CN1260383C - 纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺，该制备工艺包括下述步骤：(1)利用物理纳米材料制备方法，将常规锆或锆合金粉末进行颗粒细化，获得颗粒度小于100nm的金属粉末；(2)将细化后的纳米粉末与活性金属间化合物粉末，按照锆基非蒸散型吸气材料的成分要求进行配料；(3)将配好的粉末在惰性气体保护下，在滚筒机上进行机械混料，时间不小于24小时；(4)对混好的粉末进行加工成型，然后在800～1200℃中烧结10～60分钟。本发明制备工艺简单，无须改变吸气材料的化学成份和外形尺寸；采用本发明制备工艺能显著地增加锆基非蒸散型吸气材料本身的孔隙度和比表面积，增加活性气体与吸气材料的有效接触面积，使吸气速率显著提高。

Description

纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺
技术领域
本发明涉及以锆为基的非蒸散型吸气材料，尤其是涉及到获得高孔隙度和大比表面积锆基非蒸散型吸气材料的制备工艺。
背景技术
目前，非蒸散型吸气材料已经广泛地应用于建立和维持高度真空条件的电真空器件；也被用于气体纯化的充气容器及器件中，以获得高纯度的使用气体。非蒸散型吸气材料主要以下列金属元素为基，如锆(Zr)、钛(Ti)、镍(Ni)钽(Ta)、钒(V)以及它们的合金等，这些合金可能包含有其他附加元素，如铝(Al)、铁(Fe)和石墨(C)等。其中锆基非蒸散型吸气材料主要是由锆或者锆合金和其他活性金属间化合物按一定的成分比例制成，如Zr-Al、Zr-Zr2Fe、Zr-V-Fe、Zr-C和Zr-V-Fe-Ti等吸气材料。
随着科学技术的迅速发展，对吸气材料的吸气性能要求也越来越高，不仅要求吸气材料对气体具有大的吸收量，还要求吸气材料应具有大的吸收速率。而采用现有制备工艺生产的锆基非蒸散型吸气材料已经逐渐满足不了科技进步发展的需要。锆基非蒸散型吸气材料对空气和大多数其他气体都具有较高的活性，通常能吸收除惰性气体外的多种气体，包括O2、CO2、CO、N2、H2O和H2等，其在高温下对气体的吸气速度取决于占优势的体扩散或晶界扩散，而在较低温度下主要依靠气体的表面扩散起吸气作用，可见，在室温下吸气材料的孔隙度和比表面积是影响材料吸气速率的重要基本参数。因此，在保持锆基非蒸散型吸气材料的外形尺寸、化学成分及数量不变的前提下，提高吸气材料比表面积是促进气体表面扩散反应有效提高其吸气速率的最有效途径，也是本发明的关键所在。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产制备锆基非蒸散型吸气材料的制备工艺，通过利用此制备工艺使获得的锆基非蒸散型吸气材料具有高的孔隙度和大的比表面积，使其吸气速率进一步提高，以满足电真空科学技术进步的需要。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺，该制备工艺包括下述步骤：
(1)利用物理纳米材料制备方法，将常规锆或锆合金粉末进行颗粒细化，获得颗粒度小于100nm的金属粉末，所述的纳米材料制备方法为高能球磨法，所用的锆为钙还原法生产制备的电真空锆粉末，磨球和锆金属粉末的球料重量比为：1∶3～1∶10，所用的磨球材质为玛瑙，其方法是：在球磨罐中，先后放入电真空锆粉末、磨球，再用无水乙醇或丙酮覆盖锆金属粉末，在惰性气体的保护下，装入高能球磨机内进行球磨3h～30h，然后在真空条件下烘干，再用充惰性气体钝化，钝化后制成纳米级锆粉；
(2)将细化后的纳米粉末与活性金属间化合物粉末，按照锆基非蒸散型吸气材料的成分要求进行配料；
(3)将配好的粉末在惰性气体保护下，在滚筒机上进行机械混料，时间不小于24小时；
(4)对混好的粉末进行加工成型，然后在800～1200℃中烧结10～60分钟。
本发明采用纳米技术制备锆基非蒸散型吸气材料。由于纳米微粒具有大的比表面积、高的比表面活化能等特点，能表现出常规粒子所不具备的物理和化学活性等特征，因此本发明采用纳米级颗粒锆或锆合金粉末，代替传统制备锆基非蒸散型吸气材料的锆或锆合金粉末，制备锆基非蒸散型吸气材料。
其中，在所述的步骤(2)中，所用的活性金属间化合物种类根据锆基非蒸散型吸气材料种类而定，而且颗粒度应不大于50μm。
其中，在所述的步骤(2)中，所用的各种粉末间的配料比例根据锆基非蒸散型吸气材料种类而定。
其中，在所述的步骤(4)中，所述的加工成型工艺为模具成型、涂覆、喷涂和悬浮液浸泡中的任意一种工艺。
将常规锆或锆合金粉末进行颗粒细化，获得颗粒度小于100nm的金属粉末，利用物理纳米材料制备方法。例如，上述一种的高能球磨法。
在上述的用高能球磨法制备纳米级锆金属粉末的工艺方法中，所用的锆金属粉末的颗粒度为：30μm～100μm；烘干的温度为：40～60℃；钝化的时间在5小时以上；磨球和锆金属粉末的球料重量比为：1∶3～1∶10；所用的磨球材质为：硬质合金或玛瑙。
本发明制备工艺具有的优点：本发明制备工艺简单，无须改变吸气材料的化学成份和外形尺寸；采用本发明制备工艺能显著地增加锆基非蒸散型吸气材料本身的孔隙度和比表面积，增加活性气体与吸气材料的有效接触面积，使吸气速率显著提高。
附图说明
图1为采用常规颗粒度锆金属粉末与活性金属间化合物Zr2Fe粉末混合，制备锆基非蒸散型吸气材料(材料1)的组织微观形貌。
图2为采用纳米级颗粒度锆金属粉末与活性金属间化合物Zr2Fe粉末混合，制备锆基非蒸散型吸气材料(材料2)的组织微观形貌。
图3为锆基非蒸散型吸气材料的吸气速率随吸气时间变化的特征曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的纳米级锆基非蒸散型吸气材料的制备工艺的实施方式及优点作进一步描述。
使用颗粒度为-400目(37μm)的钙还原法电真空级锆粉，采用高能球磨法对其进行颗粒细化，其工艺参数和方法如下：先将锆金属粉末装入球磨罐；再以玛瑙为研磨球材质，往球磨罐放入磨球，球料重量配比采用1∶4的比例；然后以无水乙醇作为研磨介质，往球磨罐倒入研磨介质，直到完全覆盖金属粉末；再往球磨罐内充入氩气；然后将球磨罐装入高能球磨机内进行球磨，球磨时间为6h；球磨结束，在充有氩气的手套箱内将锆金属粉末取出，并在温度为50℃、真空条件下烘干；烘干结束后，用充氩气钝化5小时，钝化结束后，即制成纳米级锆金属粉末，其颗粒尺寸为50nm。
按照锆基非蒸散型吸气材料的化学成分要求对上述加工的纳米锆金属粉末与活性金属间化合物粉末(其颗粒度为-400目)进行配料，其中锆金属粉末为56wt％，金属间化合物粉末为44wt％；接着在滚筒机上进行机械混料，保护气体为氩气，混料36小时；再对充分混合的金属粉末并进行压模成型，压力为1000kg/cm2，然后进行真空烧结，烧结温度为1100℃，时间20分钟，最终获得采用本发明制备工艺制备的一种纳米级锆基非蒸散型及气材料(材料2)。
同样采用未经细化的锆粉金属粉末(-400目)，制备出与上述实施例相同外型尺寸、化学成分及数量的锆基非蒸散型吸气材料(材料1)，然后对这两种吸气材料在扫描电镜进行相同条件的微观组织形貌观察，并按照国家标准进行吸气速率测量，结果见图1、图2和图3。通过比较图1和图2，通过比较可以看出采用本发明制备工艺制备的锆基非蒸散型吸气材料(材料2)具有较高的孔隙度和较大的比表面积。从图3的吸气性能曲线也可以看出，采用本发明制备工艺制备的锆基非蒸散型吸气材料(材料2)的吸气速率显著提高。
综上所述，本发明的制备工艺无须改变吸气材料的外形尺寸、化学成分及数量，能显著提高锆基非蒸散型吸气材料的高孔隙度和比表面积，使锆基非蒸散型吸气材料的吸气速率得到提高。

