一种高性能纳米晶泡沫镁的制备方法

摘要

本发明公开了一种高性能纳米晶泡沫镁的制备方法，包括以下步骤：（1）准备原料、（2）镁粉筛分、（3）氢化处理镁粉、（4）预制成型、（5）脱氢处理、（6）SPS烧结。本发明针对传统制备方法中造孔剂使用去除的问题等，采用HD+SPS法，经粉末筛分、氢化、预制成型、脱氢、SPS烧结，制成纳米泡沫镁，此制备方法工艺先进、简捷快速、数据翔实精确，制备的泡沫镁孔隙分布弥散均匀，晶粒直径≤20nm，产物力学及吸能性好，是十分理想的制备纳米晶泡沫镁的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能纳米晶泡沫镁的制备方法，属于结构功能材料制备及应用技术领域。

背景技术

镁及镁合金是一种有色轻金属材料，被广泛应用于电子、汽车、航空航天等领域。泡沫金属，一类新型低密度材料，被广泛应用于军工运输、航空航天、人体生物等行业。对镁及其合金进行多孔泡沫化处理则可使其更轻质，使制备的泡沫镁同时兼具镁及多孔材料的优良性能。

目前，制备泡沫镁的常用方法有熔体发泡法和粉末冶金法等，这些方法通常需要使用发泡剂来形成多孔结构，然而，由发泡剂引入的孔隙大小、形状和分布往往不可控，且残余发泡剂及其与基体金属的反应产物不易完全清除。此外，高体积分数孔洞的存在也使镁块体的力学性能大幅下降。上述问题不可避免地会导致金属泡沫材料的污染和性能降低，使其应用受到极大限制。

发明内容

本发明旨在提供一种纳米晶泡沫镁的制备方法，制得高力学性能的镁泡沫。

本发明在不使用发泡剂的情况下，采用氢化脱氢+放电等离子烧结技术，经粉末筛分、氢化处理、预制成型、脱氢处理、SPS烧结，制得高力学性能镁泡沫。本发明中的氢化脱氢过程，其创新点在于：氢气的引入和最终完全脱去，既形成了分布均匀的微孔，又细化基体的晶粒尺寸至纳米级，改善了泡沫镁的力学性能的同时，避免了传统制备技术中造孔剂残留对材料纯净度的影响。放电等离子烧结速度快，效率高，更重要的是在MgH

本发明提供了一种高性能纳米晶泡沫镁的制备方法，使用的化学物质材料为：镁粉、氢气、氩气，准备用量如下：

镁粉：Mg，1000g-10000g

氢气：H

氩气：Ar， 100000cm

本发明提供的制备方法，具体包括以下步骤：：

（1） 准备原料

对制备使用的化学原料要进行精选，并进行质量纯度控制：

镁粉：固态粉末 99.9%

氢气：气态气体 99.5%

氩气：气态气体 99.5%

（2） 镁粉筛分

镁粉筛分是在手套箱内进行的，是在氩气保护下完成的；

① 在手套箱内置放镁粉，200目及270目筛网、密封袋、钥匙及小型真空机，筛网用去离子水清洗烘干待用；

② 在手套箱内通入氩气，氩气输入速度1000-1200cm

③ 将镁粉用200目及270目筛网过筛，筛取粒度为200-270目范围粉末，装入真空密封袋内保存。

（3） 氢化处理镁粉

镁粉的氢化处理是在氢化脱氢炉内进行，在加热、输氢气、加压过程中、外水循环状态下完成的；

① 将粒度均匀的镁粉50-100g置于不锈钢容器中，并在不锈钢容器上下部加盖密制铜网；

② 将盛有镁粉的不锈钢容器置于氢化脱氢炉内，并密闭；

③抽取氢化脱氢炉内空气，使炉内压强达5×10

④ 向炉内输入氢气，氢气输入速度100-150cm

⑤ 开启氢化脱氢炉的加热器，炉内加热温度300-400℃，开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；

