CN105251996A

CN105251996A - 一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉及制备方法和应用

Info

Publication number: CN105251996A
Application number: CN201510808290.7A
Authority: CN
Inventors: 李松林; 陈莲君; 周忠诚; 杨英杰; 欧阳齐
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN105251996B

Abstract

一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉及制备方法和应用，所述纳米复合粉为核壳结构，核壳结构内核为纳米铁粉，外壳为纳米铜膜；其制备方法是将乙酸铜溶解在二甲基甲酰胺中，得到乙酸铜溶液；在搅拌状态下，将纳米铁粉加入乙酸铜溶液中，升温至40～70℃恒温反应后，固液分离，得到核壳结构铜包覆铁纳米复合粉；其应用是将复合粉按粉末冶金常规工艺压制成型，烧结后材料密度≥7.1g/cm³，晶粒尺寸≤5微米。本发明工艺方法简单、操作方便、质量稳定、过程可控，制备的纳米复合粉包覆完全。制备体系含氧量底，制备过程安全稳定，制备的铜包覆铁纳米复合粉性质稳定，抗氧化能力高。能批量化生产，为高性能纳米粉末冶金材料制备提供了合适的原材料。

Description

一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉及制备方法和应用，属功能材料制备技术领域。

背景技术

随着纳米技术的快速发展，纳米材料和技术已成为材料领域最活跃的研究方向。但纳米材料在粉末冶金行业的研究和应用还很少，究其原因是缺少合适的纳米结构的原材料，因为纳米结构的金属粉末活性高，具有很大的比表面积，表面活性高，极易发生团聚，在空气中，纳米粒子会吸附大量的氧、水等气体，极不稳定甚至发生自燃，严重制约其实际应用；以Fe-Cu-C材料为例，若直接以纳米铁粉作为压制成形的原料，则纳米铁粉极易在空气中自燃，或剧烈氧化，无法实现压制过程。此外，纳米级的铁粉、铜粉采用常规的机械混合法混合时，由于纳米粉末间摩擦力大，难以均匀混合，因此，由于缺乏纳米级原料，严重制约了粉末冶金铁基材料的开发。

要获得稳定而不团聚的纳米粒子，必须在制备或分散纳米粒子的过程中对其进行包覆等修饰处理。利用物理、化学及其它方法对纳米金属粉末进行表面包覆和修饰，通过改变粉末表面的成分和结构，不仅可以提高纳米金属粉末的分散性，改善纳米金属粉末与其他物质之间的相容性，还可能产生新的性能，以及降低生产成本等。因此，纳米金属包覆材料作为一种重要的功能材料，具有广泛的应用前景。

金属类材料的表面包覆方法中，表面沉积法是较常用的，表面沉积法所需的仪器相对简单，且易操作，被大家广泛应用。

表面沉积法是先将微米级粒子均匀分散在溶液中，利用置换反应、歧化反应、还原反应等化学手段形成包覆相，包覆相沉积到微粒表面，形成包覆型粉末。如铜包铁复合粉是生产各种含油轴承的理想材料，其主要特点是无铅、抗冲蚀性、低成本、降低粉末冶金产品的重量等。公开号为CN1817509A的中国专利，公开了一种利用微米级铁粉置换出硫酸铜溶液中的铜，实现微米级铁粉表面包覆。但是纳米粒子表面活性高，在空气中，纳米粒子会吸附大量的氧、水等气体，极不稳定甚至发生自燃。因此，不适用采用常规表面沉积法对纳米铁粉表面进行包覆。

表面钝化法可使超细铁粉形成一层钝化膜，实现超细铁粉表面包覆，表面钝化法是使用钝化气体通入超细铁粉中，使铁粉表面生成一层钝化膜，达到超细铁粉钝化的效果；但是钝化气体的使用条件苛刻，稍有不当将会影响铁粉钝化效果，较难控制，且钝化后铁粉氧含量较高。如公开号为CN1936066A的中国专利，通过将氧气或其他气体通入装有超细铁粉的装置中，使铁粉表面生成一层氧化膜，达到铁粉钝化效果。

