[发明专利]碳包覆金属微粉的激光处理方法

说明书

技术领域

本发明是关于金属粉进行表面处理方法的，特别涉及一种采用简便的绿色激光处理工艺制得碳包覆金属微粉的方法。

背景技术

对于纯的金属粉末来说，他们的应用领域甚广，比如镍微粉在航空航天、原子能工业、电子、能源、特种材料、发酵及医疗等行业具有很广泛的应用，可做导胶、超大容量的电容器、磁性材料、燃料电池、金属及玻璃陶瓷等的焊接材料、特种防寒纤维、阴极射线管气剂、颜料和涂层材料、金刚石切割工具原料等等。微米级铜粉具有许多优良的物理特性与催化活性，被广泛用于导电涂料、电极材料、催化剂等领域。但是当金属微粉微细化或者使用温度较高时，由于粒子的比表面很大，其化学活性很高，在空气中极易被氧化，失去原有的物理化学特性。对金属粉表面处理和保护的工作则由此而具有重大的意义。一般对于金属颗粒表面的保护常采用对其表面进行包覆的方法，以增加其稳定性。而碳层由于其特有的一些性能，已成为最常用的对金属颗粒进行表面修饰的包覆层。

碳包覆金属颗粒是一种具有核-壳结构的新型功能复合材料，碳层主要具有以下功能和优势：

●一方面外壳能改善内核粒子的表面电性和表面活性，从而防止金属纳米颗长大和团聚；

●另一方面保护金属颗粒免受外部环境的影响，从而能防止被包裹的活性金属粒子的氧化和水解反应，解决了金属粒子在空气中不能稳定存在的问题。

●另外通过表面包覆可以将外壳粒子特有的性能赋予内核粒子。有望提高某金属与生物体之间的相容性，展现极其诱人的商业开发和应用潜力。

当前制备碳包覆金属粒子的方法主要有以下几种：

I、电弧放电法(Arc discharge method)

电弧法是碳包覆金属纳米材料制备方法中，研究最早、也是最常用的方法之一。该方法是在惰性气氛下，用直流电弧放电蒸发石墨电极便可在沉积于阴极或反应室壁上的产物中获得碳包覆纳米金属晶。

采用电弧法制备的碳包覆金属纳米颗粒的粒径较小且分布均一，壳层碳的晶化程度较高；但由于反应的复杂性，产物中除碳包覆金属纳米颗粒外，不可避免地伴有副产物(如碳纳米管、富勒烯及碳黑等)，致使碳包覆金属纳米颗粒的纯度低、使用的设备也比较复杂、工艺参数不易控制、耗能大、成本高，因而难以实现大规模合成。

II、化学气相沉积法(Chemical vapor deposition，CVD)

化学气相沉积法在碳纳米管的定向制备和大量合成方面获得了巨大成功，同样由CVD通过控制工艺参数也可以制备CEMNP，使用的原料碳源与制备碳纳米管一样，催化剂为拟包覆的金属或金属化合物颗粒。该法是在反应室中，把要包覆的金属或其化合物颗粒均匀分散于基板上，在一定的温度下通入碳源气体，后者在金属颗粒的催化作用下发生热解反应并于基板上沉积成碳。

化学气相沉积法的特点：(1)所得碳包覆金属纳米颗粒的粒径及分布受制于反应前铺撒在基板上的纳米金属催化剂的颗粒大小及其分布，一般比较小(20-80μm)，因此它在合成碳包覆金属纳米颗粒时，前期纳米催化剂的制备及其在基板上的均匀分散比较复杂，后期产物与基板和催化剂载体的分离比较困难；(2)产物收率较电弧法高；(3)反应产物中除碳包覆金属纳米颗粒外，还同时会生成碳纳米管和无定形的碳颗粒，纯度仍较低。

III、热解法

将在空气中稳定存在且具有可溶性的有机金属化合物、有机金属聚合物或高分子络合物等作为金属源与合适的碳源在惰性气氛中进行热解，可以获得纳米金属均匀分散于碳基体的复合材料。

研究表明，采用热解法制备理想的碳包覆纳米金属颗粒，除了合适的工艺条件外，对于前驱体的要求是：(1)金属源与碳源能够相互溶解，成为均一的分子级分散体系；(2)两者的热分解温度应该比较接近。该方法具有工艺简单、制备成本低、金属含量可控、炭化收率高、易于大规模制备等优点。

IV、激光法