本(ben)發明涉(she)及低(di)溫球(qiu)磨(mo)領(ling)域，具體為一種采用(yong)液氮(dan)制(zhi)(zhi)冷(leng)的(de)(de)(de)振動式深冷(leng)球(qiu)磨(mo)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)(bei)納米晶(jing)粉(fen)體的(de)(de)(de)設備(bei)(bei)(bei)，及采用(yong)該設備(bei)(bei)(bei)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)(bei)納米晶(jing)粉(fen)體的(de)(de)(de)方(fang)法。

背景技術：
：

球磨(mo)(mo)技術(shu)(機械(xie)合(he)金化)是指(zhi)金屬(shu)或合(he)金粉體(ti)在球磨(mo)(mo)集中通過粉體(ti)顆(ke)粒(li)與磨(mo)(mo)球之間長時(shi)間激烈地沖(chong)擊(ji)碰撞，使粉體(ti)顆(ke)粒(li)反復(fu)產生冷(leng)焊、斷裂(lie)，導致(zhi)粉體(ti)顆(ke)粒(li)原子(zi)擴散，從而(er)獲(huo)得合(he)金化粉體(ti)的一(yi)種(zhong)粉體(ti)制(zhi)備技術(shu)。

球磨(mo)技術也是(shi)制備非(fei)平衡材料的重要的加工方法，金屬粉體通(tong)過球磨(mo)能夠制備出(chu)過飽和(he)(he)固溶體、無序化(hua)程度增大(da)的合金和(he)(he)金屬間化(hua)合物、非(fei)晶(jing)和(he)(he)準(zhun)晶(jing)合金、亞穩相及納(na)米晶(jing)材料。

低(di)(di)溫球磨技術(shu)由于其較低(di)(di)的(de)(de)工(gong)作溫度，大幅降低(di)(di)了粉體變形過程中的(de)(de)動態(tai)回復能力(li)。特別(bie)適用(yong)于制(zhi)備(bei)面(mian)心立方結構材料，如(ru)：鋁、銅、鎳及其合(he)金的(de)(de)高(gao)熱穩定性納米晶粉體。

低(di)溫球磨的(de)(de)(de)優點包括(kuo)：(1)與(yu)常規球磨相比，由于(yu)較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)工作溫度(du)(du)和(he)及(ji)短的(de)(de)(de)球磨時間，大幅減少空氣中(zhong)氧(yang)的(de)(de)(de)污染；(2)較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)工作溫度(du)(du)有利于(yu)破碎韌性材料(liao)冷(leng)焊產物(wu)；(3)較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)工作溫度(du)(du)降低(di)了(le)材料(liao)的(de)(de)(de)動態回復能力，大幅降低(di)了(le)將粉體晶粒(li)尺寸(cun)球磨至納米尺度(du)(du)的(de)(de)(de)時間；(4)在(zai)液氮(dan)的(de)(de)(de)環境中(zhong)可以提(ti)高(gao)材料(liao)中(zhong)氧(yang)氮(dan)化合物(wu)數(shu)量及(ji)彌散程度(du)(du)，提(ti)高(gao)材料(liao)的(de)(de)(de)熱穩定性。

技術實現要素：

本發明的(de)(de)目的(de)(de)在(zai)于提供(gong)一種振動式深冷(leng)球(qiu)磨(mo)制(zhi)備(bei)納米晶粉(fen)體(ti)的(de)(de)設備(bei)及方法，采用振動式球(qiu)磨(mo)結合液氮制(zhi)冷(leng)的(de)(de)方法實現(xian)低溫(wen)球(qiu)磨(mo)，依托(tuo)振動低溫(wen)球(qiu)磨(mo)自身(shen)的(de)(de)特點，制(zhi)備(bei)出一種粒(li)度、形(xing)貌可(ke)控、粒(li)度分布集中的(de)(de)高熱(re)穩定性納米晶粉(fen)體(ti)。

本(ben)發(fa)明的技(ji)術方案如(ru)下：

一種振動式深(shen)冷球磨制備(bei)納米(mi)晶粉體(ti)的設(she)備(bei)，該(gai)設(she)備(bei)包括(kuo)：通保護氣體(ti)管(guan)(guan)路(lu)(lu)、通液氮管(guan)(guan)路(lu)(lu)、壓力反饋線路(lu)(lu)、溫度反饋線路(lu)(lu)、罐內壓力及溫度控制系統、球磨罐、驅動電機、主軸、偏(pian)心輪、彈(dan)簧及液氮及保護氣體(ti)源，具體(ti)結構如(ru)下(xia)：

