一種原位合成製備高純GdH的製作方法

2023-08-06 21:54:06 1

專利名稱：一種原位合成製備高純GdH的製作方法
技術領域：
一種原位合成高純GdH2塊體材料的製備方法，屬於氫化物材料製備技術領域。
背景技術：
由於稀土氫化物可在光學窗口、氫傳感器、晶體顯示器、壓力致動器、儲氫等方面有著廣泛的應用前景，已成為新型功能材料研究的熱點之一。
由於稀土元素性質活潑，在大氣中易發生氧化，因此稀土氫化物通常只能在超高真空條件下製備。稀土元素吸氫氣後則體積發生膨脹而導致粉化，所以一般稀土氫化物只能以粉末的形式存在，且製備的稀土氫化物材料以薄膜為主，其厚度在納米的尺度範圍內。同時，所製備的稀土氫化物都是以非化學計量比的氫化物而存在，很難獲得單一成分的化學計量比的氫化物。這些情況大大限制了稀土氫化物材料的工業應用。因此，製備和開發單一成分高純稀土氫化物塊體成為這類材料實用化的重點。
針對上述研究現狀，本發明在全部原位、無氧條件下，採用氫電弧等離子體法(Hydrogen Plasma Metal Reaction，HPAM)與放電等離子燒結(SparkPlasma Sintering，SPS)相結合的HPAM-SPS技術成功的製備了高純稀土釓的氫化物GdH2塊體，這為製備稀土氫化物塊體材料開闢了一條新途徑。它為研究稀土氫化物塊體材料提供了一個平臺，可為其他科學工作者研究稀土氫化物材料的性能(如聲、光、電磁及熱力學特性)提供了條件。

發明內容
本發明針對上述技術中存在的問題，提供一種利用原位無氧的氫電弧等離子裝置製備了釓的氫化物納米顆粒，然後利用放電等離子燒結技術將釓的氫化物納米顆粒燒結成高純GdH2塊體材料的製備方法。目的在於獲得單一成分化學計量比的高純GdH2塊體材料。
本發明提供的一種原位合成製備高純GdH2塊體材料的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)利用氫電弧等離子裝置，以純釓作為陽極，金屬鎢作為陰極，在氫氣和氬氣的混合氣氛下，氫氣和氬氣體積比為0.2-0.8，總壓力100-650torr，選擇電弧電流50-150A，電弧電壓10-50V，起弧時間0.5-2小時製備稀土元素釓的氫化物納米顆粒；2)將上述的釓的氫化物納米顆粒置入氬氣體保護的預處理室，將納米氫化釓粉裝入石墨模具並預壓成型，壓力10-30MPa；3)將上述的經預壓成型的稀土元素釓的氫化物納米顆粒生坯放電等離子快速燒結，具體燒結工藝參數為燒結溫度為750-900℃，燒結壓力為30-50Mpa，燒結脈衝比為1∶12，燒結升溫速率為50-80℃/min；燒結完樣品隨爐自然冷卻得到具有高純度的GdH2塊體材料。
本發明提供的採用上述方法製備的稀土釓元素的氫化物塊體材料具有良好的顯微組織結構，而且製備出的GdH2塊體材料的純度較高。因此是一種獲得高品質的GdH2塊體材料的製備方法。


