纳米金属镍粉的制备过程研究文献综述
2020-04-13 14:55:43
纳米材料是任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料[1]。亦可定义为具有纳米结构的材料。纳米结构(Nanostructure)是一种显微组织结构,其尺寸介于原子、分子和小于0.1μm的显微组织结构之间。纳米结构也是某种形式的材料或物质,其本身就是一种纳米材料[2]。原子团簇、纳米微粒、纳米孔洞、纳米线、纳米薄膜均可组成纳米结构。当纳米结构由有限数量的原子组成时,可适用于原子尺度的精细工程,这是纳米技术的基础。
纳米金属粒子由于颗粒体积小,表面原子数目显著增大,量子尺寸效应、体积效应(小尺寸效应)、表面效应和宏观量子隧道效应明显,因而呈现出特异的物理、化学、光学、力学、电学与磁学性能。如基其熔点及烧结温度显著降低,低温下的比热容及导热率明显增[3],强磁性物质成单畴粒子时矫顽力急剧上升等[4]。这些性能已经被广泛地应用于催化剂、磁记录材料、电极材料、导电涂料、活化剂及添加剂等领域[5]。因此,纳米金属材料在现代工业、国防和高技术发展中充当了越来越重要的角色,应用前景越来越广阔[6]。
纳米金属镍(Ni)具有独特的物理、化学性质,在催化剂、磁性材料、磁流体、吸波材料、烧结活化剂、导电浆料、表面涂层材料、高性能电极材料、硬质合金粘结剂等方面具有广阔的应用前景。
例如,将纳米镍粉应用于镍-铬电池,不但提高了电池的容量、荷电保持能力、循环寿命,同时改善了放电特性;将纳米镍制备成储氢合金,具有储氢量大、容易活化、离解压力适中、在室温下吸放氢反应速率高和成本低、寿命长的特点;将纳米镍粉部分用做硬质合金的粘结相,不但满足了合金的全致密要求,而且节约了钴资源;镍和钴对二氧化氮的分解有催化作用,而纳米镍钴合金粉显著提高了此分解反应的催化作用。纳米级过渡金属镍粉催化剂粒径处于1~100 nm范畴,由于其有极高的表面活性,在提高催化反应效率、优化反应途径、提高反应速度方面的研究是未来催化学的重要研究课题。研究结果表明,纳米镍金属粒子及其合金等金属作为催化材料在军民领域中显示出优异的催化活性和选择性。在加氢脱氢、偶联、氧化、有机合成、岐化反应等过程有着广泛的应用[7-9];而在火箭发射用的固体燃料推进剂中, 如添加质量分数约1%的纳米镍微粒, 每克燃料的燃烧热可增加1倍[10]。纳米Ni粉具有磁性能可用作磁性材料提高信噪比和改善图像性能。Ni包覆Al粉为”超黑”纳米吸波材料,对雷达波的吸收率达到99%。法国研制出一种由粘接剂和纳米填充材料组成的宽频微波吸收涂层,其主要吸波功能在于其中的Co、Ni与SiC一起粉碎为纳米级的粉料,制成薄膜后再叠合,这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率,在50NHz一50GHz都具有良好的吸波性能。纳米Ni粉对金属碳化物(如WC、TiC、TaC等)及石墨等有良好的润湿性和很好的压制性能、烧结性能,因而是一种重要的硬质合金和金刚石胎体粘结的金属粉末材料。超细Ni粉具有良好的导电性,因其成本低,被广泛用于生产移动电话、个人家用计算机、笔记本电脑、电动工具及其电信设备中的多层陶瓷电容器和这些行业所需的镍氢电池。纳米镍粉具有大的比表面积,其表面活性高,导电性好,用作催化剂可大大提高催化效果[11];作为导电料浆,其导电性很好。超细鈉米镍粉也是制备超细晶镍合金的必备原料,同时将它作为添加元素可以大大提高合金(如钨合金、硬质合金等)的强度,改善合金的综合性能。将纳米镍应用于复层陶瓷电容器(简称MLCCs)的内部电极,也是目前MLCCs发展的一个方向[12]。
随着高科技的不断发展,对镍和镍材料的性能提出更高的要求,因此,现代镍制备技术既面临挑战也迎来机遇。其中,纳米镍粉的制备对镍材料的发展尤为关键[13-14]。
制备纳米粒子基本的原理, 一是将大块的固体分裂成纳米粒子,二是在形成颗粒时控制粒子的生长,使其维持在纳米尺寸。制备纳米镍粉的方法可分为物理法和化学法两大类[15]。物理法以镍为原料,通过物理方法(如电、磁、热等)来粉碎、细化颗粒。化学法则通常以镍的化合物为原料,通过化学反应和借助现代仪器设备来制备纳米粉末。物理法和化学法各有优缺点:物理法一般对设备要求较高,但操作简单;而化学法工艺过程较多,但产量大,易于实现规模化生产。
物理法:等离子电弧法,高能球磨,蒸发-冷凝法。
化学法:羰基镍热分解法,溶液还原法,固相反应法,雾化 -热分解法 /喷雾干燥法,
化学气相沉积法 ( CVD),电沉积法,C射线辐射合成法。
其他制备方法:韩国的K im等人[16]采用微波水热法利用微波特殊的热效应,成功地制备出平均粒径为0133Lm的高性能镍粉,王做山等[17]采用活性模板法,以Ni