Proceso de preparación y aplicación de polvo de níquel ultrafino

El níquel tiene propiedades como magnetismo, conductividad y estabilidad a altas temperaturas. El polvo de níquel ultrafino tiene un gran efecto de superficie y efecto de volumen, y muestra una serie de propiedades especiales en propiedades eléctricas, absorción de ondas, resistencia térmica, absorción de luz, actividad química, etc., por lo que tiene amplias perspectivas de aplicación en muchos campos como pasta electrónica, cerámica metálica, materiales de protección y absorción de ondas, catalizadores y materiales de baterías.

Una serie de propiedades físicas y químicas del polvo de níquel ultrafino cambian con la morfología del polvo, el tamaño de partícula y la distribución. Cómo preparar partículas con una forma, tamaño y distribución determinados que satisfagan las necesidades controlando las condiciones de reacción es un aspecto importante de la investigación del polvo de níquel ultrafino.

Método de preparación de polvo de níquel ultrafino

01 Método de fase gaseosa

1.1 Método de evaporación-condensación

El proceso de producción de polvo de níquel ultrafino mediante el método de evaporación-condensación consiste en calentar el níquel metálico a 1425 ℃ para vaporizarlo, y el vapor se condensa rápidamente para obtener polvo de níquel. El uso de la evaporación en un entorno de vacío puede reducir la temperatura de evaporación, como calentar a 700 ℃ bajo una presión de 1,33 Pa para obtener vapor de níquel. El método de evaporación-condensación puede preparar teóricamente cualquier material. Sus características son que la superficie del polvo ultrafino producido está limpia, el tamaño de partícula es ajustable y la forma del cristal es generalmente esférica, lo que es particularmente adecuado para la preparación de polvos metálicos ultrafinos.

1.2 Método de descomposición térmica del carbonil níquel

El método de descomposición térmica del carbonil níquel fue propuesto por Mond et al. en el Reino Unido en 1889. Se divide principalmente en dos pasos: el primer paso es preparar el carbonil níquel y el segundo paso es descomponer el carbonil níquel para obtener polvo de níquel. Este método es más práctico, la pureza del polvo de níquel producido es muy alta y tiene una amplia gama de usos.

1.3 Método de deposición química de vapor

El método de deposición química en fase de vapor también se denomina método de reducción de hidrógeno en fase gaseosa. Este método consiste en volatilizar el cloruro de níquel a alta temperatura y luego reducirlo a átomos de níquel metálico en una atmósfera de hidrógeno, y obtener un polvo de níquel ultrafino esférico mediante nucleación, crecimiento, colisión y otros procesos. Debido a su alta temperatura de cristalización, el polvo de níquel producido por el método de deposición química en fase de vapor tiene buena cristalinidad, alta pureza y tamaño de partícula controlable. Este método puede producir polvo de níquel ultrafino esférico con tamaño de partícula uniforme a un menor costo de producción. Es adecuado para materiales de electrodos que reemplazan al paladio metálico en MLCC. Su precio puede competir con los materiales de electrodos de condensadores tradicionales, pero el equipo requerido es relativamente caro y el equipo está severamente corroído.

1.4 Método de alambre de explosión eléctrica

El método de alambre de explosión eléctrica es un método relativamente nuevo para preparar polvo de níquel. Aplica alto voltaje de CC al alambre de níquel en una cámara de reacción llena de gas inerte para formar una densidad de corriente muy alta dentro del alambre de níquel, de modo que el alambre de níquel explota para obtener polvo de níquel ultrafino. El alambre de níquel puede ingresar automáticamente a la cámara de reacción a través de un sistema de suministro de alambre, de modo que se puede repetir el proceso anterior.

02 Método de fase líquida

2.1 Método de reducción de hidrógeno a alta presión

En un autoclave, bajo la condición de presencia de un catalizador, se puede utilizar hidrógeno para reducir la solución acuosa amoniacal de níquel o el carbonato de níquel básico insoluble en agua, el hidróxido de níquel y otras suspensiones acuosas para obtener un polvo de níquel ultrafino.

2.2 Método de reducción en fase líquida

El método de reducción en fase líquida consiste en preparar los reactivos en una solución de una determinada concentración y utilizar un agente reductor para reducir el níquel en la fase líquida. Su mecanismo de reacción es la reacción redox. Los agentes reductores utilizados son generalmente hidrato de hidrazina, NaBH4, KBH4 y polioles. Las ventajas del método de reducción en fase líquida son una amplia fuente de materias primas, un equipo sencillo, una operación fácil, una alta pureza del producto, un tamaño de partícula pequeño y una distribución uniforme. Sin embargo, sus desventajas son que el agente reductor borohidruro de sodio es caro y el hidrato de hidrazina es tóxico.

