机械合金

机械合金化（MA） 最早是由美国国际镍公司的本杰明（Benjamin）等人，于1969年前后研制成功的一种新的制粉技术，并被成功应用到弥散强化高温合金的制备中。从其严格定义上讲是指，金属或合金粉末在高能球磨仪中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。时至今日，人们对机械合金化理论理解进一步加深，机械合金化所需的高能球磨机性能也进一步提升，其应用已扩展至非晶态合金、准晶、纳米晶以及非平衡态材料的研究。（图片来源于网络）机械合金化过程 机械合金化是一个复杂的过程，要获得理想的相和微观结构，对实施机械合金化的高能球磨机提出了极高的要求，因此机械合金化也被称之为研磨应用的“珠穆朗玛峰”。在大多数情况下，在有限的球磨时间内仅仅使各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物或复合物。当球磨时间非常长时，在某些体系中也可通过固态扩散，使各组元达到原子间结合而形成合金或化合物。（图片来源于网络）机械合金化利器——SPEX三维∞高能球磨仪 目前在全世界范围内，已有数千篇使用SPEX高能球磨仪做机械合金化和纳米材料研究的高端文献，甚至可以说，每个做机械合金化研磨的实验室里，都至少有一台SPEX三维∞式高能球磨仪。SPEX发明了三维∞式研磨方式，高能效，可连续工作10000分钟以上，完美契合机械合金化需求，在研磨界没有其他厂家的性能与之匹敌，成就SPEX在研磨界的领导地位。首先，机械合金化需要极高的动能，球磨设备需要具备极高的研磨能力。为了增加研磨介质，研磨罐和物料粉末撞击力和摩擦力，为物料粉末达到原子间结合提供提供极高的动力源泉，SPEX高能球磨仪采用更有效的∞式三维运动方式，其碾磨能量密度达到传统行星式二维运动的6-8倍。其次，研磨时间也是影响机械合金化效果的重要因素。随着研磨的进程，合金化程度会越来越高，因此需要球磨设备提供足够长时间的稳定研磨能力；SPEX高能球磨仪机械工作耐久性极限达10000分钟以上，充分保证了机械合金化进程的有效性。最后，研磨温度也是机械合金化进程中必须考量的重要因素。因为无论机械合金化的最终产物是固溶体、金属间化合物、纳米晶、还是非晶相都涉及到高温扩散降解问题，研磨温度越高，合金化产物高温扩散降解越快，合金化效率越低下；SPEX独特专利设计的∞式三维运动方式，更高比例输出正面撞击力，而非摩擦力，因此热生成更低，合金化效率更高。

文章摘要： 机械合金化（Mechanical Alloying，简称MA）是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。本文以硅锗合金和碲化铋半导体材料合金化制备实验为例，介绍了高能球磨仪Emax的使用方法和技术优势，对合金样品制备的应用有借鉴作用。 传统方法制备不锈钢类合金要求高温下进行熔融，如果需求量很小抑或无法熔融，机械合金法就是一个很好的替代方法，传统上会用行星式球磨仪来完成。上世纪60年代末，美国国际镍公司用机械合金法第一次制备成功耐高温镍铁合金并以此申请专利。机械合金研磨需要有强劲的动能把固体粉末结合在一起，行星式球磨仪产生的高能撞击可以提供所需能量。在研磨球的撞击和挤压下，细粉颗粒会发生塑性形变并且焊合在一起。所以机械合金法可以弥补传统高温熔融无法制备的样品的不足，并且可以制备更大自由度混合比的样品。热电合金材料硅（Si）和锗（Ge）都是最通用常见半导体材料—是光电电池和晶体管产业的基石。硅锗合金材料性质如带隙可以由改变硅和锗混合比例来调整。热电合金材料用于制造航天热偶发电机，保证了空间探索和试验设备的动力供应。在商用热电材料领域，碲化铋（Bi2Te3）因其热电效能转化率高，是研究最多的材料，被用来做半导体制冷元件。 高能球磨仪EmaxEmax的转速能达到每分钟2000转，特殊设计的跑道型研磨罐可以产出更大的粉碎能。结合了高速撞击力和密集摩擦力，高能球磨仪的强劲能量输入可以做快速纳米研磨实验和机械合金应用。跑道型的研磨罐和偏心轮运动方式，有效保证了样品的混合，样品最后不仅可以磨得很细，粒度分布范围也会变很窄。内置水冷管路可以快速带走样品子啊研磨中产生的热量，保护样品免受过高温度影响，从而可以不像行星式球磨仪一样需要间歇停转，大大提高研磨工作效率。如果有更严格的控温需要，Emax还可以外接冷水机，进一步降低研磨温度（最低工作温度不能低于5摄氏度）。 图1：研磨前样品XRD 分析结果 Si（红）Ge（绿）整个扫描范围从10-60°，可以看出Si和Ge晶面特征峰。图2：研磨5小时后XRD分析结果 可以看出晶面特征峰已经偏移和合并，机械合金化已有效果图3:研磨5,8,9小时后XRD分析结果 晶面特征峰值会有所变窄和迁移，显示5-6小时的反应后机械合金反应已经基本完成原来硅和锗的机械合金化反应用是用行星式球磨仪进行的，但是会有很多问题导致结果不尽如人意。