金属纳米粉体材料制备的背景

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纳米金属粉末制备的发展现状

气体蒸发法	纯度高，粒度可控；技术复杂，设备要求高。
物理粉碎法	操作简单，但产品纯度低，粒度分布不均匀。
机械球磨法	操作简单，但产品纯度低，粒度分布不均匀。
深度塑性变形法	材料纯度高，粒度可控，设备要求高。
有机化合物分解法	粒度高，粒度分布窄，设备和原料要求高。
超声电解法	简单易行，设备投入少，颗粒半径小。
水热处理合成法	纯度高，分散性好，粒度分布窄。
激光化学气相法	纯度高，分散性好，粒度分布窄。
溶胶凝胶法	反应物种多，产物颗粒均匀，过程易控制。
非晶晶化法	批量大，成本低，易产业化，粒子较大。
微乳液法	粒子的单分散性和界面性好。

纳米金属粉末的应用

高效率的催化触媒材料(Ni、Al)

含能材料(Cu、Al、Ni)、防腐蚀材料(Zn)

吸波材料和电磁波屏蔽材料(Ni、Fe)

电极材料(Ni)、多层片式MLC的内外电极浆料 (Ni、Cu)

医疗卫生领域的杀菌和抗感染材料(Ag)

润滑油添加剂材料(Cu)

纳米磁性合金材料(Fe、Co、Ni、Sn )

烧结活化剂材料(W、Ni)

金属纳米粉体材料，以其奇异的物理和化学性能，使得它在冶金工业、先进陶瓷、电子电器、生物工程、农业、光电一体化、化学工业、医学、分子组装、环境保护、能源、国防等领域具有广阔的应用前景。

纳米金属粉体制备存在的问题

1、工程化角度：产品杂质含量高，粒度分布不均匀，团聚严重；

2、科学研究角度： 制备工艺摸索尚浅，制备过程中关键控制步骤无研究报道

生成控制因素，产率提高手段， 超细粒子收集、输运机制。

金属纳米粉体制备的发展趋势

活性高(与无机粉体比较，成本高)，平均粒度小，粒径分布范围要求窄，制备难度大。

我国目前大多数纳米粉末生产单位以纳米无机物生产为主纳米金属粉末制备多数停留在实验室少量合成水平上，纳米金属粉末制备的技术进步正趋于解决高纯度、窄粒径分布、提高产率和降低生产成本等技术难题。

润滑油添加剂的发展现状及趋势

技术成熟(有机油溶性添加剂或无机固体润滑剂)

有机油溶性添加剂价格昂贵，极压性能一般

苛刻服役条件下易润滑失效（尤其是重载条件下）

有机成分在制备、服役中易带来环境问题

重要的发展趋势：纳米金属粉体材料

纳米金属粉体作为润滑添加剂的发展状况

    美、俄等国已经对纳米添加剂润滑油和传统润滑油作了对比实验，磨损减少2-10倍，高负荷和振动条件下润滑膜不会被破坏。

     发展良好抗磨损性能、高承载能力、对磨损表面具有一定自修复功能的润滑油复配添加剂。

    国内外研究刚刚起步，很多配方、工艺、作用规律及机理性研究远未成熟。

研究意义：

工程意义：

① 全面探讨多种纳米金属粉体材料的等离子体制备工艺，获得最优化工艺方案，大幅提高产率。

② 摸索纳米粉体收集封装过程，检讨制备设备的设计方案，提高收得率，完善相关辅助工艺技术。

③ 形成多种纳米金属粉末材料稳定制备的整套成熟工艺方案，为放大实验和工业化扩试打下基础。

④ 瞄准国际先进产品，发展具有良好抗磨损性能、高承载、具有一定自修复功能的润滑油复配添加剂。

学术意义

① 基于温度场的理论计算，阐释等离子体温度场自身的极大温度梯度是金属粉体纳米化的质量控制机制。

② 探讨氢元素离解、等离子体阴极射流磁泵作用、活性氢原子的“分子蒸发”载体机制及氢微气相的逃逸，阐述氢是大幅提高产率的产量控制机制；解释实验数据与经典蒸发理论的矛盾之处，提出氢的抢先分子蒸发模型。

