羰基金屬粉是通過羰基冶金工藝,將金屬原料與一氧化碳反應(yīng)生成易揮發(fā)的Ni(CO)?、Fe(CO)?、Co?(CO)?)等羰基化合物,再通精確控制熱分解條件制得的一類微米級與亞微米級單質(zhì)金屬粉末。該工藝區(qū)別于傳統(tǒng)機械粉碎或電解沉積方法的最大特點在于其可實現(xiàn)原子層面的可控制造過程,制得粒徑小、純度高、形貌可控、表面活性大、流動性好和成形性佳的產(chǎn)品,被認為是工業(yè)化應(yīng)用場景下最佳的金屬提純工藝。而基于羰基金屬粉的優(yōu)越性能,其本身也已成為粉末冶金、磁性材料、硬質(zhì)合金、催化劑、導(dǎo)電漿料、增材制造(3D打印)等多種先進制造領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)性原材料。
本篇文章我們聚焦最常見的兩種羰基金屬——羰基鐵粉及羰基鎳粉的關(guān)鍵特性,看看它們有哪些重要的應(yīng)用價值。
羰基鎳粉
Ni(CO)4是羰基金屬家族中第一個 被發(fā)現(xiàn)和合成的羰基物,是由金屬鎳與一氧化碳 直接反應(yīng)而合成的,其合成條件比較溫和,可以在常壓、中壓和高壓下進行。
羰基鎳粉通常具有大的比表面積以及復(fù)雜的微觀形貌,如三維鏈狀,樹枝狀、刺球狀等結(jié)構(gòu)。其中重松比的羰基鎳粉(重鎳粉)具有獨特的結(jié)晶結(jié)構(gòu),呈彌散狀,主要應(yīng)用于硬質(zhì)合金等的制備。而呈三維鏈狀的輕鎳粉主要用于鎳鎘電池等的制造。
1、硬質(zhì)合金/金剛石工具作為粘結(jié)劑
以Co做粘結(jié)劑的硬質(zhì)合金(如WC-Co系硬質(zhì)合金)在耐腐蝕方面性相對較差,易受化學(xué)介質(zhì)侵蝕。而鎳粉由于獨特的晶型結(jié)構(gòu),其表面能夠與其他金屬粉末緊密結(jié)合,在粉末燒結(jié)前形成穩(wěn)固而均勻的分布,和其他粉末滲濾均勻,因此作為粘結(jié)劑時可加入少量難熔金屬元素或化合物(如Cr、Cr3C2、Ta、Nb、Ti和稀土元素等),從而起到對粘結(jié)相的固溶強化和沉淀強化作用,提高合金的性能。
不過,在實際應(yīng)用中,以電解鎳粉作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金仍存在液相燒結(jié)不完全的問題,導(dǎo)致合金致密度差,硬度、抗彎強度等物理性能不穩(wěn)定、生產(chǎn)過程不易控制,因此行業(yè)內(nèi)常用粒度細、純度高、活性大的羰基鎳粉替代電解鎳粉作為粘結(jié)相,,所生產(chǎn)的硬質(zhì)合金硬度、抗彎強度等物理機械性能指標(biāo)均較電解鎳粉有明顯的提高
除此之外,在金剛石工具的制備過程中,羰基鎳也可作為金屬粘結(jié)劑,用電鍍、電泳或化學(xué)鍍的方法將金剛石磨粒牢牢黏結(jié)在金屬基體上,來改善金剛石的表面特性,增強與金屬基體的把持力,從而金剛石工具的耐用性。
2、電池制造
三維鏈狀的羰基鎳粉可形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),可有效的將活性材料的顆粒和集流網(wǎng)連接起來,增加充分參與電化學(xué)過程活性材料的數(shù)量,提高電化學(xué)利用率,改善電極高倍率性能,在制造鎳-鎘、鎳-氫電池的標(biāo)準(zhǔn)材料。
3、電子工業(yè)
羰基鎳粉用于制備電子元件中的金屬薄膜。通過化學(xué)氣相沉積等技術(shù),羰基鎳可以在基底材料上分解并沉積出均勻、致密的鎳薄膜,這些薄膜可用于制造集成電路、電容器、電阻器等電子元件,有助于提高電子設(shè)備的性能和可靠性。
二、羰基鐵粉
相比羰基鎳粉,羰基鐵粉的合成條件要苛刻的多,一般是利用海綿鐵及一氧化碳在5~30 MPa的壓力和150~ 200 ℃的溫度下進行合成。
