新能源材料粉末冶金技術(shù)探討

劉 偉

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

新科學(xué)、新技術(shù)的發(fā)展速度在當(dāng)前達(dá)到了空前速度，材料科學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)，其發(fā)展程度制約著很多前沿科技的發(fā)展。新能源材料作為傳統(tǒng)材料的突破技術(shù)，在科學(xué)研究和技術(shù)實(shí)踐中需求巨大[1]。無(wú)論是新能源材料的種類還是性能，都是新能源合成技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)。粉末冶金技術(shù)可以將金屬粉末混合物中的有用材料經(jīng)過(guò)提煉合成新的金屬材料或者復(fù)合材料，是重要的材料合成基礎(chǔ)技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。冶金技術(shù)制取的金屬材料和復(fù)合材料具有獨(dú)特的物理性能和化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)控制不同工藝參數(shù)可以得到多性能材料，冶金技術(shù)的這一特點(diǎn)，使得其成為新能源材料合成最具潛力的手段[2]。如何通過(guò)冶金技術(shù)，制造出符合新能源材料要求的材料，是當(dāng)前冶金技術(shù)發(fā)展的重要突破口。

1 粉末冶金技術(shù)概述

粉末冶金技術(shù)是在傳統(tǒng)冶金技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)具有一定先進(jìn)性的冶金技術(shù)，隨著冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展提升，粉末冶金技術(shù)的工藝水平和制造水平也隨之不斷進(jìn)步，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)發(fā)展衍生出的新型粉末冶金技術(shù)是在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合材料科學(xué)、熱力學(xué)以及物理學(xué)等其他學(xué)科，形成的具有多學(xué)科特征的擁有顯著性能優(yōu)勢(shì)的材料冶煉技術(shù)。

所謂粉末冶金，是指不使用成塊的礦石開(kāi)展冶煉作業(yè)，就是把不同種類的粉末開(kāi)展混合冶煉。新型粉末冶金技術(shù)可用于原料的材料選擇具有很大優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是礦石還是廢棄的金屬物質(zhì)，只要能夠形成固體粉末，就可以實(shí)現(xiàn)冶煉工藝，進(jìn)一步利用原材料，制成具有一定性能屬性的成品。

粉末冶金技術(shù)相較于傳統(tǒng)冶金技術(shù)具有獨(dú)特的特征，宏觀方面：首先粉末冶金技術(shù)能夠制備傳統(tǒng)冶金技術(shù)不能制備的復(fù)合材料，且在材料成型方面也很大優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)工藝參數(shù)控制，制造出精度更高的成品工具。同時(shí)粉末冶金技術(shù)能夠以工業(yè)廢料或建筑廢料為原料，提取其中有用成分，降低冶金成本的同時(shí)還能提升原料利用率[3]。微觀方面：粉末冶金技術(shù)制備的復(fù)合材料能夠在一定范圍內(nèi)降低合金元素的成分偏聚，使得制備的合金材料組織結(jié)構(gòu)緊密、均勻；粉末冶金技術(shù)具有制備非晶、微晶甚至納米晶等高性能非平衡材料的能力，這類非平衡材料在導(dǎo)電、磁性以及光學(xué)和力學(xué)性能方面都具有特殊性，是新能源材料的重要組成[4]；粉末冶金技術(shù)對(duì)于合金的合成能力遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)冶金技術(shù)，對(duì)于粉末冶金技術(shù)方法，主要分為四個(gè)步驟[5]：

（1）原料粉末的制備。將原料通過(guò)物理手段制成粉末，根據(jù)粉末可塑性等需求，需要在原料粉末中加入特定物質(zhì)。

（2）粉末壓制成型。在壓力下將制備的原料粉末壓成一定形狀的固態(tài)，為后續(xù)工序做準(zhǔn)備。

（3）壓制成型后燒結(jié)。燒結(jié)工藝是粉末冶金技術(shù)的關(guān)鍵，將成型后的粉末固體放入具有特定保護(hù)氣或真空燒結(jié)爐中，根據(jù)預(yù)制備的材料熔點(diǎn)調(diào)節(jié)燒結(jié)爐內(nèi)溫度，保證至少有一種元素處于非融化狀態(tài)，通過(guò)燒結(jié)工序，原料顆粒經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)變化，最終形成具有一定空隙結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。

（4）后處理。為了提升粉末冶金材料的某種性能，需要對(duì)燒結(jié)完成后的產(chǎn)品進(jìn)行特定后處理，使其在物理或化學(xué)方面具有一定的特性，滿足材料需求。

