萬榮春 方藝蒙 龔勛 張彭成 吉維群 臧宏衛(wèi)

摘要：微納米球形銅粉是指粒徑分布集中在0.2～5μm之間的高純度（≥99.5%）、粒型規(guī)整（球形或近似球形）的具有一定化學活性的銅金屬粉體顆粒。微納米球形銅粉具有質軟、抗磨、導熱、導電、殺菌、耐海水腐蝕，高粘附、相容性好、易合金化、無磁性、高溫催化燃燒、低溫催化合成等特殊性能，被廣泛應用于汽車、船舶、高鐵、機械電氣、煤電、化工、電子、生物醫(yī)藥等領域，也成為了現(xiàn)代軍工、船舶、航天與尖端科技領域的重要功能材料。微納米球形銅粉及其延伸材料在船舶中的應用有潤滑、合金化修復和催化燃燒作用，可以有效降低船舶發(fā)動機的噪聲、振動和油耗。

關鍵詞：微納米；球形銅粉；船舶

因銅具有質軟、抗磨、導熱、導電、殺菌、耐海水腐蝕，高粘附、相容性好、易合金化、無磁性（納米材料中所獨有）、高溫催化燃燒、低溫催化合成等特殊性能，特別是粒徑小于1μm的超微細金屬銅粉所特有的小尺寸效應、量子隧道效應、光電磁效應與生物效應，成為了微納米金屬粉體中高科技、高附加值功能新材料，被廣泛應用于汽車、船舶、高鐵、機械電氣、煤電、化工、電子、生物醫(yī)藥等領域，也成為了現(xiàn)代軍工、船舶、航天與尖端科技領域的重要功能材料。

1國內外研究及技術狀態(tài)

微納米球形銅粉是指粒徑分布集中在0.2～5μm之間的高純度（≥99.5%）、粒型規(guī)整（球形或近似球形）的具有一定化學活性的銅金屬粉體顆粒。

數(shù)十年來，國內外多家研發(fā)機構與大型企業(yè)，投入了大量的人力、物力與財力，競相進行納米銅粉研發(fā)與材料生產(chǎn)、應用研究與市場開發(fā)。但由于納米銅粉粒子超細、表面活性高、非常容易氧化變質，導致了納米銅粉的生產(chǎn)、制備與存儲都非常困難，即使采用了當前最先進的工藝技術（包括超聲波+機械研磨、電解、等離子控制、伽馬射線還原、電熱熔融、水霧化、氣相還原）與裝備都沒能實現(xiàn)納米銅粉的大規(guī)模生產(chǎn)。目前全球只有日本三井與福田，美國ECKA、智利Tanchile等不到十家國際高科技企業(yè)在小批量生產(chǎn)（主要采用高純金屬銅高溫熔化再霧化細化生產(chǎn)工藝，總的存儲量不到100噸）納米銅粉，市場價格奇高（智利Tanchile賣給韓國片狀納米銅粉每公斤超過100萬美元），因此主要用于軍工（發(fā)動機與運轉設備的潤滑抗磨修復劑）、航天（炸藥增效劑與火箭催進劑）與特種領域，成為國家戰(zhàn)略儲備物資。目前國內外的銅粉生產(chǎn)仍處于理論研究或實驗室階段，而且所用的水合肼、抗壞血酸、甲醛、次亞磷酸鈉、硼氫化鉀等化學還原劑成本高且有毒，反應后會造成嚴重的二次污染。

目前，科研用微納米銅粉的制備以化學還原法和電化學法為主，這兩種方式占據(jù)近70%[1-2]。石思思等[3]采用液相還原法，以氧化銅為前驅體合成了一種微納米尺寸的球形銅粉。通過XRD、SEM、TEM和LPA表征了微納米尺寸的球形銅粉的形貌和結構。從SEM和 TEM照片中可以發(fā)現(xiàn)銅顆粒形貌呈近球形，銅顆粒之間較分散，顆粒直徑大約在600～800nm之間，平均顆粒直徑約為653nm。

