CN105127414B - 一种核壳结构银包镍纳米粉体材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核壳结构银包镍纳米粉体材料的制备方法，属于核壳结构纳米双金属材料领域。该方法是将不同比例的金属镍粉和银粉压制成块体，作为等离子电弧炉的阳极材料，采用钨金属作为阴极材料，采用氩气和氢气作为工作气体，在一定的电流下，阳极和阴极之间起弧，持续一段时间后进行钝化，即得粒径为45～70nm的具有核壳结构的银包镍纳米粉体。本发明所提供的制备方法，工艺简单，流程短，易于控制，适合大规模工业生产且对环境无污染，绿色环保。
Description
技术领域
本发明属于核壳结构纳米双金属材料领域，具体涉及一种导电浆料和导电涂料用核壳结构银包镍纳米粉的制备方法。
背景技术
电极浆料是电子陶瓷元件的重要组成部分，尤其在多层陶瓷电容器((Multilayerceramic capacitycitors,MLCC)制备过程中广泛使用。另外在通信、电子、电器领域以及军舰与核潜艇等军事领域，为了防止外来的电磁干扰和防止本身的电磁波向外辐射，通常采用电磁屏蔽导电涂料涂覆于基体表面形成一层固化膜，从而产生导电屏蔽效果。金、钯、银等贵金属一直被用作导电浆料和导电涂料的导电填料，其中银粉的导电性优良、价格相比于金粉和钯粉略低，目前使用得任较普遍，但易产生银迁移现象。近年来贵金属价格居高不下，为了降低制造成本，用贱金属铜、镍等代替贵金属制作导体浆料、导电涂料是电子工业材料今后发展的重要趋势。金属镍粉具有良好的导电性和电磁屏蔽性，且价格较银便宜，抗迁移性也比银高，但是镍粉容易在室温或树脂固化加热时发生氧化，形成绝缘性氧化膜使导电性不稳定并大大降低。因此，要将贱金属镍粉作为导电填料，必须对其进行表面改性来提高抗氧化性。
将贱金属镍和贵金属银结合起来制成核壳结构的银包镍粉，不仅利用了核层镍粉电阻低、抗焊溶性好、无离子迁移和价格便宜等优点，同时在很大程度上又克服了镍粉老化性能不佳等缺点，且降低了银粉的成本，提高了银的抗迁移性。目前国内外科研人员通过湿化学方法对核壳结构的银包镍粉也有一定的研究(Lin S C,Chen S Y,Chen YT,etal.Electrochemical fabrication and magnetic properties of highly orderedsilver–nickel core-shell nanowires[J].Journal of Alloys and Compounds,2008,449(1-2):232-236；Gorji A H,Simchi A,Kokabi A H.Development of compositesilver/nickel nanopastes for low temperature joining of yttria-stabilizedzirconia to stainless steels[J].Ceramics International,2015,41:1815–1822；王亚民.超微细镍银双金属粉的抗氧化性研究[D].华中科技大学,2007.)。纳米级核壳结构的银包镍粉，即在纳米级镍粉表面点缀或包覆上一层纳米银，作为一种新型的粉末金属材料，可以大大提高镍粉的抗氧化能力，拓宽其使用温度范围。因此如何制备均匀、包覆完全的纳米核壳结构银包镍粉仍然是目前研究的重点。
核壳结构纳米双金属粉的制备方法很多，有气相法、液相法、固相法和交叉的综合方法。其中，湿化学方法是目前制备核壳结构银包镍粉的主要方法。如中国专利CN102672168B公开了一种化学还原法制备核壳结构镍-银双金属粉体的制备方法：首先将镍粉加入到乙醇和水的混合溶剂中，制得镍粉的分散液；然后将pH大于10的浓度为2.5M的水合肼溶液加入含镍的分散液中；最后向上述溶液中加入银氨溶液，反应70～100min后，将悬浮液离心分离、洗涤、真空干燥。该方法制备的是微米级粉体，且使用的是有毒的水合肼作为还原剂，反应后的残余残留容易对环境产生污染；另一方面制备过程流程过程繁琐，后续产品需要经过离心分离、洗涤、真空干燥，且在此过程中易引起颗粒团聚、不利于产品性能的稳定等，不适合大规模生产。中国专利CN102407329B公开了一种镍-银核壳结构纳米粒子的制备方法：该法将经过敏化处理后的纳米镍粉加入含有硝酸银、氢氧化钠和氨水的透明溶液中，然后将溶于乙醇和水的混合溶液中的葡萄糖和酒石酸的还原液加入，常温搅拌1h后用磁铁分离产品，并用去离子水、无水乙醇洗涤、40℃真空干燥12h即得最终产品。该法首先需要对纳米镍粉进行敏化处理，在处理过程中容易引起纳米镍粉的氧化，且制备过程繁琐，后续产品需要经过离心分离、洗涤、真空干燥；另外整个反应是在水溶液中进行的，在包银过程中容易引起纳米铁粉的二次氧化。上述湿化学方法都存在工艺流程多，需要多次洗涤、过滤，所制颗粒容易团聚、不利于产品性能的稳定等缺点。
发明内容
本发明克服先有技术的不足，提供一种重复性好、产品性能稳定、工艺简单且环境友好的导电浆料和导电涂料用核壳结构银包镍纳米粉的制备方法。
本发明科学原理：银和镍的熔点分别为960.7℃和1453℃，本发明采用电弧放电产生等离子体的制备技术，利用等离子体出现电荷分离所产生的巨大能量使镍粉和银粉在瞬间变成气态物质，当等离子体变成常态时，温度骤降，在降温过程中，熔点较高的镍蒸气先冷凝为固态，由于纳米粒子的粒径小、比表面积大、表面能高，极易吸附气态的银来降低表面能。当温度降至银的熔点以下时，就形成了核壳结构的银包镍纳米粉体。
根据上述原理，本发明是通过阳极电弧放电等离子体方法，通过以下技术方案来实现的：
(1)称取纯度均为99.9％(质量百分比)的镍粉和银粉，混合均匀后，压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料。所述阳极材料中银所占的质量百分比为5～20％；
