高能球磨法在超微粉體制備中的應用

1、高能球磨法在超微粉制備中的應用宗澤宇（南京工業(yè)大學，材料化學工程國家重點實驗室，210009）摘要：簡述分別通過高能球磨法制備氧化鋯-硬脂酸材料，納米氧化亞銅材料，納米 WC/Mg。材料，納米AL”A 1復合材料的過程，總結五種材料各自的特點與生產(chǎn)方法。列 舉了這五種材料在工業(yè)方面的優(yōu)點與主要應用。關鍵詞：納米；高能球磨法；制備；應用The Applications about High Energy MillingZong Zeyu（17,Class 0802, Material department of science & engineering, Nanjing University

2、of Technology ）Abstract: This paper gives a sketch of five materials by High Energy Milling: Zr0 2-stearci Acid , Nano-cuprous Oxide, Nano-sized WC/MgO, Nano-sized AL2O3/A1 composite material， find out their characteristics and preparation. The paper Also list the main applications of this five mate

3、rials in industry and their advantages.Keywords: nanoparticle; High Energy Milling ; preparation; applications1引言高能球磨法一經(jīng)出現(xiàn)，就成為制備超細材料的一種重要途徑。傳統(tǒng)上，新物 質(zhì)的生成、品型轉化或晶格變形都是通過高溫（熱能）或化學變化來實現(xiàn)的。機 械能直接參與或引發(fā)了化學反應是一種新思路。高能球磨法法的基本原理是利 用機械能來誘發(fā)化學反應或誘導材料組織、結構和性能的變化，以此來制備新 材料。本文簡述了通過高能球磨法制備五種材料的方法以及它們各自的應用與 優(yōu)點。2制備方法高能球磨

4、法（又稱機械合金化，High Energy Milling）是一種制備合金粉 末的高新技術1，它是在高能球磨作用下，利用金屬粉末混合物的反復變 形、斷裂、焊合、原子間相互擴散或發(fā)生固態(tài)反應形成合金粉末。機械合金 化作為新材料的制備技術之一，特別是其在細微、超細微粉體材料的研究方面 占有重要的地位，已引起材料科學界的廣泛關注。本文采用高能球磨法制備氧 化亞銅粉末，研究球磨時間和不同pH值的水溶液對球磨反應速率及產(chǎn)物形貌、 顆粒尺寸的影響，為氧化亞銅粉末的廣泛應用提供實驗依據(jù)。它可以制備的納 米材料很多，如氧化鋯-硬脂酸材料，納米氧化亞銅材料，納米WC/MgO材料， 納米A12O3/A1復合材料，

5、納米Al-Si材料，氨基鋰-Li-N-H儲氫材料等，這里 列舉了前五種材料。2.1納米氧化亞銅的制備實驗原材料為銅、氧化銅粉末(-200目，99.0%)、蒸餾水、HC1和NaOH試 劑。試驗儀器設備為南京大學儀器廠生產(chǎn)的QM-ISP04行星式高能球磨機，球罐 采用不銹鋼制成。磨球材質(zhì)為不銹鋼，球徑為5mm。實驗時Cu和CuO的粉末置 于兩個球罐中，分別加入pH=3的HCl溶液和pH=12的NaOH溶液，球料比為30： 1，球磨機轉速為400r/min。球磨一定時間后停機取樣。樣品通過低溫真空烘干 處理后，采用Y-500型X射線衍射儀對樣品進行物相分析，JSM-6700F冷陰極場 發(fā)射掃描電子顯