2微納米球形銅粉的應用

2.1微納米球形銅粉在船舶發(fā)動機中的潤滑應用

將微納米球形銅粉與機油混合后形成具有特殊功能的銅基機油。以銅基機油在發(fā)動機中的應用場景為例，介紹其主要性能。將微納米球形銅粉與機油混合后形成具有特殊功能的銅基機油。以銅基機油在發(fā)動機中的應用場景為例，介紹其主要性能。當球狀的金屬銅顆粒填充在活塞與氣缸這對運動副中間后，就成為新的運動介質。隨著運動副之間的相對移動，球狀的金屬銅顆粒隨之滾動，將原來的運動副之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，改變摩擦形式，形成新的摩擦副；改變潤滑方式，將原先的液體潤滑優(yōu)化為固液雙元潤滑；摩擦系數(shù)降低，因摩擦而產(chǎn)生振動下降，振幅降低，摩擦能耗與摩擦損耗降低。對四臺正常營運公共車輛（其中燃油、燃氣車各兩臺）進行微納米球形銅粉機油添加并全程跟蹤其油氣耗、機油補加、動力變化、噪音振動變化、尾氣排放、綜合性能等，并與此四臺計劃指標及前期綜合狀況進行定量和定性對比試驗，試驗周期三個月。通過以上對比試驗得出結果：微納米球形銅粉機油對發(fā)動機的抗磨保護、填充修復以及滾動潤滑功能等方面作用效果顯著。燃料下降6.8%～9.4%，每輛車年節(jié)約機油費用5720元；排放尾氣中有害物資明顯降低，尾氣排放由不達標到達標，下降45%以上；顯著增加動力；大幅度降低噪音和震動。

2.2微納米球形銅粉在船舶發(fā)動機中合金化修復作用

活塞與氣缸這對運動副之間的相對運動形成直接摩擦，并形成新的表面-磨損面。當微納米球形銅粉隨著機油而填充在活塞與氣缸之間后，就可能進一步填充并沉積在凹槽部位。在原有的磨損條件下，銅顆粒被優(yōu)先擠壓。由于金屬銅質軟，因此不會損傷原有的金屬表面。在擠壓情況下，銅顆粒處于高應力狀態(tài)進而與原有的金屬表面發(fā)生以擴散為主的物理化學變化-銅合金化。原有磨損表面的逐步銅合金化是一個尺寸逐步修復的過程。

由于微納米球形銅粉的介入，原來的運動副之間不再直接接觸，原先的機械磨損變?yōu)樽詣有迯?；運動副之間的運動狀態(tài)在柔性銅粉的介入下自動調整、適應；在長期的有微納米球形銅粉存在的工作狀態(tài)下，原有運動副從磨損式磨合變?yōu)樽约庸?、自精密式磨合。機械的振動進一步降低。

對一艘載貨2800噸的新船進行在航一年的船舶主機上試驗。重載上水航行加滿車（最大油門）時，左機最高轉速1176r/min，右機最高轉速1190r/min。左機開、靠頭用車比右機相對較多，串氣稍大、排煙較濃、機、燃油消耗相差不大。由此，選相對性能較弱的左機為試驗機。試驗前左、右主機同時更換機油后，航行三個航次，航程1200Km，航時108h，左機保持機油不變的情況下按比例添加微納米球形銅粉添加劑，右機不添加。試驗結果：左、右機重載上行同等（最大）油門時，左機增加轉速穩(wěn)定在40r/min左右，查該機推進特性，功率增加10%以上；試驗共航行1760Km，167h，共節(jié)省機油20L，每百公里節(jié)省機油1.14L，每小時節(jié)省機油0.12L。此外，從清洗機油濾芯和機油顏色看，清洗功能明顯，有劣變速度變慢趨勢，更換機油周期延長；從壓縮壓力和爆炸壓力的增加及串氣減少看，密封性能明顯增強；從轉速增加（功率增大）和排煙煙度變淡看，抗磨減摩及催化（燃燒）作用明顯。

在使用含銅的清潔修復劑30d后，發(fā)動機的內壁可以看見明顯的銅層。同時，發(fā)動機的缸壓會升高約1個大氣壓?！皠P娜”號長江游輪柴油發(fā)電機使用微納米球形銅粉修復保護劑與微納米球形銅粉燃油催化劑運行1100h后燃燒室呈白色（如圖1所示），說明積炭少，然燒工況好（若黑色說明燃燒不充分，若黃色燃燒不均勻）。使用后的潤滑油從傳統(tǒng)的黑色變?yōu)辄S色。

