纳米金属复合粉末制备技术研究进展/高玉来等 ・ 167 ・ 纳米金属复合粉末制备技术研究进展 高玉来,杨斌,翟启杰 (上海大学材料科学与工程学院,上海200072) 摘要 纳米金属复合粉末的制备方法主要包括机械合金化法(MA)、惰性气体冷凝法(1( )、等离子雾化法、超 声化学合成法等。综述了纳米金属复合粉末制备技术的研究进展及存在的问题,提出了一种潜在的纳米金属复合粉 末制备技术——微滴凝固技术,并时今后的研究及发展前景进行了展望。 关键词 纳米金属粉末复合粉末制备 Research Progress in the Techniques to Prepare Nanosized Metal Composite Powder GA0 Yulai,YANG Bin,ZHAI Qijie (School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072) Abstract The conventional techniques to prepare nanosized metal composite powder include mechanical allo- ying(MA),inert-gas condensation(IGC),plasma atomization and sonochemical synthesis etc.In this paper,the re— search progress and existing problems of these techniques are reviewed.Moreover,a potential technique defined as droplet solidification method is proposed attributing to its predominance.Besides,the future research and development prospect of this technique are discussed. Key words nanosized metal powder,composite powder,preparation 纳米复合材料的概念是由Rey和Komarneni在2O世纪8O 美国的Benjamin首先提出的,当时主要用于氧化物弥散强化 年代初提出的,它是指组成相中至少有一相在一个维度上为纳 (Oxide Dispersion Strengthened,ODS)合金的制备 J。它是通 米量级[1]。纳米金属复合粉末是尺寸为1~lOOnm的超细粉 过将混合粉末在高能球磨机(图1)中进行球磨,混合粉末经磨 末,较之其他纳米粉末具有更强烈的化学反应、更快的烧结动力 球的碰撞、挤压、破碎而反复产生形变、断裂和焊合,并在这一过 学、更高的电阻、更强的矫顽力和微波吸收能力,在医学l_2]、化 程中通过原子扩散或发生固态反应形成纳米晶、过饱和固溶体 学l_3]、国防及航空航天[4]等研究领域具有极其重要的应用价值。 和亚稳态细小复合粉末的一种技术。机械合金化可以通过颗粒 因此,开展纳米金属复合粉末的研究具有重要的学术意义和实 的固相反应直接合成金属与碳化物、氮化物、氟化物的纳米金属 际应用价值。 复合粉末,还可使互不相溶的合金元素或溶解度较低的合金粉 纳米金属复合粉末按复合方式可分为包覆式和混合式。混 末相溶,获得细小的纳米晶和成分均匀的混合型金属复合粉末。 合式又分为均匀混合型和非均匀混合型。均匀混合型是指通过 物理或化学方法将一种粒子掺杂于另一种粒子内部形成均匀混 合体,而非均匀混合型复合粒子内部,某种物质成分具有一定的 分布梯度。包覆式复合粒子由中心粒子和包覆层组成。 1 纳米金属复合粉末的制备方法 纳米金属复合粉末的制备技术是纳米金属复合材料研究、 开发和应用的关键,其主要要求是:粒子表面清洁,粒子形状、粒 径以及粒度分布可以控制,粒子团聚倾向小,容易收集,有较好 的热稳定性,易保存,生产效率高,产量大等。 纳米金属复合粉末的制备方法主要有机械合金化法、惰性 图1高能球磨机示意图 气体冷凝法、等离子雾化法、超声化学合成法等。目前,应用较 该方法的优点是能有效控制合金成分,使一些用熔炼法不 广和规模较大的是机械合金化法,其他方法应用规模较小。 能形成合金的元素合金化,将合金的提炼和粉末生产集于一体, 1.1机械合金化法(MA) 可大大降低成本,工艺简单,并能制备出用常规方法难以获得的 机械合金化法又称高能球磨法,是在2O世纪6O年代末由 高熔点金属或合金的复合粉末。机械合金化制备的纳米粉体的 *国家自然科学基金(50571057);上海市青年科技启明星计划(O6QA14o2o);上海市教委项目(2006AZ002) 高玉来:博士,副研究员,主要从事金属凝固和纳米材料方面的研究E-mail:gaoyulai@163.corn 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ 168・ 材料导报 2007年l1月第21卷专辑Ⅸ 主要缺点是晶粒尺寸不均匀、易引入某些杂质、粉末易团聚、制 备时间长。 化室中雾化分散金属液为微小的液滴并与电极材料或雾化室中 的气体反应复合,最后迅速将液滴冷凝成复合粉体。 