2.3 Método de microemulsión

La "microemulsión" se define como un sistema de dispersión termodinámicamente estable, isotrópico, transparente o translúcido formado por dos líquidos inmiscibles, y el sistema contiene gotitas de uno o dos líquidos estabilizados por una película interfacial formada por un surfactante. La microemulsión dispersa el medio continuo en espacios diminutos. El método de microemulsión se ha utilizado ampliamente en la preparación de polvo de níquel ultrafino. Gao Baojiao et al. estudiaron la reducción de sulfato de níquel con hidrato de hidrazina en un sistema de microemulsión inversa de agua (solución)/xileno/dodecil sulfato de sodio/n-pentanol en condiciones de baño de agua a temperatura constante en un entorno alcalino fuerte. Al controlar la composición del sistema de microemulsión, se puede ajustar el tamaño de partícula del producto para obtener un polvo de níquel metálico ultrafino esférico con una distribución uniforme del tamaño de partícula.

2.4 Método de atomización ultrasónica-descomposición térmica

El método de atomización ultrasónica-descomposición térmica es un método importante para producir micropartículas con propiedades únicas. Este método utiliza el mecanismo de dispersión de alta energía del ultrasonido. El licor madre precursor objetivo pasa a través del atomizador ultrasónico para producir gotitas de tamaño micrométrico, que son transportadas al reactor de alta temperatura por el gas portador para la descomposición térmica, obteniendo así materiales en polvo ultrafinos con un tamaño de partícula uniforme. El método de atomización ultrasónica-descomposición térmica tiene las ventajas de un fácil control de los componentes objetivo, una amplia fuente de precursores, una distribución estrecha del tamaño de partícula del producto y un tamaño de partícula controlable.

2.5 Método de electrólisis

Agregue una solución de Ni2+ a la celda electrolítica, use una placa de níquel como ánodo, grafito o un metal precioso como cátodo, encienda la energía y cambie la dirección de la corriente periódicamente, y el polvo de níquel generado se deposita en el fondo de la celda electrolítica y luego se recolecta con materiales magnéticos. Este método es actualmente un método que se usa ampliamente en la producción industrial, pero tiene los problemas de una fuerte corrosividad, malas condiciones de trabajo, alto consumo de energía y facilidad para causar un cierto grado de contaminación ambiental, y el proceso necesita ser mejorado.

2.6 Método de síntesis por radiación

El principio básico de la preparación de polvo de níquel ultrafino mediante la irradiación con rayos gamma de una solución de sal de níquel metálico es que el agua puede producir una gran cantidad de partículas bajo la radiación de rayos gamma. Los electrones hidratados y los átomos de hidrógeno en estas partículas tienen una fuerte capacidad reductora, que puede reducir los iones de níquel metálico paso a paso. Los átomos de níquel recién generados se agrupan en núcleos y finalmente forman partículas ultrafinas. El tamaño y la forma de las partículas se pueden controlar controlando la concentración de la solución, el valor de pH y la dosis de irradiación.

03 Método de fase sólida

3.1 Método de trituración mecánica

El método de trituración mecánica es un método que utiliza fuerza mecánica para triturar bloques grandes en las partículas requeridas. Según las diferentes fuerzas mecánicas, se puede dividir en método de impacto de flujo de aire, método de molienda mecánica de bolas y método de trituración ultrasónica. El método de molienda mecánica de bolas es actualmente un método relativamente económico para preparar polvo de níquel ultrafino. Las ventajas del método de molienda mecánica de bolas son un proceso de operación simple, bajo costo, alta eficiencia de preparación y la capacidad de preparar partículas ultrafinas de metal de alto punto de fusión que son difíciles de obtener con métodos convencionales. Sus desventajas son la distribución desigual del tamaño de partícula y la baja pureza.

3.2 Método de descomposición en fase sólida

1. Rosenbanddeng utilizó grafito como reactor y calentó y descompuso formiato de níquel sólido en un ambiente de argón para preparar polvo de níquel. El tamaño de partícula promedio del polvo de níquel obtenido fue de 0,4-0,6 μm y la forma del polvo fue casi esférica. El polvo de níquel obtenido por este método tiene una alta pureza. Al ajustar los parámetros del proceso, se puede obtener polvo de níquel que cumple con las condiciones para los electrodos internos de MLCC, pero el costo de preparación del polvo de níquel por este método es relativamente alto.

