金属超细粉体制备

存档日期： 存档编号: 北京化工大学 研究生课程

课程名称： 超细粉体制备 课程代号： ChE583 任课教师： ** 完成日期： 2011 年 12 月 29 日 专 业： 化学工程与技术 学 号： ********** * 名： ***

成 绩： 超细粉体制备课程论文

1 金属超细粉体的制备方法 程治化 （北京化工大学化学工程学院，北京市朝阳区，100029）

摘要：本文介绍了一些制备金属超细粉体的方法，主要是制备用于水反应金属

燃料的金属粒子所采用的电爆炸法和电弧等离子法，制备高纯度、粒度均匀的超细金属粉末所用的电解法以及以传统电解法为基础的超声波法，超声波法克服了传统电解法的一些缺点，制得的粉末颗粒较细且不易团聚。

关键词：金属超细粉体；制备；电爆炸法；电弧等离子法；电解法；超声波

Abstract: This article introduces some methods of preparation of ultrafine metal

powders. It mainly includes electrical explosion method, Arc plasma method, electrolysis method and ultrasonic method based on the traditional electrolysis method. The electrical explosion method and Arc plasma method are used to prepare superfine powder of metal used as metal fuel for water reaction. The superfine powder of metal prepared by electrolysis method has some good properties. It is epigranular and has high purity. The ultrasonic method has overcome some shortcomings of traditional electrolysis method. The obtained powder has thin particle size and is not easy to get gather.

Key Words: ultrafine metal powders; preparation; electrical explosion method; Arc

plasma method; electrolysis method; ultrasonic

前言 超细粉体的定义尚不统一，一般分为微米级粉体（1μm < x < 100μm）、亚微米级粉体（0.1μm < x < 1μm）、纳米粉体（0.001μm < x < 0.1μm）。它属于微观粒子和宏观物体之间的过渡区域，由于超细颗粒具有比表面积大、表面活性高等特点，使其具有一系列特殊的物理、化学性能，因而被广泛应用于宇航、国防、化工、冶金、电子、生物工程和核工业等方面[1]。当今超细粉体材料产业化项目中就其应用的成熟性和规模仍以亚微米粉体居多，纳米粉体次之。但纳米粉体有很大的潜在市场需求。产业化超细粉体主要为超细金属粉体，如：Al，Ni，Zn，Fe，Cu，Ag及其些合金超细粉体，其中Ni、Zn为亚微细粉体，Al，Fe，Cu，Ag 为纳米粉体；超细陶瓷粉体，如：ZrO2、Al2O3、Bi2O3、Fe2O3、SiO2、ZnO等超细粉体；超细铁氧体粉体。 对于超细粒子的制备已有许多方法，根据反应体系的不同可分为气相法、液相法和固相法[2]。气相法一般是指用气体原料或将原料蒸发成气体，然后通过化学反应或物理作用再生成超细颗粒的方法。这类方法中包括气相化学反应、激光超细粉体制备课程论文 2 合成法、电爆炸法、惰性气体冷凝法和电弧等离子体法[3]。液相法是当前实验室和工业上广泛采用的合成高纯超细粉体的方法，可分为沉淀法、水解法、溶胶一凝胶法、微乳液法和溶剂蒸发法等。固相法目前主要采用的是机械法(也称粉碎法)。它采用研磨或气流、超声方法将块状物质粉碎、细化，从而得到不同粒径范围的超细颗粒。金属超细粉体的制备，主要有电爆炸法、电弧等离子法、电解法和超声波法等。对于用作水反应金属燃料的金属粒子，通常采用电爆炸法和电弧等离子法；而制备高纯度、粒度均匀、且表面包覆的超细金属粉末，采用电解法较好；有些需在高电流密度下电解相应的电解质水溶液制备的金属粉末[4]，可利用超声波对电解沉积过程起促进和物理强化作用[5]，采用超声波法制备。

1 电爆炸法和电弧等离子法 电爆炸法和电弧等离子法都属于气相法，电爆炸法是金属丝在反应器内快速爆炸、蒸发形成金属蒸气，然后与周围惰性气体发生碰撞损失能量，冷凝产生超细金属粒子。而电弧等离子法是两极问气体自持放电，将金属物料融化、蒸发、汽化、结晶成为超细金属粒子，与电爆炸法相比其过程较平稳缓慢。

