CN113004057A - 一种可调比重的核壳结构导电微球及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可调比重的核壳结构导电微球及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调比重的核壳结构导电微球及其制备方法和应用，所述导电微球包括作为核的陶瓷微球和包覆于陶瓷微球表面上的金属壳层。本发明以陶瓷微球和金属化膏为原料，经固相烧结法，以在陶瓷微球体表面包覆形成具有一定厚度的金属壳层。采用本发明的金属化方法，获得的金属壳层和陶瓷微球核芯表面的结合强度高，核壳结构致密，金属壳层不易脱落，获得的核壳结构的导电微球的直径在1‑2000μm之间可调；同时通过调节陶瓷微球体直径与包覆金属壳层的厚度，可以调节核壳结构微球的整体比重，以获得不同使用需求的导电微球；且可在金属壳层上进一步电镀处理，以提高金属壳层的导电性能及光洁度，从而扩宽导电微球的应用领域。

Description

一种可调比重的核壳结构导电微球及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种可调比重的核壳结构导电微球及其制备方法和应用。
背景技术
随着移动通信网络的发展，商用的无线频段变的非常密集，从而使普通的金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容，而采用陶瓷介质材料来制作腔体滤波器可以解决上述问题。基于上述性能优势，以陶瓷介质材料制作的腔体滤波器得以迅速发展。
然而，陶瓷腔体滤波器焊盘在电镀镍锡金属层时，电镀过程需借助导电小球作为阴极导电媒介，与滤波器的银金属焊盘接触，再将镀镍和镀锡药水中的镍离子和锡离子镀覆到滤波器的银金属焊盘上，以形成致密的焊接性能优良的镍锡金属镀层。另外，还要求导电小球的密度与滤波器的陶瓷介质密度接近，以实现镍锡金属层更好的上镀；若导电小球与滤波器的陶瓷介质密度差别较大，则容易造成导电小球和滤波器分层，从而起不到导电媒介的作用。
常规采用的不锈钢球，比重均在7.70-8.00之间，其比重均大于普通的陶瓷介质比重，在用作滚镀导电媒介时，容易和滤波器的陶瓷件发生分层，造成电镀成品率较低。而且，普通的不锈钢球尺寸都较大，用作导电媒介时效果均较差。
为克服上述技术缺陷，如何研制出与滤波器陶瓷密度接近，同时具有合适尺寸的导电微球，以避免尺寸过小致使微球易透过镀筒的孔筛，游离在镀筒的外面，而尺寸过大又将使导电媒介效果差成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了改善上述技术问题，本发明提供一种可调比重的核壳结构导电微球，所述导电微球包括作为核的陶瓷微球和包覆于陶瓷微球表面上的金属壳层。
根据本发明的实施方案，所述陶瓷微球的直径为1-2000μm，优选为50-1800μm，示例性为50μm、100μm、200μm、300μm、500μm、800μm、1000μm、1200μm、1500μm、1800μm、2000μm。
根据本发明的实施方案，所述陶瓷微球可以选自下述物质中的一种、两种或更多种：氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅和碳化硅等。
根据本发明的实施方案，所述金属壳层的厚度为1-100μm，优选为5-50μm，示例性为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm。
根据本发明的实施方案，所述金属壳层具有导电性能。例如，所述金属壳层可以选自下述金属层中的一种、两种或更多种：钼、钨、铌、铜和银等。
本发明中，可预先通过计算公式设计，获得目标导电微球的比重。其计算公式为：
Figure BDA0002941742020000021
其中：ρC为陶瓷微球的比重，r为陶瓷微球的半径(μm)，ρM为金属的比重，d为包覆金属壳层的厚度(μm)。
本领域技术人员可以理解，基于目标导电微球的比重，也可以通过上述公式，得出金属壳层的厚度。
根据本发明的实施方案，所述导电微球由包括陶瓷微球和金属化膏的原料经固相烧结法制备而成。
根据本发明的实施方案，所述金属化膏包含形成金属壳层的金属，例如钼粉和玻璃相添加剂，或由形成金属壳层的金属制成，例如由钼粉和玻璃相添加剂制成。