2.3微納米球形銅粉在船舶發(fā)動機中的催化燃燒作用

銅粉參與了燃油的燃燒：銅粉與機油發(fā)生銅基化反應，隨著機油進入燃燒室；形成的銅合金表面暴露在燃燒室；少量銅粉顆粒直接進入燃燒室銅具有催化燃燒效果，提高了燃燒溫度、燃燒速度。直接表現(xiàn)在：在使用銅基機油5分鐘后，尾氣顏色、異味明顯變淡，尾氣中的有害成分降低；7d后，氣缸中的積碳消失，失效的三元催化劑功能部分再生。汽油發(fā)動機具有3%～10%的節(jié)油率；柴油發(fā)動機具有5%～15%的節(jié)油率；天然氣發(fā)動機具有5%左右的節(jié)油率。

將銅粉的粒徑降低至亞納米級可以得到燃燒催化劑，催化燃燒性能進一步提高。燃燒催化劑包括燃油催化劑和燃煤催化劑。在汽油、柴油等燃油中直接加入0.2%的燃油催化劑，具有5%左右的節(jié)油效率；燃油催化劑在航空煤油中也有明顯的效果。燃煤催化劑具有約6%的節(jié)煤效果。

3 結論

微納米球形銅粉是指粒徑分布集中在0.2～5μm之間的高純度（≥99.5%）、粒型規(guī)整（球形或近似球形）的具有一定化學活性的銅金屬粉體顆粒。微納米球形銅粉及其延伸材料在船舶中的應用有潤滑、合金化修復和催化燃燒作用，可以有效降低船舶發(fā)動機的噪聲、震動和油耗。將微納米球形銅粉與機油混合后形成具有特殊功能的銅基機油，加入公交車發(fā)動機，經(jīng)試驗燃料下降6.8%～9.4%，排放尾氣中有害物資明顯降低，發(fā)動機功率顯著增加，噪音和震動大幅度降低。將銅基機油加入發(fā)動機，經(jīng)測試汽油發(fā)動機具有 3%～10%的節(jié)油率；柴油發(fā)動機具有5%～15%的節(jié)油率；天然氣發(fā)動機具有5%左右的節(jié)油率。在使用含微納米球形銅粉的清潔修復劑30d后，發(fā)動機的內壁可以看見明顯的銅層，使用后的潤滑油從傳統(tǒng)的黑色變?yōu)辄S色。

參考文獻

[1]牛雨萌，賴奕堅，趙斌元，等.微納米銅粉的制備工藝與應用特性[J].功能材料， 2018， 49（05）： 5041-5048+5055.

[2]李若遠，黃鈞聲.納米銅粉的制備及其分散性研究[J].材料開發(fā)與應用， 2019， 034（003）： 70-75.

[3]石思思，郭守暉，孫宏凱，等.微納米抗菌銅粉的制備及其在金屬檔案柜抗菌防霉應用[J].南昌大學學報（理科版）， 2020， 44（3）： 248.

作者簡介：萬榮春（1981-），博士，副教授，主要研究方向：耐火耐候鋼組織與性能、超高強鋼的延遲斷裂；E-mail：springs111@163.com

通訊作者：龔勛（1983-），男，博士后，正高級工程師，研究員，研究方向：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟學，E-mail：gongxun83@aliyun.com

基金項目：中國船舶工業(yè)綜合技術經(jīng)濟研究院《國外材料領域國防實驗室軍民融合發(fā)展策略研究》項目

（作者單位：萬榮春，渤海船舶職業(yè)學院、渤海船舶重工有限責任公司博士后流動站；方藝蒙，四川大學匹茲堡學院；龔勛，葫蘆島市軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心；張彭成，中國人民解放軍后勤工程學院；吉維群，重慶太魯科技發(fā)展有限公司；臧宏衛(wèi)，遼寧藍工納米新材料科技有限公司）