一種在金屬材料表面制備納米級氧化物顆粒的方法與流程

本發明涉及一種金屬氧化物納米顆粒的制備方法，屬于納米材料領域。

背景技術：

近年來，隨著現代工業和科學技術的迅速發展，納米材料的發展和應用已引起各國的高度重視。由于納米顆粒具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應等特點，因此納米顆粒在新型能源材料、功能涂層材料、生態環境材料等領域發揮著無可替代的作用，在化工、電子、機械、生物醫學工程等領域也具有重要應用。

目前，納米顆粒的制備方法有很多，包括溶膠-凝膠法、電解法、微乳液法模板法、固相燒結法、化學氣相沉積法、分子束外延法、熱解法、化學沉淀法等；見李云濤等人的中國專利200580014122、艾瑞茲等人的中國專利201180035506和姜興茂等人的中國專利201410047796等；廣泛使用的溶膠-凝膠法是基于金屬鹵化物或金屬醇鹽在水溶液中水解和縮合反應，溶膠-凝膠法可以得到大量的納米粉體，成本也比較低，但是其工藝比較繁瑣，并且粉體非常容易團聚，影響實際應用效果；模板法能夠得到大面積的納米顆粒陣列，但是模板法工藝相對繁瑣，尤其是去除模板較為困難；離子注入法、熱解法、等離子體法、電化學等方法需要相對復雜的實驗設備和工藝規程或較高的溫度，提高了納米顆粒的制備成本，同時由于各自的局限性，影響到納米顆粒的實際應用。所以，我們要研究一種簡單可控的方法，并且能夠降低制備成本，避免納米顆粒的團聚，得到純度高、穩定性好、形貌大小分布可控的納米顆粒。

鉬具有高的導電、導熱率和優異的抗腐蝕性能，并具有良好的抗熱沖擊和抗熱疲勞能力，在難熔金屬中性價比最高，應用最廣；然而，鉬和鉬合金在高溫氧化環境中易形成高揮發性的三氧化鉬，導致鉬或鉬合金失去其優異的耐高溫性能，從而限制了鉬及其合金的應用領域；為改善鉬和鉬合金的高溫抗氧化性能，最為可行的方法是預先在表面涂覆一層防護涂層或者在表面制備一層氧化物薄膜，前者工序較多，成本較高，直接在真空高溫環境下利用微量氧氧化生成氧化物顆粒薄膜就可以有效提高金屬的耐磨性、耐熱性和抗腐蝕性。

常見的制備氧化物薄膜多采用陽極氧化等方法，但陽極氧化通常需要用到硫化物，容易造成酸腐蝕和污染。本專利介紹的是一種全新的制備納米級金屬氧化物顆粒的方法，此方法是將金屬材料進行高溫真空熱處理從而直接在金屬表面得到納米級金屬氧化物顆粒，此方法操作簡便，工藝簡單。

技術實現要素：

本發明是一種金屬氧化物納米顆粒的制備方法。

本發明是將金屬合金材料進行高溫真空熱處理從而得到納米級金屬氧化物顆粒的一種制備方法。該方法的具體步驟為：

(1)將金屬合金材料放入真空熱處理爐中。

(2)將真空熱處理爐進行抽真空處理，并將真空熱處理爐的腔室加熱至1200℃；保溫4h。

(3)保溫后冷卻至室溫。

步驟(2)中抽真空處理后的真空度為1×10^-3Pa，是先用機械泵抽至1×10^-1Pa，再使用分子泵抽至1×10^-3Pa。

所述的金屬合金材料為鉬鑭合金材料。

其中所述步驟(2)中加熱速率為10℃/min；

其中所述步驟(3)中冷卻方法采用自然冷卻。

本發明通過對金屬材料進行高溫真空熱處理，金屬在含氧氣氛中加熱至一定溫度下進行氣固反應可以生成一維氧化物納米結構(金屬熱氧化)，因此在材料表面得到納米級的金屬氧化物顆粒，從而增強了材料表面的疏水性，進而可以提高金屬材料的防腐蝕性能，該方法是一種全新的制備納米級金屬氧化物顆粒的方法，其優點是工藝簡單，操作簡便。

附圖說明

圖1：高溫氧化前鉬鑭合金表面形貌圖。

圖2：高溫氧化后鉬鑭合金表面形貌圖。

圖3：高溫氧化前鉬鑭合金表面元素分析圖。

圖4：高溫氧化后鉬鑭合金表面元素分析圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明進行闡述，但本發明絕非僅限于實施例。

實施例1：采用高溫真空熱處理方法在鉬鑭合金板(鉬94.15％；氧5.15％；鑭0.70％)表面制備納米級鉬氧化物顆粒。先依次用240#、400#、600#、800#和1000#水磨砂紙對鉬鑭合金板表面進行打磨(除去試樣表面的氧化皮)以獲得新鮮的金屬表面；再將打磨處理后的試樣在無水乙醇中用超聲波清洗器清洗10min以除去表面的粉塵和油漬；最后將清洗干凈的試樣吹干后放入干燥皿中備用，通過掃描電鏡可以觀察到試樣表面形貌如圖1所示，通過元素分析得到試樣表面的元素組成(圖3)。然后將鉬鑭合金板放入真空熱處理爐中，合上腔室，開啟機械泵將腔室抽真空至1×10^-1Pa，再用分子泵抽真空至1×10^-3Pa。然后對腔室進行加熱，加熱速率為10℃/min，加熱至1200℃后，保溫4小時，最后通過自然冷卻至室溫，取出鉬鑭合金板。

通過掃描電鏡觀察，可以清晰的觀察到合金表面生成了一層致密的顆粒(圖2),平均顆粒尺寸為800-1000nm。通過元素分析(圖4)，可以發現合金表面氧元素含量明顯增加(由5.15％增加至28.98％)，由此可知，生成的顆粒為金屬鉬的納米級氧化物顆粒，平均顆粒尺寸為800-1000nm。

實施例2：將處理好的鉬鑭合金放入真空熱處理爐中，合上腔室，開啟機械泵將腔室抽真空至1×10^-1Pa，再用分子泵抽真空至1×10^-3Pa，然后對腔室進行加熱，加熱速率為10℃/min，加熱至1200℃后，保溫5小時，最后通過自然冷卻至室溫，取出鉬鑭合金板。保溫時間的延長增加了顆粒的生長時間，顆粒尺寸進一步增大，通過掃描電鏡觀察，可以清晰的觀察到合金表面生成的顆粒尺寸為1000-1500nm。