1　前言
超细粉末通常泛指由许多粒径约为1100ｎｍ范围内的微小固体颗粒构成的集合体,它属于微观粒子和宏观物体之间的过渡区域,具有一系列特殊的物理、化学性能,引起了学术界和产业界的广泛关注[1,2]。目前超细粉末的制备方法多种多样,且应用和潜在的应用领域也逐渐拓宽。因此,寻找一种易在工业生产中推广的制备方法便具有很大的现实意义。另外,用一般方法制备得到的超细粉末均存在有粉末颗粒易发生团聚和表面氧化的问题,这给以后的收集、存放、运输和应用过程带来了极大的不便[3]。本文介绍了一种新颖的电解法,用它可制备出纯度高、粒度均匀、且表面包覆的超细金属粉末,并以超细铜粉的制备为例说明了其工艺过程。应用该方法,粉末的制备和表面包覆同步完成,因此所得粉末是高弥散和抗氧化的。同时,该方法设备简单,容易控制,可扩大至工业生产规模。

2　实验方法
新型电解法制备超细金属粉末的实验装置结构示于图1。具体电解槽的结构见图2。制备超细铜粉时,所用的原料有ＣｕＳＯ4、Ｈ2ＳＯ4、甲苯、油酸等(均为分析纯)。实验时,用蒸馏水配制合适浓度的ＣｕＳＯ4溶液,注入电解槽中,同时向其中加入少量Ｈ2ＳＯ4,使溶液的ｐＨ值为36。然后加入一定量的用甲苯和油酸等表面活性剂(体积分数为2%5%)配制的有机液。由于有机液的密度较小,因而浮于电解液上,在电解槽内部形成了两层液面。图1的容器中也有一定量的这种有机液。用ＪＷＹ-30-2Ａ型直流稳压电源,选择适当工艺参数进行电解。电解过程中采用不溶性阳极(如Ｐｂ-Ｓｎ合金),电解槽中的阴极圆筒是不断旋转的,同时其内部通有冷却水。由图2可知,阴极圆筒置于两液相交界处,跨于两液相之中。这样,阴极圆筒上析出的金属粉末被由增压泵来的有机液流冲刷掉,回流到电解槽中,所得有机液和析出金属粉末的混合物经离心处理后,有机液可循环使用,而剩余的粉末颗粒经真空干燥后即可得到所需的超细粉末。粉末的形态和尺寸用透射电镜(Ｈ-800)、Ｘ射线小角度散射等进行了观测和分析。
图1　新型电解法的装置示意图
图2　电解槽的结构图
1-电解槽　2-旋转阴极　3-喷嘴　4-有机液层　
5-阳极 6-电解液　7-排液口　8-有机液　9-冷却水

3　试验结果及分析
图3是所得超细金属铜粉的ＴＥＭ照片。Ｘ-射线小角度散射测得的粒度分布见图4。
图3　超细铜粉的ＴＥＭ照片 ａ-ＴＥＭ照片　　ｂ-局部放大图
可见,用这种新型电解法可得到粒径均匀、颗粒平均大小为80ｎｍ的超细金属粉末。同时粉末颗粒表面有一个厚度约为10ｎｍ的包覆层,因而这种粉末是高弥散的,不易发生团聚,且在空气中有抗氧化的能力,对以后的存储和使用都很有利。另外,由于电解法所得产物的纯度较高,工艺过程简单,粒径容易控制。除超细铜粉外,还用这种方法制得Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｍｎ及Ｃｕ-Ｚｎ、Ｃｕ-Ｎｉ、Ｆｅ-Ｎｉ、Ｎｉ-Ｍｏ、Ｆｅ-Ｃｒ等多种金属和合金的粉末。
电解法制取金属粉末的关键是如何控制粉末粒度,以得到超细粉末。根据图2可知,由于有机液的密度较小,且不与电解液相混溶,因而浮于电解液之上,形成两层液相。阴极圆筒是不断转动的(转速为520ｒ/ｍｉｎ)。当阴极圆筒在电解液中时,发生电化学还原反应,金属在其上面析出,而转动到有机液中时,由于有机液是不导电的,所以金属析出停止,而且已析出之金属被有机液涂覆。再由增压泵来的高速有机液流(流速为0.520ｍ/ｓ)的冲刷力作用下脱离阴极表面。该过程反复进行,便得到析出金属粉末与有机液的混合物。
在电解过程中,采用较低的金属离子浓度Ｃ(如所用铜离子浓度为520ｇ/ｌ)和较高的阴极电流密度ｉ(一般为0.110Ａ/ｃｍ2),可使阴极上单位时间内放电的离子数目增多,而且金属离子的沉积速度远远大于按点阵排列的颗粒长大速度。
根据式Ｎ=ａ ｂｌｏｇ(ｉ/Ｃ)(其中ａ、ｂ为常数)[4],形成的晶核数目(Ｎ晶核)越多,最后得到的粉末也就越细。另外,采用水内冷阴极以及对形成的金属粉末立即用有机液进行表面包覆并冲刷,也有效地防止了颗粒的长大,有利于得到超细粉末。