專利名稱：一種塊狀鐵氮－氮化硼納米復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性材料的制備方法，特別涉及塊狀ε-FexN/BN納米復(fù)合材料的制備方法。
磁性納米復(fù)合材料一般是由非磁性絕緣體和分散在它內(nèi)部的磁性納米顆粒(10-100nm)組成的。以合金作為磁性納米顆粒的復(fù)合材料將表現(xiàn)出更加豐富的物理性質(zhì)。由于Fe-N合金在耐磨、抗氧化性和抗腐蝕性方面優(yōu)于純鐵，且具有較高的平均原子磁矩而受到重視。塊狀樣品的制備對于材料的應(yīng)用十分重要，高致密度，顆粒間或顆粒與基體間結(jié)合牢固，界面清潔是塊狀樣品制備技術(shù)的重要指標(biāo)。
以往制備技術(shù)都是以N2，NH3或NH3/H2氣體為氮源，利用氣相沉積、磁濺射并結(jié)合熱處理和氣-固反應(yīng)的方法制備各種結(jié)構(gòu)的Fe-N合金薄膜或粉末和Fe-N合金納米復(fù)合材料薄膜。比如；以NH3/H2氣體為氮源，將γ-Fe2O3粉放在坩堝內(nèi)，置于管式加熱爐中，在氬氣保護(hù)下加熱至723K，再充入體積比為1∶2的H2和NH3取代管式加熱爐內(nèi)的氬氣。在723～773K保溫4h完成氮化。最后將生成物急冷至室溫，所得產(chǎn)品為針狀的尺寸在微米量級的ε-Fe3N。所得產(chǎn)品清潔，但產(chǎn)量低，成本高，而且工藝復(fù)雜，特別是不能制成塊狀的Fe-N納米材料，不適合工業(yè)生產(chǎn)和實際應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種形成Fe-N合金的新技術(shù)，使產(chǎn)品在產(chǎn)量上，成本上，工藝上都適合工業(yè)生產(chǎn)，并能制備塊狀Fe-N納米復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，以鐵或氧化亞鐵為鐵源(Fe)，以固態(tài)的六方氮化硼(h-BN)為氮源，進(jìn)行混料后，與不銹鋼球一起置于球磨罐中，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，再將球磨樣品進(jìn)行高溫高壓處理，制得塊狀ε-FexN/BN納米復(fù)合材料。
具體的工藝條件為，鐵或氧化亞鐵與六方氮化硼的比例按體積比1∶(15-0.38)；混料與不銹鋼球按重量比為1∶(10-20)置于球磨罐中，球磨時間為20-80h。所說的高溫高壓處理是在壓機(jī)上進(jìn)行的，壓力為2.5-5.0GPa，溫度為650-2000K，且保溫保壓1-2h。
鐵源的粒度可以是10-500μm，F(xiàn)e和h-BN的純度可以是95at％以上。二者混料中Fe含量大時，所得產(chǎn)品的磁性能好。
所說的球磨罐可以是不銹鋼的能夠密封的球磨罐，向內(nèi)充氬氣時，先抽真空至10-2～10-3Torr，然后充入高純氬氣；再抽真空至10-2～10-3Torr，再充氬氣。這樣反復(fù)2～4次。最后充入1～2×105Pa的氬氣作為保護(hù)氣體，防止球磨過程中原料被氧化。球磨罐放在高能振動球磨機(jī)上對混料進(jìn)行球磨。
高溫高壓處理可以選環(huán)帶式兩面頂金剛石壓機(jī)進(jìn)行，以葉臘石作為傳壓和高壓密封介質(zhì)，石墨坩堝為加熱器；利用電流通過石墨坩堝產(chǎn)生的焦耳熱實現(xiàn)對球磨樣品加熱。為了避免球磨樣品在高壓熱處理中受到污染，用h-BN做的密封容器為保護(hù)裝置。
在實際制備ε-FexN/BN納米復(fù)合材料時，考慮球磨時間的不同，致使混料中相組成也不同，比如，球磨25～40h，樣品一般由粒度為8～10nm左右的α-Fe和非晶BN組成，而球磨時間再長，比如50～80h，F(xiàn)e與N會發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)先形成Fe-N非晶，最后Fe-N非晶失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?FexN合金，樣品由ε-FexN和非晶BN組成。因而，在高溫高壓處理時溫度和壓力的控制也不同。
在Fe與h-BN體積比為1∶(13-10)，球磨時間為25-40h，球磨罐中的氬氣壓強(qiáng)為(1-2)×105Pa時，高溫高壓處理的原料為3-4GPa，溫度為690-880K，可以得到塊狀的ε-FexN/BN納米復(fù)合材料。
在Fe與h-BN體積比為1∶(13-10)，球磨時間為50-80h，球磨罐中的氬氣壓強(qiáng)為(1-2)×105Pa時，高溫高壓處理的壓力為3-4GPa，溫度為1100-1200K?？梢缘玫綁K狀ε-FexN/BN納米復(fù)合材料。實際上，經(jīng)過50-80h球磨后已經(jīng)形成了顆粒在幾十納米的ε-FexN合金，并以球狀彌散在幾納米的非晶BN基體中。然而，ε-FexN合金在常壓高溫下容易分解成順磁γ-Fe(N)合金，所以，在常壓下制備塊狀ε-FexN合金和ε-FexN/BN納米復(fù)合材料是非常困難的。但在高壓下，高壓抑制了ε-FexN的分解。所以，此方法不僅可用于制備塊狀ε-FexN/BN納米復(fù)合材料，而且還可用于純ε-FexN塊狀材料的制備。
實施例1.
