微米和纳米金属球形粉末的制造方法技术

本发明专利技术提供一种微米和纳米金属球形粉末的制造方法，步骤如下：(1)准备金属粉末；(2)准备金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的均匀混合粉末；(3)高温退火使金属熔融并凝固成金属球；高温退火的温度是达到所述金属熔融的温度，尤其是金属熔融点温度以上40到100℃的范围内；(4)除掉碳材料粉末或陶瓷材料粉末获得微米、纳米金属球形粉末。金属球形粉末的金属包括金、银、铜、铝、镓、锡、锌、铅、铁、钴、镍、稀土等的所有单质金属，单质金属间形成的合金和化合物与包括硼、硅、碳、磷、锗、氮等类金属和非金属形成的合金和化合物。

【技术实现步骤摘要】
微米和纳米金属球形粉末的制造方法
本专利技术涉及适用于粉末冶金、金属3D打印、喷(钎)焊金属粉末、润滑材料、太阳能电池、固体燃料推进剂、电子封装、精密制备领域等微米和纳米金属球形粉末的制造方法。
技术介绍
球形金属粉末能用于粉末冶金、3D金属打印、喷(钎)焊金属粉末、润滑材料、太阳能电池、电子封装、精密制备领域等。目前已有的金属球形粒子的制备方法从成球机制方面来分，大致可以分为三类：基于液滴喷射凝固成球的有气体雾化法和离心雾化法；基于机械剪切成球的有切丝或打孔重熔法；均匀液滴喷射法和脉冲小孔喷射法[1]。雾化法是工业上主要采用的制备金属颗粒的方法，可以制备球形的金属颗粒，如气雾化法、离心雾化法、等离子体雾化、水雾化法和真空雾化法等，其中采用较多的为气雾化法和离心雾化法两类。主要原理是将液态原料用高速气流雾化、粉碎、形成微细液滴，在冷却过程中通过表面张力，形成球形微粒子。雾化法的生产效率高，成本较低，但是其生产的微粒子粒径分布范围很大，必须经过多次筛分才能得到所需粒径的粒子，产品成品率不高，而且难以制备尺寸小于10μm以下的金属粉末；此外，雾化法制备的微粒子球形度不高(常为类球形或水滴形颗粒)，存在热诱导孔洞的颗粒。另外，惰性气体的消耗量大，成本较高，气体回收净化技术难度大。切丝或打孔重熔法是通过拉丝剪切或箔片冲压等机械加工方式把需要制备的材料加工成均匀质量的微小单元，再把加工好的微小单元投入具有一定温度梯度的液体介质中重熔成液滴，液滴下落过程中在界面张力的作用下成为球形。切丝或打孔重熔法工艺可控性好，但其加工操作过程繁多，且受限于切割线宽，微小单元无法被进一步缩小，粒径无可避免地存在瓶颈。同时该工艺亦受到加工材料物理性能的限制，如硬脆材料不易被加工成丝或箔材，高熔点材料不易被熔化等。此外，该种方法制备得到的粒子还需要进行脱脂处理，这使得该方法的成本大大增加。液滴喷射法包括均匀液滴喷射法和脉冲小孔喷射法。均匀液滴喷射法是通过液体从毛细管喷嘴中流出，通过机械振动对液流施加周期性扰动，液流断裂并离散成均一液滴，液滴在表面张力作用下形成球形颗粒。脉冲小孔喷射法是让金属在坩埚中保持熔融状态，通过压电陶瓷产生大小一致的位移，该位移作用于液体，使金属液体从坩埚底部的小孔中喷出，形成均一液滴。液滴在表面张力作用下形成球形颗粒。用液滴喷射法制备的金属球粒径一致，球形度好。但液滴喷射法生产效率低，制备成本高，并且难以制备尺寸小于100μm以下的金属球。因此，液滴喷射法制备的球形金属粉末难以用于需要大量使用金属粉末的粉末冶金、3D打印、喷(钎)焊金属粉末、润滑材料等领域。本申请专利技术人在深入研究目前金属球的制造方法后发现，目前获得球形度高的金属球的方法，可以归结为两类；1)通过金属液滴/气体界面(即：液/气界面)的表面张力作用，得到金属球,如：雾化法和液滴喷射法；2)通过金属液滴/油界面(即：液/液界面)的界面张力作用，得到金属球，如切丝或打孔重熔法。本专利技术提出通过金属液滴/碳材料或陶瓷材料界面(即：液/固界面)的方法制备微米、纳米金属球。其原理是将金属颗粒用碳材料粉末或用陶瓷材料粉末隔开，利用金属液滴在碳材料或在陶瓷材料固体界面不润湿、不扩散或少扩散的性质，在液固界面液滴的界面张力和液气界面液滴表面张力同时作用下形成球形金属液滴，冷却后获得微米和纳米金属球。参考文献：[1]“均一球形微米级粒子制备技术的研究进展”，董伟、李颖、付一凡、谭毅，材料工程，9(2012)92-98.
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种金属球形粉末的制造方法，通过将金属与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末混合，使金属颗粒被碳材料粉末或被陶瓷材料粉末隔开。在达到或高于金属熔点某一温度保温，形成金属液滴/碳材料或陶瓷材料界面(即：液/固界面)，利用金属液滴在碳材料或在陶瓷材料固体界面不润湿、不扩散或少扩散的性质，在固液界面液滴的界面张力和液体的表面张力同时作用下，形成球形金属液滴，在冷却过程中获得微米和纳米金属球。本专利技术的技术方案是：一种微米和纳米金属球形粉末的制造方法，包括如下步骤：(1)准备金属粉末；(2)准备金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的均匀混合粉末；(3)高温退火使金属熔融并凝固成金属球；高温退火的温度是达到所述金属熔融的温度，尤其是金属熔融点温度以上40到100℃的范围内；(4)除掉碳材料粉末或陶瓷材料粉末获得微米、纳米金属球形粉末。金属球形粉末的金属包括所有单质金属(如：金、银、铜、铝、镓、锡、锌、铅、铁、钴、镍、稀土等)，单质金属间形成的合金和化合物以及单质金属与类金属和非金属(如：硼、硅、碳、磷、锗、氮等)形成的合金和化合物。准备所述金属原料粉末的步骤包括通过熔炼获得单质金属、合金和化合物，破碎成金属粉末，或快淬成条带后破碎成金属粉末；或者通过金属氧化物或金属盐还原获得金属粉末；或者通过其他方法获得的金属粉末。所述金属原料粉末尺寸小于10mm,优选的尺寸范围在50nm～1mm。碳材料粉末为石墨、石墨烯、金刚石、碳粉或煤粉以及它们二种或二种以上的混合物，陶瓷材料粉末为碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷以及它们二种或二种以上的混合物。准备金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的均匀混合粉末的方法：1)将金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末混合的方法,i)采取机械方法均匀混合；ii)在液体(水、乙醇等)中搅拌均匀混合；iii)通过分散剂辅助分散后，与碳材料粉末或陶瓷材料粉末混合，混合后干燥得到用碳材料或用陶瓷材料包覆的金属颗粒的均匀的混合粉末；2)用以上方式将金属氧化物或金属盐与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末混合，在还原气氛中(如氢气、氨气、一氧化碳等)退火，得到金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的均匀混合粉末。所述金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的质量比应满足所称量的金属粉末的总表面积小于所配比的碳材料粉末或陶瓷材料粉末的总表面积；所述金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的混合粉末中，金属粉末的质量在金属/碳材料粉末或陶瓷材料粉末混合物中所占质量比在10％到99.9％之间。所述碳材料粉末或陶瓷材料粉末可以是任意大小的尺寸，10纳米-100微米粒径的范围更好。碳材料粉末或陶瓷材料粉末的形貌可以是片状、球状、线状、管状或其他形状。将混合均匀的金属/碳材料或陶瓷材料混合粉末在真空或气氛(包括氢气、氮气、氩气和氨气等)中退火，温度：达到或高于金属的熔点，优选的温度为高于金属熔点40～100℃；保温时间：保证金属完全熔化，优选时间为1min～6min，短时保温克服金属液滴与碳材料或陶瓷材料之间的相互扩散，保证金属液滴在碳材料或陶瓷材料界面的不润湿性；冷却方式：1)快冷，让金属固体颗粒保持液态金属球的形状，同时，可以克服合金材料成分宏观偏析和减少高温下碳材料或陶瓷材料向金属颗粒的扩散；2)或快冷结合缓慢冷却，快冷到熔点一下温度后，再缓慢冷却，获到结晶度好、甚至单晶态的微米和纳米金属球。将退火处理的金属/碳材料或陶瓷材料混合粉末中的碳材料粉末或陶瓷材料粉末除掉，获得微米和纳米金属球形粉末。清洗方法包括：1)在液体(如：水或有机溶剂等)中浸泡后，利用金属与碳材料或与陶瓷材料大的密度差，超声清洗，除掉碳材料粉末或陶瓷材料粉末，获得金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微米和纳米金属球形粉末的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备金属粉末；(2)准备金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的均匀混合粉末；(3)高温退火使金属熔融并凝固成金属球；高温退火的温度是达到所述金属熔融的温度，尤其是金属熔融点温度以上40到100℃的范围内；(4)除掉碳材料粉末或陶瓷材料粉末获得微米、纳米金属球形粉末。

