本發明涉及低溫球磨領域，具體為一種采用液氮制冷的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的設備，及采用該設備制備納米晶粉體的方法。

背景技術：
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球磨技術(機械合金化)是指金屬或合金粉體在球磨集中通過粉體顆粒與磨球之間長時間激烈地沖擊碰撞，使粉體顆粒反復產生冷焊、斷裂，導致粉體顆粒原子擴散，從而獲得合金化粉體的一種粉體制備技術。

球磨技術也是制備非平衡材料的重要的加工方法，金屬粉體通過球磨能夠制備出過飽和固溶體、無序化程度增大的合金和金屬間化合物、非晶和準晶合金、亞穩相及納米晶材料。

低溫球磨技術由于其較低的工作溫度，大幅降低了粉體變形過程中的動態回復能力。特別適用于制備面心立方結構材料，如：鋁、銅、鎳及其合金的高熱穩定性納米晶粉體。

低溫球磨的優點包括：(1)與常規球磨相比，由于較低的工作溫度和及短的球磨時間，大幅減少空氣中氧的污染；(2)較低的工作溫度有利于破碎韌性材料冷焊產物；(3)較低的工作溫度降低了材料的動態回復能力，大幅降低了將粉體晶粒尺寸球磨至納米尺度的時間；(4)在液氮的環境中可以提高材料中氧氮化合物數量及彌散程度，提高材料的熱穩定性。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種振動式深冷球磨制備納米晶粉體的設備及方法，采用振動式球磨結合液氮制冷的方法實現低溫球磨，依托振動低溫球磨自身的特點，制備出一種粒度、形貌可控、粒度分布集中的高熱穩定性納米晶粉體。

本發明的技術方案如下：

一種振動式深冷球磨制備納米晶粉體的設備，該設備包括：通保護氣體管路、通液氮管路、壓力反饋線路、溫度反饋線路、罐內壓力及溫度控制系統、球磨罐、驅動電機、主軸、偏心輪、彈簧及液氮及保護氣體源，具體結構如下：

球磨罐分別通過通保護氣體管路、通液氮管路與液氮及保護氣體源連通，在所述通保護氣體管路、通液氮管路上分別設置閥門；壓力反饋線路、溫度反饋線路的一端連至球磨罐，壓力反饋線路的另一端連至通保護氣體管路上的閥門，溫度反饋線路的另一端連至通液氮管路上的閥門，壓力反饋線路、溫度反饋線路上設置罐內壓力及溫度控制系統，罐內壓力及溫度控制系統根據球磨罐中的壓力和溫度信號，控制壓力反饋線路、溫度反饋線路上閥門的開度和啟閉；

球磨罐與主軸剛性連接，主軸與驅動電機連接，主軸上設置偏心輪并連接一端固定的彈簧。

所述的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的設備，球磨罐的外殼設置通氮夾層，通液氮管路分兩路，一路連至球磨罐內，另一路連至通氮夾層內。

所述設備的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的方法，采用振動式球磨結合液氮制冷的方法制備納米晶粉體，原料粒度為5～50μm，晶粒尺寸0.5～5μm的商用氣霧化粉末；球磨參數如下：在液氮氣氛或保護氣體氣氛下球磨，球磨溫度在室溫至-196℃范圍調整，球磨振幅2～8mm，振動頻率50Hz，球料質量比(5～15):1，球磨時間1～5h。

所述的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的方法，通過調整不銹鋼磨球尺寸及過程控制劑加入量，精確控制受磨粉體的粒度。

所述的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的方法，通過調整液氮流量可以在常溫至-196℃范圍內自由控制球磨溫度。

所述的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的方法，通過調整偏心輪角度、質量和驅動電機功率控制球磨振幅及振動頻率。

所述的振動式深冷球磨制備納米晶粉體的方法，球磨罐實現罐內灌注液氮伴隨球磨，或在罐外通液氮夾層中充液氮制冷，而在罐內充入保護氣體伴隨球磨，實現深冷球磨氣氛的自由控制。

本發明的優點及有益效果是：

1、本發明采用振動式低溫球磨設備，制備的納米晶鋁粉具有較高的熱穩定性。

2、本發明可以制備粒度分布集中的等軸狀納米晶鋁粉，并精確控制粉體的粒度范圍(D50＝15～500μm)。

3、本發明可以制備厚度為100～200nm的二維片成狀納米晶鋁粉。

附圖說明

圖1為振動式深冷球磨設備示意圖。圖中，1通保護氣體管路；2通液氮管路；3壓力反饋線路；4溫度反饋線路；5罐內壓力及溫度控制系統；6球磨罐；7驅動電機；8主軸；9偏心輪；10彈簧。

圖2為球磨制備的二維片成狀粉體形貌圖。其中，(b)圖為(a)圖的放大圖。

圖3為球磨制備的D50＝400μm的納米晶粉體形貌圖。

圖4為球磨制備的D50＝100μm的納米晶粉體形貌圖。

圖5為納米晶粉體的組織結構圖。其中，(a)為D50＝400μm的納米晶鋁粉體TEM衍射照片；(b)為D50＝400μm的納米晶鋁粉體TEM暗場照片。

具體實施方式

如圖1所示，本發明振動式深冷球磨制備納米晶粉體的設備，由振動裝置、多功能球磨罐、外部輔助控制系統組成，將振動式球磨結合液氮制冷實現低溫球磨，該設備主要包括：通保護氣體管路1、通液氮管路2、壓力反饋線路3、溫度反饋線路4、罐內壓力及溫度控制系統5、球磨罐6、驅動電機7、主軸8、偏心輪9、彈簧10及液氮及保護氣體源等，具體結構如下：