Aplicación de polvo de níquel ultrafino

1. Materiales de la batería

Las baterías de níquel-hidrógeno y las baterías de iones de litio, como nuevas baterías secundarias, desempeñan un papel cada vez más importante en los nuevos materiales energéticos. Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en aparatos eléctricos militares y civiles debido a su alta energía específica, alto voltaje de batería, amplio rango de temperatura de funcionamiento y larga vida útil. El desarrollo de materiales de electrodos positivos de baterías de iones de litio también ha experimentado un proceso tortuoso. Actualmente, el LiCoO2 se utiliza ampliamente, mientras que el LiNiO2 y el LiMnO2 baratos se están estudiando y probando ampliamente. La estructura cristalina del LiNiO2 es similar a la del LiCoO2, pero su precio es bastante bajo y su capacidad específica es grande. Las condiciones de síntesis del LiNiO2 son relativamente duras, lo que también es un problema clave que debe superarse en el desarrollo a gran escala de materiales de electrodos positivos de LiNiO2.

2. Materiales magnéticos

El polvo de níquel ultrafino es un excelente material magnético. Se puede dispersar en un líquido portador para formar un fluido magnético; el polvo de níquel nano con una forma de varilla estándar o lineal se puede utilizar para hacer un "disco cuántico" con alta densidad de almacenamiento. Algunas personas utilizan el efecto de magnetorresistencia de Ni-Fe y Ni-Co para probar el cabezal magnético. Este cabezal tiene un alto voltaje de lectura y no requiere una bobina, lo que evita la desventaja de la respuesta lenta del cabezal inductivo cuando la densidad de registro es muy alta.

3. Carburo cementado

Desde la llegada del carburo cementado en 1923, el cobalto metálico ha sido considerado el mejor metal de unión, pero debido a su alto precio y suministro inestable, el níquel, que tiene las mismas propiedades de unión pero es relativamente barato, se ha vuelto gradualmente popular.

4. Materiales catalíticos

El polvo de níquel ultrafino es un excelente material catalizador químico. El catalizador de nanopartículas de Ni con un tamaño de partícula de menos de 5 nm y Si como portador no solo tiene una buena actividad superficial, sino que también hace que la selectividad en la reacción de hidrogenación de propionaldehído aumente drásticamente; cuando se utiliza Ni/SiO2 como catalizador para la hidrogenólisis de etano, cuando el tamaño de partícula se reduce de 22 nm a 2,5 nm, la velocidad de reacción catalítica aumenta diez veces; la actividad del polvo de nano-níquel en la catálisis de la hidrogenación de ciclooctadieno para producir cicloocteno es de 2 a 7 veces mayor que la del Ni de esqueleto tradicional, y la selectividad aumenta más de 5 veces.

5. Materiales absorbentes

Gracias a sus excelentes propiedades eléctricas y magnéticas, el polvo de níquel ultrafino se puede combinar con materiales de matriz polimérica para preparar materiales de protección contra las ondas electromagnéticas. El revestimiento conductor a base de polvo de níquel ultrafino tiene una gran capacidad de vector electrónico para absorber y dispersar rayos electromagnéticos y una gran amplitud de atenuación del vector magnético. Después de un tratamiento especial, tiene excelentes capacidades antioxidantes, anticorrosivas y antihumedad, por lo que representa una proporción cada vez mayor en los materiales de protección contra las ondas electromagnéticas.

6. Materiales especiales militares

El polvo de níquel ultrafino se utiliza principalmente en el campo militar para materiales compuestos nanocatalíticos de propulsores sólidos para cohetes y explosivos. El uso de polvo de níquel puede aumentar la velocidad de combustión de los propulsores sólidos y explosivos y reducir la presión parcial crítica. Se informa que agregar aproximadamente un 1 % de polvo de níquel nano al propulsor sólido para cohetes aumenta su eficiencia de combustión en 100 veces.

7. Condensador cerámico multicapa MLCC

Con el ajuste de la estructura del mercado de productos electrónicos completos, los equipos de comunicación móvil y las computadoras portátiles se han desarrollado rápidamente, lo que ha generado un enorme espacio de mercado para el desarrollo de MLCC. El material tradicional de los electrodos MLCC es la aleación Pd/Ag o Pd puro. El precio de la lechada importada de electrodo interno Pd30/A970 con el mayor consumo es superior a 25.000 yuanes/kg, por lo que el uso de materiales de metal base para reemplazar los electrodos Pd/Ag es una tendencia importante en el desarrollo de MLCC. Para tener en cuenta los requisitos de gran capacidad y bajo costo, el electrodo de metal base Ni es la mejor opción.

Además, el polvo de níquel ultrafino también se usa ampliamente en materiales porosos, materiales quirales, materiales de pulverización, materiales de galvanoplastia nanocompuestos y para mejorar las propiedades de fricción y desgaste de los aceites lubricantes.