專利名稱：金屬顆粒及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于粉末冶金材料、電接觸點(diǎn)、電磁干擾屏蔽材料、導(dǎo)電材料、電池、摩擦膜的接觸點(diǎn)、滑動(dòng)膜等的金屬顆粒及其制造方法。
背景技術(shù)：
在其中分散有碳納米管、碳納米纖維之類細(xì)碳纖維的復(fù)合材料已為人們所知。
日本專利公開號(hào)2000-223004中公開的塊狀復(fù)合材料是通過將細(xì)碳纖維與金屬粉末混合并燒結(jié)該混合物形成的。
細(xì)碳纖維的直徑非常小或?yàn)?-300納米。另一方面，普通金屬顆粒的直徑為一百到幾百微米。也就是說，金屬顆粒的直徑比細(xì)碳纖維大10倍或更多倍。無法僅僅通過混合將它們均勻混合。
因此，傳統(tǒng)的復(fù)合材料通過以下步驟制造在鹽酸、硫酸、硝酸之類的酸溶液中熔化銅粉之類的金屬粉末；將細(xì)碳纖維分散于該溶液當(dāng)中；干燥此混合物；將干燥后的混合物燒結(jié)。
上述傳統(tǒng)方法有以下缺點(diǎn)熔化金屬粉末、干燥混合物和燒結(jié)混合物的步驟十分麻煩；費(fèi)時(shí)；生產(chǎn)成本一定很高；很難將大量細(xì)碳纖維均勻混合來大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)合材料。
為解決這些缺點(diǎn)，本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)提交了一份專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)朖P2003-40308)，在此申請(qǐng)中通過電解分散有細(xì)碳纖維的電解溶液，使得包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒沉積在陰極上。
然而，在電解溶液中必須加入聚丙烯酸之類的有機(jī)化合物分散劑，因此在包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒中有可能結(jié)合微量的分散劑。
如果分散劑結(jié)合進(jìn)金屬顆粒中，上述金屬顆粒的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性將會(huì)降低。
另外，適合的分散劑取決于電解溶液和細(xì)碳纖維的種類，因此必須重復(fù)試驗(yàn)來為每種電解溶液找到合適的分散劑。也就是說，為每種電解溶液尋找合適的分散劑是令人麻煩的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)技術(shù)的問題。本發(fā)明的目的是為了提供一種能夠在不使用分散劑的電解溶液中分散細(xì)碳纖維制造金屬顆粒的方法，還提供使用所述方法制造的金屬顆粒。
為了達(dá)到此目標(biāo)，本發(fā)明有以下方法。
也就是說，制造金屬顆粒的方法包含以下步驟電解分散有細(xì)碳纖維的電解溶液，從而將包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒沉積在陰極上；將沉積金屬顆粒從陰極分離，并對(duì)電解溶液進(jìn)行振動(dòng)或震動(dòng)。
用這種方法，可以通過振動(dòng)或震動(dòng)將細(xì)碳纖維分散于電解溶液中，從而能夠在不使用分散劑的條件下制造包含細(xì)碳纖維的，高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性的金屬顆粒。
在此方法中，在上述電解步驟中振動(dòng)或震動(dòng)可始終進(jìn)行或暫時(shí)進(jìn)行。在此情況下，它們可以以特定的時(shí)間間隔進(jìn)行。
在此方法中，振動(dòng)和震動(dòng)能夠粉碎從陰極上脫離入電解溶液中的金屬顆粒。用此方法，即使曾沉積在陰極上的金屬顆粒從陰極上脫落到電解溶液中，脫落的金屬顆粒也被粉碎，從而阻止了金屬顆粒和細(xì)碳纖維聚集成團(tuán)。
在此方法中，可通過超聲波產(chǎn)生振動(dòng)或震動(dòng)。
在此方法中，可以攪拌電解溶液。用這種方法，電解溶液也可用傳統(tǒng)方法攪拌，可以通過使用振動(dòng)或震動(dòng)和攪拌使得電解溶液的濃度和溫度均衡。
本發(fā)明中的金屬顆粒以上述方法制得。
另外，可以通過將本發(fā)明金屬顆粒的聚集體熔化或燒結(jié)制造復(fù)合材料。這種復(fù)合材料例如是上述金屬顆粒的聚集體、上述金屬顆粒與聚合物或陶瓷等的混合物。上述聚合體或混合物包含通過熔化、燒結(jié)或加入金屬或聚合物粘合劑形成的復(fù)合體(complex)。
通過使用本發(fā)明的方法，可以在不使用分散劑的條件下將細(xì)碳纖維分散于電解溶液。因此，不會(huì)有分散劑結(jié)合到金屬顆粒中，從而能夠制得高性能的金屬顆粒。由于不使用分散劑，防止了分散劑分解產(chǎn)生的污染。另外，本發(fā)明金屬顆粒不含分散劑，從而使得金屬顆粒的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性得到了改善。