球(qiu)磨(mo)(mo)罐(guan)分別通過通保(bao)護氣體(ti)管(guan)路(lu)(lu)、通液氮管(guan)路(lu)(lu)與液氮及(ji)保(bao)護氣體(ti)源連(lian)(lian)通，在(zai)所述通保(bao)護氣體(ti)管(guan)路(lu)(lu)、通液氮管(guan)路(lu)(lu)上(shang)(shang)(shang)分別設置閥(fa)門(men)(men)(men)；壓力反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)、溫(wen)(wen)度(du)(du)反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)的(de)一端(duan)(duan)連(lian)(lian)至球(qiu)磨(mo)(mo)罐(guan)，壓力反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)的(de)另一端(duan)(duan)連(lian)(lian)至通保(bao)護氣體(ti)管(guan)路(lu)(lu)上(shang)(shang)(shang)的(de)閥(fa)門(men)(men)(men)，溫(wen)(wen)度(du)(du)反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)的(de)另一端(duan)(duan)連(lian)(lian)至通液氮管(guan)路(lu)(lu)上(shang)(shang)(shang)的(de)閥(fa)門(men)(men)(men)，壓力反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)、溫(wen)(wen)度(du)(du)反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)上(shang)(shang)(shang)設置罐(guan)內(nei)壓力及(ji)溫(wen)(wen)度(du)(du)控(kong)制系統，罐(guan)內(nei)壓力及(ji)溫(wen)(wen)度(du)(du)控(kong)制系統根據球(qiu)磨(mo)(mo)罐(guan)中的(de)壓力和(he)溫(wen)(wen)度(du)(du)信號，控(kong)制壓力反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)、溫(wen)(wen)度(du)(du)反(fan)饋(kui)(kui)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)路(lu)(lu)上(shang)(shang)(shang)閥(fa)門(men)(men)(men)的(de)開(kai)度(du)(du)和(he)啟閉；

球磨(mo)罐與主軸(zhou)剛性(xing)連接，主軸(zhou)與驅動電機連接，主軸(zhou)上設(she)置偏心輪并連接一端固定的彈簧(huang)。

所述的振動(dong)式深冷球(qiu)磨制(zhi)備(bei)納米(mi)晶粉體的設備(bei)，球(qiu)磨罐的外(wai)殼設置通(tong)氮夾層，通(tong)液氮管路(lu)分(fen)兩路(lu)，一(yi)路(lu)連至球(qiu)磨罐內(nei)(nei)，另一(yi)路(lu)連至通(tong)氮夾層內(nei)(nei)。

所述設備的(de)振(zhen)動式(shi)深(shen)冷球(qiu)磨(mo)(mo)制備納米晶粉(fen)體(ti)的(de)方法，采用(yong)振(zhen)動式(shi)球(qiu)磨(mo)(mo)結合液氮制冷的(de)方法制備納米晶粉(fen)體(ti)，原(yuan)料粒(li)度為5～50μm，晶粒(li)尺(chi)寸0.5～5μm的(de)商用(yong)氣(qi)(qi)霧化粉(fen)末；球(qiu)磨(mo)(mo)參數如下(xia)：在液氮氣(qi)(qi)氛或保護氣(qi)(qi)體(ti)氣(qi)(qi)氛下(xia)球(qiu)磨(mo)(mo)，球(qiu)磨(mo)(mo)溫(wen)度在室溫(wen)至-196℃范圍調整，球(qiu)磨(mo)(mo)振(zhen)幅2～8mm，振(zhen)動頻(pin)率50Hz，球(qiu)料質量比(5～15):1，球(qiu)磨(mo)(mo)時間1～5h。

所(suo)述的振動式深(shen)冷球磨(mo)制(zhi)備納米晶(jing)粉體(ti)的方(fang)法，通過(guo)調整(zheng)不銹鋼(gang)磨(mo)球尺(chi)寸及(ji)過(guo)程控制(zhi)劑加入量(liang)，精確控制(zhi)受磨(mo)粉體(ti)的粒度。

所述的振動式深冷球磨制備納米(mi)晶粉體的方法，通過調整液(ye)氮流量(liang)可(ke)以在(zai)常溫至(zhi)-196℃范圍內(nei)自(zi)由控制球磨溫度。

所述的振(zhen)動(dong)式深冷球磨制備納米晶粉體(ti)的方法，通過調整偏心輪角度(du)、質(zhi)量和驅動(dong)電機功率(lv)控制球磨振(zhen)幅(fu)及振(zhen)動(dong)頻率(lv)。

