CN109735735A - 一种提高w-y2o3复合材料烧结致密性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高W‑Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，是采用湿化学法向钨基材料中添加第二相Y₂O₃，同时添加表面活性剂，制备得到W‑Y₂O₃复合材料。本发明基于钨作为PFMs的实际情况，从提高晶界密度考虑，用湿化学法向钨基材料中添加第二相Y₂O₃，提高了晶界强度，避免了传统机械合金化导致的晶粒分布不均的问题；为了进一步提高钨基合金密度，在制备W‑Y₂O₃复合粉体的过程中加入表面活性剂，进一步促进晶粒细化且分布均匀，显著提高了W‑Y₂O₃复合材料的烧结密度和导热性能，使脆性问题得到有效缓解。

Description

一种提高W-Y2O3复合材料烧结致密性的方法

技术领域

本发明涉及一种钨基复合材料以及制备方法，具体地说是提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法。

背景技术

人类对清洁能源的向往和需求日益加剧，促使人类去寻求高效的清洁能源。核聚变能因高的能量密度和无放射性成为人类实现绿色、可持续发展的能源之一。核聚变能带来机遇的同时，也带来了前所未有的挑战。在核聚变堆工作的时候，直接面向等离子体材料(PFMs，Plasma Facing Materials)将承受高能粒子轰击，材料表面会出现熔化、烧蚀、开裂以及出现fuzz结构等变化。因此对面向等离子体材料有很高的要求。

目前，钨被认为是最有前景的PFMs，具有高熔点、高热导、抗溅射能力强等特点。但是，钨具有一系列脆性问题，在受到热冲击或者He粒子辐照时，容易在晶界产生裂纹。

发明内容

本发明针对上述现有技术所存在的问题，旨在提供一种提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法。本发明采用湿化学法得到W-Y₂O₃复合材料，同时加入表面活性剂油酸三乙醇胺，进一步促进晶粒细化，W-Y₂O₃复合材料相对密度得到很大程度的提高。

本发明提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，是采用湿化学法向钨基材料中添加第二相Y₂O₃，同时添加表面活性剂，制备得到W-Y₂O₃复合材料。

所述表面活性剂为油酸三乙醇胺。

本发明提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，包括如下步骤：

步骤1：粉体的制备

将偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)、硝酸钇(Y(NO₃)₃·6H₂O，Aladdin，纯度≥99.5％)和表面活性剂油酸三乙醇胺(C₁₆H₂₂N₄O₃，纯度99％)分别溶解在一定量的去离子水中，然后混合均匀；将草酸(C₂H₂O₄·2H₂O，分析纯)作为沉淀剂加入混合溶液中搅拌均匀，在120-140℃下超声震荡并且不断搅拌直至得到前驱体，烘干研磨后的粉末放入管式炉中进行还原，还原气氛为氢气，得到W-Y₂O₃复合粉体；

步骤1中，油酸三乙醇胺、硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的1-3％，1.5％，38.5％。

步骤1中，还原气氛氢气的纯度≥99.999％；所述还原是首先于540-660℃保温55-75分钟，然后升温至760-860℃保温115-135分钟。

步骤1中，W-Y₂O₃复合粉体的粒径为200-400nm。

步骤2：块体的烧结

将步骤1获得的W-Y₂O₃复合粉体装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，施加压力并对炉腔抽真空；在烧结过程中，先将温度升到780-840℃保温5-7分钟，然后将温度升到1580-1640℃保温30-70秒，保温结束后随炉冷却至室温，得到W-Y₂O₃复合材料。

步骤2烧结过程中升温速率为100℃/min。

步骤2烧结过程中，780-840℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。

基于钨作为PFMs的实际情况，从提高晶界密度考虑，用湿化学法向钨基材料中添加第二相Y₂O₃，提高了晶界强度，避免了传统机械合金化导致的晶粒分布不均的问题。为了进一步提高钨基合金密度，在制备W-Y₂O₃复合粉体的过程中加入表面活性剂，进一步促进晶粒细化且分布均匀，显著提高了W-Y₂O₃复合材料的烧结密度和导热性能，使脆性问题得到有效缓解。

本发明的有益效果体现在：

与目前制备钨基复合粉体的机械合金化法相比，湿化学法不仅可以大批量制备复合粉体，而且所得的粉体颗粒尺寸分布相对均匀。

与制备W-Y₂O₃复合前驱体粉末的传统湿化学法相比，本发明加入了少量的表面活性剂油酸三乙醇胺，一方面尽可能减少了杂质元素对实验的影响，另一方面细化了晶粒尺寸，显著提高了烧结后W-Y₂O₃复合材料的相对密度，达到96-98％，优于传统湿化学法所得复合材料的相对密度为90％。

附图说明

图1是W-Y₂O₃复合粉体的FE-SEM。由图1可知，本发明方法制备出的W-Y₂O₃复合前驱体粉末颗粒尺寸分布相对均匀，颗粒尺寸约为300nm。

图2是W-Y₂O₃复合材料的FE-SEM。从图2可见，晶粒尺寸约2μm，且烧结后的W-Y₂O₃复合材料相对密度为97％。

图3是湿化学法制备W-Y₂O₃复合材料热导率与温度关系图。与传统湿化学法相比，添加表面活性剂显著提高了W-Y₂O₃复合材料的导热性能。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，包括如下步骤：