下面將參照附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，附圖中圖1為用本發(fā)明方法制造金屬顆粒的裝置示意圖；圖2為實(shí)施例1中沉積于陰極上的金屬顆粒的掃描電子顯微照片；圖3為實(shí)施例2中沉積于陰極上的金屬顆粒的掃描電子顯微照片；圖4為實(shí)施例3中沉積于陰極上的金屬顆粒的掃描電子顯微照片；圖5為圖4的放大照片；圖6為實(shí)施例4中沉積于陰極上的金屬顆粒的掃描電子顯微照片；圖7為圖6的放大照片。
具體實(shí)施例方式
下面將會(huì)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
在本發(fā)明的金屬顆粒制造方法中，對(duì)分散有碳納米管(CNTs)、碳納米纖維(CNFs)之類的細(xì)碳纖維的電解溶液進(jìn)行電解，使得包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒沉積在陰極上，并將沉積的金屬顆粒從陰極分離。特別地，在金屬顆粒沉積時(shí)對(duì)電解溶液進(jìn)行振動(dòng)或震動(dòng)，使得細(xì)碳纖維分散于電解溶液中。
如果已經(jīng)沉積在陰極上的金屬顆粒脫離陰極進(jìn)入電解溶液中，則上述用于分散細(xì)碳纖維的振動(dòng)或震動(dòng)會(huì)粉碎脫離的金屬顆粒，從而阻止電解溶液中金屬顆粒和細(xì)碳纖維聚集成團(tuán)。
能夠使用本發(fā)明方法制造上述金屬顆粒的裝置見圖1。
在圖1中，電解溶液X貯存于具有陽極21和陰極22的電解池20當(dāng)中。電極21和22與直流電源24連接，從而在電極21和22之間提供規(guī)定的直流電壓。
電解池20中裝有攪拌器26，用來攪拌電解溶液X。
電解池20上裝有用于調(diào)節(jié)電解溶液X溫度的裝置30。上述調(diào)節(jié)裝置30包含用作溫度傳感器的熱電偶31；用于對(duì)電解溶液X加熱和冷卻的裝置30；用于根據(jù)熱電偶31測(cè)量的電解溶液X溫度控制裝置30的溫度控制器。
在電解池20上裝有用于對(duì)電解池20中的電解溶液X進(jìn)行振動(dòng)的振動(dòng)發(fā)生器36。例如，振動(dòng)發(fā)生器是一臺(tái)超聲振動(dòng)發(fā)生器。上述超聲振動(dòng)發(fā)生器36包含超聲波發(fā)生裝置38和振動(dòng)器39。振動(dòng)器39被超聲波發(fā)生裝置38產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)，從而上述振動(dòng)器39對(duì)電解池20中的電解溶液X施加振動(dòng)。另外，超聲波粉碎了從陰極22上脫離下來進(jìn)入電解溶液X的金屬顆粒，使得電解溶液X中的金屬顆粒和細(xì)碳纖維不會(huì)聚集成團(tuán)。
通過調(diào)節(jié)該裝置中電流密度、電解時(shí)間之類的電解條件，可以沉積平均直徑為幾百納米到幾十微米的金屬顆粒。電流密度根據(jù)所需的顆粒直徑和生產(chǎn)效率確定。
例如，為了制備銅電解溶液，主要組分為硫酸銅和硫酸的電解溶液X貯存于電解池20當(dāng)中，然后向此銅電解溶液X中加入碳納米管或碳納米纖維。
陽極21由電解銅制成，用于向電解溶液X提供銅離子。注意陽極21可以用鉛之類的其他金屬制成，可以由外界提供銅離子。
在一些情況下，用攪拌器26攪拌電解溶液X，控制溶液X的濃度和組分的比例。
在電解步驟中振動(dòng)可始終進(jìn)行或暫時(shí)進(jìn)行。另外，可以以特定的時(shí)間間隔進(jìn)行振動(dòng)。
沉積的金屬顆粒可以用刀片等從陰極22上機(jī)械分離。
金屬顆粒的顆粒直徑和韌性(toughness)以及從陰極22上分離的容易程度，可以通過向電解溶液X中加入硫脲、明膠、鎢、氯化物之類的有機(jī)或無機(jī)化合物進(jìn)行調(diào)節(jié)。
陰極22優(yōu)選由鈦制成。這種陰極容易與沉積其上的金屬顆粒分離。另外，陰極22的表面要粗糙，使得沉積的金屬容易形成顆粒。例如，可在鈦陰極22的表面形成鈮、鉭或鉑的細(xì)小突出物。
包含碳納米管或碳納米纖維的金屬顆粒的直徑，由陰極22表面上細(xì)小突出物的尺寸和形狀、用于電解溶液X的電流密度和對(duì)陰極22進(jìn)行振動(dòng)或震動(dòng)的周期決定。
注意金屬顆粒的金屬組分不限于銅。
通過熔化上述金屬顆粒的聚集體可以制備各種復(fù)合材料。在此情況下，可以向金屬顆粒中加入各種添加劑。
例如，可以將包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒和不含細(xì)碳纖維的金屬顆粒以合適的比例混合，用以制造包含細(xì)碳纖維所需含量的復(fù)合材料。
另外，上述金屬顆?？梢耘c樹脂等混合。
可通過樹脂模塑、燒結(jié)、金屬注射成型等方法制造復(fù)合材料。
上述金屬顆粒的顆粒直徑為幾百納米到幾十微米，另外細(xì)碳纖維結(jié)合在金屬顆粒之間。因此，細(xì)碳纖維可以在通過熔化金屬顆粒聚集體制造的復(fù)合材料中均勻混合。