【技术特征摘要】
1.一种微米和纳米金属球形粉末的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）准备金属粉末；（2）金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末直接混和或添加部分液体均匀混料；（3）高温退火使金属熔融并凝固成金属球；高温退火的温度是达到所述金属熔融点温度以上到40℃的范围内；（4）除掉碳材料粉末或陶瓷材料粉末获得微米、纳米金属球形粉末；金属球形粉末的金属包括金、银、铜、铝、镓、锡、锌、铅、铁、钴、镍、稀土的所有单质金属，单质金属间形成的合金和化合物以及单质金属与包括硼、硅、碳、磷、锗、氮的类金属和非金属形成的合金和化合物；准备所述金属粉末包括：1）通过熔炼获得单质金属、合金和化合物，破碎成金属粉末，2）快淬成条带后破碎成金属粉末；3）通过金属氧化物还原获得金属粉末；碳材料粉末为石墨、石墨烯、金刚石、碳粉或煤粉以及它们二种以上的混合物，陶瓷材料粉末为碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷以及它们二种以上的混合物；金属粉末与碳材料粉末或陶瓷材料粉末的混合方法：1）采取机械方法均匀混合；2）在水或乙醇的液体中搅拌均匀混合；3）通过分散剂辅助分散后，与碳材料粉末或陶瓷材料粉末混合，混合后干燥得到用碳材料或用陶瓷材料包覆金属颗粒的均匀的混合粉末；用以上方式将金属粉末与碳材料粉末或陶瓷材料粉末的混合；在氢气、氨气或CO的还原气氛中退火，得到金属粉末与碳材料粉末或与陶瓷材料粉末的均匀混合粉末。2.根据权利要求1所述的金属球形粉末的制造方法，其特征在于：所述金属粉末尺寸范围在50nm～1mm。3.根据权利要求1-2中任一项所述的金属球形粉末的制造方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐少龙，程振之，雷成龙，黄海富，都有为，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32