專利名稱：一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，屬于納米材料和納米結 構制備技術領域。
背景技術：
鈦和鋯都被譽為生命元素，鈦鋯合金在生物細胞環境中能夠在表面形成與基體緊密結合 的具有金紅石結構的氧化膜，這種氧化膜具有很強的耐腐蝕作用，另一方面，鋯離子不易溶 解，較為穩定，從而有利于氧化膜的再生成，使再鈍化的發生優先于溶解。對合金機械性能 的研究證明，摩爾比為l: l的鈦、鋯二元合金的微觀組織最細，硬度和拉申強度也最高，均 達到純鈦或純鋯的2.5倍。由此可見，鈦、鋯二元合金具有突出的機械性能，在生物醫學和 國防工業領域具有重要應用前景。但是，傳統的鈦、鋯合金都采用鑄造和鍛造方法生產，形 成的材料晶粒較粗，并容易造成成分偏析和顯微組織缺陷，而且材料利用率較低，能耗高。
20世紀80年代后期興起的納米材料和納米技術為新材料的發展注入了強大動力，鈦、鋯二元 納米合金化研究也因此成為國際納米科技領域研究的熱點之一，其中機械合金化法是利用機 械力使材料發生合金化。
納米鈦、鋯二元機械合金化的研究始于上世紀90年代。日本Tohoko大學的Aoki等人利 用高能球磨法在室溫和氮氣保護下試圖合成鈦鋯納米合金(見.Appl.Phys.Lett. 1992,61,1037-1039)。結果是，當氮氣壓力為2Mpa時，生成物為納米c-TiZrNO. 9，當氮氣壓 力為0.04Mpa時，生成物為無定形的a-TiZrN0.3，但兩種情況下都有氮氣參與了反應。據此， 他們認為，對于元素周期表中的同簇而且具有完全固溶性的元素，比如Ti， Zr等，不可能用 機械合金化或快速冷凝得到純凈的二元的非晶合金。隨后，他們又發展了一種在氫氣氣氛下 機械合金化鈦鋯合金的方法，結果仍舊生成了無定形的TiZrHx，而且其中仍然有氣氛物質的 存在。1994年，Aoki等人利用行星球磨法在H2、 N2、 02氣氛下得到了非晶Ti-Zr合金，但 同樣有保護氣體參與了反應(見Materials Science and Engineering, 1994， A181, 1263-1267)。
為了攻克上述難關，本發明提出一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法， 得到的納米合金的晶粒尺度在10nni以下。光電子能譜表明，合金的機械性能、生物相容性、 耐腐蝕性、耐磨性和穩定性顯著提高。本發明得到的鈦、鋯二元納米合金在生物醫學材料領 域具有光明的應用前景。

發明內容
本發明提供一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其目的在于克服傳統 的鈦、鋯合金形成的材料晶粒較粗，并容易造成成分偏析和顯微組織缺陷，而且材料利用率 較低，生產能耗高，采用球磨法在室溫和氮氣或氫氣保護下合成鈦鋯納米合金，生成物均為 無定形產品，不能生成純凈的鈦、鋯二元納米合金；本發明是在干法室溫狀態下利用滾壓振 動磨使鈦、鋯兩種元素粉末實現納米合金化。所述的滾壓振動磨是本發明人發明的一種制備 納米顆粒的設備和方法，已經獲得國家發明專利，專利號ZL 99112092.2。本發明不需要任 何冷卻措施。本發明利用滾壓振動磨制備的鈦-鋯二元納米合金，不僅機械強度高，而且具有 良好的生物相容性。
一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其特征是在干法室溫狀態下利 用滾壓振動磨使鈦、鋯兩種元素粉末實現納米合金化；具體步驟如下
A) 將摩爾比為l: l的鈦、鋯兩種元素粉末分別與過程控制劑均勻混合；
B) 首先將鈦與過程控制劑的混合物投入滾壓振動磨中，將滾壓振動磨置入手套箱中，接 著將手套箱抽成真空并充入惰性氣體，并使手套箱中的壓力與外界大氣壓達到平衡狀態，滾
壓振動磨開始運行；
C) 再將鋯與過程控制劑的混合物加入所述的滾壓振動磨中，并再使滾壓振動磨運行，最 后收集產物。
所述的滾壓振動磨每運行IO小時，就停機1小時，其目的為了釋放材料內部應力。 所用惰性氣體可以是氬氣、氮氣等氣體。