Claims (4)

1、一种纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺，其特征在于：该制备工艺包括下述步骤：
(1)利用物理纳米材料制备方法，将常规锆或锆合金粉末进行颗粒细化，获得颗粒度小于100nm的金属粉末，所述的纳米材料制备方法为高能球磨法，所用的锆为钙还原法生产制备的电真空锆粉末，磨球和锆金属粉末的球料重量比为：1∶3～1∶10，所用的磨球材质为玛瑙，其方法是：在球磨罐中，先后放入电真空锆粉末、磨球，再用无水乙醇或丙酮覆盖锆金属粉末，在惰性气体的保护下，装入高能球磨机内进行球磨3h～30h，然后在真空条件下烘干，再用充惰性气体钝化，钝化后制成纳米级锆粉；
(2)将细化后的纳米粉末与活性金属间化合物粉末，按照锆基非蒸散型吸气材料的成分要求进行配料；
(3)将配好的粉末在惰性气体保护下，在滚筒机上进行机械混料，时间不小于24小时；
(4)对混好的粉末进行加工成型，然后在800～1200℃中烧结10～60分钟。
2、根据权利要求1所述的纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺，其特征在于：在所述的步骤(2)中，所用的活性金属间化合物种类根据锆基非蒸散型吸气材料种类而定，而且颗粒度应不大于50μm。
3、根据权利要求1或2所述的纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺，其特征在于：在所述的步骤(2)中，所用的各种粉末间的配料比例根据锆基非蒸散型吸气材料种类而定。
4、根据权利要求1所述的纳米级锆基非蒸散型吸气材料制备工艺，其特征在于：在所述的步骤(4)中，所述的加工成型工艺为模具成型、涂覆、喷涂和悬浮液浸泡中的任意一种工艺。
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