⑥ 在氢气压强为4-7MPa、加热温度350-400℃下恒温恒压氢化12-15h；

⑦ 氢化后关闭加热器，停止加热，使炉内温度自然降至室温后开启出气阀，排出氢气；

⑧ 开启氢化脱氢炉，取出不锈钢容器及产物，产物为纳米级MgH

（4） 预制成型

MgH

①将氢化得到的MgH

②将盛有MgH

③设置烧结程序及测温方式，启动真空系统进行抽真空，直至炉内真空度达到5-10 Pa；

④启动烧结程序，进行升温加压以制备预制成型块体，9-10分钟内将压力升高至45-50KN，12-13分钟内升高温度至300-350℃；

⑤ 保温5-6分钟；

⑥烧结程序完成后，自动关闭加热加压系统，进行降温冷却处理，温度降至室温后将模具取出；

⑦将预制块体从模具中取出并真空保存；

（5） 脱氢处理

预制块体脱氢处理是在氢化脱氢炉内进行的，是在加热、加压过程中、外水循环状态下完成的；与氢化步骤类似，预制块体置于不锈钢罐内并放于氢化脱氢炉内密封；开启氢化脱氢炉真空泵，抽取氢化脱氢炉内空气，使炉内压强达5×10

（6） SPS烧结

制备泡沫镁的最终烧结过程在SPS烧结炉内进行，是在真空、加热过程中、外水循环状态下完成的；与预制成型步骤类似，脱氢块体置于模具并放于SPS烧结炉内，上下压头接触模具后插入热电偶，并关闭舱门，设置烧结程序，启动真空系统抽取真空至炉内真空度到达5-10 Pa，真空氛围下启动烧结程序进行SPS烧结；1-2分钟内将压力升高至0-1KN；15-20分钟内升温至500-550℃，保温5-6分钟；烧结完成后加热系统自动关闭，进行降温冷却处理，温度降至室温后将模具取出，随后取出烧结产物；即为最终产品纳米泡沫镁。

本发明对所得产品泡沫镁进行了检测、分析、表征：对制备的纳米泡沫镁的形貌、晶粒、孔结构、力学及吸能性能进行检测、分析、表征；用透射电子显微镜进行晶粒大小分析；用粉末X射线衍射仪进行相组成分析；用SEM对孔结构、形貌及分布进行分析；用万能试验机对压缩性能进行分析。

经检测、分析得出以下结论：纳米泡沫镁的平均晶粒直径≤20nm，孔隙率为28.7%，孔洞以开孔为主，孔隙分布均匀，压缩屈服强度为29MPa，所测试样的吸能量为14.9MJ/m

本发明的有益效果：

本发明具有明显的先进性，针对传统制备方法中造孔剂使用去除的问题等，本发明采用HD+SPS法，经粉末筛分、氢化、预制成型、脱氢、SPS烧结，制成纳米泡沫镁，此制备方法工艺先进、简捷快速、数据翔实精确，制备的泡沫镁孔隙分布弥散均匀，晶粒直径≤20nm，产物力学及吸能性好，是十分理想的制备纳米泡沫镁的方法。

附图说明

图1为氢化脱氢炉制备纳米MgH

图2为SPS烧结炉制备预制块及纳米泡沫镁状态图；

图3为实施例1纳米MgH

图4为实施例1纳米泡沫镁宏、微观形貌图；

图5为实施例1泡沫镁制备过程（氢化、脱氢、烧结后）衍射强度图谱；

图6为实施例1泡沫镁压缩应力应变曲线（上）与理想吸能效率曲线（下）。

图中：

1、氢气瓶，2、工作台，3、不锈钢容器，4、镁粉，5、氢气阀，6、外水循环冷却管，7、氢气管，8、氢气，9、氢气表，10、真空表，11、炉腔，12、真空阀，13、氢化脱氢炉，14、致密铜网，15、外水循环冷却阀，16、真空管，17、指示灯，18、电源开关，20、加热温度控制器，21、真空泵控制器，22、电控箱，23、显示屏；