選取純度為99.0at％，粒度為100μm的鐵粉，與純度為99.9at％的六方氮化硼粉，按體積比1∶12.5混料，混料與不銹鋼球的重量比為1∶15，置于不銹鋼球磨罐中球磨30h。經(jīng)4.0GPa，580-930K高溫高壓處理1h。發(fā)現(xiàn)在580K時沒有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)相變；690K時有ε-FexN相形成；750K，F(xiàn)e幾乎全部與非晶BN反應(yīng)生成ε-FexN合金。當(dāng)升至800K時，反應(yīng)產(chǎn)物為ε-FexN和少量γ-Fe(N)；到930K，反應(yīng)產(chǎn)物為Fe3B和γ-Fe(N)相。說明經(jīng)30h球磨的混料，在4.0GPa下Fe與非晶NB反應(yīng)形成單一ε-FexN相的Fe-N、BN納米復(fù)合材料的溫度為690-800K。約在720-770K效果最好。
實施例2原料配比及與不銹鋼球重量比同實施例1，球磨35h，經(jīng)800K和2.0，3.0.4.0GPa高溫高壓處理。其結(jié)果是經(jīng)35h球磨的混料在800K高溫高壓處理的最佳壓力范圍為3.0-4.0GPa，最佳壓力3.0GPa。
實施例3原料配比及與不銹鋼球重量比同實施例1，經(jīng)60h球磨后，經(jīng)XRD分析，樣品由ε-FexN和非晶BN組成。球磨樣品在3.0或4.0GPa，經(jīng)1170K高溫高壓處理1h。XRD分析表明，ε-FexN沒有發(fā)生分解，但ε-FexN的晶粒尺寸長大，N含量略有減少。結(jié)果表明壓力不但可以抑制ε-FexN的分解，加強(qiáng)ε-FexN的熱穩(wěn)定性。而且還能抑制ε-FexN中N原子的逸出。這一結(jié)果為純ε-FexN塊狀合金的制備提供了直接有效的方法。
本發(fā)明的塊狀ε-FexN/BN納米復(fù)合材料和ε-FexN合金的制備方法產(chǎn)量高，成本低，工藝也不復(fù)雜。ε-FexN合金通過Fe與非晶BN的固態(tài)反應(yīng)原位生成，并均勻分布在絕緣BN基體上，與BN基結(jié)合牢固，且界面清潔；所得產(chǎn)品為塊狀，可直接在實際中得到應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種塊狀鐵氮-氮化硼納米復(fù)合材料的制備方法 其特征在于以鐵或氧化亞鐵為鐵源，以固態(tài)六方氮化硼粉為氮源，進(jìn)行混料后，與不銹鋼球一起置于球磨罐中，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨；再將球磨樣品進(jìn)行高溫高壓處理，得到塊狀的ε-FexN/BN納米復(fù)合材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的塊狀的ε-FexN/BN納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，鐵或氧化亞鐵與固態(tài)六方氮化硼以1∶(15-0.38)體積比進(jìn)行混料；混料與不銹鋼球以重量比為1∶(10-20)置于球磨罐中，球磨時間為20-80h；所說的球磨樣品進(jìn)行高溫高壓處理，是在壓機(jī)上進(jìn)行的，壓力為2.5-5.0GPa，溫度為650-1200K，且保溫保壓1-2h。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的塊狀的ε-FexN/BN納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，鐵或氧化亞鐵與六方氮化硼體積比為1∶(13-10)，球磨罐中氬氣壓強(qiáng)(1-2)×105Pa，球磨時間為25-40h，高溫高壓處理的壓力為3-4GPa，溫度為690-880K。
4.按照權(quán)利要求1和2所述的塊狀ε-FexN/BN納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于鐵或氧化亞鐵與氮化硼體積比為1∶(13-10)，球磨罐中氬氣的壓強(qiáng)為(1-2)×105Pa，球磨時間為50-80h，高溫高壓處理的壓力為3-4GPa，溫度為1100-1200K。
全文摘要
本發(fā)明屬塊狀的鐵氮納米復(fù)合材料的制備方法。以Fe或FeO為鐵源,以固態(tài)h－BN為氮源,按體積比1∶(15～0.38)制成混料;將混料與不銹鋼球放在一起在氬氣保護(hù)下球磨(20～80)h;再在壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓處理,制得塊狀ε－Fe
文檔編號C04B35/583GK1229771SQ98126248
公開日1999年9月29日 申請日期1998年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月19日
發(fā)明者姚斌, 蘇文輝 申請人:吉林大學(xué)