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。

3．1电弧等离子法制备超细金属粉体原理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)。

3．2电弧等离子法制备超细金属粉体装置简介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。

电弧等离子法制备金属超细粉体的装置示意图，如图3所示。

图3电弧等离子法制备超细金属粒子的装置示意图Fig．3 Apparatus schematic diagram for preparingultrafine metal particles by arc plasma method 该装置为某大学制备金属Mg超细粉体采用的实验装置炉。

该装置可通过改变工作气体和阳极材料，制备出各种金属粉体和陶瓷粉体。

且实验中所获得的参数可以直接应用于工业化的生产炉。

其中阳极材料为纯Mg，阴极材料为钨棒或石墨棒，工作气体为Ar、H2+Ar 或CH4+Ar。

其操作步骤为：用脱脂棉擦拭装置炉内壁至再次擦后脱脂棉不变色为止，装入阳极材料纯Mg和阴极钨棒或石墨棒，为起弧方便，阴极和阳极相对间距约3～4 cm；安装设备；将装置抽真空至l Pa左右，通人工作气体，打开水冷，点弧，开始制备粉体；点弧完毕后，炉内漂浮的粉体沉积需要约0．5 h，排出工作气体，通入Ar气钝化，收粉，重复操作。

3．3电弧等离子法制备超细金属粉体工艺及影响参数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【I 41。

其简要工艺流程图如图4所示15-16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、反应范嗣等关键因素，很难定量地控制，生产出来的金属超细粉体颗粒直径分布为10～150nm，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处理。

4结束语水反应金属燃料的高能量和优异性能使世界各国为之瞩目，随着研究的进展正在逐步成为水下推进的主要燃料，其所使用的主要原料超细Al粉、Mg粉及其包覆改性也在日趋完善。

目前超细Al粉、Mg粉的制备方法中以电爆炸法和电弧等离子法的产品产量相对较高，且具有纯度高、颗粒直径分布窄、无污染、便于收集、成本相对较低等特点。

尽管如此，目前影响其应用的仍然是其产量，因此设法提高其产量仍是今后主要的工作。

参考文献【l】宋伟峰．超空泡技术将改变海战模式【J】．舰载武器，2003(2)：20-22．【2】查志武．鱼雷动力技术发展展望【J】．鱼雷技术，2005，13(1)：l一4．【3】赵卫兵，史小峰，伊寅，等．水反应金属燃料在超高速鱼雷推进系统中的应用【J1．火炸药学报，2006，29(5)：53-56．【4】李是良，张炜，朱慧，等．水冲压发动机用金属燃料的研究进展fJ】．火炸药学报，2006(6)：69—72．【5】胡凡，张为华，夏智勋，等．水反应金属燃料发动机比冲性能与燃烧室长度设计理论研究【J】．同体火箭技术，2007(1)：12一16．【6】徐东年．Mg基复合超细粉体的制备研究【D】．辽宁沈阳：沈阳丁业大学，2006．【7】毋伟，陈建峰，卢慈寿．超细粉体表面修饰[MI．北京：化学工业出版社，2003．【8】谈玲华，李凤生，刘磊力，等．纳米镍粉制备的研究进展【J】．材料导报，2003，17(z1)：42—43．【9】樊志良．高品质金属纳米粉体的电爆炸法制备与处理工艺研究【D1．湖南长沙：中南大学，2006．【10】陈宾．金属纳米粉制备工艺及设备研究【D】．吉林：吉林大学，2006．【11】Kotov Y A，Beketov L V．Synthesis of A1203’Ti02nanopowders by electrical explosion of wires[J】．Materials Science Forum，1 996，225(72)：9 1 3-9 1 6．【12】Kotov Y A，Azarkevich E I．Producing AI and A1203nanopowders by electrical explosion of wires[J】．KeyEngineering Materials，1997，132(1)：173一176．【13】liang Weihua，Kiyoshi Yatsui．Pulsed wired dischargefor nanosize powder synthesis[J]．IEEE Trans onPlasma Sci，1998，26：I 498—1 501．【14】吴旭峰，凌一鸣．电弧放电法制备SiC纳米粉的实验研究【J】．真空科学与技术学报，2005，25(1)：30—33．【15】刘伟．氢电弧等离子体法制备纳米金粒子【J】．稀有金属’2004，12(6)：l 082一1 084【16】张现平，张志煜．氢电弧法制备氮化Ti纳米粒子【J】．中国粉体技术。