2 基于新能源材料的粉末冶金技術(shù)

（1）粉末技術(shù)在風(fēng)能材料中的應(yīng)用。風(fēng)能是利用率較高、利用技術(shù)較為成熟的新綠色清潔能源，風(fēng)能使用范圍非常廣泛，風(fēng)能產(chǎn)生的能量應(yīng)用在生活和工業(yè)的各個(gè)方面和領(lǐng)域，風(fēng)能相關(guān)新材料的研究也是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。粉末冶金技術(shù)在風(fēng)能新材料的應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電材料的制造，實(shí)現(xiàn)永磁釹鐵硼材料與風(fēng)電機(jī)組材料的生產(chǎn)。永磁釹鐵硼材料是保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其他風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有效運(yùn)行，保障發(fā)電效率的重要材料，材料性能對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行至關(guān)重要?；\統(tǒng)而言，永磁釹鐵硼材料相較于傳統(tǒng)永磁材料，加入了具有優(yōu)良性能的稀土材料，如果稀土材料在永磁材料中混合不均勻，晶體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，材料性能是無(wú)法滿足使用要求的，粉末冶金技術(shù)很好的解決了這一難題。粉末冶金技術(shù)通過(guò)原料粉末的制備、燒結(jié)等工藝可以將稀土材料均勻混合在永磁材料，成型后的材料晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，性能優(yōu)越，這是傳統(tǒng)冶金技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。另外，就風(fēng)能發(fā)電機(jī)中的制動(dòng)片而言，在運(yùn)行時(shí)受到巨大摩擦力，其材料本身摩擦系數(shù)不允許低于一定范圍，以保障足夠制動(dòng)效果，同時(shí)要求材料的磨損率足夠低，導(dǎo)熱性能良好。為了滿足材料這些性能參數(shù)，采用銅基粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)制動(dòng)片，該技術(shù)生產(chǎn)的制動(dòng)片能夠在風(fēng)力發(fā)電機(jī)惡劣的環(huán)境中正常運(yùn)行。

（2）粉末技術(shù)在太陽(yáng)能材料中的應(yīng)用。太陽(yáng)能作為可再生的新型綠色能源，因其資源豐富、利用技術(shù)成熟，成為世界新能源探索的重要對(duì)象，在新型能源結(jié)構(gòu)體系中具有重要的地位。如何高效、安全、穩(wěn)定的利用太陽(yáng)能，是太陽(yáng)能利用技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。太陽(yáng)能利用的主要方面包括熱電太陽(yáng)能技術(shù)和光電太陽(yáng)能技術(shù)，太陽(yáng)能利用技術(shù)中熱電材料和光電材料的制備與性能優(yōu)化都可以通過(guò)粉末技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于太陽(yáng)能的光電應(yīng)用，太陽(yáng)能電池是關(guān)鍵。太陽(yáng)能電池材料的性能是保障太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的晶體硅材料太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低，降低太陽(yáng)能利用率的同時(shí)，還制約著太陽(yáng)能能源的應(yīng)用范圍。粉末冶金技術(shù)在太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化方面有著傳統(tǒng)冶金技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)粉末冶金技術(shù)制備的多晶硅薄膜在光電轉(zhuǎn)化技術(shù)中能夠有效替代傳統(tǒng)晶體硅材料，且光電轉(zhuǎn)化效率提升顯著，太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化技術(shù)由于材料瓶頸的突破，發(fā)展速度逐年加快。另外，太陽(yáng)能的熱電利用技術(shù)主要是通過(guò)太陽(yáng)能吸收板吸收太陽(yáng)能量，然后通過(guò)技術(shù)手段加以利用，因此太陽(yáng)能吸收板材料性能成為技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。粉末冶金技術(shù)能夠在吸收板制造過(guò)程中，充分研發(fā)吸收板的材料性能，發(fā)揮粉體在色素、粘結(jié)劑的作用，突出粉末冶金技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。粉末冶金技術(shù)制造的吸收板材料對(duì)提升太陽(yáng)能吸收效率有顯著提升。