球磨罐6分別通過通保護氣體管路1、通液氮管路2與液氮及保護氣體源連通，在所述通保護氣體管路1、通液氮管路2上分別設置閥門；壓力反饋線路3、溫度反饋線路4的一端連至球磨罐6，壓力反饋線路3的另一端連至通保護氣體管路1上的閥門，溫度反饋線路4的另一端連至通液氮管路2上的閥門，壓力反饋線路3、溫度反饋線路4上設置罐內壓力及溫度控制系統5，罐內壓力及溫度控制系統5根據球磨罐6中的壓力和溫度信號，控制壓力反饋線路3、溫度反饋線路4上閥門的開度和啟閉。

球磨罐6與主軸8剛性連接，主軸8與驅動電機7連接，主軸8上設置偏心輪9；彈簧10的一端固定，彈簧10的另一端連接主軸8。

球磨罐6的外殼設置通氮夾層，通液氮管路2分兩路，一路連至球磨罐6內，另一路連至球磨罐6的通氮夾層內。

本發明采用上述設備制備納米晶粉體可調整的工藝參數如下：液氮氣氛或保護氣體氣氛下球磨，球磨溫度在室溫至-196℃范圍調整，球磨振幅2～8mm，振動頻率50Hz。并且，通過調整磨球材質、尺寸，以及過程控制劑加入量、球料質量比和填充系數等，能夠精確控制受磨粉體的粒度，制備粒度、形貌可控，且粒度分布集中的高熱穩定性納米晶粉末。

特別是，本發明通過調整液氮流量可以在常溫至-196℃范圍內自由控制球磨溫度；本發明通過調整偏心輪角度、質量和驅動電機功率可以控制球磨振幅及振動頻率。本發明可以在球磨罐內灌注液氮伴隨球磨，或在罐外夾層中充液氮制冷，而在罐內充入一定壓力的保護氣體伴隨球磨，實現球磨氣氛的自由控制。

下面，通過實施例對本發明進一步詳細闡述。

實施例1

本實施例中，球磨原始晶粒尺寸約為1～5μm的商用氣霧化鋁粉。球磨溫度-180℃，球磨振幅5mm，振動頻率50Hz，球磨時間2小時，采用不銹鋼磨球，球料質量比10:1，加入硬脂酸量為磨料質量2％，制備出厚度為100～200nm的二維片成狀納米晶粉體，晶粒尺寸約為35nm。

實施例2

本實施例中，球磨原始晶粒尺寸約為1～5μm的商用氣霧化鋁粉。球磨溫度-180℃，球磨振幅6mm，振動頻率50Hz，球磨時間4小時，采用不銹鋼磨球，球料質量比10:1，調整磨球尺寸后能夠制備出粒度分布集中、D50在15～500μm范圍內精確控制的等軸狀納米晶粉體，晶粒尺寸約為50nm。

實施例3

本實施例中，球磨原始晶粒尺寸約為1～5μm的商用氣霧化鋁粉。球磨溫度-180℃，球磨振幅4mm，振動頻率50Hz，球磨時間2小時，采用不銹鋼磨球，球料質量比10:1，調整磨球尺寸后能夠制備出粒度分布集中、D50在15～500μm范圍內精確控制的等軸狀超細晶粉體，晶粒尺寸約為200nm。

如圖2所示，采用本發明球磨制備的二維片成狀粉體的SEM照片，由圖(a)可知粉體在兩個維度上呈微米尺度；由圖(b)可知二維片成狀粉體的厚度約為100～200nm。

如圖3、圖4所示，采用本發明球磨制備的D50＝400μm及D50＝100μm的納米晶粉體的SEM照片，由圖可知粉體呈等軸塊狀，具有很好的流動性及氣動加速效果，且粒度分布集中。

如圖5所示，采用本發明球磨制備的D50＝400μm納米晶粉體的TEM照片。圖(a)為粉體的TEM衍射花樣為環形，是典型的納米晶結構衍射花樣，圖(b)為該區域TEM暗場照片，由照片可知粉體的平均晶粒尺寸約為50nm。

實施例結果表明，采用振動式球磨工藝結合液氮(液氮)制冷實現振動式低溫球磨制粉，區別于已有的行星式、攪拌式低溫球磨設備，該設備的球磨原理以振動擠壓破碎、夯實為主，并能夠靈活控制球磨氣氛。從而，可以通過調整球磨參數在短時間內制備出粒度、形貌可控，且粒度分布集中的高熱穩定性的納米晶粉體。球磨過程中可以選擇在保護氣體氣氛中球磨，以減少氧氣的污染，也可選擇在液氮氣氛中球磨，使受磨粉體中含有彌散分布的氮氧化物，增強粉體的穩定性。