粉末冶金技术

1、第七章粉末冶金技术 粉末冶金粉末冶金是将金属粉末(或掺入部分非金属粉末)经过成型和烧结制成金属材料或机械零件的一种工艺方法。它既可用金属粉末直接制成(不经切削加工，或经少量切削加工)符合装配要求的零件，又可制造用一般冶炼方法难以生产的金属材料和制品。一、粉末冶金的定义 粉末冶金是以粉末 (金属粉末或非金属粉末)为原料，经过成形和烧结制造金属或非金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。实际上，粉末冶金技术涉及到很多新的理论和技术，内涵越来越丰富。粉末冶金已经逐渐发展成一门“科学”，而非简单的“工艺”或“技术”。二、粉末冶金工艺及技术的特点 1.传统的粉末冶金工艺粉末冶金工艺的第一步是制取金

2、属粉末、合金粉末、金属化合物粉末以及包覆粉末，第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图1所示 (1)传统的粉末制备技术 对粉末的要求不同，所需要的制备方法也不同。物料状态有固态、液态或气态三种。采用固态原料制备粉末从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主要是机械粉碎法从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有还原法制取金属化合物粉末的有还原-化合法在液态下制备粉末的方法从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法从辅助金属浴中析出制金属

3、化合物粉末的金属浴法从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法在气态下制备粉末的方法从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的羰基物热离解法从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积法 从过程的实质来看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。 机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化； 物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。 粉末的生产

4、方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。(2)粉末成形成形前要进行物料准备。物料准备包括粉末的预处理(如粉末加工、粉末退火、粉末的分级、粉末的混合和粉末的干燥等。成形的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成形方法基本上分加压成形和无压成形两类;加压成形中用得最普遍的是模压成形，简称压制。其他加压成形方法有等静压成形、粉末轧制、粉末挤压等。粉浆浇注是一种无压成形技术。(3)烧结技术烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块通过烧结可得到所要求的物理机械性能。烧结分单元系烧结和多元系烧结。不论单元系或多

5、元系的固相烧结，其烧结温度都比所含金属与合金的熔点低；而多元系的液相烧结，其烧结温度比其中难熔成分的熔点低，但高于易熔成分的熔点。一般来说，烧结是在保护气氛下进行的。除了普通烧结方法外，还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。2.粉末冶金技术的特点 粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等;能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等

6、;能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越:高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善;生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例如，钨、铝等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高生产率总之，粉末冶金法既是一种能生产具有

7、特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如，粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等等。但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。 粉末冶金由于其技术上和经济上的巨大优越性，在国民经济和国防建设中起着非常重要的作用。美国国家科学基金委员会在向美国总统和国会提交的“科学展望”中对粉末冶金和快速凝固技术曾作过如下论述：“这些技术的出现和发展，将对运输、空间、能源系统提供大量的经济利益，并且将加强美国的工业基

8、础，有可能对美国工业生产局面产生相当大的冲击”。世界上许多发达国家把粉末冶金的发展放在重要地位，将现代粉末冶金称作为“Advanced Metallurgy”(现代冶金学)。三、粉末冶金技术的发展现状与趋势 (一)制备技术的发展概况二十世纪下半叶以来，粉末冶金有了突破性进展，一系列新技术、新工艺大量涌现，例如；超微粉或纳米粉制备技术，快速冷凝技术，溶胶-凝胶技术，机械合金化，粉末热等静压，热结/热等静压，粉末热锻、粉末挤压，粉末轧制，超塑性等温锻造，粉末喷射成形，自蔓延高温合成技术，粉末注射成形，流涎成形，爆炸成形，梯度材料复合技术，CVD，PVD和PCVD技术，电火花烧结，反应烧结，超固相线