最近,J.S.C.Jang等[6]通过对Mg基合金和Zr02颗粒进 行高能球磨和热压制备了纳米晶ZrOz颗粒增强的Mg基复合 材料,发现zr02颗粒经过高能球磨后,晶粒得到细化,且可以 均匀分散在合金基体中,使热压后形成的Mg基块体复合材料 的硬度大大提高。 Hasanpour等[7]用高能行星球磨法成功 地合成了晶粒尺寸为50nm的Bi/Fe。(]4纳米金属复合粉末。 朱建勇等 ]用机械合金化法制备出晶粒尺寸小于50nm的w— NbCu纳米复合粉末,在球磨过程中加入过程控制剂(Process 窗 Control Agents,PCA)可有效降低粉末的粒度、松装密度、振实 密度,并可减少粉末的团聚,防止粉末化学成分的改变。 1.2惰性气体冷凝法(IGC) 1984年H.V.Gleiter等_9 首次用惰性气体沉积和原位成 型方法,成功研制了Pd、Cu、Fe等纳米级金属粉末。惰性气体 冷凝法(图2)的主要过程是向真空蒸发室内充入低压的惰性气 体(Ar、He或Ar与He的混合气体),然后将置于坩埚内的按一 定比例混合的金属原料真空加热至蒸发,使原料气化,在蒸发室 中生成化合物相,并与金属气体复合后,随惰性气体冷凝到旋转 的液氮冷凝器上,随即形成纳米尺寸的团簇,将冷凝器上的粒子 刮下、收集,即得到纳米金属复合粉末。 液氮冷凝器 图2惰性气体冷凝设备示意图 该法制备的纳米粉末纯度主要是由原料纯度、真空度、气体 的浓度和纯度决定的,工艺过程中,无其它杂质污染,反应速度 快,结晶较好,纳米微粒具有清洁的表面。不足之处是对设备要 求高,投入较大,产量低。 Luca Signorini等[】叩用惰性气体冷凝法制备出了Fe/Fe ̄ 磁性纳米复合粉末。S.K.Hasanain等[】 ]也用此法制备出 核壳结构的铁/铁氧体纳米颗粒,这种纳米颗粒具有超顺磁性, 且与块状铁的磁性能有极大的差异。Takeo Oku等【_】3_运用此 法能制备出小于10nm的核壳结构的Ge/GeO.纳米复合颗粒, 此种颗粒具有显著的能带蓝移特性。 1.3等离子雾化法 由于等离子体温度高,反应速度快,在惰性气氛下,可获得 小颗粒的均匀纳米金属复合粉末。等离子体雾化制粉(图3)包 括3个阶段(熔融一雾化一骤冷):首先将块状金属置于阳极上,仓 体抽高真空后充入氩气或其他混合气体,在电弧等离子体产生 的高温下使阳极上的金属熔融蒸发,然后使得熔融态金属在雾 图3 电弧等离子体雾化装置示意图 等离子法制备的粒子质量好,干净、受污染少、尺寸小、尺寸 分布范围窄,可获得纳米级的超细粉。但此法制备纳米材料的 最主要缺点是由于等离子气体的压力很大,对液流的冲击作用 明显,通常得到的微粉表面质量不甚理想,微粒沉积层受污染程 度高,残余气孔率高,在贮存和运输过程中易氧化。 张现平等[J4]采用氢电弧等离子体法制备了碳包铁纳米粒 子,粒子中含有a-Fe、Fe。C、无定形碳和石墨,没有铁的氧化物 相出现,铁粒子外碳层的厚度为5 ̄15nm,碳层的存在增强了纳 米粒子的抗酸蚀能力。孙维民等[I “]在H。一N2一Ar混合气氛 下,用直流电孤等离子体熔化Ni-Ti合金,制备出NFTiN纳米 复合粉末。 1.4超声化学合成法 超声化学合成法是利用声空化效应特有的还原、分散的作 用,将金属离子还原成金属原子,同时与其他粒子复合的方法。 所谓声空化是指液体在高强度超声的作用下形成气泡,并迅速 生长和爆炸性地溃灭一系列物化过程的总称口 。在空化过 程中,气泡的溃灭产生瞬间的高压和高强度局部加热,其能量密 度比声场的能量密度大10”个数量级,从而能诱导高能化学反 应,相当于提供了瞬时高温高压微型反应器,在微型反应器中多 种金属离子发生反应并相互复合,最终得到纳米金属复合粉末。 超声化学法的优点是所制备的粉末粒径均匀、粒径可控,由 于超声波的强烈分散作用,可防止晶粒的团聚,反应速率快。该 法的缺点是需要额外的前驱物,而且所得的粉末需要经过提纯 工艺。 Jong-Eun Park等_】9_用该法制备出平均直径小于20nm的 核壳结构的Au/聚吡咯(Au/Polypyrrole)复合颗粒以及Pt/ Polypyrrole复合颗粒。Yaoshun Jia等[2。_也用此法制备出双金 属Co/Cu纳米晶颗粒。朱文晶等r2蛆将正硅酸乙酯进行碱性水 解制备了均匀分散的si02微球(粒径约70rtm),然后采用超声 辐射与红外辐射结合的方法在其表面包覆了一层均匀分布的 Ag纳米粒子(粒径约8rim)。 1.5直流碳弧法 周纯等口幻采用用直流碳弧法,在反应室中充入氩气作为保 护气体制备碳包铁纳米粒子,得到的粒子中含有a-Fe相和石墨 相,没有铁的氧化物和碳化物,纳米粒子的尺寸大小在5 ̄50nm 范围。铁粒子在碳层的保护下具有很好的抗氧化能力。 维普资讯 http://www.cqvip.com 纳米金属复合粉末制备技术研究进展/高玉来等 1.6直接置换法 程志鹏等l2胡在含氟离子的水溶液中,采用Al粉直接置换 还原Ni盐的方法,制备出核壳结构的Ni/A1纳米复合粉末。Al 粉表面连续、均匀包覆了由晶粒大小约20.6nm的Ni纳米颗粒 ・ 169 ・ 3展望 制备纳米金属复合粉末的主要难点在于:(1)如何能将2种 及2种以上纳米单元体均匀混合形成复合粉末,并保持在纳米 组成的壳层。该法还适合于Al粉表面其他金属的包覆改性,如 Cu/A1、Co/A1、Fe/A1等。 