CN110216281A - 一种NiTi纳米线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NiTi纳米线及其制备方法，将Ni、Ti和V元素按原子百分比Ni：Ti：V＝31～37：29～37：26～40配料后混合，通过电弧熔炼得到合金铸锭；将合金铸锭锻造拉拔后得到丝材；在常温常压下，将硝酸与甲醇按照体积比1:1～10配置电解液；用丝材制得电解阳极，以不锈钢电极作为电解阴极，将电解阳极和电解阴极分别放入放有电解液的电解池内；以恒压直流电源为电解电源，输出电压为2～9V，电解至电流密度下降为零时停止电解；将电解阳极取出，清洗烘干后得到NiTi纳米线。本发明采用电解法制备电解制备NiTi纳米线，直径更小，可达到100nm以下，长度可以达到15μm以上；整个制备方法简单，只需拉拔至1～2mm，拉拔道次较少，工艺简单、成本低、能耗低。

Description

一种NiTi纳米线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料的制备方法，尤其涉及的是一种NiTi纳米线及其制备方法。
背景技术
NiTi形状记忆合金具有优异的形状记忆效应和超弹性等性能特征，这些性能特征与NiTi马氏体相变息息相关，其马氏体相变可经温度和应力诱导发生。
NiTi合金的形状记忆效应及超弹特性具有应用于微机电系统(micro electromechanical systems,MEMS)的潜力。MEMS集微型机构、微型传感器、微型致动器以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等于一体的微型系统。结合NiTi马氏体相变引起的性能特征和MEMS微型化的特点，NiTi合金可作为MEMS的微型致动器或传感器材料，使MEMS微型致动器或传感器具有良好稳定性。但普通NiTi丝材尺寸过大，不符合MEMS的使用要求。因此，需要在制备过程中减小NiTi的尺寸。
现阶段对小尺寸NiTi合金的制备方法有：1、冷拉拔配合退火处理，2、冷拉拔配合焦耳退火交替等方法。这些制备方法制备得到的NiTi合金直径尺寸为几十个微米，不符合MEMS的微米级甚至纳米级要求，并且制备工艺复杂和成本较高。
现有的制备纳米级纤维(纳米线)的方法还包括电解法，人们通过电解法，在NiTi/NbTi和NiTi/TiC复合材料中萃取出NbTi及TiC纳米线。但由于相较于NbTi及TiC，NiTi的电极电位更低，使用电解法无法在萃取过程中得到NiTi纳米线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何制备纳米级别的NiTi合金，提供了一种NiTi纳米线及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
(1)将Ni、Ti和V元素按原子百分比Ni：Ti：V＝31～37：29～37：26～40配料后混合，通过电弧熔炼得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭锻造拉拔后得到丝材；
(3)在常温常压下，将硝酸与甲醇按照体积比1:1～10配置电解液；
(4)用丝材制得电解阳极，以不锈钢电极作为电解阴极，将电解阳极和电解阴极分别放入放有电解液的电解池内；
(5)以恒压直流电源为电解电源，输出电压为2～9V，电解至电流密度下降为零时停止电解；
(6)将电解阳极取出，清洗烘干后得到NiTi纳米线。
所述步骤(2)中，铸锭进行750℃锻造成棒状，直径为4～6mm，然后通过550℃热拔制得直径为0.8～1.2mm的丝材。通过锻造拉拔制备成尺寸适合的丝材。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，硝酸的浓度为50～70wt％，甲醇的浓度为80～99.9wt％。
所述NiTi纳米线的直径小于100nm。可以制备纳米级别的NiTi纳米线。
所述NiTi纳米线的长度大于15μm。纳米线的长度可以达到微米级别。
所述NiTi纳米线为近等原子比的NiTi合金。可以获得双程形状记忆效应。
所述NiTi纳米线为NiTi母相B2结构。具有形状记忆效果。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用电解法制备电解制备NiTi纳米线，直径更小，可达到100nm以下，长度可以达到15μm以上；整个制备方法简单，只需拉拔至1～2mm，拉拔道次较少，工艺简单、成本低、能耗低；与其他合金的电解萃取法相比，本发明中VTi的电极电位低于NiTi合金，因此只有在本发明的特定配比的VNiTi合金中才可获得NiTi纳米线。
附图说明
图1是实施例1制备的纳米线的SEM照片；
图2是实施例1制备的纳米线的能谱分析图；
图3是实施例1的Ni37Ti37V26合金电解后的NiTi纳米线XRD测试结果图；
图4是实施例2制备的纳米线的SEM照片；
图5是实施例2制备的纳米线的能谱分析图；
图6是实施例2的Ni31Ti29V40合金电解后的Ni31Ti29V40复。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例的制备过程如下：
1、制备Ni37Ti37V26合金丝材
