《氧化物纳米粉末的直流电弧等离子体制备及放电等离子（SPS）烧结》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氧化物纳米粉末的直流电弧等离子体制备及放电等离子（SPS）烧结（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、武汉理工大学硕士学位论文摘要放电等离子体烧结技术( S P S ) 是材料制备新技术之一，也是制备纳米相陶瓷的有效方法之一，但烧结金属氧化物纳米粉末过程中的致密化机理与传统理论有一定的区别，本文对脉冲电流烧结金属氧化物纳米粉末进行了系统研究。采用直流电弧等离子体“喷射法”，以草酸盐干凝胶粉为原料，制备出了平均尺寸为为2 0 n m 的Y S Z 纳米粉末，粉末纯度大于9 8 7 。用直流电弧等离子体“蒸发凝聚法”以金属块体为原料，制备出了纯度大于9 8 平均粒度分别为1 0 0 r t m 和6 0 n m 的S n 0 2 及T i 0 2 纳米粉末，并且粉末的粒度可以通过调整冷却介质来加以
2、控制。等离子体发生器功率、反应气体压力或配比是影响产物纯度和粒度的主要工艺参数。Z r O ：烧结体不同深度的X R D 分析表明：样品表面有被高能粒子轰击过的痕迹，脉冲电场诱发场发射电子及高能C 粒子对样品表面轰击。感生磁场的存在引起电场周期性的波动，在烧结体内产生不同的温度区域，是造成烧结体内产生分布均匀裂纹的主要原因。烧结温度是决定烧结体致密度高低的主要因素。T i O ：烧结体S E M 显微形貌分析表明：低温( 2um ) T h es p e e do fs i n t e r e dw a sf a s t e rw i t hs m a l l e rs i z eo fp a
3、 r t i c l st h a nl a r g e rs i z e ，t h e r ew e r em o r ep o r ei nt h ec o r r e s p o n d i n gs a m p l eS Oa st oh a v i n gl o w e rr e l a t i v ed e n s i t y H i 曲e rp r e s s u r ec o n t r i b u t e dt ot h ee x h a u s t i n go fp o r ea n dr e l a t i v ed e n s i t yT h es i n t e
4、r e db o d yo fT i 0 2w h o s ep a r t i c l e sh a db e e nm i x e dw i ml i q u o rh a dah i g h e rr e l a t i v ed e n s i t y ( 9 8 6 ) t h a nt h eb o d yw i t h o u tl i q u o r ( 9 6 4 ) A l t h o u g ht h es i n t e r e dp r e s s u r ec o u l dr e d u c et h ea f f e c t i o no fp o r e ，b
5、 u tt h e a f f e c t i o no f m o l d i n gs y s t e ms h o u dn o tb ei g n o r e dt or e l a t i v ed e n s i t y L o wh e a t i n gr a t ea n dh i g hs i n t e r e dp r e s s u r ew e r ep r o f i t a b l yf o rr e d u c i n g武汉理工大学硕士学位论文t h er a t eo fp o r eS Oa st oi n c r e a s et h er e l a
6、 t i v ed e n s i t yo fs i n t e r e db o d y W i t ht h es a m es i n t e r e dC O n d i t i o n s t h er e l a t i v ed e n s i t yo fs i n t e r e db o d yw a s9 8 7 a t 2 5 M P as i n t e r e dp r e s s u r ea n di tw a s91 4 a t12 M P a R e d u c i n gh e a t i n gr a t ee n h a n c e dt h ed
7、e n s i t yo fs a m p l e T h ed e n s i t yw a sm o r et h a l l9 8 a n dh a df i n e s tm i c r o s t r u c t u r ew i t hah e a t i n gr a t eo f1 0 0 m i n i tw a s9 4 8 a t3 0 0 m i nh e a t i n gr a t e O nt h eo t h e rh a n dl o n g e rs i n t e r e dt i m ec o u l dc a u s et h eg r a i ns
8、i z eo fs a m p l ei n c r e a s i n g K e y w o r d s ：N a n o - p o w d e r , D Ca r cp l a s m a ，P u l s ee l e c t r i ce u l T e n s i n t e r i n g ， M e t a l o x i d e武汉理J ：大学硕士学位论文第一章绪论1 1 放电等离子技术及其研究现状“放电等离子烧结”( S p a r kP l a s m aS i n t e r i n g 简称S P S ) 又称“等离子活化烧结”( P l a s m a A c
