金属超细粉体制备的研究进展

金属超细粉体制备的研究进展

摘要：简要介绍了超细粉体的制备方法，并介绍了电爆炸法和电弧等离子法制备AI、Mg 粉体的工艺技术及其研究进展。这2种方法具有产品颗粒直径分布窄、粒度大小易于控制和调节、产品纯度高、便于收集、无污染等优点，且易于工业化。它们是目前生产金属细颗粒较环保和成本较低的方法。

关键词：水反应金属燃料；Al；M g；粉体；电爆炸法；电弧等离子法

1. 引言

俄罗斯“暴风雪”超高速鱼雷利用“超空泡”(supercavitation)原理突破了水下航行体的速度限制．达到了200节航速【1】。。其所用动力推进系统为水冲压发动机，该发动机使用的燃料是“水反应金属燃料”，该鱼雷具体使用的是“Mg基水反应金属燃料”【2】。“暴风雪”鱼雷的出现引起了美、德、日等国对水冲压发动机和水反应金属燃料的极大关注，并展开大规模的研究。水反应金属燃料的优点是不仅能量特性高，而且具有充分利用雷外海水作为能源的特点，能够显著提高燃料单位体积的能量密度，使鱼雷超高速、远航程航行成为可能【3】。

目前研究所采用的水反应金属燃料的主要原料有：活性金属如Al、Mg、B、Ti、Li、Na、K、zr、w等，金属氢化物如AlH 3、M gH 2、B 2H。、ZrH：及LiAIH。及一些活性较高的金属氧化物和金属碳化物等。考虑到成本、毒性、能量密度等各方面的问题，Mg和Al 是最佳选择14】。与Mg基金属水反应燃料相比，A1的成本更低，来源更广，稳定性更好，最主要的是Al基燃料的比冲要大于Mg基燃料的比冲【5】。

对于金属燃料能否用于水冲压发动机的要求，除了看其能量密度能否满足要求外，还要看其粒度、纯度能否满足点火要求等；而决定其点火温度的主要因素是金属粒子粒度的大小。若想降低或选择合适的金属粒子的点火温度，就必须制备出超细颗粒(包括微米级、亚微米级和纳米级粒子)的金属粒子。

超细粒子的制备方法

对于超细粒子的制备已经报道了许多方法，从这些报道来看，超细粉体的制备方法可根据反应体系的不同而分为气相法、液相法和固相法【6】。

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、激光合成法、电爆炸法、惰性气体冷凝法和电弧等离子体法。

气相法制备金属超细粒子的特点是产品纯度高、分散性良好、粒子粒径分布窄、粒径小。此外，通过控制气氛可以制备液相法难以制备的金属、碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超细粉体【7】o

液相法(也称溶液反应法)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。其主要优点是能精确控制化学组成，易于添加微量有效成分，超细粒子形状和尺寸也较容易

控制，反应过程中还可利用各种精制手段。此类方法较适用于制备组成均匀且纯度高的复合氧化物超细粉体。液相法又可分为沉淀法、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。机械法成本低，产量大。不足之处是粉体的细度、纯度及形态受设备和工艺本身的限制，往往得不到很细及高纯的粒子。实际生产上受到很大的局限。

上述各种方法各有其适用的范围，可根据不同物质、不同粒度、不同需要选择各自适用的方法。对于Al、M g金属粒子的制备，尤其是水反应金属燃料使用的AI、Mg金属粒子，要求纯度高、粒径分布窄、粒径小等诸多特性。因此，对于此类粒子的制备方法，采用电爆炸法和电弧等离子法的较多。

2.电爆炸法和电弧等离子法制备超细金属粒子

电爆炸法和电弧等离子法都属于上述的气相法制备，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。

2．1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18l。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f9l。用电爆炸技术可获得较高质量的金属纳米粉，如A l、Mg、Ti等超细金属粉体。2．1．1电爆炸法制备超细金属粒子原理

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1 0 7A／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‘91。

2．1．2电爆炸法制备超细金属粒子装置简介

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m 售【9J。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1101，其原理示意图

2．1．3电爆炸法制备超细金属粒子工艺及影响参数电爆炸法制备金属超细粒子的工艺过程如图2所示。

如图2所示，首先放入金属丝，系统抽真空、充人惰性保护气，当达到要求气压时，电源启动，电容器充电、送丝、放电爆炸，风机启动，将生成的金属纳米粉末带到冷却设备中，最后进入到分选设备中。将粉末导入收集装置中，包装成袋。其中系统所提供的能量必须于或等于导体汽化所需的能量，导电体才会发生爆炸，否则仅像普通保险丝那样熔化。能使导体发生爆炸的电流密度大约等于1 0 7A／cmz。

整个设备中对产品粒径的影响参数较多，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。

3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