根据本发明的实施方案，所述金属化膏中钼粉的质量百分比可以为60-90％，如70-80％。
根据本发明的实施方案，所述金属化膏中玻璃相添加剂的质量百分比可以为10-40％，如20-30％。
根据本发明的实施方案，所述金属化膏中玻璃相物质包含锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉，或由锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉制成。优选地，所述锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉的质量比为(2-4):(2-4):(2-6)，示例性为2:2:6、3:3:4、4:4:2，优选为3:3:4。
根据本发明的实施方案，所述金属化膏也可以采用铜浆、银浆等浆料，通过固相烧结处理，以形成含铜、银等的金属壳层。
本发明还提供上述可调比重的核壳结构导电微球的制备方法，包括以下步骤：
以陶瓷微球和金属化膏为原料，经固相烧结法，得到所述可调比重的核壳结构导电微球。
根据本发明的实施方案，所述陶瓷微球和金属化膏具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对金属化膏进行球磨的步骤。例如，所述球磨的时间为10-50h。优选地，所述球磨可以在行星球磨机的玛瑙球磨罐中进行。
根据本发明示例性的实施方案，所述行星球磨机的玛瑙球磨罐球料比为1：0.5-2，优选为1:1；玛瑙球的直径约为2～8mm，优选为约5mm；公转速度为50-200r/min，优选为约100r/min；自转速度为100-300r/min，优选为约200r/min。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括向球磨后的金属化膏的粉体添加硝化纤维素溶液进行湿磨的步骤。
根据本发明的实施方案，所述球磨后的金属化膏粉体和硝化纤维素溶液的质量比为(1-6)：1，优选为(1-4)：1，示例性为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1。
根据本发明的实施方案，所述硝化纤维素溶液的浓度为0.5-3wt％，示例性为0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％，优选为2wt％。进一步地，所述硝化纤维素溶液的溶剂为醋酸丁酯。
根据本发明的实施方案，所述湿磨的时间为10-50h,优选为30-50h,示例性为10h、20h、30h、40h、50h。进一步地，所述湿磨的转速为60-200r/min。优选为80-120r/min，示例性为80r/min、100r/min、120r/min、140r/min、160r/min。
根据本发明的实施方案，所述湿磨可以在滚筒球磨机中进行。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对陶瓷微球进行超声清洗并烘干的步骤。优选地，将干燥后的陶瓷微球放入上述湿磨后的金属化膏中。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对放入陶瓷微球后的金属化膏进行过滤，以获得表面覆有金属膏层的陶瓷微球体。优选的，所述过滤用筛网的目数≥40目，优选为40-500目，示例性为40目、60目、80目、100目、150目、200目、300目、400目、500目。在采用筛网过滤时，通过抖动筛网使陶瓷微球翻滚，以将金属化膏均匀包覆于陶瓷微球上，从而获得具有一定粘性的陶瓷微球核和包覆于陶瓷微球表面上的金属膏层。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对带膏层的陶瓷微球体进行干燥的步骤。例如，所述干燥可以为自然烘干、热风吹干或光照烘干。优选地，所述光照烘干可以为红外灯烘干。
根据本发明的实施方案，烘干后的表面覆有金属膏层的陶瓷微球体中金属膏层的厚度为1-50μm。
根据本发明的实施方案，可根据目标金属壳层的厚度需求，将金属膏层的制备步骤重复多次。例如，重复的次数可以为一次、两次或更多次，优选为两次。
根据本发明的实施方案，所述烧结处理为采用梯度升温煅烧处理，例如，先将温度升至1100-1300℃，示例性为1100℃、1200℃、1300℃，优选为1200℃；再继续将温度升至1380-1450℃，示例性为1380℃、1400℃、1440℃、1450℃，优选为1450℃。