（3）粉末冶金技術(shù)在儲(chǔ)氫材料中的應(yīng)用。氫能源由于其燃燒產(chǎn)物是水，屬于零碳清潔綠色能源，氫能源的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)主要在兩個(gè)方面，一個(gè)是氫能源的生產(chǎn)，另一個(gè)則是氫能源的儲(chǔ)存。就氫能源儲(chǔ)存而言，因其化學(xué)性質(zhì)活潑，具有一定的爆炸危險(xiǎn)，因此氫能源儲(chǔ)存方式和儲(chǔ)存材料的選擇具有嚴(yán)格的要求。氫能源儲(chǔ)存主要分為氣化壓縮氫能源儲(chǔ)存、液化壓縮氫能源儲(chǔ)存和固化壓縮氫能源儲(chǔ)存三種。三種氫能源儲(chǔ)存技術(shù)都需要將不同狀態(tài)的壓縮氫能源放在特定的儲(chǔ)存材料構(gòu)成的容器中，儲(chǔ)氫合金是能夠儲(chǔ)存氫能源的金屬或合金材料的統(tǒng)稱，擁有較強(qiáng)的捕獲氫的能力，能夠在一定的壓力、熱度的基礎(chǔ)上把氫分子分解成合金中的單個(gè)原子。氫能源儲(chǔ)存的原理是，經(jīng)過(guò)分解后單原子能夠進(jìn)入到儲(chǔ)存材料原子間的間隙，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成較為穩(wěn)定和安全的金屬氫化物，從宏觀上看，儲(chǔ)存材料能夠吸收氫能源，在吸收過(guò)程中會(huì)釋放出化學(xué)熱能，如果要多氫能源進(jìn)行利用，則需要通過(guò)對(duì)儲(chǔ)存材料加能，使得儲(chǔ)存化學(xué)過(guò)程進(jìn)行逆反應(yīng)，分解氫化物，釋放出氫原子后，再結(jié)合成氫分子。氫能源儲(chǔ)存材料對(duì)氫能源的儲(chǔ)存性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于物理氣瓶?jī)?chǔ)存效率，且儲(chǔ)存的化學(xué)穩(wěn)定性也能得到保障。粉末冶金技術(shù)能夠有效制備氫能源儲(chǔ)存材料，并在制造過(guò)程中加入特定的稀有金屬，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)存效率和儲(chǔ)存穩(wěn)定的雙提高。

（4）粉末冶金技術(shù)在鋰離子電池材料中的應(yīng)用。燃料電池是一種將燃料氣體（或液、固燃料氣化后的氣體）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的大規(guī)模、大功率、新型而清潔的發(fā)電裝置，它是除水力發(fā)電、熱能發(fā)電和核能發(fā)電之外的第四種發(fā)電技術(shù)，不但具備高的能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)是一種清潔的能源。燃料電池則是一種可把燃料氣體等的能源直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，在當(dāng)前的能源體系結(jié)構(gòu)中，燃料電池的性能制約著很多前沿技術(shù)的快速發(fā)展，成為能源行業(yè)急于去突破成就的研究方向。粉末冶金技術(shù)在燃料電池行業(yè)的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在對(duì)燃料電池密封部件和電極材料的制備方面。通過(guò)粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)合成安全性高、倍率高的錫基合金材料及納米Sn基合金—碳復(fù)合材料，這種材料能夠大大提升燃料電池的充放電能耗，同時(shí)能夠?qū)θ剂想姵氐某浞烹姲踩灿幸欢ūＵ献饔茫勰┮苯鸺夹g(shù)的應(yīng)用可以使得這種材料的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?。另外，燃料電池陰極材料為多孔的鍶摻雜的錳酸鑭，多孔材料的制備只能采用粉末冶金技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

粉末冶金技術(shù)在太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能源和燃料電池等能源利用方面的應(yīng)用可以看出，粉末冶金技術(shù)有著傳統(tǒng)冶金技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在材料制造和合成方面更加符合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)材料的性能要求，就技術(shù)本身而言，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。粉末冶金技術(shù)的創(chuàng)造性和工藝可實(shí)施性使得其逐漸成為基礎(chǔ)材料合成方面的重要技術(shù)手段，行業(yè)對(duì)粉末冶金技術(shù)的前景具有一致期望。對(duì)于新能源材料而言，粉末冶金技術(shù)具有較強(qiáng)的創(chuàng)造性與塑造性，發(fā)揮著關(guān)鍵性技術(shù)作用。粉末冶金技術(shù)由于其技術(shù)原理，使得能夠在新能源領(lǐng)域研發(fā)出更高效、更經(jīng)濟(jì)的新材料。在這一發(fā)展進(jìn)程中，傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)也逐漸革新，各種新技術(shù)、新工藝及新設(shè)備被研發(fā)出來(lái)，在粉末制備和成型中發(fā)揮著重要的作用。在不久的將來(lái)，粉末冶金技術(shù)將應(yīng)用、擴(kuò)展到更多的行業(yè)中去。