專利名稱：用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg₂Si粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料技術(shù)領(lǐng)域的Mg2Si粉體的制備方法，具體是一種用 半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法。
技術(shù)背景Mg2Si是目前研究較多的熱電材料，同時(shí)也有潛在的作為結(jié)構(gòu)材料以及儲(chǔ)氫 電極使用的可能性。由于Mg2Si是脆性金屬間化合物，很多研究都致力于通過(guò)粉 末冶金方法獲得納米晶以改善其性能。目前Mg2Si粉體的制備方法有五種一、 熔融一球磨方法。這種方法實(shí)際上是傳統(tǒng)的熔煉制備Mg2Si鑄錠的延伸。 將高純Mg和Si混合置于石墨坩堝中在略高于Mg2Si熔點(diǎn)(1080。C)的溫度如1100。C 左右進(jìn)行熔融，并通入l-3個(gè)大氣壓的高純氬氣進(jìn)行保護(hù)，以減少M(fèi)g的揮發(fā)及氧 化。得到的鑄錠再經(jīng)粉碎、球磨得到Mg2Si粉體。該方法的問(wèn)題是熔煉溫度過(guò)高， Mg不僅易揮發(fā)，還易于和坩堝起反應(yīng)。二、 機(jī)械合金化方法。由原始的高純單質(zhì)Mg粉和Si粉按化學(xué)計(jì)量比混合在 氬氣及液相保護(hù)下通過(guò)球磨得到Mg2Si粉。該方法能得到超細(xì)的、活性較高的粉 體。但存在時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)率低及雜質(zhì)污染的問(wèn)題。三、 固相反應(yīng)法。姜洪義等人在《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》(2001， vol. 8， 7-11) 中將按化學(xué)計(jì)量比配料的Mg和Si的混合粉干法成型，在氬氣保護(hù)下于55(TC下保 溫8h合成了Mg2Si。該法溫度低、純凈度高。但時(shí)間較長(zhǎng)，且需要專用的真空退 火設(shè)備。四、 機(jī)械激活的固相反應(yīng)法，該法結(jié)合了機(jī)械合金化和固態(tài)反應(yīng)兩種方法 的優(yōu)點(diǎn)。Wang等人在《Scripta Materialia》(材料導(dǎo)報(bào)，2003， vol.49, 243) 中用Mg和Si的混合粉在氬氣及液相保護(hù)下球磨后再進(jìn)行固相反應(yīng)。形成溫度可 降低到180-190°C。但球磨時(shí)間仍相當(dāng)長(zhǎng)，需要20h以上。此外由于球磨時(shí)間較長(zhǎng)， 還存在鐵的污染問(wèn)題。五、放電等離子燒結(jié)一球磨方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是合成速度快，但其需要 專用的放電等離子燒結(jié)設(shè)備，費(fèi)用昂貴。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉 體的方法，使其解決時(shí)間長(zhǎng)、效率低、雜質(zhì)多等問(wèn)題，能夠快速的制備得到高 純的Mg2Si粉體。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟-第一步，將Mg粉和Si粉按化學(xué)配比混合后在氬氣保護(hù)下球磨以活化粉末 表面并保證混合均勻；所述球磨，其時(shí)間為1小時(shí)-2小時(shí)。 所述球磨，是在氬氣保護(hù)下進(jìn)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(zhì) (不銹鋼或高溫合金)的密封罐中進(jìn)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(gè)大氣壓氬氣的真空手套箱中實(shí)現(xiàn)。 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(shí)間可相應(yīng)縮短。所述保溫，其時(shí)間為10分鐘-60分鐘。第四步，將密封罐取出快冷到室溫，即可得到松散的Mg2Si高純粉體。 本發(fā)明上述過(guò)程中，由于保溫溫度介于Mg的熔點(diǎn)(649T)和Mg2Si的熔點(diǎn) (1080。C)之間，遠(yuǎn)低于Si的熔點(diǎn)(1410T)，因此是一種半固相反應(yīng)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1) 本發(fā)明是半固態(tài)反應(yīng)，Mg處在液相，因此反應(yīng)速度比固相反應(yīng)顯著提高， 合成時(shí)間縮短，可控制在l小時(shí)內(nèi)；2) 密封罐內(nèi)氣壓由于受熱膨脹可自發(fā)達(dá)到3.7-4.0個(gè)大氣壓，無(wú)需外界加 壓即可抑制Mg的揮發(fā)損失；3) 由于反應(yīng)溫度低，Si和產(chǎn)物Mg2Si都是固態(tài)，因此最后得到是松散的粉 體而不是致密的鑄錠；4) 不需要專用的真空爐進(jìn)行擴(kuò)散退火，僅需普通的空氣爐；5)球磨和反應(yīng)時(shí)間短，因此污染輕、純度高。