通過改變電解溶液X當(dāng)中分散的細(xì)碳纖維含量和電解條件，可以制得各種包括不同含量、不同顆粒直徑細(xì)碳纖維的金屬顆粒。因此，可任意控制通過熔化金屬顆粒聚集體制造的復(fù)合材料中細(xì)碳纖維的含量。
由于碳納米管和碳納米纖維具有高滑動(dòng)性、高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，上述復(fù)合材料可用作滑動(dòng)軸承、電極、電接觸點(diǎn)、散熱器等器件的材料。
下文將對(duì)實(shí)施例進(jìn)行解釋說明。注意對(duì)實(shí)施例1和3電解溶液施加的振動(dòng)為中等強(qiáng)度；對(duì)實(shí)施例2略低；對(duì)實(shí)施例4為高強(qiáng)度。上述超聲波振動(dòng)強(qiáng)度為實(shí)施例之間的相對(duì)強(qiáng)度。將記載每升電解溶液的超聲波頻率和強(qiáng)度。
(實(shí)施例1)電解溶液CuS04·5H2O160克/升H2SO4 100克/升碳納米管 1克/升超聲波強(qiáng)度 中等(20kHz，4kW/L)在溶液溫度為25℃和電流密度為40安培/平方分米的條件下對(duì)電解溶液電解15分鐘。對(duì)電解溶液進(jìn)行攪拌，并通過振動(dòng)發(fā)生器將中等強(qiáng)度的超聲波施加于電解溶液。陰極表面沉積膜的掃描電子顯微照片見圖2。
如圖2所示，制得了許多碳納米管與直徑約10微米或更小的細(xì)小球狀銅顆粒結(jié)合在一起的Cu-碳納米管復(fù)合材料。
上述復(fù)合材料從陰極上穩(wěn)定地機(jī)械分離，并形成顆粒。
(實(shí)施例2)電解溶液CuSO4·5H2O40克/升H2SO4 100克/升碳納米管 1克/升超聲波強(qiáng)度略低(38kHz，400W/L)在溶液溫度為25℃和電流密度為40安培/平方分米的條件下對(duì)電解溶液電解15分鐘。對(duì)電解溶液進(jìn)行攪拌，并通過振動(dòng)發(fā)生器將略低的超聲波施加于電解溶液。陰極表面沉積膜的掃描電子顯微照片見圖3。
如圖3所示，制得了其中有許多碳納米管與直徑約10微米的細(xì)小球狀銅顆粒結(jié)合在一起的Cu-碳納米管復(fù)合材料。
上述復(fù)合材料從陰極上穩(wěn)定地機(jī)械分離，并形成顆粒。
(實(shí)施例3)電解溶液CuSO4·5H2O40克/升H2SO4 100克/升碳納米管 1克/升超聲波強(qiáng)度 中等(20kHz，4kW/L)在溶液溫度為25℃和電流密度為40安培/平方分米的條件下對(duì)電解溶液電解15分鐘。對(duì)電解溶液進(jìn)行攪拌，并通過振動(dòng)發(fā)生器將中等強(qiáng)度的超聲波施加于電解溶液。陰極表面沉積膜的掃描電子顯微照片見圖4和5。注意圖5為圖4的放大照片。
如圖4所示，制得了具有均勻直徑的球狀Cu-碳納米管復(fù)合材料。另外，如圖5所示，許多碳納米管與直徑約為10-30微米的細(xì)小球狀銅顆粒結(jié)合在一起上述復(fù)合材料從陰極上穩(wěn)定地機(jī)械分離形成顆粒。
(實(shí)施例4)電解溶液CuSO4·5H2O40克/升H2SO4 100克/升碳納米管 1克/升超聲波強(qiáng)度 高(20kHz，7.5kW/L)
在溶液溫度為25℃和電流密度為40安培/平方分米的條件下對(duì)電解溶液電解15分鐘。對(duì)電解溶液進(jìn)行攪拌，并通過振動(dòng)發(fā)生器將高強(qiáng)度的超聲波施加于電解溶液。陰極表面沉積膜的掃描電子顯微照片見圖6和7。注意圖7為圖6的25倍放大照片。
在圖6中不清晰，但是由圖7可見，制得了許多碳納米管與直徑約20-40微米的細(xì)小球狀銅顆粒結(jié)合在一起的Cu-碳納米管復(fù)合材料。不像實(shí)施例1-3，復(fù)合材料不是分離的。通過施加強(qiáng)超聲波，上述Cu-碳納米管復(fù)合材料形成了塊狀或片狀，因此很難把復(fù)合材料從陰極上分離下來。也就是說，很難將此復(fù)合材料形成顆粒。
如上所述，通過對(duì)電解溶液施加合適強(qiáng)度的超聲波，可以在不使用分散劑的條件下將細(xì)碳纖維良好分散在電解溶液中，從而可以制得包含上述細(xì)碳纖維的金屬顆粒。
注意如果超聲波強(qiáng)度低于實(shí)施例2中的強(qiáng)度，細(xì)碳纖維將無法在溶液中良好分散，從而金屬顆粒將無法與細(xì)碳纖維充分結(jié)合。
另一方面，如果超聲波強(qiáng)度像實(shí)施例4一樣過高，包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒將形成塊狀、片狀之類差的形狀。
因此，超聲波的強(qiáng)度為8kW或更低/1升電解溶液，但合適的超聲波強(qiáng)度為4kW/1升電解溶液以下。而且，超聲波的頻率為20kHz或更高，但合適的超聲波強(qiáng)度為20kHz-1MHz。
注意在上述實(shí)施方式中，對(duì)電解溶液施加振動(dòng)，但是也可施加震動(dòng)代替振動(dòng)。
上述振動(dòng)或震動(dòng)可以通過超聲波來施加，但是也可以通過其他方法來施加。