9、烧结，瞬时液相烧结，微波烧结等。 1.粉末制造技术的发展近几十年来，粉末制造技术得到迅速发展，特别是快速冷凝雾化技术、机械合金化技术、超微粉末制造技术的产生和发展使粉末制造朝着超微、超细、速凝、高纯、均质、成分可控、大规模、多品种的方向发展。 1)快速冷凝雾化制粉技术。作为粉末冶金新技术，第一个引入注目的技术就是快速凝固制粉技术，快速冷凝制取金属粉末是指金属或合金的熔滴通过急剧冷却，形成非晶、准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动了粉末冶金的发展。快速凝固技术的产生

10、及发展 (一)快速凝固的内涵 常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷，主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，而这又是由于它们凝固时的冷速很小引起的。因此，要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高了合金的凝固速度。 实现快速凝固效果的两类方法 ：动力学方法设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在乎衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度下凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度。 具体措施：急冷凝固技术(Rapidly Quenching Technology或RQT

11、)熔体淬火技术(Melt Quenching Technology或MQT)。 静力学方法 针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因而针对合金凝固过冷度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件。在这种条件下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术(Large Undercooling Technology)。 快速凝固技术急冷凝固大过冷雾化技术 技术特点: 使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。 (1)双流雾化法(Twin Fluid At

12、omization) 这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴，并通过对流的方式散热而迅速冷凝。熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔滴的直径又受熔体过热温度、熔体流直径、雾化压力和喷嘴设计等雾化参数控制。 A. 水雾化法与气体雾化法 根据雾化介质(气流、水流)对金属液流作用的方式不同，雾化具有多种形式：平行喷射(气流与金属液流平行)垂直喷射(气流或水流与金属液流互成垂直方向) 水雾化时，控制好以下条件可以得细粉末：水的压力高，水的流速、流量大，金属液流直径小，过热温度高，金属的表面张力和粘度小，金属液流长度

13、短，喷射长度短，喷射顶角适当等。 控制好以下条件可以得球形粉末：金属表面张力要大，过热温度高，水的流速低，喷射顶角大，液流飞行路程长等。 水雾化时，金属液过热温度低水压高，水的流速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且具有致密颗粒结构的粉末。 气体雾化所得的粉末多为表面光滑的球形，而水雾化法制得的粉末形状不规则。但水雾化工艺由于采用了密度较高的水做雾化工作介质，所以达到的凝固冷速要比一般气体雾化法高一个数量级。B. 超声气体雾化法(USGA) 利用速度高达2.5马赫的高速高频(80100kHz)脉冲气流代替了水流。这种超声气体由一系列Hartman冲击波管产生，气体多用氩气等惰性气体以便防

14、止粉末氧化污染。 高速高频脉动气流可以把熔体流分离成更细，更均匀的熔滴，并且熔体也不是象水雾化方法中经过三个阶段，而是直接分离成细小熔滴冷凝成粉末。 C. 高速旋转筒雾化法(RSC) 经感应加热熔化后的熔体流从石英管中喷射到旋转筒内层的冷却液即淬火液中，冷却液可以选用水、碳氢化合物或低温流体。熔体流在旋转的冷却液冲击下雾化分离成熔摘并冷凝成纤维或粉末，然后在离心力作用下飞出。 由于圆筒旋转的速度高达800016000rmin，因此随筒旋转的冷却液可将熔体分离成较小的熔滴，井消除熔滴外围可能影响传热的气体层，所以采用这种方法可以获得较高的冷速。(2) 离心雾化法(Centrifugal Atom

15、ization) 利用机械旋转造成的离心力将金属液流破碎成微细的液滴，然后冷却凝结成粉末。最早的是旋转圆盘雾化，后来有旋转水流雾化，旋转电极雾化，旋转坩埚雾化等。A . 旋转回盘雾化 从漏嘴(直径68mm)流出的金属液流被具有一定压力(48公斤/厘米2)的引到转动的圆盘上，被圆盘上特殊的叶片所击碎，并迅速冷却成粉末收集起来。通过改变圆盘的转数(15002500rpm)、叶片的形状和数目可以调节粉末的粒度。B. 快速凝固雾化法(RSR) 这种方法是出以生产快速凝固合金著名的美国PrattWhitney公司研究、开发的工艺，也称为离心雾化法(CAF)。熔化的合金熔体从石英坩埚中喷射到一个表面刻有沟