1.7溶胶一凝胶法(Sol—ge1) 溶胶一凝胶法的基本原理是将金属醇盐或无机盐在一定条 件下控制水解,不产生沉淀而形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶 化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分,最后得到纳米金属复合 粉末。该法的优点是所得的粉末化学均匀性好,纯度高,可制备 多种复合粉末。但缺点是在粉末干燥过程中会造成粉末团聚长 大,凝胶颗粒烧结性差。有报道利用该法可以制备Fed8Cr-9W 纳米复合粉末l2 。 2制备纳米金属复合粉末的新技术 微滴凝固技术是将金属液弥散为极小尺寸的液滴,利用金 属微滴的尺寸效应,实现大过冷条件下的快速凝固,从而获得超 细结晶组织的工艺方法l2 。当金属液弥散为超微尺寸的液滴 时,由于液滴尺寸极大减小,使得凝固冷却速率急剧增大,导致 过冷度大大提高,可以获得超细的凝固组织l2 。 伯明翰大学的I.T.H.Chang等l2 ]利用直流电弧技术制 备出了纳米尺度的Al、Fe、Cu、Ni、A1一Ag合金和TiN凝固微滴 并得到纳米粉末。国内研究人员也利用自耗电极直流电弧技术 (图4)成功地制备出纳米尺寸的凝固微滴,并利用包裹溶剂对 凝固微滴的冷却作用获得SnBi共晶合金纳米粉末[2 。该技术 是利用直流电弧在两电极之间产生高温,使电极熔化或蒸发形 成微滴,随即微滴受到容器中冷却剂的激冷,从而凝固成纳米粉 末。通过改变电极材料即可制备出纳米金属复合粉末。例如, 使用核心为Fe、外层为石墨的双层电极材料可制备出核壳结构 的石墨/Fe的纳米金属复合粉末,同样可以制备出核壳结构的 Zn/Al的复合粉末l_2 。此外,通过改变冷却剂的种类以及控制 容器中的气氛,还可制备出金属/化合物纳米复合粉末。这些复 合粉末可用于磁靶向载体材料、粉末冶金等领域。 图4 自耗电极直流电弧技术制粉设备示意图 该法制备的纳米粉末粒径均匀、球形度好、制备率高、应用 范围广,适用于任何导电材料。同时该技术设备投资少,工艺简 单,控制容易,可重复性好。可以预见,随着对该技术颗粒形成 机理研究的不断完善,其应用前景会更加诱人。 尺度以充分发挥其纳米效应。然而迄今为止尚无十分有效的分 散方法对团聚状态的纳米粉体进行分散;(2)纳米金属复合粉末 在制备时势必会因为纳米材料的高活性发生严重的界面反应、 氧化等有害的化学反应;(3)多种纳米颗粒之间浸润性好,甚至 完全浸润,必须设法对纳米微粒进行适当的表面处理以使颗粒 之间不浸润。 迄今为止大部分金属纳米复合粉末的研究仍处于实验室研 究阶段,而且大部分设备昂贵,工艺复杂且难以控制,生产效率 低,应用范围十分有限,所以有必要对现有的合成方法进行改 进,把2种或2种以上的方法结合起来,充分发挥各种方法的优 点,或借鉴其他材料的合成方法研制出全新的制备工艺,以获得 优质的纳米金属复合粉末。 随着粒子表面处理技术的不断进步,纳米金属复合颗粒形 成机理的研究不断深入,以及适合工业生产的纳米金属复合粉 末制备方法的开发及其在国民经济各个领域应用的拓展,纳米 金属复合粉末的研究和应用必将得到更大的发展。 参考文献 1 Bimiger R,Herr U,Gleiter H.Study on nanoparticle growth mechanism of nonmetallic compound crystal in sol- ge1.Transaction of the Japan Institute of Metals,1 986,27 (43):418 2 周泉波,陈汝福.纳米靶向载体在肿瘤治疗中的应用.国外 医学(gee瘤学分册),2005,32(7):483 3 王然,何宝林,刘光荣,等.铂钯双金属纳米催化剂的催化活 性.中南民族大学学报(自然科学版),2006,25(1):1 4 杨毅,刘永峙,李凤生,等.纳米氧化亚镍包覆铝复合粒子 的制备.化工学报,2005,55(11):2228 5 Benjamin J S Dispersion strengthened superalloys by me— chanical alloying.Metallurgical Transactions,1970,1(10): 2943 6 Jang J S C,Chang L J,Young J H,et a1.Synthesis and characterization of the Mg-based amorphous/nano Z composite alloy.Intermetallics,2006,14(8—9):945 7 Hasanpour A,Mozaffari M,Amighian J,et a1.Preparation of Bi—Fe3 04 nanocomposite through reduction of Bi2 O3 with Fe via high—energy ball milling.Physica B:Condensed Mat— ter,2007,387(1-2):298 8 朱建勇,左坤玉.机械合金化制备W-Ni-Cu纳米复合粉末的 研究.