根据本发明的实施方案，温度升至1100-1300℃所需时间为1～2h，示例性为1h、1.5h、2h，优选为1h。
根据本发明的实施方案，温度继续升至1380-1450℃所需时间为1-2h，示例性为1h、1.5h、2h，优选为2h。
根据本发明的实施方案，所述煅烧处理时间为1-2h，示例性为1h、1.5h、2h，优选为1h。
根据本发明的实施方案，所述煅烧处理在湿氢气氛下进行，例如将露点控制在0-40℃，优选将露点控制在15-25℃。
根据本发明的实施方案，煅烧处理结束后采用梯度降温的方式。例如，先将温度自然降温至1100-1300℃，示例性为1100℃、1200℃、1300℃，优选为1200℃；然后恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停止通入氢气、充氮气已排除氢气。
根据本发明的实施方案，所述煅烧处理可以在高温反应炉中进行，例如所述高温反应炉为氢气炉。
根据本发明的实施方案，所述烧结处理后还包括球磨步骤。例如，所述球磨可以通过在滚筒球磨机中进行干磨。进一步地，所述球磨的时间为5-60min，例如30min、40min、50min、60min。进一步地，所述球磨的转速为10-100r/min。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对上述研磨后的产品进行洗涤的步骤。例如，通过超声水洗的方式。又如，所述超声水洗的次数可以为一次、两次或更多次，优选为两次。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对洗涤后的反应产物进行干燥。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对干燥后的产物进行电镀处理。例如，通过电镀从而在导电微球表面电镀上具有导电性能的金属，并且同时还可以使导电微球表面更加光洁。优选地，所述具有导电性能的金属可以选自镍、金、银和铜中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，所述电镀处理时间为20-60min，示例性为20min、30min、40min、50min、60min，优选为40min。
根据本发明的实施方案，所述电镀处理的电流密度为0.5±0.1A/dm2。
根据本发明的实施方案，所述电镀液例如包括如下浓度的各组分：NiSO4.7H2O 50-250g/L、MgSO4.7H2O 10-100g/L、H3BO3 10-50g/L、NaCl 2-20g/L。
优选地,所述电镀液包括如下浓度的各组分：NiSO4.7H2O 160g/L；MgSO4.7H2O20g/L；H3BO3 150g/L；NaCl 10g/L。
根据本发明的实施方案，所述电镀处理方法如下：将上述步骤干燥后的导电微球用金属盘盛放，置于电镀槽的电镀液中，金属盘连接电镀阴极，在电镀过程中，电镀液中的金属离子会沉积在导电微球表面上。
根据本发明的实施方案，所述可调比重的核壳结构导电微球的制备方法，包括以下步骤：
(1)按预定质量百分比称取钼粉和玻璃相添加剂进行配料，装入行星球磨机罐中进行球磨10-50h；球磨后出粉，按照金属粉和硝化纤维素溶液的质量比为(1-6)：1添加硝化纤维素溶液，将它们装入球磨机中进行混磨10-50h，以获得不同粘度的金属化膏剂；
(2)将直径为1-2000μm的陶瓷微球放入上述金属化膏剂中，使用筛网过滤除去多余的金属化膏，获得带膏层的球体陶瓷微球体；然后干燥，以在陶瓷微球表面上覆上了一层厚度为1-50μm的金属膏层；
(3)将步骤(2)获得的生胚在氢气炉内进行烧结：先1-2h升温至1200℃，然后施加湿氢，露点控制在0-40℃，再1-2h升温至烧结温度1380-1450℃，保温1-2h，保温结束后自然降温，温度降至1200℃时恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停止通入氢气、充氮气以排尽氢气；
(4)对步骤(3)烧结处理后的产物进行球磨，球磨不另加磨球，让金属化微球相互之间摩擦，球磨后超声清洗并烘干；
