用半固態反應製備Mg₂Si粉體的方法

2023-05-22 22:05:51

專利名稱：用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種材料技術領域的Mg2Si粉體的製備方法，具體是一種用 半固態反應製備Mg2Si粉體的方法。
技術背景Mg2Si是目前研究較多的熱電材料，同時也有潛在的作為結構材料以及儲氫 電極使用的可能性。由於Mg2Si是脆性金屬間化合物，很多研究都致力於通過粉 末冶金方法獲得納米晶以改善其性能。目前Mg2Si粉體的製備方法有五種一、 熔融一球磨方法。這種方法實際上是傳統的熔煉製備Mg2Si鑄錠的延伸。 將高純Mg和Si混合置於石墨坩堝中在略高於Mg2Si熔點(1080。C)的溫度如1100。C 左右進行熔融，並通入l-3個大氣壓的高純氬氣進行保護，以減少Mg的揮發及氧 化。得到的鑄錠再經粉碎、球磨得到Mg2Si粉體。該方法的問題是熔煉溫度過高， Mg不僅易揮發，還易於和坩堝起反應。二、 機械合金化方法。由原始的高純單質Mg粉和Si粉按化學計量比混合在 氬氣及液相保護下通過球磨得到Mg2Si粉。該方法能得到超細的、活性較高的粉 體。但存在時間長、產率低及雜質汙染的問題。三、 固相反應法。姜洪義等人在《武漢理工大學學報》(2001， vol. 8， 7-11) 中將按化學計量比配料的Mg和Si的混合粉幹法成型，在氬氣保護下於55(TC下保 溫8h合成了Mg2Si。該法溫度低、純淨度高。但時間較長，且需要專用的真空退 火設備。四、 機械激活的固相反應法，該法結合了機械合金化和固態反應兩種方法 的優點。Wang等人在《Scripta Materialia》(材料導報，2003， vol.49, 243) 中用Mg和Si的混合粉在氬氣及液相保護下球磨後再進行固相反應。形成溫度可 降低到180-190°C。但球磨時間仍相當長，需要20h以上。此外由於球磨時間較長， 還存在鐵的汙染問題。五、放電等離子燒結一球磨方法。該方法的優點是合成速度快，但其需要 專用的放電等離子燒結設備，費用昂貴。 發明內容本發明目的在於克服現有技術的不足，提供一種用半固態反應製備Mg2Si粉 體的方法，使其解決時間長、效率低、雜質多等問題，能夠快速的製備得到高 純的Mg2Si粉體。本發明是通過以下技術方案實現的，包括以下步驟-第一步，將Mg粉和Si粉按化學配比混合後在氬氣保護下球磨以活化粉末 表面並保證混合均勻；所述球磨，其時間為1小時-2小時。 所述球磨，是在氬氣保護下進行。第二步，將第一步得到的混合粉體裝入坩堝，再整體放入一耐熱合金材質 (不鏽鋼或高溫合金)的密封罐中進行密封。 所述坩堝為一氮化硼(BN)或剛玉(A1203)坩堝。第二步中的所有操作都在充有一個大氣壓氬氣的真空手套箱中實現。 第三步，將密封罐放入普通的空氣爐在700°C-900°C保溫，隨溫度提高保溫 時間可相應縮短。所述保溫，其時間為10分鐘-60分鐘。第四步，將密封罐取出快冷到室溫，即可得到鬆散的Mg2Si高純粉體。 本發明上述過程中，由於保溫溫度介於Mg的熔點(649T)和Mg2Si的熔點 (1080。C)之間，遠低於Si的熔點(1410T)，因此是一種半固相反應。 與現有技術相比，本發明具有如下優點1) 本發明是半固態反應，Mg處在液相，因此反應速度比固相反應顯著提高， 合成時間縮短，可控制在l小時內；2) 密封罐內氣壓由於受熱膨脹可自發達到3.7-4.0個大氣壓，無需外界加 壓即可抑制Mg的揮發損失；3) 由於反應溫度低，Si和產物Mg2Si都是固態，因此最後得到是鬆散的粉 體而不是緻密的鑄錠；4) 不需要專用的真空爐進行擴散退火，僅需普通的空氣爐；5)球磨和反應時間短，因此汙染輕、純度高。