16、槽的圆盘形雾化器上，圆盘以高达3500r/min的速度旋转，使喷到盘上的熔体雾化成细小的熔滴并在离心力作用下向外喷出，同时惰性气流沿与熔滴运动几乎垂直的方向高速流动，使浸没在其中的熔滴迅速凝固成粉末。(3) 机械雾化和其它雾化法 这类雾化方法是通过机械力的作用或者电场力等其它作用分离和雾化熔体然后冷凝成粉末。A.双辊雾化法(Twin Roll Atomization) 熔体流在喷入高速相对旋转的辊轮间隙时形成空穴并被分离成直径小至30m的熔滴，雾化的熔滴可经气流、水流或固定于两辊间隙下方的第三个辊轮冷却凝固成不规则的粉末或薄片。 普通气体雾化通过高速摄影装置观察到如下阶段： 熔融金属液流破碎成

17、液粒熔融液粒急冷成固体颗粒美国学者J.Tallmadgee提出，在普通气体雾化下部喷射区内，金属液粒的速度u(ms)为距离顶角高度z的函数在距离顶角0.10.4m内，金属液粒速度的衰减可用u=Ae-BZ(A=18.5，Z=0.8)来描述根据这个公式，假设气体雾化粗颗粒的冷凝速度为102103K/s，则在0.10.4m区域内，金属液粒速度下降至1718m/s，跨越该区蜮的时间为0.0060.03s，金属液体的温度降低得比较少，因此只要把熔体稍微过热或熔体具有一定过冷度，则大多数粗颗粒在此区域呈现熔融液粒状态对于旋转盘雾化、超声雾化、双辊雾化等诸多的快速凝固制粉装置来说，仍然不能通过破碎成液粒的瞬

18、间将熔体直接冷至固态在旋转盘雾化法中被高速旋转盘离心雾化的颗粒并未速凝，而主要靠高速喷入的氦气快速冷凝而在双辊雾化法中，被双辊雾化的液粒则是靠淬冷池或第三辊冷凝(又称三辊雾化法)，即使在超声雾化中，离喷嘴1m左右区域仍有颗粒尚未凝固，若在其间设置隔板仍有碎化颗粒效果特别是粉末制备量较大时，绝大多数快冷制粉装置均不能在雾化成液粒的瞬间速凝根据以上分析得知，在熔融金属液流雾化成液粒到急冷成固体颗粒前均存在一个熔融金属过冷区域另外，熔体的冷凝效果不仅取决于熔体接触的热沉的导热速率、熔体散热面积，而且取决于熔体和热沉接触时间(即熔体和热沉的接触方式)因此，往往可借助于提高金属熔液的加热温度，缩短和热沉

19、接触时间，人为地制造一个“中间待凝区域”问题的关键是熔融金属过冷区域和中间待凝区域在制备快速凝固粉末中有何作用，是否能在这个区域进一步雾化粉碎，然后急冷凝固，即把一个单纯的快冷过程变成一个雾化+粉碎+急冷的多级过程 2)机械合金化(MA)技术机械合金化制粉工艺是北美国际镍公司Benjamin等人于1970年开发成功的一种新型制粉工艺。机械合金化是通过各合金纪元的粉末在高能球磨机中，粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金化，其过程反复进行，最终达到机械合金化的目的。（1）机械合金化的特点机械合金化的特点是它所制备的复合粉末其

20、成分可以任意选择和调节。它是一种制造弥散强化复合合金的理想技术，可使得弥散相达到最佳分散度和粒度。目前MA技术主要为制造高性能复合材料、弥散强化高温台金提供优质原料。特别是近年来，采用MA技术制造加非晶、准晶和微晶粉末、金属间化台物和纳米粉末引起了材料科学界的极大重视。（2）机械合金化技术的发展概况 机械合金化(Mechanical Alloying，简称MA)是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与球之间长时间发生激烈地冲击碰撞，粉末颗粒反复产生冷焊、断裂。形成机械合金化粉末的一种制备特殊粉末的工艺。 机械合金化粉末并不像金属熔铸后形成合金材料那样，后者各组元之间充分达到原子间结合，形

