稀土元素钆的纳米颗粒及纳米晶块体材料的制备方法

摘要

本发明属纳米材料制备领域。钆化学活性大，难制备成纳米颗粒；制备块体材料，需防氧化并不发生晶粒长大，难度更大。纳米颗粒制备方法：利用物理气相沉积技术，高纯钆作为阳极，钨作为阴极，在氦气气氛下，电弧电流100－300A，电弧电压10－50V，起弧时间0.5－2小时。纳米晶块体材料的制备方法：步骤1为上述纳米颗粒的制备方法；将上述的钆的纳米颗粒置入氩气体保护的预处理室，氧浓度低于0.5ppm，装入模具并预压成型，压力10－1000MPa；放电快速烧结，烧结工艺参数为：烧结温度200－400℃，保温时间0－10min，压力30－1000MPa，升温速率为30－50℃/min。本发明颗粒粒度均匀，粒径小于100纳米；晶块体材料致密度高，显微组织晶粒细小、均匀，晶粒度小于100纳米，磁热性能良好。

说明书

技术领域

一种稀土元素钆的纳米颗粒及纳米晶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

近年来，磁致冷技术因其节能、环保的特征而倍受瞩目，有望替代现有的气体压缩制冷而成为新一代的室温制冷技术。因此，目前关于磁致冷技术的核心——磁致冷工质(材料)的研究与开发受到研究人员和工程技术人员的重视。研究发现，稀土元素钆在室温温区附近具有显著的磁热效应，即在磁化与退磁过程中有显著的吸、放热性能，因此成为首选的磁致冷工质。

与此同时，大量的理论研究发现：稀土元素钆的磁热性能具有明显的尺寸效应，其宏观外形尺寸(即颗粒)与构成块体的晶粒尺寸对其磁热性能存在显著影响。如果颗粒尺寸或者晶粒尺寸达到100纳米以下，即所谓纳米材料，则稀土钆元素的磁热性能很可能显著增强。遗憾的是，这种元素具有极大的化学活性，很难制备成为纳米颗粒。此外，要获得具有纳米晶的块体材料，则需要在有效防止氧化的同时，确保材料在制备成块体材料是不发生晶粒长大，因此具有更大的难度。采用目前一些常规的材料制备、加工技术很难解决这些难题。

发明内容

针对上述研究现状，本发明采用全部原位(即无氧条件下)的特种设备，将物理气相沉积技术和放电等离子烧结技术相结合，制备稀土元素钆的纳米颗粒及纳米晶块体材料，并对材料的磁热性能进行了测试。

本发明提供一种利用原位的物理气相沉积技术和放电等离子烧结技术制备稀土元素钆的纳米颗粒及纳米晶块体材料的方法。目的在于获得(1)颗粒度均匀，粒径小于100纳米的稀土元素钆纳米颗粒；(2)致密度高，晶粒细小(低于100纳米)、均匀，同时具有良好磁热性能的稀土元素钆纳米晶块体材料。

一种稀土元素钆的纳米颗粒制备方法，其特征在于，利用物理气相沉积技术，以纯度高于99.5wt％的高纯钆作为阳极，金属钨作为阴极，在氦气气氛下，选择电弧电流100-300A，电弧电压10-50V，起弧时间0.5-2小时将原料制备成稀土元素钆的纳米颗粒。

一种稀土元素钆的纳米晶块体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用物理气相沉积技术，以纯度高于99.5wt％的高纯钆作为阳极，金属钨作为阴极；在氦气气氛下，选择电弧电流100-300A，电弧电压10-50V，起弧时间0.5-2小时将原料制备成稀土元素钆的纳米颗粒；

步骤2：将上述的钆的纳米颗粒置入氩气体保护的预处理室，氧浓度低于0.5ppm，将纳米钆粉装入碳化钨硬质合金模具或石墨模具并预压成型，压力范围10-1000MPa；

步骤3：将上述的经预压成型的稀土元素钆的纳米颗粒生坯，利用放电快速烧结技术将压坯烧结成为本发明的具有高致密度的稀土元素钆的纳米晶块体材料；具体烧结工艺参数为：烧结温度200-400℃，烧结保温时间0-10min，烧结压力30-1000MPa，烧结升温速率为30-50℃/min。

本发明提供的稀土元素钆的纳米颗粒颗粒度均匀，粒径小于100纳米，不同实施例制备的粉末的粒度见表1。此外，颗粒外形均呈现出六角形，说明所制备的颗粒均为单晶颗粒。颗粒的具体形貌如附图1所示。

本发明提供的稀土元素钆纳米晶块体材料具有很高的致密度(达到理论密度的99％以上)。材料显微组织晶粒细小、均匀，晶粒度小于100纳米(如附图2所示)。材料具有良好磁热性能，在1.5特斯拉磁场强度下，最高绝热温变ΔT＝2.3K(如附图3所示)。不同实施例制备的材料的晶粒度和绝热温变见表1。

附图说明

图1：采用原位物理气相沉积技术制备的稀土元素钆单晶纳米颗粒(实施例1)的形貌图(透射电子显微镜照片)。

图2：采用放电等离子烧结技术制备的稀土元素钆的纳米晶块体材料(实施例2)的晶粒显微组织图(高分辩透射电子显微镜照片)。

图3：稀土元素钆的纳米晶块体材料(实施例3)在1.5特斯拉磁场下的绝热温变曲线图。

具体实施方式

例1、将纯度为99.5wt％高纯钆放入物理气相沉积设备，在氦气气氛下，选择电弧电流100A，电弧电压15V，起弧时间1小时将原料制备成稀土元素钆的纳米颗粒。将上述的钆的纳米颗粒在高纯氩气体保护的预处理室，氧浓度为0.5ppm，粉装入石墨模具并预压成型。压力10MPa。将生坯利用放电快速烧结技术烧结成为块体材料。具体烧结工艺参数为：烧结温度为400℃，保温时间为10min，烧结压力为30MPa，烧结升温速率为30℃/min。

例2、将纯度为99.8wt％高纯钆放入物理气相沉积设备，在氦气气氛下，选择电弧电流200A，电弧电压35V，起弧时间2小时将原料制备成稀土元素钆的纳米颗粒。将上述的钆的纳米颗粒在高纯氩气体保护的预处理室，氧浓度为0.2ppm，粉装入碳化钨硬质合金模具并预压成型。压力500MPa。将生坯利用放电快速烧结技术烧结成为块体材料。具体烧结工艺参数为：烧结温度为300℃，保温时间为2min烧结压力为100MPa，烧结升温速率为40℃/min。

例3、将纯度为99.7wt％高纯钆放入物理气相沉积设备，在氦气气氛下，选择电弧电流300A，电弧电压50V，起弧时间0.5小时将原料制备成稀土元素钆的纳米颗粒。将上述的钆的纳米颗粒在高纯氩气体保护的预处理室，氧浓度为0.1ppm，粉装入碳化钨硬质合金模具并预压成型。压力1000MPa。将生坯利用放电快速烧结技术烧结成为块体材料。具体烧结工艺参数为：烧结温度为200℃，保温时间为0min烧结压力为1000MPa，烧结升温速率为50℃/min。

表1