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金属超细粉体26种制备方法解说
浏览:2 次 发布日期:2021-04-15

 近几十年来,各国对超细粉体的研制非常活跃,日本处于领先地位。一些大学和企业对超细粉体的制备、应用及物理性能的测试等方面,开展了系统、全面的研究,并且把它列为材料科学的四大研究任务之一。

超细粉体的特性总体上可归结为两个方面:由于颗粒体积变小,而引起的体积效应;颗粒表面原子数目的比例增加,而引起的表面效应。具体表现在物质的熔点、比热、磁性、电学性能、力学性能、扩散及光的吸收与反射等方面所呈现出的特异性质。

正是由于超细粉体的这些特异性质,使它越来越广泛地应用于感光材料、硅酸盐材料、磁记录材料、电极材料、导电涂料、催化剂、化妆品填料、光学材料等各个领域,其应用前景也是十分广阔。中国粉体网编辑参考华东理工大学赵斌教授的论文对金属超细粉体的几十种制备方法作了以下概述。

1.机械粉碎法

机械粉碎法的原理非常简单,它是利用高能球磨方法,将大块的金属或合金材料用球磨机进行机械粉碎。这也是制备金属粉体的最古老的方法。适当控制球磨机条件,可以制备出纳米级的纯元素、合金或复合材料。这种方法制备出的合金呈现出极高的强度,可以用于制备纳米陶瓷与金属基的复合体。

机械粉碎法的优点在于工艺简单,能制备出常规方法难以获得的高熔点金属或合金超细材料。它的缺点有:在球磨过程中,由于涉及机械粉碎和分级,因而易代入杂质,粉料特性难以控制且制粉效率较低。

2.气相沉积合成法

气相沉积合成法是目前世界上用于制备超细材料的常用方法。该方法是首先将真空室抽成高真空,然后通入惰性气体,使压力保持在约1000 Pa。从蒸发源蒸发金属,惰性气流将蒸发源附近的超微粒子带到液氮冷凝器上,待蒸发结束后,将主真空室抽至高真空,把纳米粉体刮下,通过漏斗接收。在与主真空室相连的成型装置中,在室温和70MPa~1.5GPa的压力下压缩成型,得到金属超细材料。

该方法可以制备金属及合金超细材料,而且成功地制备了氧化铝、二氧化钛、氟化钙、钛酸钡等化合物的超细材料。尤其适合于制备液相法无法制得或难以制得的非氧化物:碳化硅、氮化硅等粉体。该方法的缺点是:所制得的样品尺寸小,试验设备要求高,而且难以实现工业化生产。

3.雾化法

雾化制粉包括3个阶段:先将金属熔融成为液体,然后使得熔融态金属在雾化室中雾化分散金属液为微小的液滴,最后迅速将液滴冷凝成固体粉体。

用该方法可以制造金属或合金的超细粉,尤其适合应用于不锈钢超细粉的制造。其缺点是耗能巨大,试验设备要求很高。

4.激光法

激光法是以激光为加热热源,诱发气相反应的合成超细粉技术。激光法的原理为气体分子受到红外光或紫外光的照射时,如果气体的吸收带与光波波长一致,那么,气体分子就吸收该波长的光。激光法利用此特点,选用吸收带与激光的激发波长相吻合的反应气体(当二者不一致时,加入光增感剂,如SF6、SiF4等)。通过对激光能量的共轭和碰撞传热,气体分子在瞬间达到自发反应温度并完成反应。光吸收、分解、成核、生长都是在瞬间完成。激光法主要适用于合成一些用常规方法难以获得的化合物超细粉,如SiC、Si3N4、B4C等。也可以用来制备金属粉,如银粉铜粉等。激光法制粉的成本非常高。