(5)将步骤(4)烘干后的导电微球用金属盘盛放，并放入电镀液中进行电镀，以在其表面电镀上一层导电性能优异的金属，并使表面更加光洁。
本发明还提供上述可调比重的核壳结构导电微球在滚镀液、粉末冶金等中的应用。
根据本发明的实施方案，所述可调比重的核壳结构导电微球应用于滚镀液时，可作为阴极导电媒介。
根据本发明的实施方案，所述可调比重的核壳结构导电微球用于粉末冶金，如激光增材制造、注射成型工艺等，从而制备金属陶瓷。
根据本发明示例性的实施方案，利用所述可调比重的核壳结构导电微球金属壳层熔点比核芯陶瓷微球低，在用于粉末冶金烧结时，金属壳层可以作为熔融液相，促进烧结，实现致密化。
本发明还提供一种金属陶瓷制件，其含有上述可调比重的核壳结构导电微球。
本发明的有益效果:
(1)采用本发明的金属化方法，获得的金属壳层和陶瓷微球核芯表面的结合强度高，核壳结构致密，金属壳层不易脱落。
(2)本发明通过调节陶瓷微球体的直径与包覆金属壳层的厚度，可以在一定范围内调节核壳结构微球的整体比重，以获得不同使用需求的导电微球。
(3)本发明核壳结构的导电微球壳层为金属，使其成为导电球体，改变了微球的表面性质，使其能够用于陶瓷滤波器焊盘电镀时的阴极导电媒介。
(4)本发明方法步骤中，通过调节金属膏的组分、配比及硝化纤维素溶液的加入量或者粘度，即可调控每次金属覆膏的厚度，并使每次金属覆膏的厚度在1-25μm范围内可调，因此可通过多次覆膏，实现金属壳层厚度的有效调控。
(5)在微球金属化烧结处理后，通过将金属化烧结处理后的微球放入球磨机中进行适当球磨，在不另外加磨球的情况下，利用金属化烧结微球在球磨过程中的不断转动和相互间摩擦，将烧结微球上的不平整物质磨掉，使金属化微球的球形度更好。
(6)在烧结处理后的金属壳层上进一步进行电镀，可使金属壳层的导电性能更好；同时使金属壳层的光洁度更好，以增强微球的流动性能；高流动性使其有望用于增材制造，制作金属陶瓷。
(7)当导电微球的金属壳层熔点比核芯陶瓷微球低时，还可以用于其他多种用途，比如在粉末冶金烧结中，金属壳层可以作为熔融液相，促进烧结，实现致密化。
附图说明
图1为本发明的导电微球制备流程图。
图2为本发明的导电微球核壳结构示意图。
图3为实施例1所采用的氧化铝陶瓷微球的扫描电镜图。
图4为实施例1的陶瓷颗粒表面金属化之后的扫描电镜图。
图5为实施例1的陶瓷金属化的连接界面扫描电镜显微图。
图6为实施例1制得的95氧化铝陶瓷抗拉件的结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步地详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
参照图1，一种可调比重的核壳结构导电微球的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制金属化膏：按质量百分比钼粉：玻璃相添加剂(由锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉按照质量比为3：3：4混合而成)＝80：20进行配料；装入行星球磨机的玛瑙球磨罐中进行球磨，球料比1：1，玛瑙球直径约为5mm，公转设置100r/min，自转设置200r/min；球磨50h后出粉；添加硝化纤维素溶液(用醋酸丁酯作溶剂，硝化纤维素浓度2wt％)，金属粉和硝化纤维素溶液的质量比为3：1，装入滚筒球磨机中，并于120r/min转速下进行混磨50h，得到钼金属化膏；
(2)选择直径约为300μm的95氧化铝陶瓷微球粉(根据气体置换法，采用G-DenPyc2900全自动真密度仪测试其比重为3.58)，将其超声清洗并烘干后，加入步骤(1)获得的钼金属化膏中，并使其浸没在钼金属化膏剂中，然后将其转移到100目筛网上，并使其分散平铺在筛网上，以过滤除去多余的金属化膏，同时抖动筛网，以获得带金属膏层的陶瓷微球；然后烘干备用；
(3)将步骤(2)获得的带金属膏层的陶瓷微球，再按步骤(2)的方法重复覆膏一次(即：将步骤(2)获得的带金属膏层的陶瓷微球，加入步骤(1)获得的钼金属化膏中，并使其浸没在钼金属化膏中，然后将其转移到100目筛网上，并使其分散平铺在筛网上，以过滤除去多余的金属化膏，同时抖动筛网，以增加金属膏层厚度)；
(4)将步骤(3)获得的带金属膏层的陶瓷微球置于氢气炉内进行烧结：2h升温到1200℃，然后施加湿氢，并将露点控制在15-25℃，然后1h升温到烧结温度1440℃，保温1h，保温结束后自然降温，到1200℃时恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停氢气、充氮排氢；