在纳米铁粉表面包覆铜粉可望提高其稳定性，可应用于需要纳米铜粉或同时需要铁铜复合粉末的材料。

至今未见采用表面沉积法实现纳米铁粉表面包覆的报道。因此，提供一种工艺方法简单、操作方便、质量稳定、过程可控的纳米铁粉表面形成纳米铜包铁复合粉的方法，制备纳米级铜包覆铁粉，为粉末冶金铁基材料的开发、应用提供优质原材料，成为粉末冶金材料制备技术领域的亟需。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、质量稳定、过程可控的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉及制备方法和应用。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，所述纳米复合粉为核壳结构，核壳结构内核为纳米铁粉，外壳为纳米铜膜。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，所述纳米复合粉中铜的质量百分含量为1～4％，余量为铁。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，所述纳米复合粉，核壳结构中内核纳米铁粉的粒度为30～100nm，外壳厚度为2～10nm。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，包括以下步骤：

第一步：配置含铜有机溶液

将乙酸铜溶解在二甲基甲酰胺中，得到乙酸铜溶液；

第二步：纳米铁表面包覆铜

在搅拌状态下，将纳米铁粉加入第一步得到的乙酸铜溶液中，得到混合液，持续搅拌并以0.5～4℃/min的升温速率将混合液升温至40～70℃恒温反应，反应结束后，自然冷却至室温，固液分离，得到核壳结构铜包覆铁纳米复合粉。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，第一步中，乙酸铜溶液的质量体积浓度为0.01～0.8g/mL，优选0.02～0.5g/mL，更优选0.04～0.2g/mL。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，第二步中，纳米铁粉的粒度为30～100nm。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，第二步中，混合液中纳米铁粉与乙酸铜溶液的固液质量体积比为1：40～150(g/mL)，优选1：40～130(g/mL)；更优选1：40～110(g/mL)。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，第二步中，40～70℃恒温反应时间为5～40min。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，第二步中，将得到的核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，离心沉降5～10mim后，用无水乙醇洗涤2～3次，然后，用丙酮抽提6～24h后于20～40℃,10²～10⁴Pa真空干燥8～24h。

本发明一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的应用是将核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，按粉末冶金常规工艺压制成型，压制密度≥6.4g/cm³，烧结后得到的粉末冶金材料密度达7.1g/cm³；晶粒尺寸≤5微米，铜含量在1-4％之间任意可调，组分分布均匀，无成分偏析和组织偏析。

发明人经过长期研究发现：铁粉末表面包覆铜改性实际上是通过铜盐与Fe的反应原位生成Cu金属覆盖在铁粉表面，反应能自发进行的必要条件是溶液中须要有一定浓度的铜离子。据此，发明人确定：反应进行需要满足以下条件：首先需要找到纳米级铁粉能稳定存在的溶剂；另外，铜盐在溶剂中有一定的溶解度，并且置换反应的过程可控制。发明人首先对铜盐和溶剂进行了大量的筛选，由于次氯酸铜等铜盐有化学毒性、叶绿酸铜价格偏高、硫酸铜吸水性强，因此筛选出氯化铜、乙酸铜这两种铜盐作为溶质。然后对溶剂进行选择，水作为溶剂是最常见的，但由于纳米级铁粉的活性太高，不适合使用；有机溶剂中，铜盐在烃类、烷类等常规有机溶剂中的溶解度很小，在卤代烷烃、芳香烃类溶剂中的溶解度也很低；在尝试了多种体系的有机溶剂后，最后确定了几种极性较强的有机溶剂，如：无水乙醇、二甲基甲酰胺、乙腈。将乙酸铜和氯化铜分别加入这三种溶剂中，测得三种溶剂中铜盐的溶解度大小为：乙酸铜＞氯化铜。因此，选择乙酸铜为铜盐并将其分别加入三种不同溶剂中，其溶解性的大小依次为：二甲基甲酰胺＞乙腈＞无水乙醇，将纳米铁粉分别加入溶解有乙酸铜的三种溶液中，发现在无水乙醇溶液中，反应剧烈，铁粉氧化较严重。在二甲基甲酰胺和乙腈溶液中，置换反应温和，可以控制反应。但考虑到乙腈有较强的毒性，最终确定二甲基甲酰胺为溶剂。

本发明采用上述方法，直接利用纳米铁粉与溶解于二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中的的乙酸铜反应还原成单质铜，并沉积在铁粉表面，形成一层铜膜，完全包覆铁粉，从而达到保护纳米铁粉，实现金属表面的改性处理，并提高其抗氧化能力的目的。克服了纳米级铁粉表面活性高、易被空气氧化、易发生团聚等不足而导致无法制备纳米级铜包覆铁纳米复合粉的困难。