羰基鐵粉物理屬性獨特,具有純度高、粒度細、活性大、洋蔥頭層狀結(jié)構(gòu),流動性好且磁性優(yōu)異等物理特點,其耐磨性、結(jié)構(gòu)性及電磁性能均十分突出。目前其主要用在注射成形、軟磁電感、吸波隱身等領(lǐng)域。
1、軟磁電感
作為軟磁材料,羰基鐵粉由于內(nèi)部特殊的“洋蔥頭”層狀結(jié)構(gòu),其顆粒內(nèi)部疇壁位移方向沿同心層切向分布,使得顆粒具有較低 磁滯伸縮系數(shù)及磁晶各向異性常數(shù),加之顆粒致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu),幾乎沒有 氣孔或者其他缺陷,進一步減少了磁通泄露,因此利用羰基鐵粉制成的磁粉芯通常具有較低的渦流損耗、高飽和磁感應(yīng)強度以及較高的磁導(dǎo)率頻率穩(wěn)定性,同時其直流疊加特性也遠優(yōu)于其他類型的磁粉芯。這使得它在需要承受大電流的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢,尤其有利于其在100kHz~100MHz頻段內(nèi)進行大電流應(yīng)用,,是制造 高頻開關(guān)電路輸出扼流圈、諧振電感及高頻調(diào)諧磁心較為理想的材料。
不過,羰基鐵粉同時也存在磁導(dǎo)率低和耐蝕性差等缺點,成型后電感值較低、防銹特性差等,羰基鐵粉末制備的電感在長時間高溫老化后存在Q值下降的問題,需要通過后端的電感噴涂處理解決其耐鹽霧和潮濕環(huán)境的不足,無疑增加了電感的制造成本和環(huán)保成本。此外,需要注意的是,一次處理的羰基鐵粉通常為硬粉,需再次經(jīng)過高溫退火消除洋蔥狀結(jié)構(gòu)后,才可得到一體成型電感磁心所需的羰基鐵軟粉。
2、吸波材料
電磁環(huán)境污染與電磁信息泄露是當(dāng)今信息大爆炸時代面臨的兩大問題。作為電磁屏蔽材料中的重要成員,含有羰基鐵粉的吸波材料被電磁波(尤其是微波和雷達波) 射入時,憑借其中等導(dǎo)電性、高飽和磁化強度、較高的居里溫度以及易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的特性,可在交 變電磁場的作用下產(chǎn)生強烈的磁化振蕩,最終消耗電 磁波能量,實現(xiàn)吸收電磁波的作用。
不過,由于在高頻交變磁場作用下,羰基鐵粉制成的吸波材料會產(chǎn)生趨膚效應(yīng),即其內(nèi)部會感應(yīng)出的環(huán)形渦流產(chǎn)生的反向磁場會阻礙原磁場向顆粒內(nèi)部的有效穿透,導(dǎo)致材料趨向于反射而非吸收電磁波,引發(fā)的磁損耗下降。因此,羰基鐵粉若要用于高頻吸波場景,往往需要通過改變顆粒的尺寸和形狀等調(diào)整其自身的自然共振頻率,從而與特定頻率的電磁波相匹配,引發(fā)強烈的磁 共振現(xiàn)象,大幅度增強吸波效果。
3、金屬注射成形(MIM)
金屬注射成形(MIM)是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型近凈成形技術(shù),在制備高性能、均勻組織、復(fù)雜形狀或薄壁的小型零部件方面具有獨特的優(yōu)勢 。不過,要得到高強度、高密度的MIM成品,就要求粉末具有高燒結(jié)驅(qū)動力。羰基鐵粉表觀形貌為球形,粉末間的摩擦力較低,易于成型,同時其粒度約為 1~6μm、粒度分布單一、孔隙度低、純度,因此燒結(jié)活性高,能夠快速燒結(jié),無疑是最適于 MIM 技術(shù)的金屬材料之一。
參考來源:
肖冬明,張振華,陳正乾,等.羰基鐵粉生產(chǎn)工藝及用途概述[J].山西冶金.
胡騰.高頻諧振電感用羰基鐵磁粉芯的制備及應(yīng)用研究[D].電子科技大學(xué).
肖冬明,羅世銘,陳旭軍,等.羰基鎳粉的制備及其在硬質(zhì)合金行業(yè)的應(yīng)用[J].硬質(zhì)合金.
粉體圈Corange整理
作者:Corange
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