5.化学燃烧法

化学燃烧法是以火焰燃烧器为加热热源。先将金属盐溶于含水溶液,在通过喷嘴雾化到由同轴圆筒燃烧器发出的H-O,H-空气,H-空气-N火焰上,金属盐受热而发生氧化-还原反应,析出金属超细颗粒。

6.气相化学还原法

该方法以卤化物为原料,如氯化银。首先制备氯化银晶体,再加热气化变成气体,在氢气的还原气氛中,发生氧化-还原反应,从而生成银颗粒。而对于氧化物气体,还可以使用一氧化碳来作为还原剂。由于反应中需要高温蒸发卤化物,而且还原气体需要一定的高压,这使得对设备和能量的要求提高,从而降低了它的实用性。

7.固液置换反应法

在一些外国专利中,提到了利用置换反应来制备金属和合金超细材料。即利用活泼金属来置换不活泼金属,从容易制得的金属微粒置换出相对较难制得的金属微粒。

8.固相还原反应法

该方法是机械粉碎法和化学还原法相结合的一种方法。先将金属的纯净氧化物用高能球磨机磨成一定大小的超细粉,再用还原剂进行还原而得到纯金属粉。其缺点是过程太多,成本增加。

9金属有机化合物热分解法

该方法利用金属和有机化合物的热不稳定性,预先将金属有机物溶于有机溶剂,加热使之发生分解反应,成长为金属超细颗粒。当加入第2种金属的有机化合物时,可以形成合金。例如铁、镍的金属羰基化合物的热分解法可制得纳米级金属粉体。金属有机化合物的热分解法设备较简单,也不需加热到气相法那样高的温度,但金属有机物的制备本身就要很高的成本,而且有机反应本身有反应不完全、不易控制等缺点。
10.液相化学还原法

该方法是制备金属超细粉体的常用方法。它是通过液相氧化还原反应来制备金属超细材料。根据反应中还原剂所处的状态,又可分为气液还原法(以氢气为还原剂)和液相化学还原法。以氢气作还原剂,对设备的投资有所增加,但产品纯度可提高。液相化学还原法的过程为常压、常温(或温度稍高,但小于100℃)状态下,金属盐溶液在介质的保护下,直接被还原剂还原的制备金属超细材料的方法。经还原后生成的金属超微粒子,均匀分散于保护介质中而形成金属胶体,经后处理得到金属超细粉。

该方法的优点:a.制粉成本较低。b.设备简单且要求不高。c.反应容易控制,可以通过反应过程中对温度、反应时间、还原剂余量等工艺参数来控制晶形及颗粒尺寸。d.工艺过程简单,通过控制其工艺过程,可以制造出合金超细材料,金属掺杂工艺易于实施,从而达到有目的掺杂。e.易于实现工业化大生产。

11.微乳化液法

微乳化液法是在上面所述传统、均相的液相化学还原法基础上发展起来的新方法。其原理非常巧妙,它首先制备金属盐的均相微乳溶液,化学反应集中在微乳化液滴内进行。颗粒也在小液滴内形成。颗粒直径大致与微乳化液滴直径相同,改变小液滴直径可控制颗粒粒径大小。溶剂中包含一种表面活性剂和一种有机溶剂。表面活性剂与有机溶剂的比例控制了微乳液的数量与尺寸,而微乳液的数量与粒度分布决定了金属粒子的数量与粒度分布。这样可以得到单分散的金属颗粒。金属颗粒形成之后,均相的溶液分为两相:一相含有大量的金属超微粒子,而另一相含有大量的表面活性剂。金属颗粒可以从一相中分离、干燥,得到粉体,而表面活性剂可以从另一相中回收循环使用。

12.水热法

高温高压下,在水溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应的总称,可分为水解氧化、水解沉淀、水解合成、水解还原等;也可用水热法来制备金属超细粉体。