圖1採用氫電弧等離子裝置製備的稀土元素釓的氫化物納米顆粒的X射線衍射圖譜(實施例1)。
圖2採用氫電弧等離子裝置製備的稀土元素釓的氫化物單晶納米顆粒的形貌2(a)(透射電子顯微鏡照片)及其單個晶粒的電子衍射花樣圖2(b)(實施例1)。
圖3採用放電等離子燒結技術製備的高純GdH2塊體材料的X射線衍射圖譜(實施例1)。
圖4採用放電等離子燒結技術製備的高純GdH2塊體的材料的顯微組織4(a)(高分辯透射電子顯微鏡照片)及其單個晶粒的電子衍射花樣圖4(b)(實施例1)。
圖5採用放電等離子燒結技術製備的高純GdH2塊體的材料的原子晶格像(高分辯透射電子顯微鏡照片)(實施例1)。
圖6採用放電等離子燒結技術製備的高純GdH2塊體材料的X射線衍射圖譜(實施例2)。
圖7採用放電等離子燒結技術製備的高純GdH2塊體材料的X射線衍射圖譜(實施例3)。
具體實施例方式
例1、高純釓放氫電弧等離子裝置，以鎢棒(直徑5mm)作陰極，塊狀金屬釓作陽極。首先將真空室抽至10-4Pa，然後充入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣體積比為0.2，總壓力為100torr。接通直流電源，控制反應電流在電弧電流50A左右，電弧電壓20V，點弧0.5小時將原料製備成稀土元素釓的氫化物納米顆粒。將上述的釓的納米顆粒在高純惰性氣體保護的預處理室粉裝入石墨模具並預壓成型。預壓壓力10MPa。將生坯利用放電等離子快速燒結技術(SPS-5.40-IV/ET型)燒結成為GdH2塊體材料。燒結工藝參數為燒結溫度為750℃，燒結壓力為30MPa，燒結脈衝比為1∶12，燒結升溫速率為50℃/min，燒結氛圍為真空。燒結完樣品隨爐冷卻。樣品製備完成。將樣品進行測試與檢測。利用X射線衍射儀檢驗了氫電弧等離子裝置製備的釓的氫化物納米顆粒，X衍射圖譜如附圖1所示，可以看到其製備的材料為釓的氫化物立方的GdH2和六方的GdH3，不存在其它相。同時利用透射電鏡(TEM型號JEOL 2010透射電鏡，加速電壓為200KV)和電子衍射對氫電弧等離子裝置製備了納米稀土金屬釓的氫化物顆粒進行觀察分析，如附圖2所示。
利用X射線衍射儀檢測了放電等離子快速燒結技術燒結GdH2塊體的物相，其X衍射圖譜如附圖3所示，可以看到其製備的塊體材料的衍射峰為釓的氫化物-立方GdH2的衍射峰，也就是採用HPAM-SPS技術製備的塊體材料為單-成分化學計量比GdH2，不存在其它相。採用高分辨電子顯微鏡(HRTEM型號PHILIPS TECNAIF30場發射高分辨透射電鏡，加速電壓為300KV)觀察了放電等離子快速燒結技術燒結GdH2塊體的顯微組織和結構，如圖4、5所示。圖5中所標記的晶面間距為3.067埃，與立方GdH2的(111)晶面間距3.0660埃相符合。
例2、將高純釓放氫電弧等離子裝置，以鎢棒(直徑5mm)作陰極，塊狀金屬釓作陽極。首先將真空室抽至10-4Pa，然後充入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣體積比為0.6，總壓力為300torr。接通直流電源，控制反應電流在電弧電流100A左右，電弧電壓40V，點弧1小時將原料製備成稀土元素釓的氫化物納米顆粒。將上述的釓的納米顆粒在高純惰性氣體保護的預處理室粉裝入石墨模具並預壓成型。預壓壓力20MPa。將生坯利用放電等離子快速燒結技術(SPS-5.40-IV/ET型)燒結成為GdH2塊體材料。燒結工藝參數為燒結溫度為800℃，燒結壓力為40MPa，燒結脈衝比為1∶12，燒結升溫速率為60℃/min，燒結氛圍為氬氣氣氛。燒結完樣品隨爐冷卻。樣品製備完成。將樣品進行測試與檢測。利用X射線衍射儀檢測了放電等離子快速燒結技術燒結GdH2塊體的物相，其X衍射圖譜如附圖6所示，可以看到其製備的塊體材料的衍射峰為釓的氫化物-立方GdH2的衍射峰。
例3、將高純釓放氫電弧等離子裝置，以鎢棒(直徑5mm)作陰極，塊狀金屬釓作陽極。首先將真空室抽至10-4Pa，然後充入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣體積比為0.8，總壓力為650torr。接通直流電源，控制反應電流在電弧電流150A左右，電弧電壓50V，點弧2小時將原料製備成稀土元素釓的氫化物納米顆粒。將上述的釓的納米顆粒在高純惰性氣體保護的預處理室粉裝入石墨模具並預壓成型。預壓壓力30MPa。將生坯利用放電等離子快速燒結技術(SPS-5.40-IV/ET型)燒結成為GdH2塊體材料。燒結工藝參數為燒結溫度為900℃，燒結壓力為50MPa，燒結脈衝比為1∶12，燒結升溫速率為50℃/min，燒結氛圍為真空。燒結完樣品隨爐冷卻。樣品製備完成。將樣品進行測試與檢測。利用X射線衍射儀檢測了放電等離子快速燒結技術燒結GdH2塊體的物相，其X衍射圖譜如附圖7所示，可以看到其製備的塊體材料的衍射峰為釓的氫化物-立方GdH2的衍射峰。
權利要求
1.一種原位合成製備高純GdH2塊體材料的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)利用氫電弧等離子裝置，以純釓作為陽極，金屬鎢作為陰極；在氫氣和氬氣的混合氣氛下，氫氣和氬氣體積比在0.2-0.8之間，總壓力100-650torr範圍，選擇電弧電流50-150A，電弧電壓10-50V，起弧時間0.5-2小時將原料製備成稀土元素釓的氫化物納米顆粒；2)將上述的釓的氫化物納米顆粒置入氬氣體保護的預處理室，將納米氫化釓粉裝入石墨模具並預壓成型，壓力範圍10-30MPa；3)將上述的經預壓成型的稀土元素釓的氫化物納米顆粒生坯，利用放電等離子快速燒結技術將壓坯燒結成為具有高純度的GdH2塊體材料，具體燒結工藝參數為燒結溫度為750-900℃，燒結壓力為30-50Mpa，燒結脈衝比為1∶12，燒結升溫速率為50-80℃/min；燒結完樣品隨爐自然冷卻。
全文摘要
本發明屬氫化物材料製備領域。一般稀土氫化物只能以粉末的形式存在，且難獲得單一成分的氫化物。本發明包括以下步驟利用氫電弧等離子裝置，以純釓作為陽極，金屬鎢作為陰極，氫氣和氬氣體積比為0.2－0.8，總壓力100－650torr，選擇電弧電流50－150A，電弧電壓10－50V，起弧時間0.5－2小時將製備成釓的氫化物納米顆粒；置入高純氬氣體保護的預處理室，裝入石墨模具並預壓成型，壓力10－30MPa；將預壓成型的生坯放電等離子燒結，燒結工藝參數為燒結溫度為750－900℃，壓力為30－50MPa，燒結脈衝比為1∶12，升溫速率為50－80℃/min；燒結完樣品隨爐冷卻得到具有高純度的GdH
文檔編號C07F17/00GK1803816SQ20061000205
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月24日 優先權日2006年1月24日
發明者張久興, 曾宏, 嶽明, 劉丹敏, 周身林, 左鐵鏞 申請人:北京工業大學