(5)将步骤(4)获得的金属化烧结微球置于滚筒球磨机中进行干磨20min，不另放磨球，球磨转速为80r/min；
(6)将步骤(5)干磨后的金属化烧结微球用去离子水超声清洗30min，换水后再次超声清洗10min；
(7)将步骤(6)获得的微球置于不锈钢金属盘中，并放入镍电镀槽中进行电镀30min，电流密度设置为0.5±0.1A/dm2，电镀液由浓度为160g/L的NiSO4.7H2O、20g/L的MgSO4.7H2O、150g/L的H3BO3、10g/L的NaCl组成；(8)将步骤(7)电镀处理后的导电微球进行超声清洗、沸水煮、烘干，以制得所述核壳结构的导电微球。
通过比重测试，本实施例制得的核壳结构的导电微球颗粒的比重为4.59，相对于氧化铝陶瓷微球(3.58)显著增大。
图2为本实施例制得的导电微球的结构示意图，其包括作为核的氧化铝陶瓷微球和包覆于氧化铝陶瓷微球表面上的金属壳层。
图3为本实施例所采用的氧化铝陶瓷微球的扫描电镜图。从图中可以看出，氧化铝陶瓷微球的直径约为300μm。
图4为本实施例的氧化铝陶瓷颗粒表面金属化之后的扫描电镜图。从图中可以看出，经过表面金属化覆膏处理后，氧化铝陶瓷颗粒表面光洁度更好，且微球的球形度更好。因此可显著增强微球的流动性能，以用于增材制造，制作金属陶瓷。
图5为本实施例制得的导电微球的陶瓷微球核与金属壳层连接界面的扫描电镜显微图。从图中可以看出，导电微球的核壳结构致密，由此表明金属壳层和陶瓷微球核芯表面的结合强度高，因此金属壳层不易从陶瓷微球表面脱落。
为体现本发明中陶瓷核表面金属化后，金属层和陶瓷之间的连接强度，在实施例1的金属化配方工艺条件下，按照SJ/T3326-2016的方法，制备与本实施例中配方及制备工艺相同的95氧化铝陶瓷抗拉件，其结构如图6所示。所述95氧化铝陶瓷抗拉件的具体制备方法如下：
按本实施例中金属化配方工艺对95氧化铝陶瓷微球进行覆膏烧结和镀镍，并用银焊连接，以制得95氧化铝陶瓷抗拉件。
采用SJ/T3326-2016标准中的抗拉强度夹具测试评估金属化后18组95氧化铝陶瓷抗拉件的抗拉强度，测试结果如下表1所示。其中：
抗拉强度＝断裂时刻的拉力/抗拉件的中间对接面积。
样品序号 抗拉强度/MPa 断裂现象 样品序号 抗拉强度/MPa 断裂现象
1 89.0 粘瓷 10 121.7 粘瓷
2 90.6 粘瓷 11 122.5 粘瓷
3 93.9 粘瓷 12 124.1 粘瓷
4 98.0 粘瓷 13 131.9 粘瓷
5 106.2 粘瓷 14 134.7 粘瓷
6 106.2 粘瓷 15 141.3 粘瓷
7 107.8 粘瓷 16 145.4 粘瓷
8 110.2 粘瓷 17 149 粘瓷
9 115.1 粘瓷 18 160.1 粘瓷
表1中结果显示：采用本发明的金属化配方工艺对95氧化铝陶瓷微球进行覆膏烧结和镀镍后制得的95氧化铝陶瓷抗拉件的断裂模式均为粘瓷模式，由此表明抗拉件的断裂未发生在陶瓷微球核与金属壳层之间的连接界面，因而实际测试的抗拉强度数据为封接界面附近陶瓷微球核局部区域的实际强度。同时由于陶瓷属脆性材料，其脆性大、韧性差，破坏前一般不会产生明显的塑性变形。且其破坏形式多表现为疲劳裂纹的不断萌生及扩展，并最终致使抗拉件断裂失效。因此，测试得到的陶瓷抗拉件的抗拉强度值在一定的范围内存在着细微差异。通过Weibull分布统计可以来描述其强度分布，计算得出其Weibull模数为6.76。综上可知：由本发明方法制得的95氧化铝陶瓷抗拉件中金属壳层和陶瓷微球核的连接强度均高达90MPa以上，表现为高强金属化连接。
实施例2
(1)配制金属化膏：按质量百分比钼粉：玻璃相添加剂(由锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉按照质量比为3：3：4混合而成)＝80：20进行配料；装入行星球磨机的玛瑙球磨罐中进行球磨，球料比1：1，玛瑙球直径约为5mm，公转设置100r/min，自转设置200r/min；球磨30h后出粉；添加硝化纤维素溶液(用醋酸丁酯作溶剂，硝化纤维素浓度2wt％)，金属粉和硝化纤维素溶液的质量比为3：1，装入滚筒球磨机中，并于120r/min的转速下进行混磨30h，得到钼金属化膏；
