专利摘要

一种高纯超细纳米晶镥块体材料的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。首先制备出镥纳米颗粒；在惰性气氛保护下，将镥纳米颗粒依次通过40目、100目、200目筛后，装入硬质合金模具，预压成坯，再送入真空度1.0x10-7Pa以上、环境氧含量0.1ppm以下的放电等离子烧结系统中；对镥纳米颗粒压坯进行放电等离子烧结：升温速率60-120℃/min，烧结压力300-500MPa，终态烧结温度400-700℃，并在终态烧结温度下保温6-12min。本发明镥纳米晶块体致密度均达99%以上，纯度均在99.95wt.%以上，平均晶粒尺寸在40nm以下，相对于常规粗晶镥块体材料，显微硬度和弹性模量均有提高。

权利要求

1.高纯超细纳米晶镥块体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以纯度为99.99wt.％的常规粗晶单质镥为原料，将蒸发炉腔体抽至真空度1.0×10^-2Pa以上，通入氦气使炉腔内气体压力为0.5-1.0Pa，设置初始起弧电压范围为10-35V，起弧电流范围为80-300A，蒸发时间30-60min，首先制备出镥的纳米颗粒；

(2)在惰性气氛保护下，将步骤(1)制备的镥纳米颗粒依次通过40目、100目、200目三道筛后，装入硬质合金模具，预压成坯，再送入真空度1.0×10^-7Pa以上、环境氧含量0.1ppm以下的放电等离子烧结系统中；

(3)采用如下工艺参数对步骤(2)获得的镥纳米颗粒压坯进行放电等离子烧结：升温速率60-120℃/min，烧结压力300-500MPa，终态烧结温度400-700℃，并在终态烧结温度下保温6-12min。

说明书

技术领域

本发明为一种高纯超细纳米晶镥块体材料的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

稀土镥为银白色金属，是稀土族元素中硬度最高和密度最大的金属，在自然界储量少，在空气中性质比较稳定，并且镥元素与其他的稀土元素如钐无论物理性质还是化学性质等均具有本质性不同，如熔点、沸点、蒸汽压、密度、化学活性等存在很大差异，不同的物理化学性质直接决定制备技术和工艺参数的不同。

已有的大量的实验研究表明，元素的熔点越高，熔点与沸点间的温度差越大，采用蒸发－冷凝的方法制备纳米粉末的困难就越大；绝大多数学者预言，在元素的熔点与沸点间的温度差超过1000℃的情况下，采用蒸发－冷凝的方法制备金属纳米粉末的产率极低，甚至该技术无法实施。镥元素在常规粗晶状态下的熔点为1656℃，沸点为3315℃，熔沸点间温度差高达1659℃；而钐元素在常规粗晶状态下的熔点为1072℃，沸点为1791℃，熔沸点间温度差仅为719℃，比镥元素的一半还低。因此，制备镥纳米粉末就相当困难，更不用说制备超细纳米晶镥块体材料了。

镥元素在不同领域的应用前景对其基础特性的研究提出了紧迫的要求，特别是急需认识镥在纳米尺度下的各种特性。然而，稀土元素本身化学性质非常活泼，纳米化进一步增加了活性，由此使得稀土纳米材料的制备技术和工艺的探索困难重重。尤其是制备高纯、小尺寸范围的纳米晶镥是目前国际上稀土和纳米材料领域的极大挑战。至今关于镥元素的纳米化制备及其在纳米尺度下的各种物理化学性能、热力学特性等基础研究未见报道。

发明内容

本发明正是基于对纳米稀土镥结构与性能多种角度系统研究的需要，针对高纯、小尺寸范围的纳米晶镥制备技术的急迫需求，提出一种高纯超细纳米晶镥块体材料的制备方法。

本发明提供的高纯超细纳米晶镥块体材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)以纯度为99.99wt.％的常规粗晶单质镥为原料，将蒸发炉腔体抽至真空度1.0x10^-2Pa以上，通入氦气使炉腔内气体压力为0.5-1.0Pa，设置初始起弧电压范围为10-35V，起弧电流范围为80-300A，蒸发时间30-60min，首先制备出镥的纳米颗粒；

(2)在惰性气氛保护下，将步骤(1)制备的镥纳米颗粒依次通过40目、100目、200目三道筛后，装入硬质合金模具，预压成坯，再送入真空度1.0x10^-7Pa以上、环境氧含量0.1ppm以下的放电等离子烧结系统中；

(3)采用如下工艺参数对步骤(2)获得的镥纳米颗粒压坯进行放电等离子烧结：升温速率60-120℃/min，烧结压力300-500MPa，终态烧结温度400-700℃，并在终态烧结温度下保温6-12min。

步骤(1)中，通过调节蒸发炉内气体压力、起弧电压、电流强度和蒸发时间，可调整镥纳米颗粒的产率、平均粒径和粒径分布。在控制氦气流量使蒸发炉内气体压力维持恒定的情况下，增大起弧电压和电流强度，可提高镥纳米颗粒的产率；维持起弧电压和电流强度不变，增大氦气流量，可提高蒸发炉内气体压力，镥纳米颗粒的产率也增加。另一方面，随着纳米颗粒的产率增大和蒸发时间延长，颗粒之间发生合并长大的趋势增强，镥纳米颗粒的平均粒径增大且粒径分布加宽。因此，需要兼顾镥纳米颗粒的产率和粒径分布均匀性而优化调整蒸发炉内气体压力、起弧电压、电流强度和蒸发时间。

