Процесс приготовления и применения ультрадисперсного никелевого порошка

Никель обладает такими свойствами, как магнетизм, проводимость и высокая температурная стабильность. Сверхтонкий никелевый порошок обладает большим поверхностным и объемным эффектом и демонстрирует ряд особых свойств в электрических свойствах, поглощении волн, термическом сопротивлении, поглощении света, химической активности и т. д., поэтому он имеет широкие перспективы применения во многих областях, таких как электронная паста, металлокерамика, экранирующие и поглощающие волны материалы, катализаторы и материалы для аккумуляторов.

Ряд физических и химических свойств ультрадисперсного никелевого порошка изменяется в зависимости от морфологии порошка, размера и распределения частиц. Как подготовить частицы с определенной формой, размером и распределением, которые соответствуют потребностям, контролируя условия реакции, является важным аспектом исследования ультрадисперсного никелевого порошка.

Метод приготовления ультрадисперсного никелевого порошка

01 Газофазный метод

1.1 Метод испарения-конденсации

Процесс производства сверхтонкого никелевого порошка методом испарения-конденсации заключается в следующем: нагревание металлического никеля до 1425 ℃ для испарения, и пар быстро конденсируется для получения никелевого порошка. Использование испарения в вакуумной среде может снизить температуру испарения, например, нагревание до 700 ℃ под давлением 1,33 Па для получения паров никеля. Метод испарения-конденсации теоретически может приготовить любой материал. Его характеристики заключаются в том, что поверхность полученного сверхтонкого порошка чистая, размер частиц регулируется, а форма кристалла, как правило, сферическая, что особенно подходит для приготовления сверхтонких металлических порошков.

1.2 Метод термического разложения карбонила никеля

Метод термического разложения карбонильного никеля был предложен Мондом и др. в Великобритании в 1889 году. Он в основном делится на два этапа: первый этап заключается в приготовлении карбонильного никеля, а второй этап — в разложении карбонильного никеля для получения никелевого порошка. Этот метод более практичен, чистота полученного никелевого порошка очень высока, и он имеет широкий спектр применения.

1.3 Метод химического осаждения из паровой фазы

Метод химического осаждения из паровой фазы также называется методом восстановления водорода в газовой фазе. Этот метод заключается в испарении хлорида никеля при высокой температуре, а затем восстановлении его до атомов металлического никеля в атмосфере водорода и получении сферического сверхтонкого никелевого порошка посредством зародышеобразования, роста, столкновения и других процессов. Благодаря высокой температуре кристаллизации никелевый порошок, полученный методом химического осаждения из паровой фазы, имеет хорошую кристалличность, высокую чистоту и контролируемый размер частиц. Этот метод позволяет производить сферический сверхтонкий никелевый порошок с однородным размером частиц при более низкой себестоимости производства. Он подходит для электродных материалов, заменяющих металлический палладий в MLCC. Его цена может конкурировать с традиционными электродными материалами конденсаторов, но необходимое оборудование относительно дорогое, и оборудование сильно корродирует.

1.4 Метод электрического взрыва провода

Метод электрического взрыва проволоки является относительно новым методом получения никелевого порошка. Он прикладывает высокое постоянное напряжение к никелевой проволоке в реакционной камере, заполненной инертным газом, для формирования очень высокой плотности тока внутри никелевой проволоки, так что никелевая проволока взрывается, чтобы получить сверхтонкий никелевый порошок. Никелевая проволока может автоматически поступать в реакционную камеру через систему подачи проволоки, так что вышеуказанный процесс может быть повторен.

02 Метод жидкой фазы

2.1 Метод восстановления водородом под высоким давлением

В автоклаве при условии присутствия катализатора водород может быть использован для восстановления аммиачного водного раствора никеля или нерастворимого в воде основного карбоната никеля, гидроксида никеля и других водных пульп с целью получения ультрадисперсного никелевого порошка.

2.2 Метод восстановления жидкой фазы

Метод восстановления в жидкой фазе заключается в подготовке реагентов в растворе определенной концентрации и использовании восстановителя для восстановления никеля в жидкой фазе. Механизм его реакции - окислительно-восстановительная реакция. В качестве восстановителей обычно используют гидразингидрат, NaBH4, KBH4 и полиолы. Преимуществами метода восстановления в жидкой фазе являются широкие источники сырья, простота оборудования, простота эксплуатации, высокая чистота продукта, малый размер частиц и равномерное распределение. Однако его недостатками является то, что восстановитель - боргидрид натрия - дорог, а гидразингидрат токсичен.