湖南冶金,2004,32(1):26 9 Birringer R,Gleiter H,Klein H P,et a1.Nanocrystalline materials an approach to a novel solid structure with gas—like disorder7.Phys Lett A,1984,102(8):365 10 Luca Signorini,Luca Pasquini,Federico Boscherini,et a1. X-ray magnetic circular dichroism study of iron/iron oxide granular nanostructures.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B:Beam Interactions with Ma— terials and Atoms,2006,246(1):2O (下转第180页) 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ 18O・ 材料导报 2007年11月第21卷专辑Ⅸ 24 Flint E B,Suslick K S.The temperature of cavitation.Sci— ence,1991,253(5026):1397 preparation of oxide nanomaterials.Bull Mater Sci,2005, 28(1):19 25 Singh V,Sap ̄a V,Kad G L Ultrasound and microwave activated preparation of ZrO2一pillared clay composite:catalytic 33王焕英,宋秀芹.微波诱导制备纳米氧化锆及其机理研究. 人工晶体学报,2005,34(3):553 34 Liang J H,Deng Z X,Jiang X,et a1.Photoluminescence of tetragonal Z nanoparticles synthesized by microwave ir— radiation.Inorg Chem,2002,41(14):3602 35 Combemale L,Caboche G,Stuerga D,et a1.Microwave synthesis of yttria stabilized zicronia.Mater Res Bull, 2005,40(3):529 activity for selective,solventless acylation of 1,n-diols.J Mo— lculaer Catalysis A-Chemical,2004,210(1-2):119 26 Huang S G,Li L,Vleugels J,et a1.Microwave sintering of Ce02 and Yz Os co-stabilised Z from stabiliser-coated nanopowders.J Eur Ceram SOc,2007,27(2-3):689 27 Upadhyaya D D,Ghosh A,Gurumurthy K R,et a1.Micro— wave sintering of cubic zicronia.Ceramics Int,2001,27 (4):415 36 Zhu Y J,Wang W W,Qi R J,et a1.Microwave-assisted synthesis of single-crystalline tellurium nanorods and 28 Janney M A,Kimery H D,Schmidt M A,et a1.Grain growth in microwave-annealed almiuna.J Am Ceram SOc, 1991,74(7):75 nanowires.Angew Chem-Int Ed,2004,43(11):1410 37 Wang W W,Zhu Y J.Shape-controlled synthesis of zinc oxide by microwave heating using an imidazolim salut.Inorg 29 Booske J H,Cooper R F,Dobson I.Mechanisms for non— thermal effects on ionic mobility during microwave process一 ing of crystalline solids.J Mater Res,1992,17(2):495 30 Kumar K S,Mathews T.Sol-gel synthesis and microwave assisted sintering of zicronia-ceria solid solution.J Alloys Chem Commun,2004,7(9):1003 38 Ding K L,Miao Z J,Liu Z M,et a1.Facile synthesis of high quality Ti02 nanocrystals in ionic liquid via a micro一 wave-assisted process.J Am Chem SOc,2007,129(20): 6362 and Compounds,2005,391(1—2):177 39 Cao J M,Wang J,Fang B Q,et a1.Microwave-assisted 31陈改荣,徐绍红,苗郁.