步骤1：粉体的制备

将偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)、硝酸钇(Y(NO₃)₃·6H₂O,Aladdin,纯度≥99.5％)和表面活性剂油酸三乙醇胺(C₁₆H₂₂N₄O₃，纯度99％)分别溶解在一定量的去离子水中，然后混合均匀。将草酸(C₂H₂O₄·2H₂O，分析纯)作为沉淀剂加入混合溶液中搅拌均匀，在120℃下超声震荡并且不断搅拌直至得到前驱体，烘干研磨后的粉末放入管式炉中进行还原，还原气氛为氢气，最后得到W-Y₂O₃复合粉体，粉末粒径为200nm。

油酸三乙醇胺、硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的1％，1.5％,38.5％，还原步骤为540℃保温75分钟，760℃保温115分钟。

步骤2：块体的烧结

将适量还原后的W-Y₂O₃复合粉体装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，施加压力并对炉腔抽真空。在烧结过程中，先将温度升到780℃保温5分钟，然后将温度升到1580℃保温30秒。保温结束后随炉冷却至室温，随即得到W-Y₂O₃复合材料。

烧结过程中升温速率为100℃/min。

烧结过程中，780℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。

本发明所制备的W-Y₂O₃复合材料相对密度达96％。

实施例2：

本实施例中提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，包括如下步骤：

步骤1：粉体的制备

将偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)、硝酸钇(Y(NO₃)₃·6H₂O,Aladdin,纯度≥99.5％)和表面活性剂油酸三乙醇胺(C₁₆H₂₂N₄O₃，纯度99％)分别溶解在一定量的去离子水中，然后混合均匀。将草酸(C₂H₂O₄·2H₂O，分析纯)作为沉淀剂加入混合溶液中搅拌均匀，在130℃下超声震荡并且不断搅拌直至得到前驱体，烘干研磨后的粉末放入管式炉中进行还原，还原气氛为氢气，最后得到W-Y₂O₃复合粉体，粉末粒径为300nm。

油酸三乙醇胺、硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的2％，1.5％,38.5％，还原步骤为600℃保温65分钟，800℃保温125分钟。

步骤2：块体的烧结

将适量还原后的W-Y₂O₃复合粉体装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，施加压力并对炉腔抽真空。在烧结过程中，先将温度升到800℃保温6分钟，然后将温度升到1600℃保温50秒。保温结束后随炉冷却至室温，随即得到W-Y₂O₃复合材料。

烧结过程中升温速率为100℃/min。

烧结过程中，800℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。

本发明所制备的W-Y₂O₃复合材料相对密度达97％。

实施例3：

本实施例中提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，包括如下步骤：

步骤1：粉体的制备

将偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)、硝酸钇(Y(NO₃)₃·6H₂O,Aladdin,纯度≥99.5％)和表面活性剂油酸三乙醇胺(C₁₆H₂₂N₄O₃，纯度99％)分别溶解在一定量的去离子水中，然后混合均匀。将草酸(C₂H₂O₄·2H₂O，分析纯)作为沉淀剂加入混合溶液中搅拌均匀，在140℃下超声震荡并且不断搅拌直至得到前驱体，烘干研磨后的粉末放入管式炉中进行还原，还原气氛为氢气，最后得到W-Y₂O₃复合粉体，粉末粒径为400nm。

油酸三乙醇胺、硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的3％，1.5％,38.5％，还原步骤为660℃保温55分钟，860℃保温135分钟。

步骤2：块体的烧结

将适量还原后的W-Y₂O₃复合粉体装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，施加压力并对炉腔抽真空。在烧结过程中，先将温度升到840℃保温7分钟，然后将温度升到1640℃保温70秒。保温结束后随炉冷却至室温，随即得到W-Y₂O₃复合材料。

烧结过程中升温速率为100℃/min。

烧结过程中，840℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。

本发明所制备的W-Y₂O₃复合材料相对密度达98％。

Claims (8)

1.一种提高W-Y₂O₃复合材料烧结致密性的方法，其特征在于：

是采用湿化学法向钨基材料中添加第二相Y₂O₃，同时添加表面活性剂，制备得到W-Y₂O₃复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述表面活性剂为油酸三乙醇胺。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：粉体的制备

将偏钨酸铵、硝酸钇和表面活性剂分别溶解在一定量的去离子水中，然后混合均匀；将草酸作为沉淀剂加入混合溶液中搅拌均匀，在120-140℃下超声震荡并且不断搅拌直至得到前驱体，烘干研磨后的粉末放入管式炉中进行还原，还原气氛为氢气，得到W-Y₂O₃复合粉体；

步骤2：块体的烧结

将步骤1获得的W-Y₂O₃复合粉体装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，施加压力并对炉腔抽真空；在烧结过程中，先将温度升到780-840℃保温5-7分钟，然后将温度升到1580-1640℃保温30-70秒，保温结束后随炉冷却至室温，得到W-Y₂O₃复合材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤1中，表面活性剂、硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的1-3％，1.5％，38.5％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤1中，还原气氛氢气的纯度≥99.999％；所述还原是首先于540-660℃保温55-75分钟，然后升温至760-860℃保温115-135分钟。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤1中，W-Y₂O₃复合粉体的粒径为200-400nm。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤2烧结过程中升温速率为100℃/min。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤2烧结过程中，780-840℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。