所用的過程控制劑可以是硬脂酸等，它在混合物中的質量百分比約為4%。 本發明的優點和積極效果是采用本發明方法不但可以制備出鈦、鋯二元納米合金，而 且可以制備出晶粒度為IO納米以下的鈦、鋯二元納米合金，光電子能譜表明，合金的機械性 能、生物相容性、耐腐蝕性、耐磨性和穩定性有顯著提高。本發明得到的鈦、鋯二元納米合 金在生物醫學材料領域具有光明的應用前景。
具體實施例方式
以下結合實施例進一步闡述本發明，但本實施例并不用于限制本發明，凡是采用本發明 的相似方法及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。
一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其特征是在干法室溫狀態下利用滾壓振動磨使鈦、鋯兩種元素粉末實現納米合金化；具體步驟是-
A) 將摩爾比為l: l的鈦、鋯兩種元素粉末分別與硬脂酸均勻混合；根據摩爾比l: l的 要求，分別稱取鈦57.9克，鋯110克，鈦、鋯兩種粉末的純度均為99%,鈦顆粒原始粒度為 70-80微米，鋯顆粒原始粒度為30-40微米，硬脂酸在兩種元素中的質量百分比均為4%。為 了防止氧化和粉塵爆炸，本發明將整個制備過程置于惰性氣體保護之下。
B) 首先將鈦與硬脂酸的混合物投入滾壓振動磨中，將滾壓振動磨置入密閉的手套箱中， 接著將手套箱抽成真空并充入氬氣，并使手套箱中的壓力與外界大氣壓達到平衡狀態，使滾 壓振動磨運行20小時，每運行10小時停頓1小時。
C) 然后，再將鋯與硬脂酸的混合物加入所述的滾壓振動磨中，并再使滾壓振動磨運行60 小時，其中每10小時停頓1小時，最后收集產物，即得到晶粒度為7.6納米的鈦、鋯二元納 米合金。
權利要求
1.一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其特征在于在干法室溫狀態下利用滾壓振動磨使鈦-鋯兩種元素粉末實現納米合金化；具體步驟如下A)將摩爾比為1∶1的鈦、鋯兩種元素粉末分別與過程控制劑均勻混合；B)首先將鈦與過程控制劑的混合物投入滾壓振動磨中，將滾壓振動磨置入手套箱中，接著將手套箱抽成真空并充入惰性氣體，并使手套箱中的壓力與外界大氣壓達到平衡狀態，滾壓振動磨開始運行；C)再將鋯與過程控制劑的混合物加入所述的滾壓振動磨中，使滾壓振動磨再運行，最后收集產物。
2. 根據權利要求1所述的一種利用滾壓振動磨制備釹、鋯二元納米合金的方法，其特征在于: 所述的滾壓振動磨每運行10小時，就停機1小時。
3. 根據權利要求1所述的一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其特征在于 所用惰性氣體可以是氬氣、氮氣氣體。
4. 根據權利要求1所述的一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其特征在于 所用的過程控制劑可以是硬脂酸等，它在混合物中的質量百分比約為4%。
全文摘要
一種利用滾壓振動磨制備鈦、鋯二元納米合金的方法，其特征是在干法室溫狀態下利用滾壓振動磨使鈦、鋯兩種元素粉末實現納米合金化；A)將摩爾比為1∶1的鈦、鋯兩種元素粉末分別與過程控制劑均勻混合；B)首先將鈦與過程控制劑的混合物投入滾壓振動磨中，將滾壓振動磨置入手套箱中，接著將手套箱抽成真空并充入惰性氣體，并使手套箱中的壓力與外界大氣壓達到平衡狀態，滾壓振動磨開始運行；C)再將鋯與過程控制劑的混合物加入到滾壓振動磨中，使滾壓振動磨再運行，最后收集產物。為了釋放材料內部應力，滾壓振動磨每運行10小時停機1小時。本發明得到的鈦、鋯二元納米合金，生物相容性好，耐磨耐腐蝕，在生物醫學領域具有廣闊應用前景。
文檔編號B02C19/16GK101676420SQ200810042980
公開日2010年3月24日 申請日期2008年9月16日 優先權日2008年9月16日
發明者丁浩冉, 李春銀, 王樹林, 韓光強 申請人:上海理工大學