一种大量制备锡晶须的方法技术

本发明专利技术是一种大量制备锡晶须的方法，具有工艺简单、生产效率高、成本低，晶须生长速度快、数量多、质量高等优点，解决了目前锡晶须制备中存在的工艺复杂、成本高、晶须质量不高等问题。具体方法为：步骤1.将Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料；步骤2.将步骤1中得到混合原料与磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至1～100Pa；步骤3.将步骤2中密封好的真空球磨罐装入行星式球磨机中，球磨转速为100～1000r/min，球磨时间为1～50h；步骤4.将步骤3中球磨后所得的粉体在0～1GPa下成形制样或保持粉末状态；步骤5.将步骤4中所得制样培养后，样品中生长出大量的锡晶须。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料制备领域，具体涉及大量生长的锡晶须的方法。
技术介绍
金属晶须是自然形成或在人工控制条件下生长而成的一种纤维状单晶，通常不含有晶体学缺陷，原子排列高度有序，因而其强度接近完整晶体的理论值。同时金属晶须的高度取向结构还使其具有优异的电学、磁学、光学、介电、导电和超导等性能，因此在电子和光电设备上有巨大的应用前景。锡晶须作为一种典型的金属晶须，优异的力学性能使其可以作为高强度复合材料的增强相。且锡晶须理论比容量高达994mAh/g，远高于商用锂离子电池中所采用的石墨的理论比容量(372mAh/g)(Y.Idotaetal.Science.1997，276：1395-1397)；锡晶须可以有效缓解电化学反应中锡的体积膨胀与收缩，同时电荷沿晶须传输，具有高的运输效率。这使得以锡晶须作为锂离子电池电极具有很大的发展潜能。目前晶须的制备方法主要有气相-液相-固相法(VLS)(R.S.Wagneretal.AppliedPhysicsLetters.1964，4：89-90)和模板法(C.R.Martin.Science.1994，266：1961-1966)。VLS的生长过程为：在一定温度下，固体衬底上形成含有催化剂的小液滴，然后蒸发态的反应物融入金属催化剂的液滴中，在其中形核生长，最后反应物在催化剂液滴的控制下逐渐生长成晶须。VLS的优点是产率大，产物一般为单晶。但是对设备要求高，反应过程需要引入气相和催化剂，大大提高了晶须制备成本。另外催化剂的使用还可能对产品造成污染。模板法是制备晶须的另一种常用方法，利用电化学沉积法、溶胶-凝胶沉淀法、化学气相沉积法、化学沉积法等方法均能在模板内合成所需晶须。模板法是一种相对简单、高效、价廉的方法，且可以通过模板孔径来控制晶须直径。但模板法制备的晶须通常是多晶，且在数量上也受到一定限制。除了VLS和模板法，冼爱平等人以NdSn3为原料制备了Sn晶须，详见《一种Sn晶须的制备方法》一例(CN101935872A)。锡晶须的自发生长现象最早于20世纪40年代发现在锡镀层上。近年来，在金属间化合物以及Ti2SnC等金属性陶瓷材料上也发现了锡晶须自发生长现象。本专利技术利用Sn晶须在Ti-Sn-C合金化体系中的快速生长现象大量制备了Sn晶须单晶。
技术实现思路
技术问题：为了解决现有锡晶须制备方法中存在的工艺复杂、成本高、晶须质量有待提高等问题，本专利技术提供了一种利用粉末冶金途径大量制备锡晶须的方法。技术方案：本专利技术以Ti、Sn、C元素为原料，利用球磨机进行球磨，球磨后将粉体取出，在一定压力下成形制样或保持粉末状态，培养一段时间后样品中生长出大量锡晶须。本专利技术是通过粉末冶金途径制备锡晶须，具体包括以下步骤：步骤1.将Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料；步骤2.将步骤1中得到混合原料与磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至1～100Pa；步骤3.将步骤2中密封好的真空球磨罐装入行星式球磨机中，球磨转速为100～1000r/min，球磨时间为1～50h；步骤4.将步骤3中球磨后所得的粉体在0～1GPa下成形制样或保持粉末状态；步骤5.将步骤4中所得制样培养后，样品中生长出大量的锡晶须。其中：所述的Ti粉、Sn粉和C粉的摩尔比为：1∶1∶1～1∶2∶1。所述的磨球与原料的质量比为1∶1～100∶1。所述的步骤5中对制样的培养条件是：生长温度为-10℃至锡的熔点231.89℃，培养气氛为空气、真空或氩气气氛。技术原理：Ti粉、Sn粉和C粉在高能球磨过程中发生机械合金化反应，生成一定量的Ti2SnC微晶。