(2)选择直径约为1800μm的95氧化铝陶瓷微球粉(根据气体置换法，采用G-DenPyc2900全自动真密度仪测试其比重为3.64)，将其超声清洗并烘干后，加入步骤(1)获得的钼金属化膏中，并使其浸没在钼金属化膏剂中，然后将其转移到40目筛网上，并使其分散平铺在筛网上，以过滤除去多余的金属化膏，同时抖动筛网，以获得带金属膏层的陶瓷微球；然后烘干备用；
(3)将步骤(2)获得的带金属膏层的陶瓷微球，再按步骤(2)的方法重复覆膏一次(即：将步骤(2)获得的带金属膏层的陶瓷微球，加入步骤(1)获得的钼金属化膏中，并使其浸没在钼金属化膏中，然后将其转移到100目筛网上，并使其分散平铺在筛网上，以过滤除去多余的金属化膏，同时抖动筛网，以增加金属膏层厚度)；
(4)将步骤(3)获得的带金属膏层的陶瓷微球置于氢气炉内进行烧结：升温2h到1200℃，然后施加湿氢，并将露点控制在15-25℃，升温1h到烧结温度(1440℃)，保温1h，保温结束后自然降温，到1200℃时恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停氢气、充氮排氢。
(5)将步骤(4)获得的金属化烧结微球置于滚筒球磨机中进行干磨10min，不另放磨球，球磨转速为80r/min；
(6)将步骤(5)干磨后的金属化烧结微球用去离子水超声清洗30min，换水后再次超声清洗10min；
(7)将步骤(6)获得的微球置于不锈钢金属盘中，并放入镍电镀槽中进行电镀40min，电流密度设置为0.5±0.1A/dm2，电镀液由浓度为160g/L的NiSO4.7H2O、20g/L的MgSO4.7H2O、150g/L的H3BO3、10g/L的NaCl，组成；
(8)将步骤(7)电镀处理后的导电微球进行超声清洗、沸水煮、烘干，以制得所述核壳结构的导电微球。通过比重测试，本实施例制得的核壳结构的导电微球颗粒的比重为3.90相对于氧化铝陶瓷微球(3.58)有所增大。
实施例3
(1)配制金属化膏：按质量百分比钼粉：玻璃相添加剂(由锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉按照质量比为3：3：4混合而成)＝70：30进行配料；装入行星球磨机的玛瑙球磨罐中进行球磨，球料比1：1，玛瑙球直径约为5mm，公转设置100r/min，自转设置200r/min；球磨50h后出粉；添加硝化纤维素溶液(用醋酸丁酯作溶剂，硝化纤维素浓度2wt％)，金属粉和硝化纤维素溶液的质量比为1：1，装入滚筒球磨机中，并于120r/min转速下进行混磨50h，得到钼金属化膏；
(2)选择直径约为50μm的氧化锆陶瓷微球粉(成分为ZrO2：Y2O3＝95：5)(根据气体置换法，采用G-DenPyc 2900全自动真密度仪测试其比重为5.81)，将其超声清洗并烘干后，加入步骤(1)获得的钼金属化膏中，并使其浸没在钼金属化膏剂中，然后将其转移到500目筛网上，并使其分散平铺在筛网上，以过滤除去多余的金属化膏，同时抖动筛网，以获得带金属膏层的陶瓷微球；然后烘干备用；
(3)将步骤(2)获得的带金属膏层的陶瓷微球，再按步骤(2)的方法重复覆膏两次，以增加金属膏层厚度；
(4)将步骤(3)获得的带金属膏层的陶瓷微球置于氢气炉内进行烧结：2h升温到1200℃，然后施加湿氢，并将露点控制在15-25℃，1h升温到烧结温度1440℃，保温1h，保温结束后自然降温，到1200℃时恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停氢气、充氮排氢；
(5)将步骤(4)获得的金属化烧结微球置于滚筒球磨机中进行干磨60min，不另放磨球，球磨转速为80r/min；
(6)将步骤(5)干磨后的金属化烧结微球用去离子水超声清洗30min，换水后再次超声清洗10min；
(7)将步骤(6)获得的微球置于不锈钢金属盘中，并放入镍电镀槽中进行电镀40min，电流密度设置为0.5±0.1A/dm2，电镀液由浓度为160g/L的NiSO4.7H2O、20g/L的MgSO4.7H2O、150g/L的H3BO3、10g/L的NaCl组成；
(8)将步骤(7)电镀处理后的导电微球进行超声清洗、沸水煮、烘干，以制得所述核壳结构的导电微球。