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的x射線衍射結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)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(gè)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。然后 在行星球磨機(jī)上以255轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速球磨1小時(shí)；(2) 在手套箱中將粉體從球磨罐中取出，裝入氮化硼坩堝，然后整體放入 不銹鋼密封罐進(jìn)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(shí)，然后取出在空氣中 快冷。開(kāi)罐即可得到Mg2Si粉體。如圖1所示，X射線衍射結(jié)果表明沒(méi)有殘留的 Mg或Si存在，原始混合粉體已完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗郙g2Si。經(jīng)化學(xué)分析鑒定其中的 雜質(zhì)Fe含量低于O. 01 wt%。實(shí)施例2:(1) 按實(shí)施例1 (l)所述準(zhǔn)備原料粉體。然后在行星球磨機(jī)上以255轉(zhuǎn)/分的 轉(zhuǎn)速球磨1. 5小時(shí)；(2) 按實(shí)施例1(2)和(3)所述制備得到完全反應(yīng)的Mg2Si粉體，雜質(zhì)Fe含 量低于0. 022 wt%。實(shí)施例3:(1) 按實(shí)施例l(l)所述準(zhǔn)備原料粉體。然后在行星球磨機(jī)上以255轉(zhuǎn)/分的 轉(zhuǎn)速球磨2小時(shí)；(2) 按實(shí)施例1(2)和(3)所述制備得到完全反應(yīng)的Mg2Si粉體，雜質(zhì)Fe含 量低于0. 031wt%。實(shí)施例4:(1) 按實(shí)施例1 (l)所述制備Mg和Si的混合粉體。(2) 按實(shí)施例1(2)所述將混合粉體密封入不銹鋼罐。(3) 將密封罐放入升溫到80(TC的箱式爐中保溫35分鐘，然后取出在空氣 中快冷。開(kāi)罐即可得到完全反應(yīng)后的Mg2Si粉體，沒(méi)有殘留的Mg或Si存在，雜 質(zhì)Fe含量低于O. 01 wt%。實(shí)施例5:(1) 按實(shí)施例l(l)所述制備Mg和Si的混合粉體。(2) 按實(shí)施例1(2)所述將混合粉體密封入不銹鋼罐。(3) 將密封罐放入升溫到900°C的箱式爐中保溫10分鐘，然后取出在空氣 中快冷。開(kāi)罐即可得到完全反應(yīng)后的Mg2Si粉體，沒(méi)有殘留的Mg或Si存在，雜 質(zhì)Fe含量低于0. 01 wt%。
權(quán)利要求
1、一種用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，將Mg粉和Si粉按化學(xué)配比混合后球磨以活化粉末表面并保證混合均勻；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(jìn)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，即得到松散的Mg2Si粉體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特征是， 第一步中，所述球磨，其時(shí)間為l小時(shí)-2小時(shí)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特 征是，第一步中，所述球磨，是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特征是， 第二步中，所述坩堝為一氮化硼或剛玉坩堝。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特 征是，所述密封罐為一耐熱合金材質(zhì)的密封罐。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特 征是，第二步中的所有操作都在充有一個(gè)大氣壓氬氣的真空手套箱中實(shí)現(xiàn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg2Si粉體的方法，其特征是， 第三步中，所述保溫，其時(shí)間為10分鐘-60分鐘。
全文摘要
一種材料技術(shù)領(lǐng)域的用半固態(tài)反應(yīng)制備Mg₂Si粉體的方法，包括以下步驟第一步，將Mg粉和Si粉按比例混合后球磨以活化粉末表面并保證混合均勻；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(zhì)的密封罐中進(jìn)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，即得到松散的Mg₂Si粉體。本發(fā)明具有快速、高效的特點(diǎn)，由此方法制備的Mg₂Si純凈度高、受雜質(zhì)污染輕。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101264890SQ20081003522
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者鋒 孫, 芳 張, 張惠義 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)