1200℃；保温4h；保温后冷却至室温。本发明通过对金属材料进行高温真空热处理，金属在含氧气氛中加热至一定温度下进行气固反应可以生成一维氧化物纳米结构(金属热氧化)，因此在材料表面得到纳米级的金属氧化物颗粒，从而增强了材料表面的疏水性，进而可以提高金属材料的防腐蚀性能，该方法是一种全新的制备纳米级金属氧化物颗粒的方法，其优点是工艺简单，操作简便。

Description

一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法
技术领域
本发明涉及一种金属氧化物纳米颗粒的制备方法，属于纳米材料领域。
背景技术
近年来，随着现代工业和科学技术的迅速发展，纳米材料的发展和应用已引起各国的高度重视。由于纳米颗粒具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等特点，因此纳米颗粒在新型能源材料、功能涂层材料、生态环境材料等领域发挥着无可替代的作用，在化工、电子、机械、生物医学工程等领域也具有重要应用。
目前，纳米颗粒的制备方法有很多，包括溶胶-凝胶法、电解法、微乳液法模板法、固相烧结法、化学气相沉积法、分子束外延法、热解法、化学沉淀法等；见李云涛等人的中国专利200580014122、艾瑞兹等人的中国专利201180035506和姜兴茂等人的中国专利201410047796等；广泛使用的溶胶-凝胶法是基于金属卤化物或金属醇盐在水溶液中水解和缩合反应，溶胶-凝胶法可以得到大量的纳米粉体，成本也比较低，但是其工艺比较繁琐，并且粉体非常容易团聚，影响实际应用效果；模板法能够得到大面积的纳米颗粒阵列，但是模板法工艺相对繁琐，尤其是去除模板较为困难；离子注入法、热解法、等离子体法、电化学等方法需要相对复杂的实验设备和工艺规程或较高的温度，提高了纳米颗粒的制备成本，同时由于各自的局限性，影响到纳米颗粒的实际应用。所以，我们要研究一种简单可控的方法，并且能够降低制备成本，避免纳米颗粒的团聚，得到纯度高、稳定性好、形貌大小分布可控的纳米颗粒。
钼具有高的导电、导热率和优异的抗腐蚀性能，并具有良好的抗热冲击和抗热疲劳能力，在难熔金属中性价比最高，应用最广；然而，钼和钼合金在高温氧化环境中易形成高挥发性的三氧化钼，导致钼或钼合金失去其优异的耐高温性能，从而限制了钼及其合金的应用领域；为改善钼和钼合金的高温抗氧化性能，最为可行的方法是预先在表面涂覆一层防护涂层或者在表面制备一层氧化物薄膜，前者工序较多，成本较高，直接在真空高温环境下利用微量氧氧化生成氧化物颗粒薄膜就可以有效提高金属的耐磨性、耐热性和抗腐蚀性。
常见的制备氧化物薄膜多采用阳极氧化等方法，但阳极氧化通常需要用到硫化物，容易造成酸腐蚀和污染。本专利介绍的是一种全新的制备纳米级金属氧化物颗粒的方法，此方法是将金属材料进行高温真空热处理从而直接在金属表面得到纳米级金属氧化物颗粒，此方法操作简便，工艺简单。
发明内容
本发明是一种金属氧化物纳米颗粒的制备方法。
本发明是将金属合金材料进行高温真空热处理从而得到纳米级金属氧化物颗粒的一种制备方法。该方法的具体步骤为：
(1)将金属合金材料放入真空热处理炉中。
(2)将真空热处理炉进行抽真空处理，并将真空热处理炉的腔室加热至1200℃；保温4h。
(3)保温后冷却至室温。
步骤(2)中抽真空处理后的真空度为1×10-3Pa，是先用机械泵抽至1×10-1Pa，再使用分子泵抽至1×10-3Pa。
所述的金属合金材料为钼镧合金材料。
其中所述步骤(2)中加热速率为10℃/min；
其中所述步骤(3)中冷却方法采用自然冷却。
本发明通过对金属材料进行高温真空热处理，金属在含氧气氛中加热至一定温度下进行气固反应可以生成一维氧化物纳米结构(金属热氧化)，因此在材料表面得到纳米级的金属氧化物颗粒，从而增强了材料表面的疏水性，进而可以提高金属材料的防腐蚀性能，该方法是一种全新的制备纳米级金属氧化物颗粒的方法，其优点是工艺简单，操作简便。
附图说明
图1：高温氧化前钼镧合金表面形貌图。
图2：高温氧化后钼镧合金表面形貌图。
图3：高温氧化前钼镧合金表面元素分析图。
图4：高温氧化后钼镧合金表面元素分析图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行阐述，但本发明绝非仅限于实施例。
实施例1：采用高温真空热处理方法在钼镧合金板(钼94.15％；氧5.15％；镧0.70％)表面制备纳米级钼氧化物颗粒。先依次用240#、400#、600#、800#和1000#水磨砂纸对钼镧合金板表面进行打磨(除去试样表面的氧化皮)以获得新鲜的金属表面；再将打磨处理后的试样在无水乙醇中用超声波清洗器清洗10min以除去表面的粉尘和油渍；最后将清洗干净的试样吹干后放入干燥皿中备用，通过扫描电镜可以观察到试样表面形貌如图1所示，通过元素分析得到试样表面的元素组成(图3)。然后将钼镧合金板放入真空热处理炉中，合上腔室，开启机械泵将腔室抽真空至1×10-1Pa，再用分子泵抽真空至1×10-3Pa。然后对腔室进行加热，加热速率为10℃/min，加热至1200℃后，保温4小时，最后通过自然冷却至室温，取出钼镧合金板。
通过扫描电镜观察，可以清晰的观察到合金表面生成了一层致密的颗粒(图2),平均颗粒尺寸为800-1000nm。通过元素分析(图4)，可以发现合金表面氧元素含量明显增加(由5.15％增加至28.98％)，由此可知，生成的颗粒为金属钼的纳米级氧化物颗粒，平均颗粒尺寸为800-1000nm。
实施例2：将处理好的钼镧合金放入真空热处理炉中，合上腔室，开启机械泵将腔室抽真空至1×10-1Pa，再用分子泵抽真空至1×10-3Pa，然后对腔室进行加热，加热速率为10℃/min，加热至1200℃后，保温5小时，最后通过自然冷却至室温，取出钼镧合金板。保温时间的延长增加了颗粒的生长时间，颗粒尺寸进一步增大，通过扫描电镜观察，可以清晰的观察到合金表面生成的颗粒尺寸为1000-1500nm。

Claims (5)

1.一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
(1)将金属合金材料放入真空热处理炉中；
(2)将真空热处理炉进行抽真空处理，并将真空热处理炉的腔室加热至1200℃；保温4h；
(3)保温后冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法，其特征在于，步骤(2)中抽真空处理后的真空度为1×10-3Pa，是先用机械泵抽至1×10-1Pa，再使用分子泵抽至1×10-3Pa。
3.如权利要求1所述的一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法，其特征在于，所述的金属合金材料为钼镧合金材料。
4.如权利要求1所述的一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法，其特征在于，其中所述步骤(2)中加热速率为10℃/min；
5.如权利要求1所述的一种在金属材料表面制备纳米级氧化物颗粒的方法，其特征在于，其中所述步骤(3)中冷却方法采用自然冷却。
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