通过比重测试，本实施例制得的核壳结构的导电微球颗粒的比重为5.80。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调比重的核壳结构导电微球，其特征在于，所述导电微球包括作为核的陶瓷微球和包覆于陶瓷微球表面上的金属壳层。
优选地，所述陶瓷微球的直径为1-2000μm，优选为50-1800μm。
优选地，所述陶瓷微球可以选自下述物质中的一种、两种或更多种：氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅和碳化硅等。
优选地，所述金属壳层的厚度为1-100μm，优选为5-50μm。
优选地，所述金属壳层具有导电性能。例如，所述金属壳层可以选自下述金属层中的一种、两种或更多种：钼、钨、铌、铜和银等。
优选地，可通过如下计算公式设计，获得目标导电微球的比重。其计算公式为：
Figure FDA0002941742010000011
其中：ρC为陶瓷微球的比重，r为陶瓷微球的半径(μm)，ρM为金属的比重，d为包覆金属壳层的厚度(μm)。
2.如权利要求1所述的核壳结构导电微球，其特征在于，所述导电微球由包括陶瓷微球和金属化膏的原料经固相烧结法制备而成。
优选地，所述金属化膏包含形成金属壳层的金属，例如钼粉和玻璃相添加剂，或由形成金属壳层的金属制成，例如由钼粉和玻璃相添加剂制成。
优选地，所述金属化膏中钼粉的质量百分比可以为60-90％，如70-80％。
优选地，所述金属化膏中玻璃相添加剂的质量百分比可以为10-40％，如20-30％。
优选地，所述金属化膏中玻璃相物质包含锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉，或由锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉制成。优选地，所述锰粉、氧化硅粉和氧化铝粉的质量比为(2-4):(2-4):(2-6)，示例性为2:2:6、3:3:4、4:4:2，优选为3:3:4。
优选地，所述金属化膏也可以采用铜浆、银浆等浆料，通过固相烧结处理，以形成铜、银等金属壳层。
3.权利要求1或2所述可调比重的核壳结构导电微球的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
以陶瓷微球和金属化膏为原料，经固相烧结法，得到所述可调比重的核壳结构导电微球。
优选地，所述陶瓷微球和金属化膏具有如权利要求1或2所述的含义。
4.如权利要求3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对金属化膏进行球磨的步骤。例如，所述球磨的时间为10-50h。优选地，所述球磨可以在行星球磨机的玛瑙球磨罐中进行。
优选地，所述行星球磨机的玛瑙球磨罐球料比为1：0.5-2，优选为1:1；玛瑙球的直径约为2～8mm；公转速度为50-200r/min；自转速度为100-300r/min。
优选地，所述制备方法还包括向球磨后的金属化膏的粉体添加硝化纤维素溶液进行湿磨的步骤。
优选地，所述球磨后的金属化膏粉体和硝化纤维素溶液的质量比为(1-6)：1，优选为(1-4)：1。
优选地，所述硝化纤维素溶液的浓度为0.5-3wt％。优选地，所述硝化纤维素溶液的溶剂为醋酸丁酯。
5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述湿磨的时间为10-50h,优选为30-50h。进一步地，所述湿磨的转速为60-200r/min。优选为80-120r/min。
优选地，所述湿磨可以在滚筒球磨机中进行。
优选地，所述制备方法还包括对陶瓷微球进行超声清洗并烘干的步骤。优选地，将干燥后的陶瓷微球放入上述湿磨后的金属化膏中。
优选地，所述制备方法还包括对放入陶瓷微球后的金属化膏进行过滤，以获得表面覆有金属膏层的陶瓷微球体。优选的，所述过滤用筛网的目数≥40目，优选为40-500目。
优选地，所述制备方法还包括对带膏层的陶瓷微球体进行干燥的步骤。例如，所述干燥可以为自然烘干、热风吹干或光照烘干。优选地，所述光照烘干可以为红外灯烘干。
优选地，烘干后的表面覆有金属膏层的陶瓷微球体中金属膏层的厚度为1-50μm。
优选地，可根据目标金属壳层的厚度需求，将金属膏层的制备步骤重复多次。例如，重复的次数可以为一次、两次或更多次，优选为两次。
