[发明专利]一种采用冷冻干燥制备超细氧化钇掺杂钨复合粉末的方法

说明书

本发明提出一种采用冷冻干燥制备超细氧化钇掺杂钨复合粉末的方法，将偏钨酸铵、硝酸钇六水合物溶于去离子水或蒸馏水中，用超声处理使其分散、溶解，制得溶液；将溶液倒入表面皿或其它表面积大的容器中，平放于冰箱中，在‑40～‑10℃预冻；提前将冻干机的制冷和真空计打开，待冻干机温度降低到达步骤冷冻温度‑58～‑20℃并稳定后，将预冻后的表面皿放入冷冻干燥机中，打开真空泵后维持真空度冷冻干燥；冻干后将该复合粉末置于管式炉中，在氮气或氩气气流中煅烧得到WO₃‑Y₂O₃复合氧化物粉末；在管式炉中用纯净的氢气进行两步还原得到超细氧化钇掺杂钨复合粉末。平均晶粒尺寸10nm左右，晶粒粒度分布极窄，无双峰分布现象。

技术领域

本发明提出了一种全新的方法—冷冻干燥法来制备超细W-Y₂O₃复合粉末的技术，属于粉体制备工程技术领域。

背景技术

钨基材料因具有热膨胀系数小、抗蚀性和抗氧化性能好、导电导热性能好、强度高、延性好、抗冲击韧性好以及射线吸收能力好等优异性能而被广泛应用于信息、能源、冶金、航空航天、国防军工和核工业等领域。同时，钨基材料也被认为是最具前途的面向等离子体材料(PFM)。但是，钨基材料所具有的脆性一直是限制其在核聚变领域应用的难题，包括低温脆性、再结晶脆性和中子辐照脆性。

研究表明提高钨基合金性能的有效途径是减小合金的晶粒度至超细尺寸，甚至达到纳米级尺寸。超细合金引入的大量晶界能够优化杂质元素的均匀性分布，从而降低其韧脆转变温度。同时，超细钨基合金能够很好地阻碍其在高温时的回复和再结晶，不仅提高了再结晶温度，而且降低了钨基合金的低温脆性。此外，相关的研究表明细晶钨较粗晶钨在同等剂量中子辐照下会产生较少的缺陷，抗辐照能力明显增强，并认为这与纳米材料的自我修复机制有关。因此，开发新的制备工艺获得超细晶组织，进而提高高温力学性能、抑制再结晶脆化和改善抗中子辐照能力成为实现钨基材料在核聚变PFM中应用的关键。近期发展的第二相(主要为碳化物和氧化物)弥散钨基材料在这一方面取得了较好的效果，其中尤以高温性质稳定的Y₂O₃添加效果显著。在制备超细钨基合金时所采用的前驱体粉末粒度要比一般的前驱体粉末细的多，而且这类粉末具有极高的烧结活性，因此主要的技术难题是超细前驱体粉末的制备及后续合金的烧结。

目前超细前驱体粉末的制备传统的机械合金化方法、真空干燥法、溶胶凝胶法、湿化学沉淀法、喷雾干燥法等方法，每种方法都有一定的局限性，研磨不能保证纯度、均匀性掺杂，不能对晶粒的大小、形状、分布实现精确的调控；其它制备方法组织不均匀，晶粒较大，有双峰分布现象，这是因为存在汽-液界面，因界面张力，在粒子之间和粒子内的孔洞中会形成弯月面，导致强大的拉力产生，致使粒子骨架塌陷和紧密接触，造成粒子软、硬团聚、颗粒大小分散的不均。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种全新的方法—冷冻干燥法来制备超细W-Y₂O₃复合前驱体粉末的技术，实现高纯度、均匀性混合以及对微量掺杂颗粒的分布、大小和形状实现精确的调控。

冷冻干燥的基本原理是通过对物料内水分的低温冻结，然后抽真空使冰晶直接转化为气态升华，从而使得物料脱水后形成固体颗粒。即利用冷冻干燥法，将冷冻后的溶液在高真空条件下将冰转变为蒸汽除去，直接析出纳米晶粒和纳米颗粒。该方法主要优点是由于在低温下进行，干燥后的物料保持原来的化学组分和物理性质，制得的粉末晶粒小数十倍且粒度分布极窄，并能有效避免其它元素的引入，也不需要再另行蒸发液体或者物理分离处理。

具体技术方案如下:

一种超细氧化钇掺杂钨复合粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)将偏钨酸铵、硝酸钇六水合物溶于去离子水或蒸馏水中，用超声处理使其分散、溶解，制得溶液；

(2)将溶液倒入表面皿或其它表面积大的容器中，平放于冰箱中，在-40～-10℃预冻；