SK288815B6 - Spôsob prípravy nanokryštalickej práškovej zmesi Cu – Al2O3 – MgO - Google Patents

Abstract

Príprava nanokryštalickej práškovej Cu obsahujúcej rôzny objemový podiel sekundárnych fáz Al2O3 a MgO je realizovaná prostredníctvom fázových premien – metódou in situ a mechanického mletia. Termochemickými transformáciami prekurzorov Al(NO3)3 . 9H2O a Mg(HCO3)2 sa získajú sekundárne fázy – nanočastice Al2O3 a MgO s veľkosťami pod 50 nm a chemickou redukciou prekurzora CuO sa vytvorí nanokryštalická prášková matrica Cu. Použité mlecie procesy zabezpečujú homogénne rozloženie sekundárnych fáz a zjemňovanie štruktúry medi, výsledkom čoho je vznik teplotne stabilnej nanokryštalickej štruktúry práškovej zmesi Cu – Al2O3 – MgO.

Description

S K 288815 B6

Oblasť techniky

Vynález patrí do oblasti práškovej metalurgie (PM) a týka sa spôsobu prípravy disperzne spevnených práškových zmesí na báze medi obsahujúcich rôzny podiel nanočastíc AI2O3 a MgO. Cieľomvynálezu je získanie teplotné stabilných práškových zmesí Cu-AhOs-MgO obsahujúcich nanokryštalickú medenú matricu, v ktorej sú rovnomerne rozptýlené jemné oxidické častice spevňujúcej fázy, a to nielen v laboratórnych podmienkach, ale aj v prevádzkových objemoch.

Doterajší stav techniky

V elektrotechnickej praxi nachádzajú široké uplatnenie materiály vyznačujúce sa vysokými pevnostnými charakteristikami a vysokou elektrickou, resp. tepelnou vodivosťou aj pri zvýšených teplotách. Kombináciu týchto vlastností je však veľmi obtiažne získať pri konvenčných materiáloch, ako je čistá hrubozmná meď, tuhý roztok medi alebo precipitačne spevnená meď. Z tohto dôvodu sa do popredia dostáva výskum nanokryštahckých, disperzne spevnených zliatin na báze medi, pripravených technológiami práškovej metalurgie. Oxidicky disperzne spevnené materiály sa vyznačujú veľmi dobrou životnosťou, výbornou teplotnou stabilitou štruktúry, zlepšenou pevnosťou pri zvýšených teplotách a iba nízkou degradáciou elektrickej a tepelnej vodivosti v porovnaní s čistou meďou. Hlavnou požiadavkou na zabezpečenie mechanizmu oxidického disperzného spevňovania je homogénne rozptýlenie jemných, termodynamicky stabilných oxidov - disperzoidov do medenej matrice. Sekundárne častice s veľkosťou pod 50 nmbránia rastu zrna vplyvom tepelného zaťažovania materiálu, čím udržujú jeho pevnostné charakteristiky do vysokých teplôt. Značné zvýšenie pevnosti oproti hrubozmnej konvenčnej Cu možno docieliť prípravou medenej matrice s nanokryštahckou štruktúrou, tzn. s veľkosťou kryštalitov/zŕn pod 100 nm.

Vlastnosti práškových kompaktných materiálov, resp. výrobkov sú predurčené štruktúrou, ktorá sa vytvára na samotnom počiatku, pri vzniku práškových častíc. Od výberu vstupných fáz a zvolenej technológie prípravy závisí nastavenie podmienok na vznik prvotnej štruktúry a jej ďalšívývoj počas následného zhutňovania prášku, prebiehajúceho pri vysokých teplotách a tlakoch. Monofázové nanozmá sú výrazne nestabilné, preto majú nanomateriály výborné pevnostné vlastnosti pri teplotách okolia, ale pri zvyšovaní teploty dochádza pri nich k okamžitému hrubnutiu zrna, a tým k degradácii vlastností. Najväčšie možnosti na praktické využitie nanotechnológií otvára výskum, ktorý zabezpečí dokonalé zhutnenie materiálu bez znehodnotenia nanokryštahckej štruktúry častíc prášku. Preto je veľmi dôležité vytvoriť teplotné stabilnú štruktúru už v samotnom prášku. Z tohto hľadiska vystupujú do popredia disperzne spevnené systémy ako veľmi nádejné materiály, vhodne na použitie veľkého množstva vysokoteplotných aplikácií v elektrotechnickom, automobilovom a leteckom priemysle. Oxidmi spevnené kompozity na báze medi patria medzi materiály, ktorým je venovaná sústavnápozomosť.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je originálny spôsob prípravy nanokryštahckej práškovej zmesi Cu-AhOs-MgO majúcej veľkosť kryštahtov medi v oblasti od 20 nm do 30 nm a rovnomerné rozloženie sekundárnych častíc AI2O3 a MgO s veľkosťami pod 50 nm Tento spôsob prípravy je realizovaný prostredníctvom termochemických fázových premien prekurzorov - metódou in situ a mechanického mletia takto:

