铜粉的制备方法及研究现状

2019-02-13

摘 要:纳米铜粉具有很高的活性,因此在工业中常被作为催化剂、润滑剂、导电涂料使用,同时在工程结构材料和生物工程等领域也被广泛应用。文章对目前国内外铜粉的研究现状和制备方法作了介绍,比较了各自的优缺点及在各领域中的应用情况。

关键词:金属铜粉;制备方法;现状

1 概述

由于金属铜的应用十分广泛,因此在有色金属冶金中的消耗和产能位居世界第二,仅次于铝。纳米铜粉良好的导热导电性、自润滑性和高活性,使其在诸多领域发挥着重要作用,如电学、力学、化学等领域。这都源自于纳米铜粉独特的基本特征:表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应。宏观上,纳米铜粉为红褐色,具有很高的活性,因此在空气中易发生氧化,能够溶于热硫酸和硝酸。目前,工业中常将纳米铜粉作为催化剂、润滑剂、导电涂料使用,同时在工程结构材料、航空航天和生物工程等领域也被广泛应用。

2 铜粉的用途

2.1 润滑剂
纳米铜粉具有很好的自润滑性,因此常将其添加到各种润滑油中,使二者形成混合均匀、稳定的悬浮液。采用此种方法制得的润滑油由于其中含有无数超细的铜颗粒,能够附着在被润滑部件表面形成有效的保护层,从而减少使用过程中的摩擦和磨损。

2.2 导电材料
纳米铜粉是生产电极材料的重要原料,通过将纳米铜粉制备成导电涂料后,将其喷涂在塑料制品表面能够有效屏蔽电磁波的干扰。另外,采用纳米铜粉调配的电子浆料目前主要用作微电子邻域的电极材料。在导电复合材料方面,可通过向绝缘的有机高分子材料中添加纳米铜粉制备导电复合材料。

2.3 工程结构材料领域
由于纳米晶铜材的导电性、导热性和抗拉伸强度远高于普通的粗晶铜材,使得纳米铜粉成为工程结构材料领域不可或缺的重要原料。Lu 等采用电化学沉积的方法制得晶粒尺寸约为30nm 的高纯纳米铜,性能测试表明:纳米铜具有优异的塑性和延展性。

2.4 纳米铜粉在其它方面的应用
在航空航天领域,填充有纳米铜粉的钨制介孔骨架是制备火箭喷嘴的重要材料。纳米铜粉还可以作为制作铜粉过滤器的重要原料,这种过滤器不仅能够过滤微细的颗粒,而且生产成本较低。此外,在生物工程方面采用纳米铜粉制备的过滤器能够高效的对细菌进行过滤。

3 铜粉的制备方法

目前,制备纳米铜粉方法较多,可分为物理法和化学法。常见的物理法有雾化法、球磨法和气体蒸发法等;化学法主要有气相沉积法、溶胶凝胶法、液相还原法以及电沉积法等。

3.1 物理法

3.1.1 雾化法
雾化法主要是采用高速气流对金属铜液体进行破碎,从而形成细小液滴然后凝固成粉体,此法已成为目前生产铜粉的主要发展趋势。雾化法具有生产成本低和环境污染小等优点。

3.1.2 机械球磨法
工业上广泛采用机械球磨法来制备铜粉,球磨法的作用机制主要是通过金属球对金属粉体进行冲击碰撞和碾压,使其产生强烈的塑形变形并不断细化。该法的优点是工艺简单、产量高,但生产过程中易有杂质引入,粉体尺寸不均匀。

3.1.3 气体蒸发法
气体蒸发法的作用机制主要是在活泼气氛或惰性气氛中使金属铜蒸发气化或形成等离子体,然后与活泼性气氛反应并冷却凝结,或与惰性气氛通过碰撞、冷却并凝结,从而形成微细铜粉。此法制备的铜粉具有粒径可控、形貌均一、纯度高、结晶度好等优点。

3.2 化学法

3.2.1 电沉积法
电沉积法是采用电化学的方式使铜离子在阴极还原析出,从而得到铜粉。此法在金属粉体的制备中具有重要地位,目前金属粉体的电沉积方法有直流法、脉冲法、复合共沉积法等。电解法是一种可实现规模化生产的方法,设备简单,可通过改变电解参数实现对电解铜粉的形貌、颗粒尺寸、电流效率进行优化和精准调控。

3.2.2 液相还原法
液相还原法是目前制备金属纳米材料使用最广泛的方法,其原理是在还原剂的作用下使溶液中金属阳离子还原成金属单质,通过控制各种工艺参数制备出微米甚至纳米级的金属粉体。液相还原法所使用的还原剂种类较多,常见的有次亚磷酸钠、抗坏血酸、水合肼、甲醛等。

3.2.3 气相沉积法
气相沉积法是通过等离子体、激光等作用将一种或多种气体发生反应从而析出超细粉体的制备方法。采用气相沉积法可制备多种粉体,如金属、合金、氧化物、硫化物等。

3.2.4 溶胶凝胶法
溶胶凝胶法主要是通过将含金属离子的有机化合物或无机化合物水解形成溶胶,然后通过凝胶固化后干燥、研磨、煅烧过程,从而制得纳米粉体。此法具有反应温度低、产物纯度高、粒度分布均匀等特点,但生产成本较传统方法较高,有环境污染,因此就目前而言实现规模化生产困难。

3.3 制备过程存在的问题

3.3.1 氧化问题
由于纳米铜粉化学活性强,因此铜粉表面在空气中极易被氧化而形成氧化亚铜,使其优良的性能丧失。目前报道的超细铜粉的抗氧化技术主要有:浆料中加还原剂保护、铜粉表面增加镀层、保存在惰性气体或有机溶剂中、聚合物稀溶液表面包裹处理、用偶联剂改性等。

3.3.2 团聚问题
纳米铜粉在制备、收集及保存过程中极易发生团聚,这是因为其颗粒尺寸小,比表面积大,具有很高的活性。因此,在制备过程中需要对纳米铜粉进行改性,由于表面活性剂对铜粉的团聚有抑制作用,可以对所制备的铜粉进行保护。

3.3.3 产率低成本高的问题
目前大多数纳米铜粉的制备技术还处于实验探索阶段,或多或少都存在一些问题,使得这些制备方法的应用推广受到了限制。因此,需要在具体制备过程中对各种影响因素进行改进或优化,从而提高产率。

4 结论

综上所述,纳米铜粉的应用范围广泛,具有多种制备方法。因此,可根据不同领域对铜粉产品的需求,从而选择合适的制备方法,达到对铜粉颗粒尺寸、形貌的精准调控,开拓铜粉广阔的应用领域。

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