米粒子的浆料,采用超滤、渗透、反渗透及超离心等工艺方法进行处理,当除去纳米粒子以外的多余成分后,加入适当的液相介质和其它组分,进行搅拌或超声分散,形成纳米粒子均匀分布的溶胶状材料,再将其送入喷雾干燥设备中,进行雾化吹干,形成直径为几十微米的团聚体颗粒。
致密化处理主要是为了提高原始纳米颗粒之间的结合强度,降低孔隙,以保证粉末在贮存、输送的过程中不会发生碎裂。
致密化处理方式有两种,即烧结致密化和等离子致密化。
烧结致密化是将经过团聚造粒得到的纳米团聚体颗粒置于加热炉中,在一定温度下,经过一段时间的保温处理(有的粉末要求在真空条件下进行)后,再缓慢冷却至室温的过程。
等离子致密化是将经过团聚造粒得到的纳米团聚体颗粒送入等离子喷枪中,利用等离子体的高温瞬时作用,使纳米团聚体颗粒表面变得更加光滑,球化度更高的过程。
4、金属微纳米粉体及应用
正是由于纳米粉体具有的上述特性,使得微纳米粉体在高新技术各个领域的应用展示了很多新的性能,目前已经成了微电子和信息技术中,高质量新部件的重要材料,如高存储材料,高质量的微电子电容电容,电阻等,以及新型功能陶瓷,超导材料、粉末冶金材料等的基础材料,以及正在兴起的3D打印技术中的金属3D打印顶端技术材料。
随着纳米技术的迅速发展, 各种类型纳米材料不断涌现, 如纳米陶瓷粉末、 纳米金属材料、 纳米金属、 纳米化合物、 纳米生物材料等。在这些材料中纳米金属材料是重要的部分, 伴随纳米金属粉末的制备技术不断革新和发展, 纳米金属粉末开始在一些工业领域中得以实用, 并发挥着不可估量的作用。
如在 在导弹固体火箭发动机中,由于纳米金属粉末较之普通金属粉末的比表面积增大, 使之具有很强的化学反应特性和冶金反应能力, 金属粒子的功能特性大大增强。与普通铝粉相比, 纳米铝粉具有燃烧更快、 放热量更大的特点,已成为一种低成本的燃料。在固体推进剂中使用纳米材料, 将有效地提高固体推进剂的燃烧性能。当火箭固体燃料中搀和纳米铝粉后, 铝在燃烧的推进剂表面熔化, 形成液滴, 并且在氧化物颗粒间的缝隙中聚集, 较小的缝隙产生较小的铝
液滴, 并能快速地进入气流中, 增加了推进剂的流动性, 提高反应速度及效率。若在固体燃料推进剂中添加 1% 质量比的超微铝或镍颗粒, 每克燃料的燃烧热可增加1倍。
又如在吸波隐身材料中,金属超微颗料对光的反射率很低, 通常可低于1%, 约几微米的厚度就能完全消光。纳米 C ( Fe,Ni) 合金颗粒具有优异的微波吸收特性, 不但在厘米波段如此, 而且在毫米波段也如此, 最高吸收率可达99.95%。美国曾研制出的/ 超黑粉纳米吸波材料能对雷达波的吸收率达 99% 。由此, 在导弹发动机、 军用飞机等上采用纳米涂料, 可有效地减少由电磁波或红外辐射产生的一系列问题。在民用领域可解决计算机、 微波炉等的防辐射问题。
又如在润滑油中的应用,将超细金属粉末( 如 Cu、 Pb 及其合金等) 以适当方式加入润滑油中, 可得到一种性能优异的新型润滑油,摩擦学实验表明, 当铜粉的粒径大于100nm 时, 它是一种磨料, 但当其粒径小于 50nm时, 可较大幅度提高润滑油的最大无卡咬负荷。纳米铜粉的这种性能使之在润滑油中具有重要的用途, 国内科研机构通过对纳米铜粉的表面进行改性,克服了纳米铜粉在润滑油中的自憎现象, 能均匀、 稳定地分散在润滑油中并可防止纳米铜粉的二次积聚和沉淀, 成功开发了纳米铜润滑油添加剂。将这种添加剂添加到汽车发动机润滑油中, 可明显减小发动机的启动电流并明显增大汽缸压力。发动机使用这种添加剂一段时间后, 缸套和活塞环上便形成一层保护膜, 一旦润滑油系统发生故障, 汽车还能安全行使一段时间。
再看纳米金属离子在电子领域中的应用
随着金属粉末粒径的急剧减小, 其物理性能会生很大的变化。如金的常规熔点为 1064℃ , 当颗粒减小到10nm 时, 则降低27℃e , 2nm 尺寸金的熔点仅约 327e ; 银的常规熔点为 670℃ , 而超微银颗粒的熔点可低于 100℃ 。因此用纳米粉末制成的导浆料, 可以显著降低陶瓷的烧结温度, 能大大提高芯片的可靠性和成品率, 降低生产成本。如超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结, 这种情况下元件的基片可不必采用耐高温的陶瓷材料, 甚至可用塑料。纳米导电浆料可广泛应用于微电子工业中的布线、 封装、 连接等, 对微电子器件的小型化起着重要的作用。