③ 研究不等温气固两相流流场中的纳米粒子与微米粒子的不同之处，指出热泳性质是纳米粒子的收集控制机制，为纳米粒子的气流输运设备提供理论依据与借鉴。

④ 考察纳米金属粒子在润滑油中的微观磨损机制，解释其可能的作用机理，以及影响润滑油宏观减摩性能的材料科学因素。

⑤ 将非线形处理手段为主的分形理论与计算机软件设计相结合，模拟摩擦表面粗糙轮廓曲线，试图从定量角度对摩擦界面进行表征，希望将宏观性能的改善同某种摩擦微观界面的内禀数值化特征联系起来，为宏观性能的微观解释提供定量的直接证据。

经济意义

① 目前我国纳米金属粉末产量少、成本高、应用领域受限；以MLC电子浆料行业为例，日本进口Ni浆4000元/Kg，纳米Ni粉更被限制对华出口；仅成都地区某电子元件厂，用纳米Ni粉替代贵金属浆料投入工业化应用，纳米Ni用量为5-10吨/年，其价值约3-6千万元(以Ni含量70%计算)。

② 成都某石油化学有限公司可作为纳米金属粉体改性内燃机用润滑油的接产单位，目前需要改性的基础油达3000吨/年，批量生产10000吨/年，年增产值850万元，年增利润100万元。

研究目标和主要研究内容

① 采用等离子体法制备出高质量(纯度高、平均粒度小、粒径分布窄)的纳米金属Ni、Fe、Cu、Zn粉体材料，纯度不小于99.9%，平均粒度小于45nm，粒径分布范围小于100nm。

② 从材料本征特性、电流强度、环境压力、氢气氛、气流循环强度等方面对制粉工艺进行单因素或正交工艺优化，提高生产率；根据不同的材料，稳定连续的产率达到20-100g/day。

③ 解决粉末收集、产品钝化、工业封装等辅助工艺问题。

④ 系统完整地探讨纳米粉体制备相关的三个基本机理。

粉体质量控制因素及其内在机理(温度梯度)

粉体产量控制因素及其内在机理(氢的抢先分子蒸发)

粉体收集控制因素及其内在机理(不等温流场中的热泳)

⑤ 研究纳米Cu粉改性燕山石化石蜡基系列HVI-50基础油的相关工艺，最大无卡咬负荷(PBN)指标提高20%以上，长期磨损磨斑直径(d/392N,30min)指标下降15%以上。

⑥ 考察纳米金属粒子改性润滑油的微观定性磨损机制，从纳米摩擦学的角度提供相关理论探讨。

⑦ 进一步对摩擦磨损问题做理论定量分析，尝试对摩擦界面用分形理论进行定量化表征，开发一套计算机软件系统对摩擦粗糙表面轮廓曲线进行软件模拟，并计算其分形维数特征值。

本研究关键技术及难点

关键技术之一：避免液氮冷却，采取普通风冷方式是本文研究的技术可行性保障。

关键技术之二：采用高纯氢来成倍提高产率，但是等离子体高温与危险的高纯氢气氛“组合”为制备装置、制备工艺技术设计与优化等带来了很大困难 。

关键技术之三：保证纳米金属粒子在油中的充分分散状态；同时粉体制备的源头上，尽量减小粉体松装密度以减少比重差。是制备的纳米金属粉体能够进入润滑油应用领域的必要条件。

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{:1106_362:}{:1106_362:}{:1106_362:}{:1106_362:}考察纳米金属粒子改性润滑油的微观定性磨损机制，从纳米摩擦学的角度提供相关理论探讨。