所述的振動式(shi)深冷球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)制(zhi)(zhi)備納米晶粉(fen)體(ti)(ti)的方法，球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)罐實(shi)現罐內灌(guan)注液氮(dan)伴(ban)隨球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)，或在(zai)罐外通液氮(dan)夾層中(zhong)充(chong)液氮(dan)制(zhi)(zhi)冷，而在(zai)罐內充(chong)入保護氣(qi)體(ti)(ti)伴(ban)隨球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)，實(shi)現深冷球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)氣(qi)氛的自(zi)由控(kong)制(zhi)(zhi)。

本發明的優(you)點及(ji)有益效果是：

1、本發明采(cai)用振動式低溫球(qiu)磨設備(bei)，制備(bei)的納米晶鋁粉具有較高的熱穩(wen)定性(xing)。

2、本發明可以制備粒(li)度分布(bu)集中的等軸(zhou)狀(zhuang)納(na)米晶(jing)鋁粉，并精確控制粉體(ti)的粒(li)度范(fan)圍(wei)(D50＝15～500μm)。

3、本發明可以制(zhi)備厚度為(wei)100～200nm的二維片成狀納米晶鋁粉。

附圖說明

圖1為振動(dong)(dong)式深冷球(qiu)磨設備示意圖。圖中，1通保護氣體管路(lu)；2通液(ye)氮管路(lu)；3壓(ya)力(li)反(fan)饋線(xian)路(lu)；4溫(wen)度反(fan)饋線(xian)路(lu)；5罐(guan)內壓(ya)力(li)及(ji)溫(wen)度控制系統；6球(qiu)磨罐(guan)；7驅(qu)動(dong)(dong)電機；8主(zhu)軸；9偏心輪；10彈簧(huang)。

圖(tu)2為(wei)球磨制備的二(er)維片成狀粉體形貌(mao)圖(tu)。其(qi)中(zhong)，(b)圖(tu)為(wei)(a)圖(tu)的放大圖(tu)。

圖3為球磨制備的(de)D50＝400μm的(de)納米晶粉體形貌圖。

圖4為球磨(mo)制備的D50＝100μm的納米晶粉體形貌圖。

圖(tu)5為(wei)納米晶(jing)粉(fen)體的組(zu)織結構圖(tu)。其中，(a)為(wei)D50＝400μm的納米晶(jing)鋁粉(fen)體TEM衍(yan)射照片；(b)為(wei)D50＝400μm的納米晶(jing)鋁粉(fen)體TEM暗(an)場(chang)照片。

具體實施方式

如圖1所示，本發明振動式(shi)深冷(leng)球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)制(zhi)備納米晶粉體(ti)的設(she)備，由振動裝置、多(duo)功能球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)罐、外部(bu)輔助(zhu)控制(zhi)系統組成，將(jiang)振動式(shi)球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)結合液(ye)氮(dan)制(zhi)冷(leng)實(shi)現低溫球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)，該(gai)設(she)備主(zhu)要包括：通保護氣(qi)(qi)體(ti)管(guan)(guan)路(lu)1、通液(ye)氮(dan)管(guan)(guan)路(lu)2、壓力(li)反(fan)(fan)饋線(xian)路(lu)3、溫度反(fan)(fan)饋線(xian)路(lu)4、罐內壓力(li)及(ji)(ji)溫度控制(zhi)系統5、球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)罐6、驅動電機7、主(zhu)軸(zhou)8、偏心輪9、彈簧10及(ji)(ji)液(ye)氮(dan)及(ji)(ji)保護氣(qi)(qi)體(ti)源等，具體(ti)結構(gou)如下：

球磨罐(guan)6分別(bie)通過通保護氣體(ti)管(guan)(guan)路(lu)(lu)1、通液氮(dan)(dan)(dan)(dan)管(guan)(guan)路(lu)(lu)2與液氮(dan)(dan)(dan)(dan)及保護氣體(ti)源連通，在所述(shu)通保護氣體(ti)管(guan)(guan)路(lu)(lu)1、通液氮(dan)(dan)(dan)(dan)管(guan)(guan)路(lu)(lu)2上(shang)分別(bie)設置(zhi)閥門；壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)3、溫度(du)(du)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)4的(de)一(yi)端(duan)(duan)連至球磨罐(guan)6，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)3的(de)另一(yi)端(duan)(duan)連至通保護氣體(ti)管(guan)(guan)路(lu)(lu)1上(shang)的(de)閥門，溫度(du)(du)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)4的(de)另一(yi)端(duan)(duan)連至通液氮(dan)(dan)(dan)(dan)管(guan)(guan)路(lu)(lu)2上(shang)的(de)閥門，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)3、溫度(du)(du)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)4上(shang)設置(zhi)罐(guan)內壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)及溫度(du)(du)控制系統(tong)5，罐(guan)內壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)及溫度(du)(du)控制系統(tong)5根據(ju)球磨罐(guan)6中的(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)和溫度(du)(du)信號，控制壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)3、溫度(du)(du)反(fan)(fan)饋(kui)(kui)(kui)線路(lu)(lu)4上(shang)閥門的(de)開度(du)(du)和啟閉(bi)。

