超细铜粉
用做微电子器件生产的基础原料
超细铜粉是一种紫褐色或褐色粉末,又称亚微米铜粉、亚微米超细铜粉、超微铜粉、特细铜粉、铜粉。其英文名为 powder, ultrafine copper powder, Superfine copper powder, nano-copper powder。主要用作微电子器件生产的原材料,以及多层陶瓷电容器的终端。此外,还可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂,以及石油润滑剂、医药、电镀、涂料等行业。
物理特性
超细铜粉属于超细颗粒材料,其颗粒尺寸通常在1至100纳米之间,也被称为纳米颗粒材料。在实际应用中,有时也将超细颗粒材料扩展到几微米范围。纳米铜粉因其独特的物理特性,如小尺寸效应、大的比表面和宏观量子隧道效应,展现出许多优于微米级粉末的性能。
制备方法
传统方法
传统的电解铜粉由于颗粒较大,一般在10微米以上,不适合用于制作纳米级超细铜粉;雾化法由于抗氧化问题难以解决,难以推广。除了传统的电解法和雾化法外,现有制备方法很多,如:物理法(球磨法、气相蒸汽法、等离子法、γ射线辐照一水热结晶联合法、冷冻干燥法等)和液相化学还原法。前者成本高,设备昂贵,工艺复杂;目前研究较多的是液相化学还原法。
球磨法
以粗颗粒铜粉为试样,采用改进型振动球磨,高能球磨。高能球磨法产量较高、工艺简单,能制备常规方法难以制备的高熔点金属、互不相溶体系的固溶体、纳米金属间化合物及纳米金属,陶瓷复合材料,缺点是晶粒不均匀、球磨过程中易引入杂质。
气相蒸发法
该方法是制备金属超微粉末最直接、最有效的方法,法国的L’air 羧基液体丁腈橡胶公司采用感应加热法,用改进的气相蒸气法制粉技术制备了铜超微粉末,产率为0.5千克/小时感应加热法是将盛放在陶瓷坩埚内的金属料在高频或中频电流感应下靠自身发热而蒸发,这种加热方式具有强烈的诱导搅拌作用,加热速度快、温度高。
等离子体法
等离子体温度高、反应速度快,可获得均匀、小颗粒的纳米粉体。易于实现批量生产,几乎可制备任何纳米材料。等离子体法分为直流电弧等离子体(DC)法、高频等离子体(RF)法及混合等离子体(Hybrid plasma)法。DC法使用设备简单、易操作,生产速度快。几乎可制备任何纯金属超细粉,但高温下电极易于熔化或蒸发而污染产物;RF法无电极污染、反应速度快、反应区大,广泛应用于生产超细粉。其缺点是能量利用率低、稳定性差;混合等离子体法将DC法与RF法结合起来,既有较大的等离子体空间、较高的生产效率和纯度,也有好的稳定性。
γ射线辐照一水热结晶联合法
陈祖耀等人利用Co源强γ射线辐照制备金属超微粒子,采用γ射线辐照一水热结晶联合法获得了平均粒径约50纳米的纳米铜粉。
超声电解法
朱学彬等以分析纯硫酸铜配制成较低浓度0.20—0.25M的溶液,并加入1.8~2.O M硫酸调配成电解液。在室温下将电解装置引入超声装置中(超声波频率20~60千赫兹),电解过程中加入适量的有机溶剂以防氧化,如乙醇甲苯油酸等(均为分析纯)。电解完成后的溶液在进行高速离心、真空抽滤、酒精洗涤和真空干燥后,得到粉末产物。
超临界流体干燥法(SCFD)
用均相溶液化学还原法与超临界流体干燥法相结合的组合技术,制备高纯度、高分散性、高抗氧化性的立方晶系纳米级铜粉。粉体颗粒为球形,粒径约为25纳米;与普通干燥法比较,超临界流体干燥法实现了粉体干燥与表面改性一步完成。