采用本发明的铜包覆纳米铁粉应用于粉末冶金铁铜基材料的制备，不仅解决了纳米铁粉活性高，在空气中易自燃，无法在大气中进行常规压制、难以烧结的问题，并且从根本上克服了传统的机械混合法难以均匀混合纳米铜粉和纳米铁粉的缺点，有效解决了制造产品的化学成分及组织偏析问题；克服了钝化工艺制备的纳米铁粉氧含量高，压制成型等工艺性能很差的缺陷；钝化纳米铁粉氧含量是本发明包覆铜后的纳米铁粉氧含量的4倍。本发明利用化学置换镀的方法，在铁粉颗粒表面均匀地包覆一层Cu膜的纳米铁粉，能成功构建Fe-Cu-C粉末冶金材料体系，并能获得较好的成形性等工艺性能，同种材料组成情况下，铜包覆纳米铁粉的成形密度大大高于普通钝化铁粉构成的材料，烧结材料的晶粒比常规微米级粉末烧结的材料低一个数量级。采用本发明核壳结构铜包覆铁纳米复合粉经常规粉末冶金工艺压制成型后，压坯的压制密度≥6.4g/cm³烧结后得到的粉末冶金材料密度达7.1g/cm³；晶粒尺寸≤5微米，铜含量在1-4％之间任意可调，组分分布均匀，无成分偏析和组织偏析。

综上所述，本发明制备工艺方法简单、操作方便、质量稳定、过程可控，制备的纳米复合粉包覆完全。制备体系含氧量底，制备过程安全稳定。制备的铜包覆铁纳米复合粉性质稳定，且抗氧化能力高。能批量化生产，为高性能纳米粉末冶金材料的制备提供了合适的原材料。

附图说明

附图1为按本发明实施例1制备的典型的铜包覆铁纳米粉末的高分辨透射电镜照片。

由图可以看出，实施例所制备的铁纳米颗粒被包覆在铜内部形成完整的核/壳结构，其中，金属铁颗粒位于核心位置，颗粒尺寸约为100nm，铜层包覆在其周围，厚度约为10nm。颗粒表面存在一层均匀完整的铜包覆层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

(1)称取2g乙酸铜溶解于150ml二甲基甲酰胺中，持续搅拌使乙酸铜完全溶解于二甲基甲酰胺；

(2)将1g平均粒径50nm的纳米铁粉缓慢搅拌加入以上乙酸铜溶液，在持续搅拌条件下，将混合液按2℃/min的升温速率缓慢升温至40℃，恒温反应10min后，停止反应，冷却至室温；

(3)将上述所得的混合液进行超高速(转速≥6000r/min)离心机离心沉降，再用无水乙醇洗涤下层粒子三次。将洗涤好的下层粒子用丙酮抽提12h后倒入培养皿中，在10⁴Pa真空干燥箱中低温20℃干燥24h即得纳米级铜包覆铁复合粉。对该样品进行元素分析和形貌观察，结果表明样品含铜的总量为1.39％，铁粉表面包覆了一层均匀完整的铜层。

对比例1：

称取4g乙酸铜溶解于180ml去离子水中，持续搅拌使乙酸铜完全溶解。将2g平均粒径50nm的纳米铁粉缓慢搅拌加入以上乙酸铜溶液，铁粉被迅速氧化成铁的氧化物形态，铁粉表面没有铜的生成，无法完成铜的包覆。

实施例2

(1)称取11g乙酸铜溶解于250ml二甲基甲酰胺中，持续搅拌使乙酸铜完全溶解于二甲基甲酰胺；

(2)将3g平均粒径为30nm的纳米铁粉缓慢搅拌加入以上乙酸铜溶液，在持续搅拌条件下，将混液按4℃/min的升温速率缓慢升温至60℃，恒温反应25min后，停止反应，冷却至室温；

(3)将上述所得的混合液进行超高速(转速≥6000r/min)离心机离心沉降，再用无水乙醇洗涤下层粒子三次。将洗涤好的下层粒子用丙酮抽提12h后倒入培养皿中，在10²Pa真空干燥箱中低温30℃干燥8h即得纳米级铜包覆铁复合粉。对该样品采用原子吸收法进行元素分析和粉末形貌观察，结果表明样品含铜的总量为2.83％，颗粒的表面存在一层包覆均匀的铜层。