2.3 Метод микроэмульсии

«Микроэмульсия» определяется как термодинамически стабильная, изотропная, прозрачная или полупрозрачная дисперсионная система, образованная двумя несмешивающимися жидкостями, и система содержит капли одной или двух жидкостей, стабилизированных межфазной пленкой, образованной поверхностно-активным веществом. Микроэмульсия диспергирует непрерывную среду в крошечные пространства. Метод микроэмульсии широко используется при получении ультратонкого никелевого порошка. Гао Баоцзяо и др. изучали восстановление сульфата никеля с помощью гидразингидрата в системе обратной микроэмульсии вода (раствор)/ксилол/додецилсульфат натрия/н-пентанол в условиях водяной бани с постоянной температурой в сильнощелочной среде. Контролируя состав микроэмульсионной системы, можно регулировать размер частиц продукта для получения сферического ультратонкого металлического никелевого порошка с равномерным распределением размеров частиц.

2.4 Метод ультразвукового распыления-термического разложения

Метод ультразвуковой атомизации-термического разложения является важным методом получения микрочастиц с уникальными свойствами. Этот метод использует механизм высокоэнергетической дисперсии ультразвука. Целевой исходный маточный раствор проходит через ультразвуковой распылитель для получения микронных капель, которые транспортируются в высокотемпературный реактор газом-носителем для термического разложения, тем самым получая сверхтонкие порошковые материалы с однородным размером частиц. Метод ультразвуковой атомизации-термического разложения имеет преимущества простого контроля целевых компонентов, широкого источника исходных веществ, узкого распределения размеров частиц продукта и контролируемого размера частиц.

2.5 Метод электролиза

Добавьте раствор Ni2+ в электролитическую ячейку, используйте никелевую пластину в качестве анода, графит или драгоценный металл в качестве катода, включите питание и периодически меняйте направление тока, а полученный никелевый порошок осядет на дне электролитической ячейки, а затем будет собран магнитными материалами. Этот метод в настоящее время широко используется в промышленном производстве, но у него есть проблемы с сильной коррозионной активностью, плохими условиями труда, высоким потреблением энергии и он легко вызывает определенную степень загрязнения окружающей среды, и этот процесс необходимо улучшить.

2.6 Метод радиационного синтеза

Основной принцип приготовления ультрадисперсного никелевого порошка путем облучения γ-лучами раствора соли металлического никеля заключается в том, что вода может производить большое количество частиц под действием γ-излучения. Гидратированные электроны и атомы водорода в этих частицах обладают сильной восстановительной способностью, которая может постепенно восстанавливать ионы металлического никеля. Вновь образованные атомы никеля собираются в ядра и в конечном итоге образуют ультрадисперсные частицы. Размер и форму частиц можно контролировать, контролируя концентрацию раствора, значение pH и дозу облучения.

03 Твердофазный метод

3.1 Метод механического дробления

Метод механического дробления представляет собой метод использования механической силы для дробления больших блоков на требуемые частицы. В зависимости от различных механических сил его можно разделить на метод удара потоком воздуха, метод механического шарового измельчения и метод ультразвукового дробления. Метод механического шарового измельчения в настоящее время является относительно экономичным методом приготовления сверхтонкого никелевого порошка. Преимуществами метода механического шарового измельчения являются простой рабочий процесс, низкая стоимость, высокая эффективность приготовления и возможность приготовления сверхтонких частиц металла с высокой температурой плавления, которые трудно получить обычными методами. Его недостатками являются неравномерное распределение размеров частиц и низкая чистота.

3.2 Метод твердофазного разложения

1. Rosenbanddeng использовал графит в качестве реактора и нагревал и разлагал твердый формиат никеля в среде аргона для приготовления никелевого порошка. Средний размер частиц полученного никелевого порошка составлял 0,4-0,6 мкм, а форма порошка была почти сферической. Никелевый порошок, полученный этим методом, имеет высокую чистоту. Регулируя параметры процесса, можно получить никелевый порошок, который соответствует условиям для внутренних электродов MLCC, но стоимость приготовления никелевого порошка этим методом относительно высока.