(2)采用钨金属作为阴极材料，采用氩气和氢气作为工作气体，氩气所占体积比例为50％～100％。先通冷却水，并将工作室抽真空，多次采用高纯氩气净化冲洗；接着再充入工作气体氩气和氢气，并接通直流电源，工作电流为60～150A，阳极与阴极之间起电弧，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，工作时间为1～3h；完成所需弧光放电过程后关闭电源；最后抽出工作室气体，注入氩气钝化处理，钝化时间至少1h，结束后，打开上盖收集等离子电弧炉侧壁和上盖部位的纳米粉，即得本发明核壳结构银包镍纳米粉体。
作为一种优化，在步骤(1)中，所述阳极材料中银所占的质量百分比为20％；在步骤(2)中，所述工作气体中氩气占体积比为70％，所述工作电流为100A，所述工作时间为3h，所述钝化时间为1h。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)该方法制备的核壳结构银包镍纳米粉体一方面纯度高、粒度小、质量稳定、抗氧化能力强，可以拓宽其使用温度范围，产生较大的经济效益和社会效益；
(2)本发明克服了湿化学法工艺流程多，后续产品需要多次洗涤、过滤等，反应后的残余残留容易对环境产生污染，所制颗粒容易团聚等缺点，具有工艺简单，且对环境无污染，绿色环保。
附图说明
图1为本发明制备核壳结构银包镍纳米粉体的装置示意图。
其中：1-上盖；2-阴极；3-阀；4-靶；5-观察窗；6-挡板；7-铜阳极；
8-夹头；9-石墨坩埚；10-直流脉冲电流；a-冷却水；b-氩气；c-氢气。
图2为实施例1制得的银包镍纳米粉的SEM图片。
图3为实施例2制得的银包镍纳米粉的SEM图片。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
分别称取16g镍粉和4g银粉，混合均匀后，压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料，置于装置示意图1的石墨坩埚9中；采用钨金属作为阴极材料。实验时，先通冷却水a，并通过阀3将工作室抽真空，多次采用高纯氩气净化冲洗；接着充入工作气体氩气和氢气，氩气所占体积比例为70％；然后接通直流电源，工作电流为100A，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，工作时间为3h。完成所需弧光放电过程后关闭电源；最后抽出工作气体，注入氩气钝化处理1h，打开上盖收集等离子电弧炉侧壁和上盖部位的纳米粉，制得具有核壳结构的粒径为45nm的银包镍纳米粉。
实施例2
分别称取17g镍粉和3g银粉，混合均匀后，压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料，置于装置示意图1的石墨坩埚9中；采用钨金属作为阴极材料。实验时，先通冷却水a，并通过阀3将工作室抽真空，多次采用高纯氩气净化冲洗；接着充入工作气体氩气和氢气，氩气所占体积比例为50％；然后接通直流电源，工作电流为60A，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，工作时间为2h。完成所需弧光放电过程后关闭电源；最后抽出工作气体，注入氩气钝化处理4h，打开上盖收集等离子电弧炉侧壁和上盖部位的纳米粉，制得具有核壳结构的粒径为60nm的银包镍纳米粉。
实施例3
分别称取18g镍粉和2g银粉，混合均匀后，压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料置于装置示意图1的石墨坩埚9中；采用钨金属作为阴极材料。实验时，先通冷却水a，并通过阀3将工作室抽真空，多次采用高纯氩气净化冲洗；接着充入工作气体氩气和氢气，氩气所占体积比例为100％；然后接通直流电源，工作电流为150A，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，工作时间为1h。完成所需弧光放电过程后关闭电源；最后抽出工作室气体，注入氩气钝化处理2h，打开上盖收集等离子电弧炉侧壁和上盖部位的纳米粉，制得具有核壳结构的粒径为70nm的银包镍纳米粉。
Claims (2)
1.一种核壳结构银包镍纳米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：
(1)称取质量百分比纯度均为99.9％的镍粉和银粉，混合均匀后，压制成块体，作为等离子电弧炉的阳极材料；所述阳极材料中银所占的质量百分比为5～20％；
(2)采用钨金属作为阴极材料，采用氩气和氢气作为工作气体，氩气所占体积比例为50％～100％；先通冷却水，并将工作室抽真空，多次采用高纯氩气净化冲洗；接着再充入工作气体氩气和氢气，并接通直流电源，工作电流为60～150A，阳极与阴极之间起电弧，弧光放电过程中调节工作电流与电压保持相对稳定，工作时间为1～3h；完成所需弧光放电过程后关闭电源；最后抽出工作室气体，注入氩气钝化处理，钝化时间至少1h，结束后，打开上盖收集等离子电弧炉侧壁和上盖部位的纳米粉，即得具有核壳结构的球形银包镍纳米粉。
2.如权利要求1所述的一种核壳结构银包镍纳米粉体材料的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述阳极材料中银所占的质量百分比为20％；在步骤(2)中，所述工作气体中氩气占体积比为70％，所述工作电流为100A，所述工作时间为3h，所述钝化时间为1h。
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