21、成均匀的固溶体和化合物，而前者在大多数情况下，在有限的球磨时间内仅仅是各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物和复合物。球磨时间非常长时，在某些体系中也可能通过固态扩散，各组元达到原子间结合而形成合金。 采用快速凝固技术可以大幅度提高合金的固溶体极限，机械合金化技术也是如此。 1985年Schwarz等人发现在经过机械合金化的钛和镍粉末中，Ti在面心立方Ni中固溶度高达28wt%，而平衡相图预测的Ti在Ni中的固溶度为百分之几。 1990年Polkin等人系统报道了由机械合金化所引起的固溶度增大现象，他们所研究的合金系包括Al-Fe、N

22、i-Al、Ni-W、Ni-Cr等，发现了大的固溶度扩展现象。固溶度增大现象 机械合金化是少数几种能将两种或多种非互溶相均匀混合的方法之一。实际上弥散强化合金就是如此，Benjamin介绍了有限互溶wt%Cu均匀混合物和在液态存在非互溶间隙的Cu-Pb合金机械合金化过程。Schlump等人发现在Fe-W,Cu-Ta等非互溶合金系中，用机械研磨方法可以生成纳米晶尺寸的弥散相。不互溶合金系问题 进入90年代，许多科学工作者又采用机械合金化技术制备纳米晶材，金属间化合物，功能材料等，使机械合金技术的研究又掀起一个新的高潮。 1988年日本京都大学新宫教授等人首先报导了高能球磨法制备Al-Fe纳米晶材料

23、，为纳米晶材料的制备和应用找出一条实用化的途径。研究表明，纳米晶材料可通过元素粉末，金属间化合物粉末、非互溶合金系粉末的球磨来合成。目前已在Fe、Cr、Nb、W、Zr、Hf、Ru等纯金属粉末中得到纳米晶。在Ag-Cu、Al-Fe、Fe-Cu系中得到纳米结构的固溶体，在Cu-Ta、Cu-W系中得到纳米结构的亚稳相；在Fe-B、Ti-S、Ti-B、Ni-Si、V-C、W-C、Si-C、Pd-Si、Ni-Mo、Nn-Al和Ni-Zr等合金体系中得到纳米金属间化合物。MA制备纳米材料 1989年Schaffer等人发现通过机械合金化自蔓燃反应可以将某些金属从它的氧化物中还原出来；1990年Atzmon

24、等人发现Ni-Al球磨有自蔓燃高温合成现象后，自蔓燃高温合成反应机械合金化成为研究热点，利用自蔓燃反应，缩短了球磨时间，能制备多种金属间化合物。MA诱发SHS反应 近年来，采用机械合金化制备磁性材料、超导材料、储氢材料、热电材料及功能梯度材料等方面的研究取得了突出进展。如，采用MA制备的Sm2Fe17Nx永磁材料，采用MA制备的含Ag添加剂的YBa2Cu3Oy超导材料，采用MA制备的Mg2Ni、LaNi5储氢材料，采用MA制备的-Fe2Si热电材料都是一些极其重要的研究成果。 3)超微粉末制备技术。超微粉末通常是指粒径为10100纳米，有时亦把粒径100nm的微细粒子称为纳米微粉。纳米微粉具有

25、明显的体积和表面效应，因此，它较通常细粉有显著不同的物理、化学和力学特性，作为潜在的功能材料和结构材料，超微粉末的研制已受到了世界各工业国家的重视。纳米微粉的制造方法有：溶胶-凝胶法、沉淀法、电解法、羰基法、冷冻干燥法、超声粉碎法、蒸发-凝聚法、爆炸法、等离子法等。 制备超微粉末遇到最大困难是粉末的收集和存放。另外，湿法制取的超微粉末都需要热处理，因此可能使颗粒比表面积下降，活性降低，失去超微粉的特性，并且很难避免和表面上的碳基结合，所以现在一般都倾向于采用干法制粉。纳米微粉是一种新型的粉末冶金材料和原材料，其主要应用于高密度磁记录材料、薄膜集成电路的导电材料、微孔过滤器、化学催化剂、汽车用的