1.1 电爆炸法 电爆炸法制备超细金属及其合金粒子的方法最早是由俄罗斯发明并首先采用，此后美国、日本、韩国等相继进行相关产业的开发与应用[6]。它是一种物理制备金属超细粒子的新方法，利用导体的电爆炸方法控制生产高弥散超细金属、合金、类金属和化学化合物粒子，适合规模化生产。其特点是能量转化率高、工艺参数可调、适用性广，是一种高产量的制备方法[7]。用电爆炸技术可获得较高质量的金属纳米粉，如Al、Mg、Ti等超细金属粉体。 电爆炸法的原理是将细金属丝置于一定的气体介质环境下，通过对金属或合金原料丝沿轴线方向施加直流高电压，在高压和脉冲大电流的共同作用下，原料丝内瞬间产生强电流(电流密度 l0 A/cm2)，迅速发生爆炸、汽化，并以强冲击波的形式向外辐射，在辐射过程中不断与低温的惰性气体碰撞损失能量而逐渐沉积，形成具有一定粒径分布的金属细颗粒，收集得到高纯度的超细金属粒子粉体，然后在惰性氛围下经过钝化处理即可[7]。 电爆炸法制备超细金属粒子装置的基本结构原理已趋于成熟，俄罗斯已有成套设备出售[7]。该装置主要由高频电源、电爆炸电路、电爆炸腔体以及收集仓和分选仓等组成[8]，其原理示意图如图1所示。整个设备中对产品粒径的影响参数较多，如电源频率、电压、整流电路、器件、电容、金属丝直径和长度、充电量和放电量、环境气体压强等都会对产品产生影响。因此在进行制备实验时，需对每一个细节充分考虑。 超细粉体制备课程论文 3 图l电爆炸法制备超细金属粒子装置示意图 电爆炸法生产超细金属粒子技术已日趋完善，现在的改进工作主要是设法提高单位时间的产量。

1.2 电弧等离子法 电弧等离子法制备金属超细粉体是属于低压气体中蒸发金属法的一种。它是在密闭的、一定的气体介质中加热金属，使其蒸发、冷凝、结晶后形成超细颗粒粉末。其加热源为电弧，一般加热源可采用电阻加热、高频感应加热、电子束加热、激光加热和辉光加热等。电阻加热蒸发法是比较传统的方法，适用于熔点不太高的金属；激光加热法是将连续的高能量密度的CO 激光通过窗口照射到金属样品上使其蒸发制备超细粉体，一般用来制备氧化物超细粉体[9]。 电弧等离子法制备金属超细粉体的原理是在低压的气体介质中加热金属，使其汽化，然后冷却、结晶形成超细颗粒，在惰性氛围下包覆钝化处理后得产品。加热源为电弧，电弧温度较高（最高达到50000K），且易于控制（工业用电直接降压，整流）[10]。 电弧法制备金属超细粉体整个设备主要由反应室、水冷装置、分选装置、收集装置、鼓风机部分和抽真空设备组成。各装置不同之处是根据各自的不同目的加以改进，但各组成部分大体一致[11]。电弧等离子法制备金属超细粉体的装置示意图，如图2所示。一般电弧等离子法制备超细金属粉体的简要工艺是先将整个设备抽真空，充Ar气，用电弧弧柱部分作为加热源，将金属物料溶化、蒸发、汽化、结晶成为超细结构颗粒，然后再经冷却器冷凝、收集[12]。电弧等离子法制备超细金属粉体的主要影响因素与电爆炸法有许多相同之处，如电源电压、电流、不同环境气体及其压强等。实际上对这些参数的控制只是相对的，在电弧等离子法制备金属超细粉体中的反应温度、反应范围等关键因素，很难定量地控制，生产 来的金属超细粉体颗粒直径分布为10～l 50nm，不同粒径的金属颗粒的物理化学特性会有很大的差别，为了应用方便，一般将金属超细粉体按粒径进行分级超细粉体制备课程论文 4 处理。

图3电弧等离子法制备超细金属粒子的装置示意图 由于电弧法理论比较成熟，通过改变电流、电极直径、惰性气体气氛，该方法几乎可以制备所有的金属纳米粉，且所得粉末颗粒直径分布窄、无污染、便于收集。

2 电解法 电解法可制备出纯度高、粒度均匀、且表面包覆的超细金属粉末，并以超细铜粉的制备为例说明了其工艺过程。应用该方法，粉末的制备和表面包覆同步完成，因此所得粉末是高弥散和抗氧化的。同时，该方法设备简单，容易控制，可扩大至工业生产规模[13]。 电解法就是对PH值为3～6的酸性金属盐溶液进行电解，然后加入一定量的表面活性剂。所加的表面活性剂的浓度一般比电解液的密度小，因而活性剂通常浮于电解液上，在电解槽内就形成两层液面。电解槽中的阴极圆筒是不断旋转的，同时其内部通有冷却水。阴极圆筒置于两液相交界处，跨于两液相之中。这样，阴极圆筒上析出的金属粉末被由增压泵来的有机液流冲刷掉，回流到电解槽中，所得有机液和析出金属粉末的混合物经离心处理后，有机液可循环使用，而剩余的粉末颗粒经真空干燥后即可得到所需的超细粉末。电解法制取金属粉末的关键是如何控制粉末粒度，以得到超细粉末。而在制备过程中，形成的晶核数目越多，最后得到的粉末也就越细。末也就越细。另外，采用水内冷阴极以及对形成的金属粉末立即用有机液进行表面包覆并冲刷，也有效地防止了颗粒的长大，有利于得到超细粉末[13]。 所制得的粉末的形态和尺寸用透射电镜(H-800)、X射线小角度散射等进行观测和分析。由所得金属粉末的TEM照片和X-射线小角度散射测得的粒度分布