6.如权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理为采用梯度升温煅烧处理，例如，先将温度升至1100-1300℃；再继续将温度升至1380-1450℃。
优选地，温度升至1100-1300℃所需时间为1～2h。
优选地，温度继续升至1380-1450℃所需时间为1-2h。
优选地，所述煅烧处理时间为1-2h。
优选地，所述煅烧处理在湿氢气氛下进行，例如将露点控制在0-40℃，优选将露点控制在15-25℃。
优选地，煅烧处理结束后采用梯度降温的方式。例如，先将温度自然降温至1100-1300℃；然后恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停止通入氢气、充氮气已排除氢气。
优选地，所述煅烧处理可以在高温反应炉中进行，例如所述高温反应炉为氢气炉。
7.如权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理后还包括球磨步骤。例如，所述球磨可以通过在滚筒球磨机中进行干磨。
优选地，所述球磨的时间为5-60min。
优选地，所述球磨的转速为10-100r/min。
优选地，所述制备方法还包括对上述研磨后的产品进行洗涤的步骤。例如，通过超声水洗的方式。又如，所述超声水洗的次数可以为一次、两次或更多次，优选为两次。
优选地，所述制备方法还包括对洗涤后的反应产物进行干燥。
8.如权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对干燥后的产物进行电镀处理。例如，通过电镀从而在导电微球表面电镀上一层导电性能优异的金属，并使导电微球表面更加光洁。
优选地，所述导电性能优异的金属可以选自镍、金、银和铜中的一种、两种或更多种。
优选地，所述电镀处理时间为20-60min。
优选地，所述电镀处理的电流密度为0.5±0.1A/dm2。
优选地，所述电镀液包括如下浓度的各组分：NiSO4.7H2O 50-250g/L、MgSO4.7H2O 10-100g/L、H3BO3 10-50g/L、NaCl 2-20g/L。
优选地，所述电镀处理方法如下：将上述步骤干燥后的导电微球用金属盘盛放，置于电镀槽的电镀液中，金属盘连接电镀阴极，在电镀过程中，电镀液中的金属离子会沉积在导电微球表面上。
优选地，所述可调比重的核壳结构导电微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按预定质量百分比称取钼粉和玻璃相添加剂进行配料，装入行星球磨机罐中进行球磨10-50h；球磨后出粉，按照金属粉和硝化纤维素溶液的质量比为(1-6)：1添加硝化纤维素溶液，将它们装入球磨机中进行混磨10-50h，以获得不同粘度的金属化膏剂；
(2)将直径为1-2000μm的陶瓷微球放入上述金属化膏剂中，使用筛网过滤除去多余的金属化膏，获得带膏层的球体陶瓷微球体；然后干燥，以在陶瓷微球表面上覆上了一层厚度为1-50μm的金属膏层；
(3)将步骤(2)获得的生胚在氢气炉内进行烧结：先1-2h升温至1200℃，然后施加湿氢，露点控制在0-40℃，再1-2h升温至烧结温度1380-1450℃，保温1-2h，保温结束后自然降温，温度降至1200℃时恢复成干氢，继续降温到300℃，然后停止通入氢气、充氮气以排尽氢气；
(4)对步骤(3)烧结处理后的产物进行球磨，球磨不另加磨球，让金属化微球相互之间摩擦，球磨后超声清洗并烘干；
(5)将步骤(4)烘干后的导电微球用金属盘盛放，并放入电镀液中进行电镀，以在其表面电镀上一层导电性能优异的金属，并使表面更加光洁。
9.权利要求1-2任一项所述的导电微球和/或权利要求3-8任一项所述的制备方法制得的导电微球在滚镀液、粉末冶金等中的应用。
优选地，所述可调比重的核壳结构导电微球应用于滚镀液时，可作为阴极导电媒介。
优选地，所述可调比重的核壳结构导电微球用于粉末冶金，如激光增材制造、注射成型工艺等，从而制备金属陶瓷。
优选地，利用所述可调比重的核壳结构导电微球金属壳层熔点比核芯陶瓷微球低，在用于粉末冶金烧结时，金属壳层可以作为熔融液相，促进烧结，实现致密化。
10.一种金属陶瓷制件，其含有权利要求1-2任一项所述的导电微球和/或权利要求3-8任一项所述的制备方法制得的可调比重的核壳结构导电微球。
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