Prášok MgO s priemernou veľkosťou častíc pod 0,5 pm sa nasype do vody a do toho sa pod tlakom privedie plynný CO2, čím vznikne hydrogén uhličitan horečnatý Mg(HCO3)2, ktorý je v presýtenom vodnom roztoku CO2 stabilný a vo vode dobre rozpustný. Tento roztok sa prileje do práškového CuO a dôkladne sa premieša. Počas následného sušenia a 1 h žíhania pri teplote 550 °C dochádza k fázovej premene a k vzniku ultrajemnej spevňujúcej fázy MgO priamo v prášku QrO. Prášková zmes CuO-MgO je následne mletá v atritore s frekvenciou 20 Hz počas 30 min. Ďalším krokom je vytvorenie druhej spevňujúcej fázy γ-AhOj tak, že kryštalický dusičnan hlinitý A1(NO3)3.9 H2O sa rozpustí vo vode a daný roztok sa prileje do pomletého prášku CuO-MgO. Následným pridaním vodného roztoku amoniaku sa vytvoria precipitáty hydrátu oxidu hlinitého vo forme amorfného hydrogélu ako prekurzora fázy y-AhCh. Premiešaná zmes sa vysuší pri teplote 120 °C a mehe v atritore za mokra počas 30 min. Pomletá prášková zmes sa 1 h žíha v indukčnej peci pri teplote 500 °C a následne chemicky redukuje v prúde vodíka pri teplote 150 °C počas 1 h na výsledný ultrajemný systém Cu-AhCh-MgO. Záverečnou operáciou prípravy je dynamické mletie vo vibračnom mlyne s frekvenciou 30 Hz a časom mletia 12 minút na získanie homogénneho rozloženia sekundárnych častíc AI2O3 a MgO a zjemnenia štruktúry medenej matrice na nanometrickú úroveň.

Uvedeným spôsobom prípravy možno modifikovať objemový podiel (obj. %) sekundárnych fáz AI2O3 a MgO v závislosti od požadovaných vlastností konečného produktu, dosiahnuť vysokú teplotnú stabilitu

S K 288815 B6 štruktúry nanokryštalického prášku Cu-AhCh-MgO, a to až do teplôt blízkych bodu tavenia Cu matrice a získať väčšie množstvá práškovej zmesi Cu-AhCh-MgO (poloprevádzkové, resp. prevádzkové objemy).

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príprava práškovej zmesi Cu-2 obj. % AI2O3-I obj. % MgO:

5,15 g prášku MgO s priemernou veľkosťou častíc 0,5 pm sa nasype do vody a do toho sa pod tlakompriv edie plynný CO2. Pôsobením CO2 vznikne hydrogén uhličitan horečnatý Mg(HCO3)2, ktorý je v presýtenom vodnom roztoku CO2 stabilný a vo vode dobre rozpustný. Tento roztok sa prileje do 625,88 g práškového CuO a dôkladne sa premieša. Počas následného sušenia a 1 h žíhania pri teplote 550 °C dochádza k fázovej premene a k vzniku ultrajemného MgO priamo v prášku CuO. Prášková zmes CuO-MgO je následne mletá v atritore s frekvenciou 20 Hz počas 30 min. v prítomnosti oceľových guľôčok s priemerom 5 mm V pomletej zmesi CuO-MgO vzniká in situ druhá fáza y-AhO? takto: 37,93 g kryštalického dusičnanu hlinitého A1(NO3)3.9 H2O sa rozpustí vo vode, daný roztok sa prileje do prášku CuO-MgO a následným pôsobením vodného roztoku amoniaku sa vytvoria precipitáty hydrátu oxidu hlinitého vo forme amorfného hydrogélu ako prekurzora fázy y-AhCh. Premiešaná zmes je po vysušení pri teplote 120 °C mletá v atritore za mokra (v mety lalkohole) pomocou oceľových guľôčok s priemerom 5 mm po čas 30 min. s frekvenciou 20 Hz. Prášková zmes je 1 h žíhaná v indukčnej peci pri teplote 500 °C a následne chemicky redukovaná v prúde vodíka pri teplote 150 °C počas 1 h na výsledný ultrajemný systém Cu-2 obj. % AI2O3- 1 obj. %MgO. Záverečnou operáciou prípravy daného prášku je dynamické mletie vo vibračnom mlyne s guľôčkami s priemerom 7 mm, s frekvenciou 30 Hz počas 12 minút, na účely získania homogénneho rozloženia oboch sekundárnych fáz a zjemnenia štruktúry medenej matrice.

Priemyselná využiteľnosť

Oxidicky disperzne spevnené materiály na báze nanokryštahckej medi možno použiť na výrobu veľkého množstva vysokoteplotných aplikácií v elektrotechnickom priemysle, napr. na výrobu elektrických kontaktov a vodičov, kefiek motorov, ako aj na elektródy na bodové odporové zváranie, pretože takýto kompozit sa vyznačuje veľmi dobrou životnosťou materiálu, výbornou teplotnou stabilitou štruktúry, zlepšenou pevnosťou pri zvýšených teplotách a iba nízkou degradáciou elektrickej a tepelnej vodivosti v porovnaní s čistou meďou.

Claims (1)

1. S K 288815 B6

   PATENTOVÉ NÁROKY

   Spôsob prípravy nanokiyštalickej práškovej zmesi Cu obsahujúcej súčasne nanočastice AI2O3 a MgO, vyznačujúci sa tým, že prášok CuO sa dôkladne premieša s vodným roztokom Mg(HCO3)2, 5 potom sa vysuší, prášková zmes sa žíha na vzduchu 1 hodinu pri teplote 550 °C a melie, pomletá zmes sa zmieša s vodným roztokom Α1(Νθ3)3.9Η2θ a následne s vodným roztokom amoniaku, vysuší sa pri teplote 120 °C, pomelie a žíha 1 hodinu na vzduchu pri teplote 500 °C, CuO sa chemicky vyredukuje v prúde vodíka pri teplote 150 °C a zmes sa následne pomelie na získanie teplotné stabilného prášku Cu-AhOs-MgO majúceho veľkosť kiyštalitov medi v oblasti od 20 nm do 30 nm a rovnomerné rozloženie sekundárnych častíc 10 AI2O3 a MgO s veľkosťami <50 nm.

   15 __________________________

   Koniec dokumentu