行星式球磨仪需要至少80分钟才能把样品处理到可以进行机械合金化的初始细度，接下来即使用中低转速400转/分也会导致样品在研磨罐中结块，无法使用其全部能量来进行机械合金反应。另一个问题是研磨罐过热需要间歇，在整个13小时的反应时间中需要额外加入至少90分钟停止时间。而高能球磨仪Emax自带水冷功能，高速运行也无需间歇，没有样品结块的现象，同时还大大提高了反应效率。 图4： 图 5：Bi和Te机械合金反应 1小时后XRD分析结果 图4为球料比10:1 （体积比）图5为球料比5:1（体积比） 机械合金法制备硅锗合金硅锗合金比为SI 3.63克 Ge2.36克，用50ml碳化钨研磨罐，10mm碳化钨研磨球8个（球料比10:1）。硅料和锗料的原始尺寸为1-25mm和4mm。2000转/分20分钟后，样品已经微粉化无结块现象。接下来1200转/分 9个小时（每隔1小时中间间歇1分钟后反转样品以避免样品结块）。机械合金反应前20分钟样品做了XRD定性和定量分析，Si和Ge的特征峰值都可以很清晰地辨认出来，说明碳化钨球几乎没有产生摩擦效应。在整个反应过程中合金始终保持微粉化，Emax的温度没有超过30℃。经过9个小时的反应后，整个样品基本消除了不定形态，呈微晶状态。机械合金法制备碲化铋研究不同球料比（10:1或5:1）对反应的影响，50ml 不锈钢研磨罐， 10mm不锈钢研磨球 10个。 球料比10:1的罐子中加入2.09克Bi和1.91克Te。 球料比5:1的罐子中加入4.18克Bi和3.83克Te。800转/分 70分钟（每10分钟间歇1分钟并反转），结果做了XRD分析。在经过近1小时机械合金研磨，Bi和Te的特征峰都有明显可辨的偏移，显示化合物Bi2Te3开始形成。球料比10:1的样品形成速度比5:1的更快，因为5：1样品中Te的特征峰值强度更大，说明10:1样品中的Te反应地更多。合金反应继续1200转/分3小时后，没有样品结块。和原来用混合研磨仪1200转/分 6.5小时制备相比，高能球磨仪Emax只需要2-3个小时候就能轻松完成任务。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "机械合金化（MA）是指利用机械能的作用使材料的组元在固态下实现合金化的材料制备技术，而高能球磨是实现MA的主要方法。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为了帮助业内人士了解机械合金化最新技术以及研磨仪最新应用等内容，仪器信息网特别策划了“研磨仪VS机械合金化”专题，并邀请到培安公司董事长刘伟就相关问题发表了看法。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 300px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202009/pic/93dd3f19-1c43-44b9-9448-bda62af2adfd.jpg" width="450" height="300" border="0" vspace="0" title="" alt=""//pp style="text-indent: 0em text-align: center "strong style="text-indent: 0em "培安公司董事长 刘伟/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "仪器信息网：请您谈一谈培安公司的发展历程，以及培安在中国市场的发展历程？/span/strong /pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong刘伟：/strong培安公司是最早的来到中国的外企公司，80年代末就已经在北京开设了办事处。当年培安公司和美国贝尔德公司是同一个股东的兄弟公司，后来贝尔德被热电公司兼并，所以培安成了一独立公司。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我有幸加入培安公司亲历了中国改革开放所有的过程，一路走来，我们认为中国现在取得的成就来之不易，而欧美也是跟中国的改革开放一起成长起来的。全球化自由贸易没有国界，科学也是没有国界的，全球化是人类命运共同体的基础。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "培安公司自成立以来，一直致力于为国内用户提供最先进的科研仪器和最新的科研技术，旨在为提高祖国的科研实力做贡献。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "例如，培安公司所代理的美国CEM公司的微波产品，几乎垄断了所有的微波化学的初创发明，如微波消解仪，萃取仪，灰化仪，微波有机合成和微波多肽合成。