24、下电极，25、水冷真空室，26、下压头，27、模具，28、MgH

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

图1所示，为氢化脱氢炉制备纳米MgH

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫米

纳米MgH

氢化脱氢炉如图1所示，氢化脱氢炉13内为炉腔11，在炉腔11内部为工作台2，在工作台2上部置放不锈钢容器3，不锈钢容器3上下部位由致密铜网14封盖，在不锈钢容器3内为镁粉4，在炉腔11内由氢气8充填；在氢化脱氢炉13外部由外水循环冷却管6环绕，外水循环冷却管6由外水循环冷却阀15控制；在氢化脱氢炉13的左部设有氢气瓶1，氢气瓶1上部为氢气管7，氢气管7上设有氢气阀5、氢气表9，氢气管7伸入炉腔11内，并输入氢气8；在氢化脱氢炉13的右部设有真空泵19，真空泵19上部为真空管16，在真空管16上设有真空阀12、真空表10，真空管16伸入炉腔11内，抽出炉内空气；在氢化脱氢炉13的下部设有电控箱22，在电控箱22上设有显示屏23、指示灯17、电源开关18、加热温度控制器20、真空泵控制器21。

图2为SPS烧结炉制备预制块及纳米泡沫镁状态图，预制块及纳米泡沫镁是在真空、加热（加压）过程中、外水循环状态下完成的。

SPS烧结如图2所示，打开电源开关31启动设备，将MgH

实施例1：

本发明使用的化学物质材料为：镁粉、氢气、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫米

镁粉：Mg，1000g

氢气：H

氩气：Ar， 100000cm

制备方法如下：

（1） 精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

镁粉：固态粉末 99.9%

氢气：气态气体 99.5%

氩气：气态气体 99.5%

（2） 镁粉筛分

镁粉筛分是在手套箱内进行的，是在氩气保护下完成的；

① 在手套箱内置放镁粉，200目及270目筛网、密封袋、钥匙及小型真空机等，筛网用去离子水清洗烘干待用；

② 在手套箱内通入氩气，氩气输入速度1000cm

③ 将镁粉用200目及270目筛网过筛，筛取粒度为200-270目范围粉末，装入真空密封袋内保存。

（3） 氢化处理镁粉

镁粉的氢化处理是在氢化脱氢炉内进行的，是在加热、输氢气、加压过程中、外水循环状态下完成的；

① 将粒度均匀的镁粉50g置于不锈钢容器中，并在不锈钢容器上下部加盖密制铜网；

② 将盛有镁粉的不锈钢容器置于氢化脱氢炉内，并密闭；

③抽取氢化脱氢炉内空气，使炉内压强达5×10

④ 向炉内输入氢气，氢气输入速度100cm

⑤ 开启氢化脱氢炉的加热器，炉内加热温度350±2℃，开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；

⑥ 在氢气加压4±0.1MPa、加热温度350±2℃下恒温恒压氢化12h；

⑦ 氢化后关闭加热器，停止加热，使炉内温度自然降至25℃后开启出气阀，排出氢气；

⑧ 开启氢化脱氢炉，取出不锈钢容器及产物，产物为纳米级MgH

（4） 预制成型

MgH

①将氢化得到的MgH

②将盛有MgH

③设置烧结程序及测温方式，启动真空系统进行高低真空抽取，直至炉内真空度到达10 pa；

④启动烧结程序，进行升温加压以制备预制成型块体，10分钟将压力升高至45KN，12分钟温度升高至300±2℃；

⑤保温5分钟；

⑥关闭加热加压系统，进行降温冷却处理，温度降至室温后将模具取出；

⑦将预制块体从模具中取出并真空保存；

（5） 脱氢处理

预制块体脱氢处理是在氢化脱氢炉内进行的，是在加热、加压过程中、外水循环状态下完成的；与氢化步骤类似，预制块体置于不锈钢罐内并放于炉内密封；开启氢化脱氢炉真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达5×10

（6） SPS烧结

制备泡沫镁的最终烧结过程在SPS烧结炉内进行，是在真空、加热过程中、外水循环状态下完成的；与预制成型步骤类似，脱氢块体置于模具并放于SPS烧结炉内，上下压头接触模具后插入热电偶，并关闭舱门，设置烧结程序，启动真空系统抽取真空至炉内真空度到达10 pa，真空氛围下启动烧结程序进行SPS烧结；1分钟内将压力升高至1KN；15分钟温度升至550℃后保温5分钟；烧结完成后加热系统自动关闭，进行降温冷却处理，温度降至室温后将模具取出，随后取出烧结产物；

