[发明专利]一种制备纳米结构块体材料的方法

说明书

本发明提供一种制备纳米结构块体材料的方法，将初始材料置于高压装置中进行反复高压压制，压制条件为：升压至初始材料压力相变点以上后卸压至初始材料压力相变点以下，然后重复所述升压、卸压若干次，以获得所需颗粒尺寸的纳米结构块体材料。本发明采用可压致相变材料作为初始材料，利用反复高压相变的方法制备纳米结构的块体材料，获得的样品具有均匀性高，致密度高的特性；获得的纳米结构材料的颗粒尺寸具有从几纳米至几百纳米范围的尺寸，并且根据不同的反复加压相变次数获得可期望的纳米尺寸结构的块体材料。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种制备纳米结构块体材料的方法。

背景技术

纳米结构材料是指结构单元的尺寸介于1nm～100nm范围之内。因为其尺度已经接近电子的相干长度，加上具有较大的比表面特殊性效应，因此其熔点、磁性、光学、热导、电导等往往表型出优异的性质，例如，纳米硅可用于提高太阳能电池的光电转换效率。现有纳米材料的尺寸通常为一维纳米线或者二维纳米薄膜，这样的纳米材料仅限于科学研究，不适用于实际的工业生产，因此，若将纳米结构材料付诸于实际应用中，制备大尺寸的纳米结构块体材料十分必要。

现有技术中，有高压扭转法制备纳米结构块体材料，其原理是以低于0.4Tm的温度条件，将粉末置于磨具内，模具内的盘状试样被施以若干GPa的扭转压力P，同时下模转动并通过主动摩擦在其横截面上施加一扭距，促使试样产生轴向压缩和切向剪切变形，其实质在于使试样产生较大的塑性形变，改善试样内部的组织，获得亚微米级甚至纳米级结构块体材料；压制过程中，由于原料内部受力不均，晶粒尺寸分布也不均匀。

通过高温高压进行压制的方法也可以得到纳米多晶块体材料，其主要原理是将纳米或微米级粉末原料装于组装件后置于压机中进行高温高压烧制，在高温条件下，空气中的杂质会进入样品，从而影响样品的纯度，甚至改变样品的成分，影响制得的纳米结构块体材料的性能，同时，对于此方法需同时满足高温和高压两个条件，具有较高制作成本。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于提供一种制备纳米结构块体材料的方法，以获得具有高致密度、晶界清洁、组分均匀的纳米结构块体材料。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种制备纳米结构块体材料的方法：将初始材料置于高压装置中进行反复高压压制，压制条件为：升压至初始材料压力相变点以上后卸压至初始材料压力相变点以下，然后重复所述升压、卸压若干次本发明方法的原理在于：通过重复所述升压、卸压操作使初始材料反复相变，使初始材料的晶粒重新成核和长大，进而细化晶粒，利用多次加压，使晶粒细化到一个临界成核尺寸，得到致密度高、晶界清洁、组分均匀的纳米结构块体材料。

优化的，所述压制条件为：升压至初始材料压力相变点以上后卸压至初始材料最低压力相变点以下，然后重复所述升压、卸压若干次；若初始材料在一定的高压范围内有多个压力相变点，升压至一定范围内最高压力相变点以上的过程中，初始材料发生多次相变，从而结成晶粒尺寸够细的纳米结构块体材料，卸压至最低压力相变点以下后再次加压过程中，材料再次发生多次相变。

从制备技术上来说，初始材料采用单晶、多晶、非晶均可，只要该初始材料在高压下有相变，均可以采用本发明提供的方法将其制成纳米结构块体，其中，初始材料为单晶材料，效果较好；进一步的，所述初始材料为单晶硅，30GPa以内，单晶硅的高压相变点有3个，分别为11GPa左右、13GPa左右、16GPa左右，理论上通过最高加载压力大于11Pa的反复加压操作即可满足单晶硅多次相变为纳米结构材料，为了达到最优的压制效果，所述压制条件为：升压至16GPa以上后卸压至11GPa以下，然后重复所述升压、卸压若干次，通过最高加载压力大于16GPa的反复加压操作即可快速得到颗粒尺寸最小的纳米结构材料；为了保证原料充分的相变，作为优化，所述压制条件为：升压至18～20GPa后卸压至常压，然后重复所述升压、卸压2～10次，产生越高的压力，高压设备的损耗越大，取20GPa的最高压力既可满足单晶硅多次相变为纳米结构材料，又尽可能的缩小生产成本，减少设备损耗。