[发明专利]一种纳米颗粒的制备方法及装置

说明书

本发明公开了纳米颗粒的制备方法及装置，属于纳米材料制备领域。本专利的方法是首先在一个冷凝环境中对于待加工的工件在局部极微小区域位置将材料进行熔化或者气化，使得熔化或气化的产物迅速冷凝，形成松散的微米或纳米颗粒，形成蚀除产物（例如电火花放电加工），再将蚀除产物送入高能球磨进行处理，通过局部极微小区域的熔化或气化产生的材料在迅速冷凝后形成的材料具有极为疏松的结构，特别适合于球磨，利用这样的处理方式一方面可以将需要加工材料快速形成微纳米颗粒，另一方面，保证了微球具有的松散结构，使球磨加工的速度得到了明显提高。这种加工方式可以方便地从特定体材料中获得松散化的微纳米颗粒，极大加快了球磨速度。

技术领域

本发明涉及一种纳米颗粒的制备方法及装置，属于纳米材料领域技术。

背景技术

由于纳米颗粒具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子效应、宏观量子隧道效应和催化效应。因此，它在催化性能、光学性能、磁性能、增强增韧性能、储氢性能和润滑性能等方面具有特异功能，从而获得了广泛的应用。主要应用于：催化剂、纳米电子器件、传感器、磁性材料、光学和隐身材料以及增强增韧材料、生物医学材料。在增强增韧材料方面有纳米颗粒增强增韧材料、纳米晶须、纤维增强材料、纳米颗粒助烧结材料、纳米焊接技术。

纳米材料的制备作为当前研究的热点，国内外的众多专家学者均对其展开了广泛的研究。目前，纳米颗粒的制备有很多方法，主要有溶胶凝胶法、化学气相沉积法、激光热解法、等离子合成法等。然而，现有的制备纳米颗粒的方法，工艺路线复杂、可控性差和产量低等一系列不足。

采用球磨工艺进行制备纳米颗粒时，材料本身放入球磨腔中时的粒径是有严格限制的，颗粒越细，球磨效率就越高，能耗就越小。但是，有一些需要制备一些特定组成的纳米颗粒时（例如一些特种合金、半导体材料），由于材料本身材料制备完成时是整块的工件，为了从这些特殊组成的体材料进而制备得到纳米颗粒时会存在极大的加工困难。通常，体材料是无法直接进行球磨的，必须要先将其破碎到厘米级，然后用大的磨球将其球磨到毫米级，再换用小些的磨球继续球磨至几个微米，最终换更小磨球继续将其细化至纳米级，该多级球磨过程涉及多种规格的磨球及设备，能耗巨大且成本高昂。

发明内容

针对上述的加工块状体材料得到纳米颗粒过程中存在的困难，本发明提供了一种新颖的组合加工方法。本专利的方法是首先在一个冷凝环境中对于待加工的工件在局部极微小区域位置将材料进行熔化或者气化，使得熔化或气化的产物迅速冷凝，形成松散的微米或纳米颗粒，形成蚀除产物，再将蚀除产物送入高能球磨进行处理，通过局部极微小区域的熔化或气化产生的材料在迅速冷凝后形成的材料具有极为疏松的结构，特别适合于球磨，利用这样的处理方式一方面可以将需要加工材料快速形成微纳米颗粒，另一方面，保证了微球具有的松散结构，使球磨加工的速度得到了明显提高。对于熔化或气化材料的过程，可以采用电火花放电加工方式，这种加工方式可以方便地从特定体材料中获得松散化的微纳米颗粒，极大加快了球磨速度。除此之外，在与高能球磨过程耦合时，火花放电工艺不需要像制备纳米颗粒时那么苛刻，采用大电流、大脉宽，配合数控进给，可以实现快速蚀除体材料高效制备微米或亚微米颗粒材料，速度是单一的火花放电工艺制备纳米颗粒速度的百倍以上，这样的高速预处理也同样能大大节省传统的分级球磨过程中的耗时长的缺点，并且这样的预处理方式也可以解决传统多级球磨大颗粒存在的能耗高的问题，整体能耗也远远小于单一的球磨工艺所需的能耗，可以将特定材料的工件快速制备为纳米颗粒。另外，通过高能球磨与电火花放电的耦合，可以实现减小电火花放电工艺中存在的微米或亚微米颗粒的粒径分布不均匀的问题，最终使得纳米颗粒粒径分布更窄。

一种火花放电和高能球磨组合工艺制备纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

第1步，在冷凝环境中，对待加工工件的表面进行高温熔化和/或气化，并使熔化和/或气化的材料迅速冷凝，形成蚀除产物；

第2步，将蚀除产物送入高能球磨装置中进行湿法球磨，得到纳米粒子。