圖1為本發明實施例的x射線衍射結果圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的 保護範圍不限於下述的實施例。實施例h(1) 將原料Mg粉(99. 9%)和Si (99. 99%)粉按1. 817:1的重量百分比混合， 在充有一個大氣壓高純氬氣的真空手套箱中裝入球磨罐，球料比為48: 1。然後 在行星球磨機上以255轉/分的轉速球磨1小時；(2) 在手套箱中將粉體從球磨罐中取出，裝入氮化硼坩堝，然後整體放入 不鏽鋼密封罐進行密封。(3) 將密封罐放入升溫到700°C的箱式爐中保溫1小時，然後取出在空氣中 快冷。開罐即可得到Mg2Si粉體。如圖1所示，X射線衍射結果表明沒有殘留的 Mg或Si存在，原始混合粉體已完全轉變為單相Mg2Si。經化學分析鑑定其中的 雜質Fe含量低於O. 01 wt%。實施例2:(1) 按實施例1 (l)所述準備原料粉體。然後在行星球磨機上以255轉/分的 轉速球磨1. 5小時；(2) 按實施例1(2)和(3)所述製備得到完全反應的Mg2Si粉體，雜質Fe含 量低於0. 022 wt%。實施例3:(1) 按實施例l(l)所述準備原料粉體。然後在行星球磨機上以255轉/分的 轉速球磨2小時；(2) 按實施例1(2)和(3)所述製備得到完全反應的Mg2Si粉體，雜質Fe含 量低於0. 031wt%。實施例4:(1) 按實施例1 (l)所述製備Mg和Si的混合粉體。(2) 按實施例1(2)所述將混合粉體密封入不鏽鋼罐。(3) 將密封罐放入升溫到80(TC的箱式爐中保溫35分鐘，然後取出在空氣 中快冷。開罐即可得到完全反應後的Mg2Si粉體，沒有殘留的Mg或Si存在，雜 質Fe含量低於O. 01 wt%。實施例5:(1) 按實施例l(l)所述製備Mg和Si的混合粉體。(2) 按實施例1(2)所述將混合粉體密封入不鏽鋼罐。(3) 將密封罐放入升溫到900°C的箱式爐中保溫10分鐘，然後取出在空氣 中快冷。開罐即可得到完全反應後的Mg2Si粉體，沒有殘留的Mg或Si存在，雜 質Fe含量低於0. 01 wt%。
權利要求
1、一種用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特徵在於，包括以下步驟第一步，將Mg粉和Si粉按化學配比混合後球磨以活化粉末表面並保證混合均勻；第二步，將第一步得到的混合粉體裝入坩堝，再整體放入密封罐中進行密封；第三步，將密封罐放入普通的空氣爐在700℃-900℃保溫；第四步，將密封罐取出快冷到室溫，即得到鬆散的Mg2Si粉體。
2、 根據權利要求l所述的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特徵是， 第一步中，所述球磨，其時間為l小時-2小時。
3、 根據權利要求l或2所述的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特 徵是，第一步中，所述球磨，是在氬氣保護下進行。
4、 根據權利要求l所述的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特徵是， 第二步中，所述坩堝為一氮化硼或剛玉坩堝。
5、 根據權利要求1或4所述的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特 徵是，所述密封罐為一耐熱合金材質的密封罐。
6、 根據權利要求1或4所述的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特 徵是，第二步中的所有操作都在充有一個大氣壓氬氣的真空手套箱中實現。
7、 根據權利要求l所述的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，其特徵是， 第三步中，所述保溫，其時間為10分鐘-60分鐘。
全文摘要
一種材料技術領域的用半固態反應製備Mg2Si粉體的方法，包括以下步驟第一步，將Mg粉和Si粉按比例混合後球磨以活化粉末表面並保證混合均勻；第二步，將第一步得到的混合粉體裝入坩堝，再整體放入一耐熱合金材質的密封罐中進行密封；第三步，將密封罐放入普通的空氣爐在700℃-900℃保溫；第四步，將密封罐取出快冷到室溫，即得到鬆散的Mg2Si粉體。本發明具有快速、高效的特點，由此方法製備的Mg2Si純淨度高、受雜質汙染輕。
文檔編號C01B33/00GK101264890SQ20081003522
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月27日 優先權日2008年3月27日
發明者鋒 孫, 芳 張, 張惠義 申請人:上海交通大學