（7） 检测、分析、表征

对制备的纳米泡沫镁的形貌、晶粒、孔结构、力学及吸能性能进行检测、分析、表征；

用透射电子显微镜进行晶粒大小分析；

用粉末X射线衍射仪进行相组成分析；

用SEM对孔结构、形貌及分布进行分析；

用万能试验机对压缩性能进行分析。

图3为纳米MgH

图4为纳米泡沫镁微观形貌。图中可知：泡沫镁块体孔隙分布弥散均匀。

图5为泡沫镁制备过程（氢化、脱氢、烧结后）衍射强度图谱，氢化后，镁粉转化为氢化相，脱氢后氢化相与原始粉末相组成一致，经过SPS烧结，相组成不发生变化。

图6为所制备泡沫镁的压缩应力应变曲线（上）与理想吸能效率曲线（下），与传统发泡法制备的泡沫镁相比，本发明所制备材料具有更高的屈服极限、平台强度、更稳定的平台应力和更高的吸能效果。

实施例2：

本发明使用的化学物质材料为：镁粉、氢气、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫米

镁粉：Mg，2000g±1g

氢气：H

氩气：Ar， 200000cm

制备方法如下：

（1）精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

镁粉：固态粉末 99.9%

氢气：气态气体 99.5%

氩气：气态气体 99.5%

（2）镁粉筛分

镁粉筛分是在手套箱内进行的，是在氩气保护下完成的；

① 在手套箱内置放镁粉，200目及270目筛网、密封袋、钥匙及小型真空机等，筛网用去离子水清洗烘干待用；

② 在手套箱内通入氩气，氩气输入速度1200cm

③ 将镁粉用200目及270目筛网过筛，筛取粒度为200-270目范围粉末，装入真空密封袋内保存。

（3）氢化处理镁粉

镁粉的氢化处理是在氢化脱氢炉内进行的，是在加热、输氢气、加压过程中、外水循环状态下完成的；

①将粒度均匀的镁粉70g置于不锈钢容器中，并在不锈钢容器上下部加盖密制铜网；

②将盛有镁粉的不锈钢容器置于氢化脱氢炉内，并密闭；

③ 抽取氢化脱氢炉内空气，使炉内压强达5.5×10

④ 向炉内输入氢气，氢气输入速度120cm

④开启氢化脱氢炉的加热器，炉内加热温度320±2℃，开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；

⑤在氢气加压6±0.1MPa、加热温度350±2℃下恒温恒压氢化15h；

⑦ 氢化后关闭加热器，停止加热，使炉内温度自然降至25℃后开启出气阀，排出氢气；

⑧ 开启氢化脱氢炉，取出不锈钢容器及产物，产物为纳米级MgH

（4）预制成型

MgH

①将氢化得到的MgH

②将盛有MgH

③设置烧结程序及测温方式，启动真空系统进行高低真空抽取，直至炉内真空度到达7 pa；

④启动烧结程序，进行升温加压以制备预制成型块体，10分钟将压力升高至50KN，13分钟温度升高至350±2℃；

⑤保温6分钟；

⑥关闭加热加压系统，进行降温冷却处理，温度降至室温后将模具取出；

⑦将预制块体从模具中取出并真空保存；

（5）脱氢处理

预制块体脱氢处理是在氢化脱氢炉内进行的，是在加热、加压过程中、外水循环状态下完成的；与氢化步骤类似，预制块体置于不锈钢罐内并放于炉内密封；开启氢化脱氢炉真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达5.5×10

（6）SPS烧结

制备泡沫镁的最终烧结过程在SPS烧结炉内进行，是在真空、加热过程中、外水循环状态下完成的；与预制成型步骤类似，脱氢块体置于模具并放于SPS烧结炉内，上下压头接触模具后插入热电偶，并关闭舱门，设置烧结程序，启动真空系统抽取真空至炉内真空度到达5Pa，真空氛围下启动烧结程序进行SPS烧结；1分钟内将压力升高至0.5KN；13分钟升至550℃后保温6分钟；烧结完成后加热系统自动关闭，进行降温冷却处理，温度降至室温后将模具取出，随后取出烧结产物；

（7）检测、分析、表征

对制备的纳米泡沫镁的形貌、晶粒、孔结构、力学及吸能性能进行检测、分析、表征；

用透射电子显微镜进行晶粒大小分析；

用粉末X射线衍射仪进行相组成分析；

用SEM对孔结构、形貌及分布进行分析；

用万能试验机对压缩性能进行分析。