新能源材料粉末冶金技术探讨

刘 伟

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

新科学、新技术的发展速度在当前达到了空前速度，材料科学作为基础科学，其发展程度制约着很多前沿科技的发展。新能源材料作为传统材料的突破技术，在科学研究和技术实践中需求巨大[1]。无论是新能源材料的种类还是性能，都是新能源合成技术的关注点。粉末冶金技术可以将金属粉末混合物中的有用材料经过提炼合成新的金属材料或者复合材料，是重要的材料合成基础技术，具有巨大的发展潜力。冶金技术制取的金属材料和复合材料具有独特的物理性能和化学性质，通过控制不同工艺参数可以得到多性能材料，冶金技术的这一特点，使得其成为新能源材料合成最具潜力的手段[2]。如何通过冶金技术，制造出符合新能源材料要求的材料，是当前冶金技术发展的重要突破口。

1 粉末冶金技术概述

粉末冶金技术是在传统冶金技术上发展起来的一项具有一定先进性的冶金技术，随着冶炼技术的不断发展提升，粉末冶金技术的工艺水平和制造水平也随之不断进步，当前行业内发展衍生出的新型粉末冶金技术是在传统粉末冶金技术基础上，结合材料科学、热力学以及物理学等其他学科，形成的具有多学科特征的拥有显著性能优势的材料冶炼技术。

所谓粉末冶金，是指不使用成块的矿石开展冶炼作业，就是把不同种类的粉末开展混合冶炼。新型粉末冶金技术可用于原料的材料选择具有很大优势，无论是矿石还是废弃的金属物质，只要能够形成固体粉末，就可以实现冶炼工艺，进一步利用原材料，制成具有一定性能属性的成品。

粉末冶金技术相较于传统冶金技术具有独特的特征，宏观方面：首先粉末冶金技术能够制备传统冶金技术不能制备的复合材料，且在材料成型方面也很大优势，可以通过工艺参数控制，制造出精度更高的成品工具。同时粉末冶金技术能够以工业废料或建筑废料为原料，提取其中有用成分，降低冶金成本的同时还能提升原料利用率[3]。微观方面：粉末冶金技术制备的复合材料能够在一定范围内降低合金元素的成分偏聚，使得制备的合金材料组织结构紧密、均匀；粉末冶金技术具有制备非晶、微晶甚至纳米晶等高性能非平衡材料的能力，这类非平衡材料在导电、磁性以及光学和力学性能方面都具有特殊性，是新能源材料的重要组成[4]；粉末冶金技术对于合金的合成能力远优于传统冶金技术，对于粉末冶金技术方法，主要分为四个步骤[5]：

（1）原料粉末的制备。将原料通过物理手段制成粉末，根据粉末可塑性等需求，需要在原料粉末中加入特定物质。

（2）粉末压制成型。在压力下将制备的原料粉末压成一定形状的固态，为后续工序做准备。

（3）压制成型后烧结。烧结工艺是粉末冶金技术的关键，将成型后的粉末固体放入具有特定保护气或真空烧结炉中，根据预制备的材料熔点调节烧结炉内温度，保证至少有一种元素处于非融化状态，通过烧结工序，原料颗粒经过一系列化学变化，最终形成具有一定空隙结构的产品。

（4）后处理。为了提升粉末冶金材料的某种性能，需要对烧结完成后的产品进行特定后处理，使其在物理或化学方面具有一定的特性，满足材料需求。

2 基于新能源材料的粉末冶金技术

（1）粉末技术在风能材料中的应用。风能是利用率较高、利用技术较为成熟的新绿色清洁能源，风能使用范围非常广泛，风能产生的能量应用在生活和工业的各个方面和领域，风能相关新材料的研究也是行业关注的重点。粉末冶金技术在风能新材料的应用主要是实现风能发电材料的制造，实现永磁钕铁硼材料与风电机组材料的生产。永磁钕铁硼材料是保障风力发电机及其他风力发电设备有效运行，保障发电效率的重要材料，材料性能对风力发电系统的可靠安全运行至关重要。笼统而言，永磁钕铁硼材料相较于传统永磁材料，加入了具有优良性能的稀土材料，如果稀土材料在永磁材料中混合不均匀，晶体结构不对称，材料性能是无法满足使用要求的，粉末冶金技术很好的解决了这一难题。粉末冶金技术通过原料粉末的制备、烧结等工艺可以将稀土材料均匀混合在永磁材料，成型后的材料晶体结构对称，性能优越，这是传统冶金技术无法实现的。另外，就风能发电机中的制动片而言，在运行时受到巨大摩擦力，其材料本身摩擦系数不允许低于一定范围，以保障足够制动效果，同时要求材料的磨损率足够低，导热性能良好。为了满足材料这些性能参数，采用铜基粉末冶金技术生产制动片，该技术生产的制动片能够在风力发电机恶劣的环境中正常运行。