26、还原触媒、超微粒子膜传感器、碳纤维的气相成核材料等。纳米微粉活性大，易于凝聚，吸湿氧化，成形性差，因此作为粉末冶金原料还有一些技术上的问题有待解决。另外，纳米微粉作为粉末制品原料必须具有经济的制造方法和稳定化的质量。一旦能实现利用纳米微粉工业性生产粉末冶金制品，将对粉末冶金技术带来突破性的变革。气相法制备技术蒸发凝聚法低压惰性气体中蒸发凝聚法 等离子体蒸发法阴极溅射法流动油面上真空蒸发法通电加热法气相化学反应法制备技术超微粉末在使用过程中必须具有以下特点：粉末颗粒表面洁净；粉末的粒径和粒径分布可以控制；粉末的稳定性好，易于储存；粉末的产率、产量高等。气相法是制备超微粉末的有效方法，主要特点是：

27、粉末的生成(反应)条件易于调节，可以控制超微粉末的粒度，粉末的纯度高。气相法制备超微粉末技术分为两大类，一类是蒸发凝聚法，一类是气相化学反应法。 采用气相法制备超微粒子时，无论采用哪种具体工艺，都会涉及气相中粒子形核、晶核长大、凝聚等一系列粒子生长基本过程。 一、蒸发凝聚法 基本概念： 蒸发凝聚法是将金属、合金、金属化合物、陶瓷等材料加热，产生蒸气，并将蒸气冷却凝聚，发生形核、长大，生成超微粉末的技术。1. 低压惰性气体中蒸发凝聚法 在1100Torr的低压高纯惰性气体(Ar气或He气等)中加热蒸发金属或合金原料，产生金属蒸气，蒸发原子在与惰性气体分子碰撞过程中失去动能，发生形核、长大而生成超

28、微粉末。加热源：电阻加热、感应电流加热、电子束加热、 激光束加热、电弧加热以及等离子火焰等。 技术优点：粉末的纯度极高；粉末颗粒是在准热平衡状态下生成的，颗粒的结晶性好；粉末的粒度可以通过调整蒸发温度和惰性气体的压力来控制，可以得到粒度分分布范围很窄的超微粉末；适合于制备一切能够进行蒸发的材料的超微粉末。 (1)电阻加热蒸发法 优点：缺点：电阻材料的损耗大，易在超微粉末中带入杂质，每次投料量很少。(2)电弧放电加热蒸发法在水冷铜坩锅和高融点金属电极之间放电，产生数万伏的脉冲电压，使放置在水冷铜坩锅的中的金属试料表面产生极高温度，进行蒸发冷凝，就可以得到超微粉末。放电电压随稀薄气体的种类、电极的

29、形状和放置位置不同而不同，为了形成稳定的放电电压上述条件应该稳定不变。 采用这种方法能够制备高熔点金属的超微粉末，但不足之处是粉末粒度分布宽，粒度尺寸难地控制。 (3)感应电流加热蒸发法 原理：以中、高频感应电流加热坩埚内的金属原料，在低压(110KPa)的He、Ar等惰性气体中进行蒸发，金属蒸气原子在与惰性气体原子发生碰撞的过程中冷却，凝聚而形成超微粒子。蒸发金属用的坩埚一般选用刚玉(Al2O3)、ZrO2、BN等陶瓷。 关键技术问题：蒸发源、粉末收集 超微粉末的收集采用流动的惰性气体进行动态沉积进行捕收，这种捕收方式不仅可以降低装置内的温度，促进金属的蒸发及金属蒸气形核，开可以驱使初生的超

