第5次课2-金属纳米粉体材料制备的背景

▪ 价格居高不下
▪ 制备工艺摸索尚浅
科学研究角度
▪ 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
纳米金属粉体制备的发展趋势
❖ 活性高(与无机粉体比较，成本高) ❖ 平均粒度小 ❖ 粒径分布范围要求窄 ❖ 制备难度大
制备特点
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
研究意义
学术意义
① 基于温度场的理论计算，阐释等离子体温度场自身的极大温 度梯度是金属粉体纳米化的质量控制机制。
② 探讨氢元素离解、等离子体阴极射流磁泵作用、活性氢原子 的“分子蒸发”载体机制及氢微气相的逃逸，阐述氢是大幅提 高产率的产量控制机制；解释实验数据与经典蒸发理论的矛盾 之处，提出氢的抢先分子蒸发模型。
研究目标和主要研究内容
⑥ 考察纳米金属粒子改性润滑油的微观定性磨损机制，从纳米 摩擦学的角度提供相关理论探讨。
⑦ 进一步对摩擦磨损问题做理论定量分析，尝试对摩擦界面用 分形理论进行定量化表征，开发一套计算机软件系统对摩擦粗 糙表面轮廓曲线进行软件模拟，并计算其分形维数特征值。
金属纳米粉体材料，以其奇异的物理和化学性能，使得它在冶金工业、先进陶瓷、 电子电器、生物工程、农业、光电一体化、化学工业、医学、分子组装、环境保 护、能源、国防等领域具有广阔的应用前景。
纳米金属粉体制备存在的问题
工程化角 度
▪ 产品杂质含量高 ▪ 收集封装难度大
▪ 粒度分布不均匀 ▪ 产量低
▪ 团聚严重
② 成都某石油化学有限公司可作为纳米金属粉体改性内燃 机用润滑油的接产单位，目前需要改性的基础油达3000吨/年， 批量生产10000吨/年，年增产值850万元，年增利润100万元。
研究目标和主要研究内容
① 采用等离子体法制备出高质量(纯度高、平均粒度小、粒径 分 布 窄 ) 的 纳 米 金 属 Ni、Fe、Cu、Zn 粉 体 材 料 ， 纯 度 不 小 于 99.9%，平均粒度小于45nm，粒径分布范围小于100nm。 ② 从材料本征特性、电流强度、环境压力、氢气氛、气流循环 强度等方面对制粉工艺进行单因素或正交工艺优化，提高生产 率；根据不同的材料，稳定连续的产率达到20-100g/day。 ③ 解决粉末收集、产品钝化、工业封装等辅助工艺问题。
纳米金属粉末制备的技术进步正趋于解决高纯度、窄粒径 分布、提高产率和降低生产成本等技术难题
润滑油添加剂的发展现状及趋势
❖技术成熟(有机油溶性添加剂或无机固体润滑剂) ❖有机油溶性添加剂价格昂贵，极压性能一般 ❖苛刻服役条件下易润滑失效（尤其是重载条件下） ❖有机成分在制备、服役中易带来环境问题 ❖重要的发展趋势：纳米金属粉体材料
研究意义
工程意义
① 全面探讨多种纳米金属粉体材料的等离子体制备工 艺，获得最优化工艺方案，大幅提高产率。
② 摸索纳米粉体收集封装过程，检讨制备设备的设计 方案，提高收得率，完善相关辅助工艺技术。
③ 形成多种纳米金属粉末材料稳定制备的整套成熟工 艺方案，为放大实验和工业化扩试打下基础。
④ 瞄准国际先进产品，发展具有良好抗磨损性能、高 承载、具有一定自修复功能的润滑油复配添加剂。
③ 研究不等温气固两相流流场中的纳米粒子与微米粒子的不同 之处，指出热泳性质是纳米粒子的收集控制机制，为纳米粒子 的气流输运设备提供理论依据与借鉴。
研究意义
学术意义
④ 考察纳米金属粒子在润滑油中的微观磨损机制，解释其可能 的作用机理，以及影响润滑油宏观减摩性能的材料科学因素。
⑤ 将非线形处理手段为主的分形理论与计算机软件设计相结合， 模拟摩擦表面粗糙轮廓曲线，试图从定量角度对摩擦界面进行 表征，希望将宏观性能的改善同某种摩擦微观界面的内禀数值 化特征联系起来，为宏观性能的微观解释提供定量的直接证据。
纳米金属粉体作为润滑添加剂的发展状况
❖ 美、俄等国已经对纳米添加剂润滑油和传统润滑 油作了对比实验，磨损减少2-10倍，高负荷和振动 条件下润滑膜不会被破坏。 ❖ 发展良好抗磨损性能、高承载能力、对磨损表面 具有一定自修复功能的润滑油复配添加剂。 ❖ 国内外研究刚刚起步，很多配方、工艺、作用规 律及机理性研究远未成熟。
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Байду номын сангаас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。
纳米金属粉末的应用
高效率的催化触媒材料(Ni、Al) 含能材料(Cu、Al、Ni)、防腐蚀材料(Zn) 吸波材料和电磁波屏蔽材料(Ni、Fe) 电极材料(Ni)、多层片式MLC的内外电极浆料 (Ni、Cu) 医疗卫生领域的杀菌和抗感染材料(Ag) 润滑油添加剂材料(Cu) 纳米磁性合金材料(Fe、Co、Ni、Sn ) 烧结活化剂材料(W、Ni)
制备背景
纳米金属粉末制备的发展现状
气体蒸发法
纯度高，粒度可控；技术复杂，设备要求高。
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。
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
研究意义
经济意义
① 目前我国纳米金属粉末产量少、成本高、应用领域受限；以 MLC电子浆料行业为例，日本进口Ni浆4000元/Kg，纳米Ni粉更 被限制对华出口；仅成都地区某电子元件厂，用纳米Ni粉替代 贵金属浆料投入工业化应用，纳米Ni用量为5-10吨/年，其价值 约3-6千万元(以Ni含量70%计算)。
研究目标和主要研究内容
④ 系统完整地探讨纳米粉体制备相关的三个基本机理。 ➢ 粉体质量控制因素及其内在机理(温度梯度) ➢ 粉体产量控制因素及其内在机理(氢的抢先分子蒸发) ➢ 粉体收集控制因素及其内在机理(不等温流场中的热泳) ⑤ 研究纳米Cu粉改性燕山石化石蜡基系列HVI-50基础油的 相关工艺，最大无卡咬负荷(PBN)指标提高20%以上，长期磨 损磨斑直径(d/392N,30min)指标下降15%以上。