球磨罐(guan)6與主(zhu)(zhu)軸(zhou)8剛性連接(jie)，主(zhu)(zhu)軸(zhou)8與驅動電機(ji)7連接(jie)，主(zhu)(zhu)軸(zhou)8上設置(zhi)偏心(xin)輪(lun)9；彈簧(huang)(huang)10的一端固定(ding)，彈簧(huang)(huang)10的另一端連接(jie)主(zhu)(zhu)軸(zhou)8。

球磨罐(guan)6的外殼(ke)設置(zhi)通氮(dan)夾層，通液氮(dan)管路2分兩路，一路連至球磨罐(guan)6內(nei)，另一路連至球磨罐(guan)6的通氮(dan)夾層內(nei)。

本發明采(cai)用上述設備制(zhi)備納米(mi)(mi)晶粉(fen)體(ti)可調整(zheng)的工藝參數(shu)如下：液氮氣氛(fen)或保護氣體(ti)氣氛(fen)下球(qiu)磨(mo)(mo)，球(qiu)磨(mo)(mo)溫(wen)度在(zai)室溫(wen)至-196℃范圍(wei)調整(zheng)，球(qiu)磨(mo)(mo)振(zhen)幅(fu)2～8mm，振(zhen)動頻(pin)率50Hz。并(bing)且，通過調整(zheng)磨(mo)(mo)球(qiu)材質、尺(chi)寸，以及過程控制(zhi)劑加(jia)入量、球(qiu)料質量比和填充系數(shu)等，能夠精確控制(zhi)受磨(mo)(mo)粉(fen)體(ti)的粒度，制(zhi)備粒度、形貌可控，且粒度分布集中的高熱(re)穩定(ding)性納米(mi)(mi)晶粉(fen)末。

特(te)別是，本(ben)發(fa)明(ming)通過(guo)調整(zheng)液(ye)氮流量可以在(zai)(zai)常溫至-196℃范(fan)圍內(nei)(nei)自由(you)控制(zhi)球(qiu)(qiu)磨(mo)溫度(du)；本(ben)發(fa)明(ming)通過(guo)調整(zheng)偏心輪角度(du)、質量和驅(qu)動電機功(gong)率可以控制(zhi)球(qiu)(qiu)磨(mo)振幅及振動頻(pin)率。本(ben)發(fa)明(ming)可以在(zai)(zai)球(qiu)(qiu)磨(mo)罐內(nei)(nei)灌(guan)注液(ye)氮伴隨球(qiu)(qiu)磨(mo)，或在(zai)(zai)罐外夾層中充液(ye)氮制(zhi)冷(leng)，而在(zai)(zai)罐內(nei)(nei)充入(ru)一(yi)定壓力的保護氣體(ti)伴隨球(qiu)(qiu)磨(mo)，實現球(qiu)(qiu)磨(mo)氣氛的自由(you)控制(zhi)。

下面(mian)，通(tong)過實施例對(dui)本發明進一(yi)步詳細闡述。

實施例1

本(ben)實施例中(zhong)，球(qiu)(qiu)磨原始晶(jing)(jing)粒尺寸(cun)約為1～5μm的(de)商用氣霧化鋁粉(fen)。球(qiu)(qiu)磨溫度-180℃，球(qiu)(qiu)磨振幅5mm，振動(dong)頻率50Hz，球(qiu)(qiu)磨時間2小時，采用不銹鋼磨球(qiu)(qiu)，球(qiu)(qiu)料質(zhi)量比10:1，加入硬脂酸量為磨料質(zhi)量2％，制備出厚度為100～200nm的(de)二維片成(cheng)狀納米(mi)晶(jing)(jing)粉(fen)體，晶(jing)(jing)粒尺寸(cun)約為35nm。