30、微粒子迅速离开蒸发源，得到抑制粉末粒度的效果。水平：感应电流加热蒸发法制备超微粉末的装置规格已经达到520m，超微粉末的月产量已经达到吨级。 (4)电子束加热蒸发法电子束加热方法在金属焊接和蒸发镀膜等微细加工中有着重要的应用，操作一般是在高真空中进行的。若装置内残余气体分子数量过多，则电子就会与气体分子发生碰撞，产生散射作用，降低电子束的加热效果。要采用电子束加热蒸发法制备超微粉末，必须克服这一矛盾。 工艺特点：能量密度高，加热速度快，加热温度高，不仅可以蒸发常规金属，尤其适合于蒸发高熔点金属如W、Mo、Ta、Ti、Pt及化合物超微粉末。对于在高温下容易与坩埚起反应的材料更有效。采用电子束加热

31、蒸发法制备的超微粉末粒度分布非常窄，可以获得粒径在几个nm的粉末，且粉末的纯度高。 不足之处：粉末的产量不高。现在已经开发出了功率达100KV的电子枪，电子束流强度为50mA，粉末的产率可以达到数g/h。(5)激光加热蒸发法 激光加热蒸发法是一种将连续且高能量密度的辐射光源(CO2激光、YAG激光)透过激光器窗口聚集在固体表面上，使其蒸发的物理方法。由于激光束的功率密度可以达到104W/cm2以上，激光照射在物体表面时，可以将物料迅速融化，乃至气化。作为窗口的材料一般选用Ge或Nacl单晶板。 采用O2、N2或含碳性气体作为蒸发气氛，可以制备出氧化物、氮化物或炭化物超微粉末。 工艺优点：容易制

32、备粒度很细的超微粉末；粉末的纯度很高，颗粒表面洁净；蒸发源的能量密度比电弧加热法要高一个数量级，材料在极短时间内可以达到蒸发温度，而且蒸发位置和蒸发源的能量密度可以通过调整聚光系统来控制；制备出来颗粒粒径极细，且分布范围较窄，借助于改变气氛压力可以自由控制粒径。 激光加热蒸发法主要缺点：能源转换效率较低，一般不超过20%；不适于制备很多表面反射性强，吸热效率低的金属超微粉末。 由于激光输出功率的限制，这种方法最初只能用于研究室规模的实验，最近陆续出现了一些KW级输出功率的激光装置，为工业规模生产创造了条件。 2. 等离子体蒸发法 等离子体是一种高能离子束，由中性粒子、离子、电子等组成，温度高达

33、10000K以上，如将等离子体照射在物料上，或将颗粒状物料注入到等离子体内，物料就会迅速气化成蒸气，在等离子体边缘，蒸气迅速冷却时，达到过饱和状态，发生凝聚形核，就可以形成超微粉末。根据这一思想，可以将等离子体作为一种流动的反应器，用于制备超微粉末。 (1)产生等离子体的方法利用电极间的放电电弧产生等离子体 将电流电压加在阴极和阳极组成的电弧等离子体发生器上，当气体(Ar、N2、O2和H2等)通过阴极和阴极间隙时，部分气体电离而形成的等离子体。 利用高频磁场感应加热气体 以将频率为几兆赫以上的高频交变电流通到套在石英管外的螺缍管圈上，使石英管内流过的气体感应加热，部分电离形成等离子体。 混合等

34、离子体法 将上述两者结合在一起，既具有直流电弧等离子体稳定性的优点，又具有高频感应等离子体体积大的优点，把反应物和Ar气送至超高温(10000左右)的混合等离流中，使原料粉末熔化、蒸发、然后快速冷凝，形成超微粉末。 (2)等离子体加热蒸发法基本原理 及工艺原理：向惰性气体如氢、氦、氮放电产生的等离子体中输入固体粉末粒子，并便获得的超高温蒸气通过急冷装置在非平衡过程中凝聚，如把几种不同的固体粒子同时注人，则可制得合金或化合物超微粒子。 原料在等离子体中加入位置示意图 基本工艺：等离子体火焰加热蒸发法：原理与激光加热法的类似。等离子体火焰以45度角倾斜照射在固体金属表面上，使其受热蒸发，产生蒸气。