6、微鏡和H-800透射電子顯微鏡對樣品進行顆粒尺寸、形貌分 析。得出氧化亞銅試樣。2.2納米WC/MgO的制備實驗用W03的純度為99.9 %，石墨的純度為99.9%、Mg的純度為99.5%.將 W03、石墨和Mg按原摩爾比1: 1: 3混合后，在QM-1SP4型行星式球磨機內(nèi)進 行球磨試驗.球磨前先抽真空，然后在高純氧氣保護狀態(tài)下進行球磨.磨球材質(zhì)為 硬質(zhì)合金、直徑為10 mm，磨球和粉料的質(zhì)量比為10:1，球磨機轉速為250 r/min，并球磨50 h.球磨過程中，每隔一定的時間間隔，停機出少量粉末， 以備分析檢測之用.分別對球磨粉末樣品進行X-射線衍射(D500X - RAY)、掃 描電子

7、顯微鏡(JEM2840 )和透射電子顯微鏡(JEM2840 )分析，以便對球磨過 程的反應類型和反應機理進行深入探討。2.3納米Al-Si材料的制備實驗所用粉末名義成分為Al-30Si，粉末采用氮氣霧化水冷制得，Si，O和 Al的質(zhì)量分數(shù)分別為24.46%，0.25%和75.00%，其余為雜質(zhì)。粉末中位徑、面 積平均徑、體積平均徑分別為17.01，10.46和27.20 “m。高能球磨設備采用 自制專用球磨機，選擇直徑為10 mm與5 mm 2種不銹鋼球進行搭配，它們的質(zhì) 量配比為1:1，球料質(zhì)量比為10:1，分別采用8，16，24與32 h 4種球磨時間進 行球磨（另有實驗采用了高溫空氣氧化

8、對粉末進行預處理，氧化溫度為300 C, 為便于比較，設定氧化時間與球磨時間相同）。2.4納米氧化鋯-硬脂酸系材料的制備使用清華大學北京精細陶瓷實驗室制備的納米級ZrO2.8Y2O3粉體，以及日 本Fluka公司生產(chǎn)的硬脂酸。由于硬脂酸在80攝氏度以上會熔化并揮發(fā)，所以 所有樣品均為自然干燥。且樣品中硬脂酸的加入含量皆為23.08%。過程：1,氧 化錯與硬脂酸在球磨機中直接淚合，分散劑為元水乙醇。2,氧化錯與硬脂酸在 球磨機中淚合，分散劑為無水乙醇，并加入少量氨水。3,氧化錯與硬脂酸在球 磨機中昆合，分散劑為無水乙醇，加入足量氨水。4,氧化錯與硬脂酸在球磨機 中混合，分散劑為無水乙醇和D302

9、1，加入足量氨水。5,氧化錯與硬脂酸在球 磨機中混合，分散劑為四氯化碳和無水乙醇的溫合溶液。6,氧化錯與硬脂酸在 球磨機中淚合，分散劑為四氯化碳和無水乙醇的淚合溶液，并加入足量氨水。7, 用預處理后的氧化錯與硬脂酸在球磨機中混合，分散劑為四氯化碳和無水乙醇 的混和溶液。8,用預處理后的氧化錯與棚撒在球磨機中淚合，分散劑為四氯化 碳和加乙醇的油和溶液，并加入足量氨水，10 ZrO/YQ粉體，純硬脂酸。 11，進行取樣分析。2.5納米Al2O3/Al材料的制備材料為Al粉和AlO粉，純度為99.9%，粒度為100目，配料，球磨介質(zhì)為 2 3GCr15軸承鋼球，球徑為620mm，球料比為10： 1，

10、在行星試高能球磨時采用高 純氬氣保護，球磨機轉速180r/min，在2h、5h、10h以及13h時分別取樣分析檢 測，取樣在氬氣保護下進行。3優(yōu)點與應用3.1納米氧化亞銅氧化亞銅粉末用途廣泛，在玻璃和陶瓷工業(yè)中用作紅玻璃和紅瓷釉著色 劑，在農(nóng)業(yè)上用作殺菌劑，在電子工業(yè)上用它和銅制作鎮(zhèn)流器。此外，它還可 用作涂層、塑料和玻璃表面改性材料以及有機工業(yè)催化劑等，如用作光熱催化 劑、阻燃抑煙材料。常見的CuO制備技術主要有固相法、液相法和電解法3 2類10。隨著研究開發(fā)的深入，CuO的制備方法不斷創(chuàng)新，各種形貌與粒徑各異 2的產(chǎn)品促使超細CuO粉體應用范圍不斷擴大，更小的粒徑、更高的純度以及多 2樣的