实施例3

(1)称取30g乙酸铜溶解于100ml温度为45‐50℃的二甲基甲酰胺中，持续搅拌使乙酸铜完全溶解于二甲基甲酰胺；

(2)将2.5g平均粒径为100nm的纳米铁粉缓慢搅拌加入以上乙酸铜溶液，在持续搅拌条件下，将混液按6℃/min的升温速率缓慢升温至70℃，恒温反应30min后，停止反应，冷却至室温。

(3)将上述所得的混合液进行超高速(转速≥6000r/min)离心机离心沉降，再用无水乙醇洗涤下层粒子三次。将洗涤好的下层粒子用丙酮抽提12h后倒入培养皿中，在10⁴Pa真空干燥箱中低温40℃铜元素含量干燥24h即得纳米级铜包覆铁复合粉。对该样品进行元素分析和形貌观察，结果表明样品含铜的总量为3.13％，粉末表面包覆一层均匀致密的铜层。

实施例4-8的反应条件及结果见表1.

表1

实施例4‐8得到的粉末表面都包覆一层均匀致密的铜层。

实施例9

采用本发明的铜包纳米铁粉，应用于粉末冶金铁铜基材料的制备。

具体结果对比见表2

从表2可以看出：采用本发明的铜包覆纳米铁粉可以有效实现常温模压成型，且压制密度达到6.4g/cm³，烧结后密度达7.1g/cm³；晶粒尺寸≤5微米；而未经过包覆处理的纳米铁粉无法实现常温模压成型；采用钝化铁粉，其压制密度小于4.4g/cm³，烧结密度低于6g/cm³.晶粒尺寸不均匀，长大到50微米以上。

采用本发明铜包覆纳米铁粉不仅解决了纳米铁粉活性高，在空气中易自燃，无法在大气中进行常规压制、难以烧结的问题，并且从根本上克服了传统的机械混合法难以均匀混合纳米铜粉和纳米铁粉的缺点，有效解决制造产品的化学成分及组织偏析问题。克服了钝化工艺制备的纳米铁粉氧含量高，压制成型等工艺性能很差的缺陷；钝化纳米铁粉氧含量是本发明包覆铜后的纳米铁粉氧含量的4倍。本发明利用化学置换镀的方法，在铁粉颗粒表面均匀地包覆一层Cu膜的纳米铁粉，能成功构建Fe-Cu-C粉末冶金材料体系，并能获得较好的成形性等工艺性能，同种材料组成情况下，铜包覆纳米铁粉的成形密度大大高于普通钝化铁粉构成的材料，烧结材料的晶粒比常规微米级粉末烧结的材料低一个数量级。

Claims

1.一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，所述纳米复合粉为核壳结构，核壳结构内核为纳米铁粉，外壳为纳米铜膜。

2.根据权利要求1所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，其特征在于：所述纳米复合粉中铜的质量百分含量为1～4％，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，其特征在于：所述纳米复合粉，核壳结构中内核纳米铁粉的粒度为30～100nm，外壳厚度为2～10nm。

4.一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，包括以下步骤：

第一步：配置含铜有机溶液

将乙酸铜溶解在二甲基甲酰胺中，得到乙酸铜溶液；

第二步：纳米铁表面包覆铜

5.根据权利要求4所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，其特征在于：第一步中，乙酸铜溶液的质量体积浓度为0.01～0.8g/mL。

6.根据权利要求4所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，其特征在于：第二步中，纳米铁粉的粒度为30～100nm。

7.根据权利要求4所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，其特征在于：第二步中，混合液中纳米铁粉与乙酸铜溶液的固液质量体积比为1：40～150。

8.根据权利要求4所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，其特征在于：第二步中，40～70℃恒温反应时间为5～40min。

9.根据权利要求4-8任意一项所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的制备方法，其特征在于：第二步中，将得到的核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，离心沉降5～10mim后，用无水乙醇洗涤2～3次，然后，用丙酮抽提6～24h后于20～40℃,10²～10⁴Pa真空干燥8～24h。

10.如权利要求9所述的一种核壳结构铜包覆铁纳米复合粉的应用，是将核壳结构铜包覆铁纳米复合粉，按粉末冶金常规工艺压制成型，压制密度≥6.4g/cm³，烧结后得到的粉末冶金材料密度≥7.1g/cm³，晶粒尺寸≤5微米。