Ti2SnC金属性陶瓷材料是一种三元层状化合物，由Ti的八面体和Sn原子层交替排列组成，其中C位于Ti的八面体间隙中，这种特殊的层状结构使Ti-Sn之间的键合很弱，Ti2SnC晶粒在继续球磨过程中极易发生断裂，形成大量Ti2SnC解理面。当粉体中自由Sn与Ti2SnC解理面接触时，就会形成锡晶须自发生长所需的晶须核，同时基体中大量自由Sn为锡晶须的生长提供了充足Sn原子来源。因此，短时间内就能形成大量的锡晶须。有益效果：本专利技术与VLS和模板法等传统锡晶须制备工艺相比，工艺简单，无需引入气相、催化剂和模板等，对设备要求低、工艺参数范围宽，大大降低了锡晶须制备的成本；制备的晶须数量多，且均为单晶体，晶须质量高。与冼爱平等人的锡晶须制备方法(CN101935872A)相比，本专利技术中以Ti、Sn、C元素为原料，未使用价格昂贵的稀土元素，原材料成本低；制备过程仅需球磨即可，工艺简单，节约能源；晶须生长速度快，晶须数量显著多于前者。附图说明图1为本专利技术实施例1中，Ti、Sn、C混合粉末球磨后的X射线衍射图谱；图2为本专利技术实施例1制备的锡晶须的X射线衍射图谱；图3为本专利技术实施例1制备的锡晶须的光学照片；图4为本专利技术实施例1制备的锡晶须的扫描电镜照片。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细的描述：本专利技术实施例所选用的Ti、Sn、C粉均由国药集团化学试剂有限公司生产，纯度分别为99.0％、99.5％和99.85％，粒度分别为250、200和500目。实施例1：按摩尔比1∶2∶1称量Ti粉、Sn粉和C粉作为制备锡晶须的原料；采用不锈钢球作为磨球，磨球与原料的质量比为20∶1；将称量得到的原料与磨球一起加入不锈钢真空球磨罐中，抽真空至约10Pa；将密封好的不锈钢真空球磨罐装入球磨机中，球磨转速设置为800r/min，球磨时间设置为8h；球磨结束后取出粉体，其X射线衍射图谱如图1所示；将经过球磨的粉体置于室温空气环境下，7天后，粉体中生长出大量的锡晶须，如图3和图4所示。实施例2：按摩尔比1∶1∶1称量Ti粉、Sn粉和C粉作为制备锡晶须的原料；采用不锈钢球作为磨球，磨球与原料的质量比为30∶1；将称量得到的原料与磨球一起加入不锈钢真空球磨罐中，抽真空至约10Pa；将密封好的不锈钢真空球磨罐装入球磨机中，球磨转速设置为800r/min，球磨时间设置为4h；球磨结束后将粉体取出，在200MPa下成形制样，然后将样品置于室温空气环境下，12天后，样品中生长出大量的锡晶须。实施例3：按摩尔比1∶1∶1称量Ti粉、Sn粉和C粉作为制备锡晶须的原料；采用不锈钢球作为磨球，磨球与原料的质量比为10∶1；将称量得到的原料与磨球一起加入不锈钢真空球磨罐中，抽真空至约10Pa；将密封好的不锈钢真空球磨罐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大量制备锡晶须的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1.将Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料；步骤2.将步骤1中得到混合原料与磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至1～100Pa；步骤3.将步骤2中密封好的真空球磨罐装入行星式球磨机中，球磨转速为100～1000r/min，球磨时间为1～50h；步骤4.将步骤3中球磨后所得的粉体在0～1GPa下成形制样或保持粉末状态；步骤5.将步骤4中所得制样培养后，样品中生长出大量的锡晶须。

【技术特征摘要】
1.一种大量制备锡晶须的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1.将Ti粉、Sn粉和C粉混合，得到混合原料；
步骤2.将步骤1中得到混合原料与磨球一起加入真空球磨罐中，抽真空至
1～100Pa；
步骤3.将步骤2中密封好的真空球磨罐装入行星式球磨机中，球磨转速为
100～1000r/min，球磨时间为1～50h；
步骤4.将步骤3中球磨后所得的粉体在0～1GPa下成形制样或保持粉末状
态；
步骤5.将步骤4中所得制样培养后，样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正明，刘玉爽，张培根，张亚梅，丁健翔，凌晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32