高能球磨制備納米晶金屬材料的研究進(jìn)展

高能球磨制備納米晶金屬材料的研究進(jìn)展

1高能球磨技術(shù)制備納米晶磁材料20世紀(jì)60年代末，benjamin等人。最早將高能球磨技術(shù)應(yīng)用到磁性材料制備中的是德國(guó)西門子公司的Schultz最近幾年,采用高能球磨技術(shù)制備納米晶磁性材料的研究文獻(xiàn)大量涌現(xiàn),表明了材料工作者對(duì)該研究領(lǐng)域十分關(guān)注。為了對(duì)該研究領(lǐng)域有一個(gè)比較全面的了解,本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)高能球磨制備納米材料的原理和工藝的研究成果進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上,介紹了采用該技術(shù)制備納米晶磁性材料的研究和進(jìn)展。2金屬間化合物研究表明高能球磨可以制備出各類納米晶材料,如純金屬、固溶體、金屬間化合物和金屬陶瓷復(fù)合材料等。其工藝途徑主要有三條:一是通過(guò)高能球磨將大晶粒細(xì)化成為納米晶;二是非晶材料經(jīng)過(guò)高能球磨直接形成納米晶;三是先用高能球磨制備出非晶,然后將其晶化而得到納米晶。2.1晶粒細(xì)化至納米晶當(dāng)對(duì)純金屬、合金進(jìn)行高能球磨時(shí),被研磨材料中產(chǎn)生大量的塑性變形并會(huì)發(fā)生加工硬化。從微觀角度來(lái)看,嚴(yán)重的塑性變形導(dǎo)致金屬晶體中位錯(cuò)密度不斷增加,當(dāng)密度達(dá)到一定程度時(shí),位錯(cuò)將發(fā)生多邊化,形成亞晶,隨后亞晶界演變成大角度晶界。這樣,逐漸使晶粒細(xì)化至納米晶。此外,材料在研磨介質(zhì)的劇烈沖擊、摩擦等作用下發(fā)生不斷的塑性變形的同時(shí),還會(huì)發(fā)生冷焊。當(dāng)變形達(dá)到使材料發(fā)生加工硬化的程度,已冷焊的粉末會(huì)發(fā)生斷裂。隨著撞擊的不斷進(jìn)行,上述變形、冷焊、斷裂的過(guò)程不斷重復(fù),最終使金屬晶粒細(xì)化達(dá)到納米級(jí)。一般高能球磨可以容易地制得具有BCC(如Fe)和HCP(如Zr,Hf,Ru)結(jié)構(gòu)的金屬納米晶;而對(duì)于具有FCC(如Al,Ni)結(jié)構(gòu)的金屬,則很難通過(guò)高能球磨形成納米晶2.2撞擊產(chǎn)生的能量高能球磨過(guò)程中研磨介質(zhì)對(duì)被研磨材料的劇烈撞擊會(huì)產(chǎn)生高能量,該能量以相當(dāng)高的速率在材料中傳遞。研究表明高能球磨過(guò)程中,非晶態(tài)合金中不可避免地存在成分的不均勻區(qū)2.3非晶的形成和晶化自1980年代初期Koch等人2.3.1局部硬化-快速硬化機(jī)制最早關(guān)于高能球磨形成非晶的機(jī)制是Yermakov2.3.2機(jī)制的適用范圍SuryanarayanaSuryanarayana其中,t但是擴(kuò)散機(jī)制的適用范圍仍然有限。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)某些不具備負(fù)混合熱的合金系(如Si-Sn、Si-Zn、Cu-W、Fe-W等)和某些不具備異?？鞌U(kuò)散的系統(tǒng)(如V-Zr),甚至純?cè)?如Si)均可通過(guò)高能球磨形成非晶2.3.3研磨納米晶材料Schwarz球磨得到非晶形態(tài)的產(chǎn)物后,繼續(xù)球磨雖然能有助于非晶的晶化,但同時(shí)也增加研磨體系的污染程度,因此,實(shí)際中人們往往通過(guò)退火等方式晶化處理得到納米晶材料。退火溫度一般根據(jù)材料的成分、相組成和最終的性能要求來(lái)確定。比如,在高能球磨制備納米晶雙相磁性材料過(guò)程中,晶化退火溫度一般控制在600~800℃2.4高能球磨中的機(jī)械化反應(yīng)高能球磨過(guò)程中因磨球撞擊產(chǎn)生的機(jī)械能能夠誘發(fā)化學(xué)反應(yīng),從而導(dǎo)致材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化。