溶胶凝胶一微波加热技术制备Y203 稳定Zr02纳米粉体的研究.功能材料,2003,34(2):160 32 Rao K J,Mahesh K,Kumar S.A strategic approach for synthesis of flower-like ZnO nanosheet aggregates in a room-temperature ionic liquid.Chem Lett,2004,33(10): 1332 (上接第169页) 11 Lubna Rafiq Shah,et a1.Effective m8 gnetic anisotropy and cles nanocomposit ̄Electrochimica Acta,2005,51(5):849 20 Jia Yaoshun,Niu Helin,Wu Mingzai,et a1.Sonochemical coercivity in Fe nanoparticles prepared by inert gas conden—sation Int J Modern Phys,2006,20(1):37 preparation of bimetallic o/Cu Cnanoparticles in aqueous so— lution.Mater Res Bull,2005,40(9):1623 12 Abdu11ah Ceylan,Baker C C,Hasanain s K,et a1.Effect of particle size on the magnetic properties of core-she11 struc一 tured nanopartic1es.J App1 Phys,2006,100(3):034301— 034301—5 13 Takeo Oku,Tadachika Nakayama,Masaki Kuno,et a1. Formation and photoluminescence of Ge and Si nanoDarticles encapsulated in oxide laye rs.Mater Sci Eng B,2000,74(1— 3):242 14张现平,张志,崔作林.氢电弧等离子体法制备碳包铁纳米 粒子.材料科学与工程学报,2004,22(4):596 21朱文晶,张胜义,庄永龙.Ag/SiOz复合纳米粒子的超声化 学合成.安徽大学学报(自然科学版),2006,30(5):65 22周纯,张海燕,曹晓国.直流碳弧法合成碳包铁纳米粒子的 研究.碳素技术,2006,25(4):6 23程志鹏,杨毅,刘小娣,等.核壳结构纳米Ni/A1复合粉末的 制备.纳米科技,2006,3(4):63 24郑峰,肖国华,石倩.溶胶一凝胶法制备Fe-18Cr-9W纳米复 合粉末.纳米科技,2006,2(6):43 25徐匡迪,翟启杰.微滴凝固的若干科学问题.香山科学会议 第211次讨论会:凝固科学技术与材料发展,北京,2003.1 15孙维民,金寿日,郑占响,等.“活性等离子体一金属”反应法制 备Ni—TiN复合超微粒子的研究.材料科学与工艺,1997,5 (4):26 26胡锐,邱嵩,李进学,等.快速凝固高硅铝合金粉末中值直径 ds0对硅粒子尺寸的影响.兵器材料科学与工程.2002,25 (2):24 16孙维民,金寿日,于莹.Ni—TiN超细粉的制备与特性.粉末冶 金技术,2000,18(3):183 17 Luche J L.Synthetic Oranic SOnochemistry.New York: 27 Chang I T H,Ren Z.Simple processing method and charac一 terisation of nanosized metal powders.Mater Sci Eng A, 2004,375—377:66 Plenum P ess,1998.51 18 Peters D.Uhrasound in materials chemistr y.J Mater Chem,1996,6(10):1605 19 Jong-Eun Park,Mahito Atobe,Toshio Fuchigami.Sono一 chemical synthasis of conducting polymer-metal nanoparti— 28徐匡迪,翟启杰,高玉来,等.微小液滴凝固技术研究及其应 用展望.2005年度中国工程院化工、冶金与材料工程学部第 五届学术会议大会特邀报告,海南,2005.1 29 Chang I T H.Powder and coating formation method and apparatus.US Pat,20050150759.2005
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