Применение ультрадисперсного никелевого порошка

1. Материалы аккумулятора

Никель-водородные аккумуляторы и литий-ионные аккумуляторы, как новые вторичные аккумуляторы, играют все более важную роль в новых энергетических материалах. Литий-ионные аккумуляторы широко используются в военных и гражданских электроприборах из-за их высокой удельной энергии, высокого напряжения аккумулятора, широкого диапазона рабочих температур и длительного срока хранения. Разработка материалов положительного электрода литий-ионных аккумуляторов также прошла сложный процесс. В настоящее время широко используется LiCoO2, в то время как дешевые LiNiO2 и LiMnO2 широко изучаются и испытываются. Кристаллическая структура LiNiO2 похожа на структуру LiCoO2, но его цена довольно низкая, а его удельная емкость велика. Условия синтеза LiNiO2 относительно жесткие, что также является ключевой проблемой, которую необходимо преодолеть при крупномасштабной разработке материалов положительного электрода LiNiO2.

2. Магнитные материалы

Сверхтонкий никелевый порошок является прекрасным магнитным материалом. Его можно диспергировать в жидкости-носителе для образования магнитной жидкости; наноникелевый порошок со стандартной стержневой или линейной формой можно использовать для изготовления «квантового диска» с высокой плотностью хранения. Некоторые используют эффект магнитосопротивления Ni-Fe и Ni-Co для проверки магнитной головки. Эта головка имеет высокое напряжение считывания и не требует катушки, что позволяет избежать недостатка медленного отклика индуктивной головки при очень высокой плотности записи.

3. Твердый сплав

С момента появления твердого сплава в 1923 году лучшим связующим металлом считался металлический кобальт, однако из-за его высокой цены и нестабильности поставок постепенно стал популярным никель, обладающий такими же связующими свойствами, но относительно дешевый.

4. Каталитические материалы

Сверхтонкий порошок никеля является превосходным химическим каталитическим материалом. Катализатор из наночастиц Ni с размером частиц менее 5 нм и Si в качестве носителя не только обладает хорошей поверхностной активностью, но и резко увеличивает селективность в реакции гидрирования пропионового альдегида; при использовании Ni/SiO2 в качестве катализатора для гидрогенолиза этана, когда размер частиц уменьшается с 22 нм до 2,5 нм, скорость каталитической реакции увеличивается в 10 раз; активность нанопорошка никеля в катализе гидрирования циклооктадиена с получением циклооктена в 2-7 раз выше, чем у традиционного скелетного Ni, а селективность увеличивается более чем в 5 раз.

5. Поглощающие материалы

Используя свои превосходные электрические и магнитные свойства, сверхтонкий никелевый порошок может быть смешан с полимерными матричными материалами для получения материалов для экранирования электромагнитных волн. Проводящее покрытие на основе сверхтонкого никелевого порошка обладает сильной способностью электронного вектора поглощать и рассеивать электромагнитные лучи, а также большой амплитудой затухания магнитного вектора. После специальной обработки он обладает превосходными антиокислительными, антикоррозионными и антивлажными свойствами, поэтому его доля в материалах для экранирования электромагнитных волн увеличивается.

6. Военные специальные материалы

Сверхтонкий никелевый порошок в основном используется в военной сфере для нанокаталитических композитных материалов твердого ракетного топлива и взрывчатых веществ. Использование никелевого порошка может увеличить скорость горения твердого ракетного топлива и взрывчатых веществ и снизить критическое парциальное давление. Сообщается, что добавление около 1% наноникелевого порошка в твердое ракетное топливо увеличивает его эффективность сгорания в 100 раз.

7. Многослойный керамический конденсатор MLCC

С корректировкой структуры рынка электронных комплектных машинных изделий, быстро развивались мобильное коммуникационное оборудование и портативные компьютеры, что создало огромное рыночное пространство для развития MLCC. Традиционным материалом электрода MLCC является сплав Pd/Ag или чистый Pd. Цена импортируемой суспензии внутреннего электрода Pd30/A970 с наибольшим потреблением превышает 25 000 юаней/кг, поэтому использование материалов из неблагородных металлов для замены электродов Pd/Ag является важной тенденцией в развитии MLCC. Чтобы учесть требования большой емкости и низкой стоимости, наилучшим выбором является электрод из неблагородного металла Ni.

Кроме того, ультрадисперсный никелевый порошок также широко используется в пористых материалах, хиральных материалах, распыляемых материалах, нанокомпозитных гальванических материалах, а также для улучшения фрикционных и износостойких свойств смазочных масел.