在磁性材料领域中纳米金属粉末广泛应用于制造纳米磁记录材料、 磁性液
体、 纳米磁性颗粒膜材料等, 如用纳米Co、 Fe、 Ni 等磁性金属粉末制备的磁性液体, 可应用于旋转密封、 阻尼器件、 磁性液体印刷、 选矿分离、 精密研磨和抛光、 磁性药物、 磁性液体刹车等。
在抗菌材料中近年来的研究与发展表明纳米银粒具有优异的抗菌活性。据报导, 美国 1 家公司生产的纳米银织物, 商品名 ACT ICOT , 其抗菌性能高于可溶性银离子( 如硝酸银水溶液) , 也优于已问世 60 余年、 在临床上使用效果良好、 无抗药性的磺胺嘧啶银。用ACTICOT 制作控制烧伤、 烫伤感染的药物效果十分良好, 该产品 2001年的销售额为 3000 多万美元,预计今后几年销售额将大增 142 。
在粉末冶金领域中由于纳米金属粉末具有高的比表面积, 化学活性大, 使得粉末的烧结温度低, 因此在粉末冶金工艺中可用作烧结助剂, 缩短烧结过程的加热周期, 甚至可降低烧结温度。另外, 可用纳米金属粉末制备粉末冶金涂层, 如利用激光将粉末连接到玻璃上, 或将粉末凝胶熔化到基体上等。
除以上应用外,纳米金属粉末还可用2D打印、作高效催化剂、 在石油裂化、 汽车尾气处理、 光催化、 水处理等领域中得到应用; 另外还可应用于医学、 环境污染评价、 纳米传感器、 金属与金属或金属与陶瓷的粘结等。 5不同应用领域对微纳米粉体的要求
首先看3D 打印金属粉末,作为金属零件 3D 打印产业链最重要的一环,也是最大的价值所在。 在“ 2013 年世界 3D 打印技术产业大会” [3] 上,世界 3D 打印行业的权威专家对 3D 打印金属粉末给予明确定义,即指尺寸小于 1mm 的金属颗粒群。 包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。目前, 3D 打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。但是 3D 打印金属粉末除需具备良好的可塑性外,还必须还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要
求。满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要
求。
实际上,对于3D打印,其高端产品应该是采用微米级纳米团聚体粉体为最佳。同时粉体具有粒度分布窄,球形度高,粉体流动性好松装密度高的优点。
再看电子浆料,对于电子浆料中沾占50%以上的金属粉体,同样能够要求粉
体的粒度在100nm左右,效果最佳。同时粉体具有粒度分布窄,球形度高,粉体流动性好松装密度高的优点。
二、 微纳米粉体的制备
1、纳米金属粉末制备的发展现状:
当前微纳米粉体制备主要包括物理法和化学法两大类 物理法包括:
气体蒸发冷凝法 纯度高,粒度可控;技术复杂,设备要求高。 金属液流物理粉碎法 操作简单,但产品纯度低,粒度分布不均匀。 机械球磨法 操作简单,但产品纯度低,粒度分布不均匀。 深度塑性变形法 材料纯度高,粒度可控,设备要求高。 化学法包括
有机化合物分解法 粒度高,粒度分布窄,设备和原料要求高。 超声电解法 简单易行,设备投入少,颗粒半径小。 水热处理合成法 纯度高,分散性好,粒度分布窄。 激光化学气相法 纯度高,分散性好,粒度分布窄。 溶胶凝胶法 反应物种多,产物颗粒均匀,过程易控制。 非晶晶化法 批量大,成本低,易产业化,粒子较大。 微乳液法 粒子的单分散性和界面性好。
现实的工业生产中微米粉体主要采用金属液流物理粉碎法,纳米粉体制备主要采用奇异政法冷凝法 2、微纳米金属粉体制备存在的问题
2.1目前的金属液流物理破碎法产品杂质含量高,粒度分布不均匀,性能有待提高;金属纳米粉体制备产量低质量差,不能满足现代科学技术的要求 2.2科学研究角度制备工艺摸索尚浅,制备过程中关键控制步骤无研究报道 生成控制因素,产率提高手段, 超细粒子收集、输运机制。
2.3微纳米粉体的发展趋势,微米级粉体提高性能,发展纳米团聚体技术,达到 活性高,平均粒度小,粒径分布范围要求窄,这对制备纳米粉体难度大。 我国目前大多数纳米粉末生产单位以纳米无机物生产为主纳米金属粉末制备多数停留在实验室少量合成水平上,纳米金属粉末制备的技术进步正趋于解决
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