有關(guān)研究結(jié)果認(rèn)為,高能球磨中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程主要有兩種:一種是放熱控制的快速自蔓延反應(yīng);另一種是擴(kuò)散控制的漸進(jìn)式反應(yīng)。對(duì)許多具有較大放熱的反應(yīng),大都以自蔓延式反應(yīng)進(jìn)行;而對(duì)于有較小負(fù)混合熱的體系,則以漸進(jìn)式完成2.4.1自我燃燒反應(yīng)Schaffer2.4.2漸進(jìn)式反應(yīng)Mccormick席生岐等人3高能球磨工藝條件對(duì)高能球磨工藝的影響高能球磨過(guò)程十分復(fù)雜,眾多的研究表明,高能球磨的過(guò)程和最終產(chǎn)物與工藝條件有著密切的關(guān)系。其中一些重要的工藝條件有球磨介質(zhì)、球料比、球磨氣氛、過(guò)程控制劑和溫升等。3.1特殊材料的制備研磨介質(zhì)的材料對(duì)球磨結(jié)果有著十分重要的影響。常見的球磨介質(zhì)有硬化鋼、工具鋼、硬化鉻鋼、回火鋼、不銹鋼、WC-Co和承軸鋼等,在制備一些特殊材料時(shí)也會(huì)用到紫銅、鈦、鈮、氧化鋯(ZrO球磨介質(zhì)的尺寸會(huì)對(duì)球磨產(chǎn)物的最終組成造成一定的影響。如在球磨Ti-Al系3.2納米粒子的制備機(jī)理在高能球磨過(guò)程中,球料比是一個(gè)非常重要的因素,它決定了球磨過(guò)程中磨球?qū)Ψ垠w所施加的機(jī)械撞擊力是否足夠引發(fā)晶粒的破碎和細(xì)化,從而達(dá)到納米級(jí)粒子。在某些金屬固溶體的制備中,它對(duì)難溶元素之間的溶解程度產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于某些固態(tài)還原反應(yīng),如Al/CuO和Si/CuO體系,這種單個(gè)的碰撞機(jī)械力決定著能否引發(fā)化學(xué)反應(yīng),并且由機(jī)械碰撞作用產(chǎn)生的熱能否維持反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō),球料比越大,磨球碰撞的幾率也越大,使得在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)粉末可吸收的機(jī)械能越多,相應(yīng)地達(dá)到同等球磨效果的球磨時(shí)間也就越短。例如Suryanarayana3.3空氣氣體研磨高能球磨過(guò)程中,粉末粒子急劇變小,產(chǎn)生大量的新鮮原子級(jí)表面。為了防止空氣對(duì)粉體的污染,一般需要對(duì)球磨罐抽真空并充入惰性保護(hù)氣體(如Ar)。但有時(shí)為了特殊的目的,也需要在特殊的氣體環(huán)境下研磨,例如當(dāng)需要有相應(yīng)的氫化物或氮化物生成時(shí),可以在氫氣或氮?dú)獾沫h(huán)境下研磨。Ogino等人3.4元間冷焊對(duì)晶粒的影響在高能球磨過(guò)程中一般需要添加適量的過(guò)程控制劑(PCA),以抑制反應(yīng)物組元間的過(guò)分冷焊。PCA能夠降低粉末顆粒發(fā)生斷裂所需要的能量,更有利于粒子的細(xì)化,促進(jìn)組織的細(xì)化過(guò)程。過(guò)程控制劑可以明顯提高出粉率,改善合金粉末的均勻性,但是會(huì)減緩機(jī)械合金化的過(guò)程,延緩了非晶相、亞穩(wěn)相的產(chǎn)生。Lee和Kwun3.5球磨溫度對(duì)固溶度的影響研究發(fā)現(xiàn),高能球磨過(guò)程中的溫度因素對(duì)球磨產(chǎn)物的最終組成有著很大的影響,溫度的高低直接影響著固溶度的范圍以及能否形成納米晶、準(zhǔn)晶和非晶等亞穩(wěn)定化合物。一般情況下,在球磨過(guò)程中,高溫條件下材料的平均應(yīng)力降低,而顆粒尺寸則會(huì)變大,固溶度亦會(huì)隨著球磨溫度的升高而降低。Qgino等人高能球磨過(guò)程中研磨介質(zhì)在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的溫升是一個(gè)非常重要的參量,同時(shí)也是研究高能球磨過(guò)程中粉末發(fā)生一系列物理、化學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。席生岐等人式中η為熱能轉(zhuǎn)化效率,C該模型和Maurice模型式中的K、σ通過(guò)分析(1)、(2)