11、形貌將為Cu2O找到更多的用途uh。3.2納枷傾鴿鉆硬質(zhì)合金具有高的硬度、優(yōu)異的熱硬性和良好的耐磨性能，在現(xiàn)代材 料工業(yè)中占有十分重要的地位文獻最先介紹了用MgO代替Co制備WC/MgO硬質(zhì) 合金的探索性研究工作，并以W0、石墨和錢為原材料，采用室溫下高能球磨 3的方法，先制備納米WC/MgO粉末，再用放電等離子燒結的方法制備了復合塊體 材料.性能研究顯示，WC/MgO硬質(zhì)合金的性能可以和鴿鉆類硬質(zhì)合金相媲美， 說明MgO有可能代替Co作為WC的和結劑制備高性能的硬質(zhì)合金.用氧化鏡代替 鉆對于節(jié)約資源、降低成本具有重要意義.3.3 納米Al-Si納米Al-Si材料作為電子封裝材料，其密度僅為傳

12、統(tǒng)金屬基W-Cu電子封裝 材料的1/6，且納米Al-Si材料具有很好的導熱性能，線膨脹系數(shù)可控12，能與 電路板廣泛使用的半導體材料相匹配，因此，作為基片襯底、機殼及蓋板等材 料，可保證電子器件在使用過程中不致受熱或開裂而過早失效。納米Al-Si材料 電子封裝材料代表了新型輕質(zhì)電子封裝材料的發(fā)展方向。納米Al-Si材料制備工 藝有熔鑄法a、粉末冶金燒結法、噴射沉積法和溶滲法錠坯制備技術，以及 熱擠壓、半固態(tài)擠壓、熱鍛造等加工成形技術15，然而，采用這些方法所制備 的材料，其熱導率、熱膨脹系數(shù)及抗拉強度難以同時滿足電子封裝材料的使用 要求，因此，必須尋求新的途徑，制備出能完全滿足使用要求的材料。

13、3.4納米氧化鋯-硬脂酸系材料近年由于不可再生能源的枯竭以及化學能源的過度使用給人類的生存環(huán)境 帶來了極惡劣的影響當前提高能源使用效率和開發(fā)可再生能源成為了人類面臨 的重要課題。其中熱能儲備材料中的變相儲能材料成為焦點.不少文獻中都采用 了二氧化硅與硬脂酸復合的方法制備相變儲能材料，但硬脂酸存在難于工藝開 發(fā)以及150攝氏度時極易坍塌的缺點，因而驗采用了氧化錯代替氧化硅進行實 驗，并且放棄使用溶膠凝膠法，而是采用適合工業(yè)放大用的球磨法。相變儲能 材料在很多方面取得了重要應用。比如：1）在能量的吸收系統(tǒng)中，延長能量的可 利用時間，這主要是用在太陽能、廢熱等方便;2）在能量需要安全供應的地 方，比

14、如醫(yī)院、計算中心等;3）熱慣性及熱保護的應用。3.5 納米A1203/A1將Al和A1203陶瓷混合經(jīng)高能秋末形成A1203彌散強化的鋁基復合材料，充分 發(fā)揮A1和A1203的長處，能使A1203/ A1復合材料具有多種優(yōu)良性能，因此鋁基復 合材料在航空航天、汽車、機械耐磨件、耐熱件、結構件以及化工耐腐蝕等領 域內(nèi)將有十分重要的應用價值以及廣闊的應用前景。參考文獻(References)朱心昆，林秋實，陳鐵力等.機械合金化的研究及進展J.粉末冶金技術，1999,17(4): 291-296.Benjamin J S. The mechanica1 a11oying processJ. Mod

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