[发明专利]一种基于扩散阻挡层的块体纳米材料制备方法

说明书

本发明公开了一种基于扩散阻挡层的块体纳米材料制备方法，首先将纳米粉体的表面包覆有一层聚合物，然后与未做处理的纳米粉体混合，在还原气氛中退火，包覆层将转化为扩散阻挡层，再通过放电等离子体烧结制备得到块体纳米材料。本发明制备方法具有普适性，可在多种材料体系中实现块体纳米材料的制备，并能通过调控具有表面包覆层纳米粉体与不含表面包覆层纳米粉体的比例实现块体材料中纳米区域可控调节，获得局域纳米化的块体纳米材料，并显著提升材料的力学性能。

技术领域

本发明属于大尺寸块体纳米材料制备技术领域，具体涉及一种基于扩散阻挡层的块体纳米材料制备方法。

背景技术

纳米科学技术是20世纪80年代诞生并逐渐崛起的一门新兴交叉科学，是研究在纳米尺寸范围内的物质组成体系的规律和相互作用，以及制备具有特定功能材料的科学技术。纳米材料因其特异的表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应，而具有独特的物理、化学和力学等性能，在电子信息、生物工程、航空航天、材料科学、国防科技及日常生活中有着广阔的应用前景，因此关于纳米材料的研究及其制备技术近年来引起了世界各国的普遍重视，在整个社会中己形成了“纳米热”。

目前所讲的纳米材料大多是指纳米粉体材料，而块状纳米材料由于受制备技术的限制，很难制备。三维纳米块体材料指的是由纳米晶粒或者粒子所构成的三维固体材料，其包含的范围较广，可分为陶瓷、金属或者复合材料。一般来说，块体纳米材料晶粒的尺寸极其细小，晶界密度较大，晶界内原子也很多，晶体的缺陷度非常高，使得与传统的粗晶材料相比，具有显著的性能差别，特别是对结构敏感的性能这方面。

自1984年，德国萨尔大学的H.V.Gleiter教授首次采用惰性气体冷凝原位加压技术制得纯物质的块状纳米材料后，块状纳米材料的研究引起了世界各国科学家的极大关注，人们研究发现，块状纳米材料与普通多晶材料相比，有着非常优异的光、热、电、磁、力学性能，因此在实际工程上有着非常美好的应用前景。为了使这种新型的材料既能用于理论研究，又能在实际中得到应用，制备出高质量的大尺寸块体纳米材料的技术已成为纳米材料研究领域中的关键问题之一。

目前，块状纳米材料的制备方法主要有两种方式。第一种方法是“自上而下”方式，块体材料经过特殊处理变成大块纳米晶材料，如非晶晶化法和大塑性变形法；或利用各种沉积技术等获得大块纳米晶材料，如利用电解沉积制备出厚度为100μm～2mm大块纳米晶材料。但是这些方法不具有普适性，只能适用于特定的材料体系。第二种是“自下而上”方式，即先由惰性气体冷凝法、磁控溅射、湿化学法和高能球磨法等工艺先制备出纳米粉，然后通过原位加压、冷/热等静压、热压和放电等离子体烧结(SPS)等方法制成块状纳米材料。一般情况下，凡是能够制得纳米粉末，通过后续粉末冶金等工艺都能得到大块纳米材料。但是纳米晶尺寸很小，其比表面积非常大，表面能较高使得表面原子活性很高，因为结构与性质较不稳定，很容易与其他物质反应以及在加热时中发生晶粒长大现象，不能维持纳米结构的形貌和尺寸，发挥不了纳米效应。例如，对于金属材料而言，纳米化极大地增加了晶界密度，提高了金属的力学强度和硬度。但是纳米化结构通常会在烧结成块体的升温过程中发生粗化，从而失去纳米效应，导致力学性能下降。对于窄带隙半导体合金热电块体材料而言，由于纳米化结构的引入，极大地增强了对声子的散射作用，从而有效地抑制晶格热导率。但是，纳米结构通常会在热压烧结或者SPS烧结过程中从几个到几百个纳米长大到几十微米，大大弱化纳米效应对热导率的降低作用。

纳米结构在加热时晶粒长大主要是由于其较高的表面能，而利用表面修饰手段处理纳米粉体的表面，并在后续退火过程中转变为扩散阻挡层(碳包覆层)之后，则可以有效的抑制纳米粉体在烧结过程中的长大现象。同时控制包覆有扩散阻挡层纳米粉体的比例，可以制备出包含纳米尺度和微米尺度的具有多种尺度的块体纳米材料，而这种具有局域纳米化结构的块体纳米材料往往能兼顾微米晶和纳米晶的多种优势。此外，本发明方法适用于多种纳米材料的大尺寸块体纳米材料制备。

发明内容