13.冷冻干燥法

将金属盐溶液雾化为微小液滴,并快速冷冻成固体,然后加热使这种冰结的液滴中的水升华气化,从而形成了溶质的无水盐,经煅烧合成超细粉体。

14.溶胶-凝胶法

将金属醇盐或无机盐经分解,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧,最后得到金属超细粉体。

15.沉淀法

通过溶液的化学反应得到金属化合物的沉淀,进一步煅烧还原得到金属粉体。

16.爆破法

把金属或化合物和火药一起放入容器内,使之爆炸,在瞬间高温、高压下,形成超细粉体。

17.电解法

将锌、铁、镍、钴等金属盐溶液电解后析出金属粉体。

18.等离子法

在等离子射流中,使金属发生物理化学变化,得到金属蒸汽,进行骤冷而得到粉体。

19.溅射法

用2块金属板分别作阴极和阳极,阴极为蒸发用材料。在2极间充入Ar气(40~250 Pa),在2极间施加电压为0.3~1.5 kV。由于2级的辉光放电使Ar离子形成。在电场的作用下,Ar离子冲击阴极靶材表面,使靶材原子从其表面蒸发出来形成超细粉体,并在附着面沉积下来。

20.超声波粉碎法

将几十微米的细粉装入盛有酒精的不锈钢容器内,并通入几十个大气压的惰性气体(通常为氮气),以一定的频率和功率的超声波进行粉碎。这个方法对脆性金属比较有效。

21.真空蒸发镀膜法

该方法是将待成膜的基片放在蒸发容器的中部,而原材料涂敷于容器内壁周围,把蒸发容器抽成真空状态,再在容器外加热使得原料中的物质飞溅到基片上,从而冷却后形成的制作超细粉体膜的方法。

22.电弧法

以贵金属作为电极,在液体中引弧,通过电弧产生金属蒸气,金属蒸气在液体环境中冷却,形成超细粉体贵金属颗粒。釆用高频电弧可以得到更好的结果。当以铂作为电极时,可以制备超细粉体胶体粒子。

23.金属蒸气合成法

金属蒸气合成(MVS)法以电子束激发金属,然后在77K低温使金属蒸气与有机溶剂蒸气共同凝聚,再加热升温,可形成溶剂稳定化的金属超细粉体粒子,其粒径可控制在1~5nm内,在存在合适分散剂的条件下,金属颗粒尺寸分布甚至更窄,可达到并稳定在1~3nm范围内。此法可制备呈高度分散状态的贵金属超细粉体粒子。

24.辐射分解还原法

辐射法是采用Y射线或高能电子束辐射金属盐溶液,激发或电离金属盐溶液中的溶剂分子,使其产生荣计划电子、离子或自由基。对水溶剂而言,辐射产生活性离子eaq、H.、OH、H3O+。Eaq的标准氧化还原电位为-2.7V,具有很强的还原能力;H也具有还原能力;eaq和H能将前驱体化合物还原。当加入甲醇、异丙醇等自由基清除剂时发生争夺H反应而清除OH,同时生成还原性有机自由基R(如CH2OH),它可以稳定中间价态和参与后续还原反应。还原性的eaq与金属离子发生反应,将金属离子还原为金属原子和制备得到金属超细粉体粒子。

25.活性氢-熔融金属反应法

该法是利用含有氢气的等离子体与金属间产生电弧,使金属熔融,电离的N2,Ar等气体和H2溶入熔融金属,接着含有金属超微粒子的气体被释放出来,超微粒子的生成量随等离子气体中氢气浓度的增加而增加。

26.电爆法

该法是近年来国际上兴起的用于工业上生产纯金属、氧化物、氮化物和合金的超细粉体的重要方法,它利用高压脉冲放电,使得金属丝熔融汽化发生爆炸,金属蒸汽在介质气体碰撞下急速冷却形成超细金属或者合金粒子,所制备的超细粉具有气体冷凝法的特点,被认为是很有前途的超细粉工业化制备方法。



参考来源:金属超细粉体制备方法的概述  国家超细粉末工程研究中心


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