本發(fā)明可以在不背離其基本精神的基礎(chǔ)上通過其它具體形式實(shí)施。因此本實(shí)施方式無論從任何方面來看都是為了說明而非用于限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書說明而不是由前文的描述給出，因此所有在權(quán)利要求書意義以內(nèi)和權(quán)利要求書等價(jià)范圍內(nèi)進(jìn)行的改變都包含在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造金屬顆粒的方法，此方法包括以下步驟電解分散有細(xì)碳纖維的電解溶液，使得包含所述細(xì)碳纖維的金屬顆粒沉積在陰極上；和將所述沉積的金屬顆粒從陰極上分離，其特征在于，對(duì)所述電解溶液施加振動(dòng)或震動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述電解步驟中，始終施加或暫時(shí)施加所述振動(dòng)或震動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述振動(dòng)或震動(dòng)將從陰極上脫落入電解溶液的金屬顆粒粉碎。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述振動(dòng)或震動(dòng)將從陰極上脫落入電解溶液的金屬顆粒粉碎。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述振動(dòng)或震動(dòng)通過超聲波產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述振動(dòng)或震動(dòng)通過超聲波產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述振動(dòng)或震動(dòng)通過超聲波產(chǎn)生。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述振動(dòng)或震動(dòng)通過超聲波產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，每1升電解溶液的超聲波強(qiáng)度為8kW或更低。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，每1升電解溶液的超聲波強(qiáng)度為8kW或更低。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，每1升電解溶液的超聲波強(qiáng)度為8kW或更低。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，每1升電解溶液的超聲波強(qiáng)度為8kW或更低。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
14.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
15.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
16.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
17.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
18.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
19.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
20.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
21.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
22.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
23.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
24.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，對(duì)所述電解溶液進(jìn)行攪拌。
25.按照權(quán)利要求1-24之一所述方法制造的金屬顆粒。
26.一種通過對(duì)按照權(quán)利要求25所述金屬顆粒聚集體熔化或燒結(jié)制造的復(fù)復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明金屬顆粒的制造方法能夠在不使用分散劑的條件下將細(xì)碳纖維分散于電解溶液中。此金屬顆粒的制造方法包括下列步驟電解分散有細(xì)碳纖維的電解溶液，使得包含細(xì)碳纖維的金屬顆粒沉積在陰極上；然后將沉積的金屬顆粒從陰極上分離。對(duì)上述電解溶液施加振動(dòng)或震動(dòng)。
文檔編號(hào)B22F9/02GK1727098SQ200510091099
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月30日
發(fā)明者市來浩一, 古川顯秀 申請(qǐng)人:信濃絹糸株式會(huì)社