35、金属蒸气和高温等离子流混合在一起形成火焰尾，反射到粉末收集器内。在冷却过程中，金属蒸气凝结成超微粉末，并沉积在水冷收集器上。问题：采用等离子体火焰直接加热金属块进行蒸发时，高温等离子体火焰容易将熔体吹飞，不利于控制粉末的粒度。 解决办法：将待蒸发原料以粉末颗粒的形式加入到高温等离子体中，使之完全蒸发形成高温蒸气。关键问题：被注入到等离子体火焰中的颗粒状原料必须能完全被蒸发掉。金属颗粒的蒸发效率取决于其粒径大小和被注入时的初始速度、等离子体流动速度和热传导系数等。因此，为了提高等离子体的热传导系数，可以采用在等离子体中导入H2的方法，而且H2的加入还具有还原效果，有利于制备高纯的金属超微粉末。

36、反应等离子体蒸发法采用含C、N、O等的气体做反应剂进行蒸发实验，可以制备出化合物超微粉末。等离子体化学气相沉积法利用高温等离子体将反应剂气化，并发生化学反应，生成超微粉末。3. 阴极溅射法 原理：将两块板状金属平行放置在Ar(40250Pa)中，在两块金属板上加上几百伏的直流电压，使金属板间产生辉光放电。放电产生的离子撞击在阴极待蒸发靶材上(待蒸发材料为阴极，Al板为阳极)，将靶材上的金属原子激发出来，形成金属蒸气，凝聚后形成超微粉末。 特点：靶材表面不会融化；高融点金属也能蒸发；若将蒸发靶材做成几种元素的混合物，还可以制备出复合超微粉末，且粉末的成分与靶材的一致。 4. 流动油面上真空蒸发法

37、金属在高真空环境中蒸发时，金属原子连续不断地在固体衬底上冷凝，形核，生长，最终形成金属薄膜。在蒸发的初期阶段，在衬底上形成的薄膜是不连续的，它是由粒度分布很窄的超微粒子组成的“岛状”结构。利用这一现象，将固体衬底改为流动的低蒸气压液体，当金属原子到达流动的液体表面上发生冷凝时，就可以形成超微粉末。这种在真空环境中采用蒸发冷凝的方法制备超微粉末的方法被称之为流动油面上真空蒸发法(Vacum Evaporation on Running oil Suhstracte)，简称VEROS法。 VROS法制备超微粉末的特点：粉末的平均粒径很小，可以达到3nm，比其它方法制得的粉末细得多；粉末的粒度分布范

38、围很窄；蒸发速度比低压惰性气体加热蒸发法的大得多；超微粒子在油中的分散性好。不足之处：从液体中分离粉末的手续麻烦；粉末粒度太细，容易氧化。 5. 通电加热法 通电加热法最初是为了制备SiC超微粉末而开发出来的，装置原理如图所示：在数Torr数十Torr的惰性气体中，将作为电极的炭捧和放在铜板电极上的固态Si接触，在将固态Si加热的同时，在炭捧与铜板之间外加交流电压，由于Si具有负的电阻温度系数，随着温度上升，Si的电阻减少，所以两极之间电流增加炭捧变赤热状态，硅熔化后附着在炭捧表面，发生反应，生成SiC，并进一步蒸发、冷凝，形成SiC超微粉末。 二、气相化学反应法制备技术 气相反应法是指金属蒸气或者气态化合物通过化学反应生成超微粉末的方法。化学气相反应大多采用高挥发性金属卤化物、碳基化合物、烃化物、有机金属化合物和氧氯化合物、金属醇盐作为原料，有时还涉及使用氧、氢、氨、氮、甲烷等一系列进行氧化还原反应的反应性气体，因此化学气相反应合成常被用来制备包括金属在内的各种超微粉体。该法所用设备简单，反应条件容易控制，产物纯度高且粒径分布窄，尤其适于规模生产。 1.