(11)熔炼Ni37Ti37V26合金：按各元素原子百分比配料后混合，得到1kg混合金属原料，通过电弧熔炼得到Ni37Ti37V26合金铸锭；
(12)锻造拉拔：将铸锭750℃锻造，将铸锭热变形为棒状，直径约为φ5mm；再通过550℃热拔得到φ1mm的丝材。
2、对Ni37Ti37V26合金丝材进行电解制备NiTi纳米线
(21)在常温常压下，将质量浓度为65％的硝酸与浓度为99.5％的甲醇体积比为1:5配置600ml电解液，均匀混合后转入电解池中；
(22)从直径1mm的Ni37Ti38V25复合材料丝材上选取20cm，打磨清洗后，制得电解阳极，以不锈钢电极作为电解阴极，将电解阳极和电解阴极置入电解池中；
(23)以恒压直流电源为电解电源，输出电压控制为2V，电解至电流密度下降为零时停止，电解时间大约为30小时；
(24)将电解阳极取出，经酒精清洗烘干后，即获得NiTi纳米线。
本实施例制备的NiTi纳米线的扫描电镜照片如图1所示，由图1可以看到电解后得到的NiTi纳米线的直径为100nm左右，长度在20μm以上。图2为本实施例制备的NiTi纳米线的能谱分析结果，能谱仪分析显示本实施例制备的NiTi纳米线的成分组成为：47.99at.％的Ni、47.98at.％的Ti、4.03at.％的V，因此，可确定电解得到的纳米线为近等原子比的NiTi合金。图3为本实施例制备的NiTi纳米线的XRD测试结果，可发现电解后纳米线为NiTi母相(B2结构)。因此，结合能谱及XRD测试结果，可确定电解得到的纳米线为近等原子比的NiTi合金。
实施例2
本实施例的制备过程如下：
1、制备Ni31Ti29V40复合材料丝材
(11)熔炼Ni31Ti29V40合金：按各元素原子百分比配料后混合，得到1kg混合金属原料，通过电弧熔炼得到Ni31Ti29V40合金铸锭；
(12)锻造拉拔：将铸锭750℃锻造，将铸锭热变形为棒状，直径约为φ5mm；再通过550℃热拔得到φ1mm的丝材。
2、对Ni31Ti29V40复合材料丝材进行电解制备NiTi纳米线
(21)在常温常压下，将浓度为65％的硝酸与浓度为99.5％的甲醇体积比为1:5配置600ml电解液，均匀混合后转入电解池中；
(22)从直径1mm的Ni31Ti29V40复合材料丝材上选取20cm，打磨清洗后，制得电解阳极，以不锈钢电极作为电解阴极，将电解阳极和电解阴极置入电解池中；
(23)以恒压直流电源为电解电源，输出电压控制为3V，电解至电流密度下降为零时停止，电解时间大约为10小时；
(24)将电解阳极取出，经过酒精清洗烘干后，即获得NiTi纳米线。
本实施例制备的NiTi纳米线的扫描电镜照片如图4所示，由图4可以看到电解后得到的NiTi纳米线的直径小于100nm，长度在19μm以上。图5为本实施例制备的NiTi纳米线的能谱分析结果，能谱仪分析显示本实施例制备的NiTi纳米线的成分组成为：48.01at.％的Ni、47.99at.％的Ti、4.00at.％的V，因此，可确定电解得到的纳米线为近等原子比的NiTi合金。
图6为本实施例制备的NiTi纳米线的XRD测试结果，可发现电解后纳米线为NiTi母相(B2结构)。因此，结合能谱及XRD测试结果，可确定电解得到的纳米线为近等原子比的NiTi合金。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种NiTi纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将Ni、Ti和V元素按原子百分比Ni：Ti：V＝31～37：29～37：26～40配料后混合，通过电弧熔炼得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭锻造拉拔后得到丝材；
(3)在常温常压下，将硝酸与甲醇按照体积比1:1～10配置电解液；
(4)用丝材制得电解阳极，以不锈钢电极作为电解阴极，将电解阳极和电解阴极分别放入放有电解液的电解池内；
(5)以恒压直流电源为电解电源，输出电压为2～9V，电解至电流密度下降为零时停止电解；
(6)将电解阳极取出，清洗烘干后得到NiTi纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种NiTi纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，铸锭进行750℃锻造成棒状，直径为4～6mm，然后通过550℃热拔制得直径为0.8～1.2mm的丝材。
3.根据权利要求1所述的一种NiTi纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，硝酸的浓度为50～70wt％，甲醇的浓度为80～99.9wt％。
4.使用如权利要求1～3任一项所述的制备方法制得的NiTi纳米线，其特征在于，所述NiTi纳米线的直径小于100nm。
5.根据权利要求4所述的一种NiTi纳米线，其特征在于，所述NiTi纳米线的长度大于15μm。
6.根据权利要求4所述的一种NiTi纳米线，其特征在于，所述NiTi纳米线为近等原子比的NiTi合金。
7.根据权利要求4所述的一种NiTi纳米线，其特征在于，所述NiTi纳米线为NiTi母相B2结构。
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