从多模道单模到环型单模，开创和领导了整个微波化学的发展。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "例如，培安公司所代理的美国SPEX公司的研磨产品，组织研磨、冷冻研磨、三维高能球磨都是SPEX独创的，开拓和引领了样品粉碎产品的发展方向。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "还有像美国ISCO公司是多通道平行和连续制备色谱的发明者，美国HANSON公司是药物溶出之父等，这些公司这种对科学的开拓精神，值得我们由衷的尊敬。同时经过长时间的积累和沉淀，无论是产品设计、产品应用还是售后维护，都拥有丰富的经验。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "仪器信息网：贵公司的研磨仪产品有哪些独特优势？/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong刘伟：/strong机械合金化最早是由美国国际镍公司的本杰明（Benjamin）等人，于1969年前后研制成功的一种新的制粉技术，并被成功应用到弥散强化高温合金的制备中。机械合金化是一个复杂的过程，要获得理想的相和微观结构，对实施机械合金化的高能球磨机提出了最高的要求，因此机械合金化也被称之为研磨应用的“珠穆朗玛峰”。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "首先，球磨设备要具备足够高的研磨能量，增加研磨介质，研磨罐和物料粉末撞击力和摩擦力，为物料粉末达到原子间结合提供提供足够高的动力源泉。SPEX高能球磨仪采用更有效的∞式三维运动方式，其碾磨能量密度达到传统行星式二维运动的6-8倍。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "其次，研磨时间也是影响机械合金化效果的重要因素，随着研磨的进程，合金化程度会越来越高，因此需要球磨设备提供足够长时间的稳定研磨能力。SPEX高能球磨仪机械工作耐久性极限达10500分钟，充分保证了机械合金化进程的有效性。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "最后，研磨温度也是机械合金化进程中必须考量的重要因素，因为无论机械合金化的最终产物是固溶体、金属间化合物、纳米晶、还是非晶相都涉及到高温扩散降解问题，研磨温度越高，合金化产物高温扩散降解越快，合金化效率越低下。SPEX独家专利设计的∞式三维运动方式，更高比例输出正面撞击力，而非摩擦力，因此热生成更低，合金化效率更高。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "目前，全世界范围内已有数千篇使用SPEX高能球磨仪做机械合金化和纳米材料研究的文献，SPEX机械合金化也在真正意义上被称为研磨应用的“珠穆朗玛峰”。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "仪器信息网：市场上的研磨仪产品还需要在哪些方面进行改进或完善来适应日趋多样化的应用需求？/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong刘伟：/strong研磨仪功能主要分为混合、粒径粉碎以及机械合成。传统二维弧形摆动和行星式研磨仪完全可以满足混合和粒径粉碎的需求，但对能量需求更高的机械合成应用还无法满足。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "SPEX高能球磨机在机械合金化领域一枝独秀，是全世界各大高校、科研单位新材料研究的核心利器。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "仪器信息网：请问您如何看待中国市场的需求及发展潜力？贵公司接下来有哪些发展规划？/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong刘伟：/strong2020是多灾多难的一年，对于经济来说，2019年延续下来的中美贸易战硝烟弥漫，二月初新冠疫情爆发，对中国经济，乃至世界经济都是双重的打击，中美市场均面临挑战。但中国具有体制优势，通过严防死守，迅速从这场灾难中脱身，已开始全面复工复产。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我认为中国市场还是具有很大的发展潜力的。培安依然会坚持引进世界最先进的科研仪器和最新的科研技术，为提高我们祖国的科研实力做贡献。/ppbr//p