Медный нанопорошок: характеристики, получение и области применения

Медный нанопорошок представляет собой высокодисперсный материал из наночастиц меди размером от 50 до 100 нм. Благодаря развитой удельной поверхности и высокой реакционной способности этот материал востребован в катализе, электронике, порошковой металлургии и других отраслях промышленности.

Принципиальное отличие нанопорошка от порошковой меди микронного класса (ПМС по ГОСТ 4960-2017) заключается в размере и форме частиц. Электролитический порошок ПМС имеет дендритную структуру с размером частиц 45–450 мкм, тогда как наночастицы меди обладают сферической формой и размером менее 100 нм. Это различие определяет разные свойства и области применения данных материалов.

Физико-химические характеристики нанопорошка меди

Нанопорошок меди выпускается в двух модификациях: Cu(50) с размером частиц 50–70 нм и Cu(100) с размером 80–100 нм. Частицы имеют сферическую форму, что обеспечивает высокую текучесть материала.

Типичный химический состав

Свежеполученный порошок в инертной атмосфере содержит около 90% металлической меди. Оксид меди составляет порядка 9%, адсорбированные газы (аргон, воздух, оксид углерода) — около 1%. При контакте с воздухом содержание активного металла снижается до 85–90% за счёт поверхностного окисления.

Физические свойства

Насыпная плотность нанопорошка меди находится в диапазоне 4–6 г/см³. Теплопроводность частиц соответствует значениям для компактной меди — около 390 Вт/(м·К). Удельная поверхность, измеренная методом БЭТ, зависит от среднего размера частиц и составляет 10–20 м²/г. Порошки легко образуют агломераты вследствие высокой поверхностной энергии наночастиц.

Метод получения наночастиц меди электровзрывом

Основным промышленным методом производства нанопорошков меди является электрический взрыв проводников (ЭВП). Технология основана на пропускании мощного импульса электрического тока через тонкую медную проволоку, что приводит к её мгновенному испарению и конденсации паров в виде наночастиц.

Процесс проводится в атмосфере инертного газа (аргон) для предотвращения окисления материала. Варьирование параметров взрыва позволяет управлять размером получаемых частиц. Метод ЭВП обеспечивает производительность до 300 г/час порошка на одной установке при размере частиц от 30 до 200 нм.

К достоинствам метода относятся: возможность получения частиц практически идеальной сферической формы, высокая химическая чистота продукта, возможность синтеза порошков сплавов и композиционных материалов. При электровзрыве в кислородсодержащей атмосфере получают нанопорошки оксидов меди.

Пирофорность и требования к хранению

Критически важной особенностью нанопорошка меди является его пирофорность. При контакте с воздухом свежеполученный порошок воспламеняется от низкокалорийного источника тепла в течение 0,5 секунды. Это обусловлено высокой удельной поверхностью и реакционной способностью наночастиц.

Для безопасного хранения и транспортировки нанопорошок меди упаковывают в стеклянные ампулы или банки в атмосфере инертного газа (аргон). Иногда проводят пассивацию поверхности частиц или применяют флегматизаторы (например, гексан) для снижения пирофорности.

При работе с нанопорошками меди необходимо соблюдать требования пожарной безопасности: использовать инертную атмосферу, исключить источники воспламенения, применять средства индивидуальной защиты органов дыхания.

Области применения нанопорошка меди

Развитая поверхность и высокая реакционная способность наночастиц меди определяют широкий спектр применений материала в промышленности.

Катализ

Нанопорошок меди применяется как катализатор в процессах органического синтеза, в том числе для получения метанола из синтез-газа. Высокая удельная поверхность обеспечивает увеличенную каталитическую активность по сравнению с порошками микронного размера. Медные наночастицы используются также в катализаторах окисления монооксида углерода в составе систем CuO-CeO₂.

Электропроводящие материалы

Нанопорошок меди служит функциональным наполнителем токопроводящих паст для микроэлектроники. Применение наночастиц позволяет снизить температуру спекания электропроводящих покрытий ниже точки плавления компактного металла. Это даёт возможность формировать медные проводники на термочувствительных подложках, включая полимерные материалы.

Перспективным направлением является замена серебра и золота в электропроводящих пастах на медные наночастицы, что существенно снижает стоимость изделий микроэлектроники.

Антифрикционные добавки

Нанопорошки меди используются как добавки к смазочным материалам для снижения трения и износа. Наночастицы меди встраиваются в поверхностный слой трущихся деталей, обеспечивая эффект безызносного трения. Медные пасты и смазки применяются для защиты резьбовых соединений, работающих при высоких температурах, от заедания и коррозии.

Порошковая металлургия и аддитивные технологии

Нанопорошки меди применяются для создания композиционных материалов с улучшенными механическими и теплофизическими свойствами. Добавление наночастиц в металлическую матрицу повышает прочность и износостойкость изделий. В аддитивных технологиях медные нанопорошки используются для 3D-печати электропроводящих элементов.

Другие области применения

Наночастицы меди находят применение в медицине благодаря антибактериальным свойствам. Они используются в составе антимикробных покрытий и препаратов для наружного применения. В химической промышленности нанопорошок меди применяется как восстановитель в различных процессах.

Отличие нанопорошка от медного порошка ПМС

Нанопорошок меди принципиально отличается от электролитического порошка марок ПМС по ГОСТ 4960-2017. Основные различия представлены в таблице:

Выбор между нанопорошком и микронным порошком определяется требованиями конкретного технологического процесса. Нанопорошки применяются там, где необходима высокая реакционная способность, низкая температура спекания или специфические наноразмерные эффекты. Для порошковой металлургии традиционных изделий, как правило, используются порошки марок ПМС.

Формы поставки

Нанопорошок меди поставляется в стеклянных ампулах или банках с герметичной металлической крышкой. Материал находится в атмосфере инертного газа (аргон) для предотвращения окисления и возгорания. Типичная фасовка — от 10 г до нескольких килограммов в зависимости от требований заказчика.

К каждой партии прилагается паспорт качества с указанием среднеарифметического размера частиц, химического состава, насыпной плотности и удельной поверхности.

Компания RusskijMetall.ru осуществляет поставки нанопорошка меди и других металлических порошков различных фракций. Условия поставки и технические консультации — по запросу.