化学还原法
甲醛法
廖戎等人,用甲醛直接还原硫酸铜,得到的铜粉颗粒粗大,均匀性差。采用葡萄糖预还原硫酸铜,在碱性条件下,用甲醛还原得到紫红色超细铜粉,粒径在20—400纳米。
水合肼法
高扬等人将溶有分散剂的硫酸铜溶液和水合肼溶液反应,制得粒径为10纳米左右铜粉,粒度分布均匀。
次亚磷酸钠法
张志梅等人,用NaH2PO2还原CuSO4的络合溶液,得到粒径30~50纳米单质铜。将一定浓度的次亚磷酸钠溶液以一定的速率加入一定浓度的硫酸铜溶液中搅拌,使二者发生氧化还原反应,生成单质铜。
硼氢化物法
黄钧声等人,用KBH4还原CuSO4,加入氢氧化钾乙二胺四乙酸二钠制得纳米级铜粉,调整反应物浓度可消除Cu:O等杂质,制备的纳米铜粉仍有一定团聚,试验需加入分散剂来改善。
锌粉还原法
钟莲云等采用化学合成法可低成本制备超细铜粉。以金属锌和五水硫酸铜为原料,用氨水调节pH值,研究了硫酸铜浓度、氨水加入量、反应温度等对超细铜粉粒径大小的影响,获得密度较小的0.1微米超细铜粉。
抗坏血酸法
肖寒等人,以CuSO4·5H2O为原料,以抗坏血酸为还原剂聚乙烯吡咯烷酮为保护剂,制得20~40纳米铜粉,并探讨CuSO4和抗坏血酸的比例,保护剂(分散剂)用量及其对铜粉颗粒的控制作用。
应用领域
超细铜粉是电导率好、强度高的纳米铜材不可缺少的基础原料。由于其优异的电气性能,广泛应用于导电胶、导电涂料和电极材料,近年来研究发现可用于制作催化剂、润滑油添加剂,甚至可以用于治疗骨质疏松症骨折等。超细颗粒材料是指其颗粒尺寸在1至100纳米之间的粉末,也称为纳米颗粒材料(在应用中有人将超细颗粒材料扩展到几微米)。纳米粒子具有小尺寸效应,大的比表面和宏观量子隧道效应,因而纳米微粉显示出许多优良的性能是微米级粉末所没有的。纳米铜粉的比表面大、表面活性中心数目多,在冶金和石油化工中是优良的催化剂。在有机高分子化合物聚合物的氢化和脱氢反应中,纳米铜粉催化剂有极高的活性和选择性,在乙炔聚合反应用来制作导电纤维的过程中,纳米铜粉是很有效的催化剂。在汽车尾气净化处理过程中,纳米铜粉作为催化剂可以用来部分地代替贵金属铂和钌,使有毒性的一氧化碳转化为二氧化碳,使一氧化氮转变为二氧化氮。随着电子工业的发展,由纳米铜粉制备的超细厚膜浆料将在大规模集成电路中起着重要的作用,同时价格比贵金属银粉、钯粉低廉,具有广阔的应用前景。纳米铜润滑油添加剂是以纳米摩擦学为理论指导、以纳米技术为支撑的一种新型的润滑油添加剂产品,它具有优良的抗磨减摩和节能环保功效。将纳米铜润滑油添加剂添加到汽车发动机润滑油中,可减小发动机的启动电流并增大汽缸压力。发动机使用该添加剂一段时间后,缸套和活塞环上便形成一层保护膜。此时。润滑系统一旦发生故障,汽车还能安全行驶很长一段时间,这在军事上是很有意义的。
发展现状
纳米铜粉的研制是一项可能带来铜及其合金革命性变化的关键技术,具有重要的理论意义和实用价值。纳米铜粉的研究还处于开发阶段,而其广泛的用途将使得纳米铜粉的研究具有更好的市场价值和市场前景。
参考资料
超细铜粉的制备方法.铜陵铜基粉体科技有限公司.2024-08-15
目录
概述
物理特性
制备方法
传统方法
球磨法
气相蒸发法
等离子体法
γ射线辐照一水热结晶联合法
超声电解法
超临界流体干燥法(SCFD)
化学还原法
甲醛法
水合肼法
次亚磷酸钠法
硼氢化物法
锌粉还原法
抗坏血酸法
应用领域
发展现状
参考资料