Металлические порошки играют решающую роль в развитии производственных технологий и повышении эффективности продукции во многих отраслях промышленности. Наноразмерный никелевый порошок является отличным примером этого.

Нано-порошок никеля обладает превосходной устойчивостью к окислению при высоких температурах, сохраняет прочность и пластичность при низких температурах, демонстрирует хорошую совместимость с различными легирующими элементами и обладает каталитическими свойствами, подходящими для химических реакций. Высококачественный нано-порошок никеля обеспечивает точный контроль над такими параметрами, как размер частиц, их форма, чистота и химический состав. Его уникальные свойства, включая высокое соотношение поверхности к объему и повышенную реакционную способность, делают его крайне ценным в многочисленных отраслях, таких как аэрокосмическая, автомобильная, электронная и сфера чистой энергии.

В последние годы непрерывное развитие отраслей новых источников энергии, электронной промышленности и аэрокосмической сферы привело к резкому росту спроса на наноразмерный порошок никеля. Для получения высококачественного наноразмерного порошка никеля необходимо разрешить компромисс между размером частиц, их дисперсией и высокотемпературным спеканием. Способы производства наноразмерного порошка никеля включают физическое пароотложение, химическое пароотложение, электрический взрыв проволоки, плазменный метод, химический метод восстановления в жидкой фазе, спрей-пиролиз, золь-гель метод, механохимический метод и другие.

Метод приготовления наноразмерного порошка никеля

1️⃣ Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)

Физическое пароосаждение — это технология подготовки, которая позволяет получать сверхтонкие порошки путём испарения и конденсации металлов в вакуумной среде. Основной принцип заключается в использовании высокотемпературного испарения, распыления, дугового разряда или других методов для отделения атомов никеля с твёрдой поверхности в газовую фазу в условиях высокого вакуума или инертной атмосферы. Затем эти атомы конденсируются в частицы размером от нанометров до субмикронов в области низких температур.

Этот метод включает подготовку при высоких температурах в атмосфере инертного газа, благодаря чему получаемый наноразмерный порошок никеля обладает контролируемым размером и морфологией частиц, высокой чистотой, отличной кристалличностью и чистой поверхностью, не требующей последующей обработки. Кроме того, процесс производства является экологически безопасным. Однако данный метод требует сложного производственного оборудования, предъявляет высокие требования к технической квалификации, сопровождается высокими производственными затратами и характеризуется низкой эффективностью.

2️⃣ Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

Химическое осаждение из паровой фазы, также известное как газофазное восстановление водородом, представляет собой метод получения путём восстановления газообразных соединений металлов водородом. При повышенных температурах прекурсоры никеля испаряются и затем восстанавливаются до атомов элементарного никеля в атмосфере водорода. Эти атомы затем проходят процессы зарождения, роста и конденсации, образуя сверхтонкий наноникелевый порошок. Температура подготовки достигает 900–1000°C, и получаемый никелевый порошок обладает превосходной устойчивостью к окислению.

Этот метод позволяет получать наноразмерный порошок никеля с однородным размером частиц и высокой кристалличностью при относительно низких производственных затратах. Однако он предъявляет чрезвычайно высокие требования к коррозионной стойкости оборудования, а необходимое оборудование также является сравнительно дорогим.

3️⃣ Электрический взрыв провода (EEW)

Метод электрического взрыва проволоки (EEW) — это передовая технология подготовки порошковых материалов из металлов, сплавов и металлических соединений наноразмера. В реакционной камере, заполненной инертным газом, к металлическим или сплавным исходным проволокам вдоль их осевой направления прикладывается высокое напряжение постоянного тока, что создаёт чрезвычайно высокую плотность тока внутри проволоки, вызывая её взрыв и образование сферических нанопорошковых материалов с внутренними дефектами решетки, самовоспламеняющимися свойствами и высокой реакционной способностью.

Этот метод обеспечивает высокую производственную мощность и превосходное качество продукции. Корректируя конкретные параметры производства, можно получать нанопорошки с различными размерами частиц и морфологией для разнообразных применений. Этот метод не выделяет вредных веществ и не наносит ущерба окружающей среде, что делает его экологически чистым подходом к подготовке нанопорошков.

4️⃣ Плазменный метод

Плазменный метод использует электрическую дугу для ионизации газа, образуя стабильную высокотемпературную плазму, которая плавит и испаряет металл. Частицы металлического пара быстро охлаждаются, зарождают ядра и растут, в итоге оседая на поверхности охлаждённой сборочной камеры. После обработки инертным газом для стабилизации и пассивации можно получить сыпучий порошок наноразмеров.

Нанопорошок никеля, приготовленный этим методом, обладает высокой чистотой, малым средним размером частиц, однородным распределением размеров, контролируемой формой и размерами, а также экологически безопасным процессом получения. Однако он предъявляет жёсткие требования к производственному оборудованию.