9、t i v a t e d _ S i n t e r i n g 简称P A S ) ，其主要特点是利用体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结，可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物等一系列新型材料的烧结【”。S P S 技术的历史可追溯到上世纪3 0 年代，当时“脉冲电流烧结技术”引入美国。后来日本研究了类似但更先进的技术电火花烧结，并于六十年代末获得专利，但没有得到广泛的应用。1 9 8 8 年，日本井上研究所研制出第一台S P S 装置，具有5 吨的最大烧结压力，在材料研究领域获得应用，S P S技术于9 0 年代发展成熟，最近推出的S P S 装
10、置为该技术的第三代产品，具有1 0 - - 1 0 0 吨最大烧结压力 2 】，可用于工业生产，能够实现快速、低温、高效烧结，已引起各国材料科学与工程界的极大兴趣。1 1 1 放电等离子技术的特点传统的热压烧结主要是由模具热辐射和加压造成的塑性变形这两个因素促进烧结过程的进行，而S P S 过程除上述作用外，在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的直流脉冲电流，并有效利用了在粉体颗粒间放电所产生的自身发热作用，通过热效应或其它场效应来实现材料的烧结，具有不同于传统烧结方法的特点【3 ，4 1 。S P S 脉冲电流的作用及效果可概括为图1 1 【5 】：1 1 2 放电等离子技术在材料科学领域的
11、应用S P S 技术已成功应用于梯度功能材料、纳米材料、多孔材料、金属间化合物等多种新材料的制备；同时在硬质合金的烧结，多层金属粉末的同步焊接和金属粉末的焊接以及固体一粉末一固体的焊接等方面也有广泛的应用。武汉理： 大学硕士学位论文脉冲电压开关现曼效果技术忧势E 亟圃蒸发、熔化、纯化 匠亟匠函局部应力和应变 蔓夏丑F i g 1 - 1E f f e c to f O N - O F Fp u l s ee n e r g i z i n g1 梯度功能材料6 ，7 ，8 】利用如图l 一2 所示的石墨梯度模进行梯度材料的放电等离子烧结，由于4 0【2 4 0 0 k g m m 2 ，晶粒材
12、料3 0 k g c m 2 压力烧结抗折力2 3 0k g r n m 2 1 】T i N i 形状9 7 3 1 3 7 3 K 、4 9 M P a 、烧结5 分 相对密度1 0 0 ( 2 7 J记忆合金钟F e 一1 8 C r 一8 N i 1 0 7 3 K 、3 3 M P a 、烧结5 分钟r t v = 4 0 0k g m m 2 2 8 1 2 纳米粉体的制备方法简介纳米粉体制备是纳米块体材料制备的基础。纳米粉体难以采用传统的机4武汉理 ：大学硕十学位论文械方法制得。现在已发展了多种纳米粉体的制备方法。包括物理或化学制备方法。化学制备方法又可分为气相化学法和液相化学法
13、( 湿化学法) 。机械粉碎法被划为物理方法。但是有些气相法制备超微细粉的过程中并没有化学反应，与此相仿，机械粉碎法中的机械合金化法是把不同种类微粉的混合粉料经高能球磨粉碎形成超微细粉，在一定情况下可形成金属间化合物，这里面涉及到化学反应，因此把粉碎法全归为物理方法也不合适。下面分别介绍了几种典型的制备纳米粉体的方法。1 蒸发一冷凝法此制备过程为：在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属或化合物蒸发源，由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的团簇，并在液氦冷却棒上聚集起来，最后得到纳米粉体。加热蒸发源可以有：等离子体、电阻加，高频感应法，电子束，激光等。其中最新发展起来的
14、就是激光蒸发法。2 等离子体法( 将在第二章中做详细介绍)3 高能机械球磨法所谓高能机械球磨法就是通过无外部热能供给的高能球磨过程制备纳米粉体它除了可用来制备单质金属纳米粉体外，还可通过颗粒问的固相反应直接合成化合物粉体，如金属碳化物、氟化物、氮化物、金属一氧化物复合粉体等。近年来通过对高能机械球磨过程中的气氛控制和外部磁场的引入，使得这一技术有了进一步的发展。该方法操作简单，成本低，缺点是制备过程中，由于球的磨耗易在粉体中引入杂质，所得粉体粒径分布也不均匀。4 化学气相沉积法( c v D 法1化学气相沉积法( C V D ) 是在远高于热力学计算的临界反应温度条件下，反应产物蒸气形成很高的
15、过饱和蒸气压，伎其自动凝聚形成大量的晶核。晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最终在收集室内形成纳米陶瓷粉体。武汉理： 大学硕士学位论文5 沉淀法沉淀法是在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂来得到陶瓷前驱体沉淀物，再将此沉淀物煅烧形成纳米陶瓷粉体。根据沉淀的方式，沉淀法又可分为共沉淀法、单相沉淀法和混合物共沉淀法三种。为了避免沉淀法制备粉体过程中形成严重的团聚，往往在其过程中引入冷冻干燥、超临界干燥、其沸蒸馏等技术手段，取得了较好的效果。沉淀法操作简单，成本低，但易引进杂质，难以制得粒径小的纳米粉体。6 溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是将醇盐溶解于有机溶剂中
16、，通过加溶剂使醇盐水解、聚合，形成溶胶。溶胶经处理转变为凝胶。凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将干凝胶做高温煅烧处理，即可得到氧化物纳米陶瓷粉体。该方法可采用蒸馏或全结晶技术来保证原料的纯度，整个工艺过程不引入杂质离子，有利于高纯陶瓷材料的制备，所得粉体体粒径较小，且粒度分布窄。但它也有不足之处，如原料价格高、有机溶剂的毒性以及在高温下作热处理时会使颗粒快速团聚等。亦可在此方法中引入冷冻干燥、形成乳浊液、共沸蒸馏等技术手段来减少或避免粉体颗粒之间的团聚。7 喷雾热解法喷雾热解法是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中，引起溶剂的蒸发和金属的热分解，随后因过饱和而析出固相，从而直接得到氧化物纳米陶瓷粉体，或者是将溶液喷入高温气氛中干燥，然后再经过热处理形成粉体，形成的颗粒大小与喷雾工艺参数有很大的关系。此外还有一种称为喷雾水解的方法，即将醇盐溶液喷入高温气氛中制成溶胶，这种气溶胶与水蒸汽反映，发生水解，形成单分散的颗粒化合物，将此颗粒化合