本发明的特征和优势包括以下几个方面：

(1)高纯度：制备过程全程在惰性气氛、高真空、极低含氧量的环境中进行，保证了镥纳米颗粒和烧结块体中最大程度减少乃至避免杂质的引入。制备获得的镥纳米晶块体的纯度均在99.95wt.％以上。

(2)近全致密：步骤(1)获得的纳米颗粒纯度高且粒径分布均匀，步骤(2)获得的压坯中纳米颗粒平均粒径进一步减小且压坯致密度较高，此两方面处理非常有利于步骤(3)的烧结致密化，从而使最终制备获得的纳米晶块体接近全致密。以酒精为液体介质利用阿基米德方法测得制备的镥纳米晶块体的致密度均达到99％以上。

(3)超细纳米晶粒尺寸：经过步骤(1)对纳米颗粒的产率和粒径分布均匀性的控制和步骤(2)过筛进一步减小纳米颗粒的平均粒径和提高粒径分布均匀性，结合步骤(3)调整烧结工艺参数，最终制备获得的镥纳米晶块体的平均晶粒尺寸均可达到40nm以下，属于超细纳米晶金属块体材料。而且，通过各步骤中工艺参数之间的匹配调整，可以实现对超细纳米晶块体中晶粒尺寸的调节和控制。

(4)性能显著提高：本发明制备的高纯、超细纳米晶镥块体的基本性能对比常规粗晶镥块体获得显著提高，如，显微硬度提高30-50％，弹性模量提高40-60％。

本发明的步骤(1)中，制备镥的纳米颗粒必须在氦气气氛下制备，现有技术有关稀土元素的实验研究中常用另一种惰性气体氩气，但是本发明的步骤(1)中制备镥的纳米颗粒时若采用氩气即使在大范围内调整起弧电压和电流强度也无法使镥产生金属蒸汽，即无法实现镥纳米粉末的制备。此外，在氦气气氛下，蒸发炉腔体内的真空度、炉腔内的气体压力、初始起弧电压、起弧电流强度和蒸发时间需在合适的范围内且各参数之间须合理匹配，才能制备出物相纯净且颗粒尺寸分布均匀的镥元素纳米粉末，并保证有足够高的产率，这是后续制备致密、纯净且晶粒尺寸在超细纳米尺度的块体材料的重要初始材料。制备镥纳米粉末的工艺参数组合是采用蒸发－冷凝法制备钐纳米粉末的工艺无法推广获得的。

(2)本发明的步骤(3)的目的是获得晶粒尺寸极小的镥纳米晶块体材料，是针对镥元素熔点高、密度大等物理性质，经实验探索获得的放电等离子烧结工艺参数组合，只有在一定的真空度、环境氧含量控制、升温速率、烧结压力、终态烧结温度和保温时间的合理匹配条件下，才能制备获得极小晶粒尺寸的纯镥纳米晶块体，其平均晶粒尺寸控制在40nm以下。采用针对钐开发的技术专利(专利号ZL200510105686.1)，尽管工艺步骤中都涉及放电等离子烧结方法，但制备晶态或非晶态钐的烧结工艺是根本不适合超细纳米晶镥块体材料的制备的。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例，所有实施例中，所使用原料均为纯度99.99wt.％的常规粗晶镥块体材料。

实施例1

将蒸发炉腔体抽至真空度5.0x10^-3Pa，通入氦气使炉腔内气体压力为0.5Pa，设置初始起弧电压为10V，起弧电流为80A，蒸发时间为60min，首先制备出镥的纳米颗粒；在惰性气氛保护下，将制备的镥纳米颗粒依次通过40目、100目、200目三道筛后，装入硬质合金模具，预压成坯，再送入真空度5.0x10^-8Pa、环境氧含量0.1ppm的放电等离子烧结系统中；采用如下工艺参数对镥纳米颗粒压坯进行放电等离子烧结：升温速率60℃/min，烧结压力300MPa，终态烧结温度700℃，并在终态烧结温度下保温6min。制备得到镥纳米晶块体，其纯度为99.99wt.％，平均晶粒尺寸为11nm。

实施例2

将蒸发炉腔体抽至真空度8.0x10^-3Pa，通入氦气使炉腔内气体压力为1.0Pa，设置初始起弧电压为35V，起弧电流为300A，蒸发时间为30min，首先制备出镥的纳米颗粒；在惰性气氛保护下，将制备的镥纳米颗粒依次通过40目、100目、200目三道筛后，装入硬质合金模具，预压成坯，再送入真空度3.0x10^-8Pa、环境氧含量0.05ppm的放电等离子烧结系统中；采用如下工艺参数对镥纳米颗粒压坯进行放电等离子烧结：升温速率120℃/min，烧结压力500MPa，终态烧结温度400℃，并在终态烧结温度下保温12min。制备得到镥纳米晶块体，其纯度为99.96wt.％，平均晶粒尺寸为35nm。

实施例3

将蒸发炉腔体抽至真空度2.0x10^-3Pa，通入氦气使炉腔内气体压力为0.8Pa，设置初始起弧电压为20V，起弧电流为200A，蒸发时间为40min，首先制备出镥的纳米颗粒；在惰性气氛保护下，将制备的镥纳米颗粒依次通过40目、100目、200目三道筛后，装入硬质合金模具，预压成坯，再送入真空度8.0x10^-8Pa、环境氧含量0.08ppm的放电等离子烧结系统中；采用如下工艺参数对镥纳米颗粒压坯进行放电等离子烧结：升温速率100℃/min，烧结压力400MPa，终态烧结温度500℃，并在终态烧结温度下保温8min。制备得到镥纳米晶块体，其纯度为99.97wt.％，平均晶粒尺寸为20nm。

一种高纯超细纳米晶镥块体材料的制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。