5️⃣ Метод химического восстановления в жидкой фазе

Метод химического восстановления в жидкой фазе в настоящее время является одной из наиболее широко применяемых технологий для получения наноразмерного никелевого порошка. Этот химический процесс на основе растворов использует в качестве исходных веществ водные растворы NiSO₄, NiCl₂, Ni(OH)₂ и других соединений. В качестве восстановителей, катализирующих окислительно-восстановительные реакции и приводящих к синтезу металлического никеля, применяются такие агенты, как гидразингидрат (N₂H₄·H₂O), полиолы, NaBH₄ и KBH₄.

Процесс производства следующий: в качестве прекурсоров используются соли никеля (такие как сульфат никеля или хлорид никеля), которые растворяют в воде или органических растворителях с образованием однородного раствора. Затем добавляют сильные восстановители, такие как борогидрид натрия, гидразингидрат или гипофосфит натрия. В щелочных условиях при рН от 8 до 12 реакция восстановления превращает ионы никеля (Ni²⁺) в частицы металлического никеля. Температуру во время реакции необходимо точно контролировать (50–90°C); для предотвращения агломерации наночастиц добавляют поверхностно-активные вещества (например, поливинилпирролидон, или ПВП). Конечный порошок наноникеля получают путём центрифугирования, промывания этанолом и сушки под вакуумом.

Этот процесс подготовки и оборудование просты, а сырьё легко доступно. Полученный нано-порошок никеля обладает узким распределением по размеру частиц и превосходными дисперсионными свойствами.

6️⃣ Распылительная пиролиз

В качестве метода процесса получения нанопорошков спрей-пиролиз включает распыление раствора соли металла и его распыление в среду реакции высокой температуры, где растворитель испаряется, а растворённое вещество подвергается термическому разложению с прямым образованием желаемого материала.

Производственный процесс в основном делится на три этапа: плавление, распыление и охлаждение. Сначала металлический никель высокой чистоты (≥99,9%) нагревают до температуры 1450–1600°C в инертной атмосфере, чтобы он перешёл в жидкое состояние. Затем газ под высоким давлением (например, азот или аргон, при давлении 5–20 МПа) либо центробежная сила (скорость вращения >20 000 об/мин) разбивают жидкий никель на капли размером в микрон. Во время быстрого охлаждения эти капли затвердевают, превращаясь в сферические или почти сферические порошковые частицы. Конечный продукт — наноразмерный порошок никеля — получают путём просеивания.

Оборудование использует методы нагрева путём сгорания или электрического нагрева, требуя высоких температур (диапазон температур реакции: 400–900°C) и вакуумных условий. Оно предъявляет строгие требования как к оборудованию, так и к эксплуатации. При интеграции с устройством центробежного распыления высокой скорости оно позволяет осуществлять производство в крупном масштабе.

7️⃣ Метод золь-гель

Метод золь-гель обычно относится к подготовке прекурсоров с использованием металлических солей в растворителях, где растворённое вещество подвергается гидролизу или алкоголизу при определённых условиях с образованием частиц размером примерно 1 нм, формирующих золь. Затем этот золь испаряется и высушивается для удаления растворителя, превращаясь в гель. В дальнейшем гель обрабатывается путём сушки, прокаливания и других методов с целью получения конечного продукта.

Этот метод подготовки представляет значительный научный интерес благодаря высокой начальной реакционной активности, однородному смешению компонентов реакции на молекулярном уровне, низкой температуре синтеза, минимальному энергопотреблению, мелкому размеру частиц продукта и высокой чистоте.

8️⃣ Механо-химический процесс

Механохимический метод сочетает химические реакции с механическим измельчением. С помощью различных механических сил, таких как механические шары и ультразвуковое измельчение, происходит механическое измельчение никеля (Ni), получаемого в результате восстановительной реакции исходных материалов (например, NiCl).

Наноразмерный порошок никеля отличается малым размером частиц и большой удельной поверхностью, что обеспечивает такие преимущества в работе, как высокая эффективность фотокатализа, высокая проводимость и магнитные свойства.

Его применение заменяет более дорогостоящие материалы на основе драгоценных металлов, что значительно снижает производственные затраты. В таких областях, как MLCC, проводящие покрытия, химический катализ и батареи нового поколения, требуемый наноразмерный порошок никеля должен обладать регулярной сферической структурой, малым размером с однородным распределением частиц, превосходной диспергируемостью, высокой насыпной плотностью и хорошей устойчивостью к окислению. Процесс получения наноразмерного порошка никеля постоянно совершенствуется и улучшается, повышая его эксплуатационные характеристики и открывая новые области применения.