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金属超细粉体制备方法概述

来源：世展网分类：陶瓷行业资讯 2023-10-25 16:50 阅读：1648

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。

（图片来源：网络）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

电解法

将锌、铁、镍、钴等金属盐溶液电解后析出金属粉体。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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e_aq、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；e_aq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e_aq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。

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。

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：赵斌，等：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苏林：铂超细粉体的制备与防团聚性能研究；昆明理工大学张周伍：电爆法制备金属超细粉体材料的设备与工艺研究；兰州理工大学声明：文章内容来源于中微聚智。仅作分享，不代表本号立场，如有侵权，请联系小编删除，谢谢！

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