實施例2

本實施例中(zhong)，球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)原始晶粒尺(chi)(chi)寸約為1～5μm的(de)商用氣霧(wu)化鋁粉。球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)溫(wen)度-180℃，球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)振(zhen)幅6mm，振(zhen)動(dong)頻(pin)率50Hz，球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)時間4小(xiao)時，采用不(bu)銹鋼(gang)磨(mo)(mo)(mo)球(qiu)，球(qiu)料質量比10:1，調整磨(mo)(mo)(mo)球(qiu)尺(chi)(chi)寸后能夠制備出粒度分布集中(zhong)、D50在(zai)15～500μm范(fan)圍內精確控制的(de)等(deng)軸狀納米(mi)晶粉體(ti)，晶粒尺(chi)(chi)寸約為50nm。

實施例3

本實施例中，球磨(mo)(mo)原(yuan)始(shi)晶(jing)粒尺寸(cun)約為(wei)1～5μm的商用氣霧化(hua)鋁粉(fen)(fen)。球磨(mo)(mo)溫度-180℃，球磨(mo)(mo)振(zhen)幅4mm，振(zhen)動頻率50Hz，球磨(mo)(mo)時(shi)間2小(xiao)時(shi)，采用不銹鋼磨(mo)(mo)球，球料質量比10:1，調整(zheng)磨(mo)(mo)球尺寸(cun)后能夠制(zhi)備出粒度分布集中、D50在15～500μm范圍內精確控制(zhi)的等(deng)軸狀超(chao)細晶(jing)粉(fen)(fen)體，晶(jing)粒尺寸(cun)約為(wei)200nm。

如圖2所(suo)示，采用本發明球磨制備的(de)(de)二維片(pian)成(cheng)狀(zhuang)粉(fen)體(ti)的(de)(de)SEM照片(pian)，由圖(a)可知粉(fen)體(ti)在兩個維度上呈(cheng)微米尺(chi)度；由圖(b)可知二維片(pian)成(cheng)狀(zhuang)粉(fen)體(ti)的(de)(de)厚度約為100～200nm。

如圖3、圖4所示，采用本發明球磨制(zhi)備的(de)D50＝400μm及D50＝100μm的(de)納米(mi)晶(jing)粉(fen)體(ti)的(de)SEM照片，由圖可知粉(fen)體(ti)呈(cheng)等軸塊狀，具(ju)有很(hen)好的(de)流動性及氣(qi)動加(jia)速效果，且(qie)粒度(du)分布集(ji)中。

如圖5所示，采用本(ben)發(fa)明球(qiu)磨制備的D50＝400μm納米(mi)晶(jing)粉體(ti)(ti)的TEM照(zhao)(zhao)片。圖(a)為粉體(ti)(ti)的TEM衍射花(hua)樣為環形，是典型的納米(mi)晶(jing)結構衍射花(hua)樣，圖(b)為該區域TEM暗(an)場(chang)照(zhao)(zhao)片，由照(zhao)(zhao)片可(ke)知粉體(ti)(ti)的平均晶(jing)粒尺寸約為50nm。

實施例結果(guo)表明，采(cai)用振動式球(qiu)磨(mo)工藝(yi)結合液(ye)氮(dan)(液(ye)氮(dan))制(zhi)(zhi)冷實現振動式低溫球(qiu)磨(mo)制(zhi)(zhi)粉(fen)(fen)，區別于已(yi)有的行星(xing)式、攪(jiao)拌式低溫球(qiu)磨(mo)設(she)備，該設(she)備的球(qiu)磨(mo)原理以(yi)振動擠壓破碎(sui)、夯實為(wei)主，并能夠靈活(huo)控制(zhi)(zhi)球(qiu)磨(mo)氣(qi)氛(fen)。從而，可(ke)以(yi)通(tong)過調整球(qiu)磨(mo)參數在短時間內制(zhi)(zhi)備出(chu)粒度(du)、形貌可(ke)控，且粒度(du)分(fen)布(bu)(bu)集(ji)中(zhong)的高熱穩(wen)定性的納米晶(jing)粉(fen)(fen)體(ti)(ti)。球(qiu)磨(mo)過程中(zhong)可(ke)以(yi)選擇(ze)在保護氣(qi)體(ti)(ti)氣(qi)氛(fen)中(zhong)球(qiu)磨(mo)，以(yi)減少氧(yang)氣(qi)的污(wu)染(ran)，也可(ke)選擇(ze)在液(ye)氮(dan)氣(qi)氛(fen)中(zhong)球(qiu)磨(mo)，使受(shou)磨(mo)粉(fen)(fen)體(ti)(ti)中(zhong)含有彌散分(fen)布(bu)(bu)的氮(dan)氧(yang)化物(wu)，增強(qiang)粉(fen)(fen)體(ti)(ti)的穩(wen)定性。