（2）粉末技术在太阳能材料中的应用。太阳能作为可再生的新型绿色能源，因其资源丰富、利用技术成熟，成为世界新能源探索的重要对象，在新型能源结构体系中具有重要的地位。如何高效、安全、稳定的利用太阳能，是太阳能利用技术的关键点。太阳能利用的主要方面包括热电太阳能技术和光电太阳能技术，太阳能利用技术中热电材料和光电材料的制备与性能优化都可以通过粉末技术来实现。对于太阳能的光电应用，太阳能电池是关键。太阳能电池材料的性能是保障太阳能光电转化效率的关键，传统的晶体硅材料太阳能电池，光电转化效率相对较低，降低太阳能利用率的同时，还制约着太阳能能源的应用范围。粉末冶金技术在太阳能光电转化方面有着传统冶金技术不可比拟的优势，通过粉末冶金技术制备的多晶硅薄膜在光电转化技术中能够有效替代传统晶体硅材料，且光电转化效率提升显著，太阳能光电转化技术由于材料瓶颈的突破，发展速度逐年加快。另外，太阳能的热电利用技术主要是通过太阳能吸收板吸收太阳能量，然后通过技术手段加以利用，因此太阳能吸收板材料性能成为技术发展的关键点。粉末冶金技术能够在吸收板制造过程中，充分研发吸收板的材料性能，发挥粉体在色素、粘结剂的作用，突出粉末冶金技术的实践应用。粉末冶金技术制造的吸收板材料对提升太阳能吸收效率有显著提升。

（3）粉末冶金技术在储氢材料中的应用。氢能源由于其燃烧产物是水，属于零碳清洁绿色能源，氢能源的应用关键点主要在两个方面，一个是氢能源的生产，另一个则是氢能源的储存。就氢能源储存而言，因其化学性质活泼，具有一定的爆炸危险，因此氢能源储存方式和储存材料的选择具有严格的要求。氢能源储存主要分为气化压缩氢能源储存、液化压缩氢能源储存和固化压缩氢能源储存三种。三种氢能源储存技术都需要将不同状态的压缩氢能源放在特定的储存材料构成的容器中，储氢合金是能够储存氢能源的金属或合金材料的统称，拥有较强的捕获氢的能力，能够在一定的压力、热度的基础上把氢分子分解成合金中的单个原子。氢能源储存的原理是，经过分解后单原子能够进入到储存材料原子间的间隙，通过化学反应形成较为稳定和安全的金属氢化物，从宏观上看，储存材料能够吸收氢能源，在吸收过程中会释放出化学热能，如果要多氢能源进行利用，则需要通过对储存材料加能，使得储存化学过程进行逆反应，分解氢化物，释放出氢原子后，再结合成氢分子。氢能源储存材料对氢能源的储存性能远远高于物理气瓶储存效率，且储存的化学稳定性也能得到保障。粉末冶金技术能够有效制备氢能源储存材料，并在制造过程中加入特定的稀有金属，能够实现储存效率和储存稳定的双提高。

（4）粉末冶金技术在锂离子电池材料中的应用。燃料电池是一种将燃料气体（或液、固燃料气化后的气体）的化学能直接转换为电能的大规模、大功率、新型而清洁的发电装置，它是除水力发电、热能发电和核能发电之外的第四种发电技术，不但具备高的能量转换效率，同时是一种清洁的能源。燃料电池则是一种可把燃料气体等的能源直接转化成电能的装置，在当前的能源体系结构中，燃料电池的性能制约着很多前沿技术的快速发展，成为能源行业急于去突破成就的研究方向。粉末冶金技术在燃料电池行业的应用，主要表现在对燃料电池密封部件和电极材料的制备方面。通过粉末冶金技术的应用，可以实现合成安全性高、倍率高的锡基合金材料及纳米Sn基合金—碳复合材料，这种材料能够大大提升燃料电池的充放电能耗，同时能够对燃料电池的充放电安全也有一定保障作用，粉末冶金技术的应用可以使得这种材料的生产产业化、规模化。另外，燃料电池阴极材料为多孔的锶掺杂的锰酸镧，多孔材料的制备只能采用粉末冶金技术。

3 结语

粉末冶金技术在太阳能、风能、氢能源和燃料电池等能源利用方面的应用可以看出，粉末冶金技术有着传统冶金技术无可比拟的优势，在材料制造和合成方面更加符合现代技术发展对基础材料的性能要求，就技术本身而言，具有巨大的发展潜力。粉末冶金技术的创造性和工艺可实施性使得其逐渐成为基础材料合成方面的重要技术手段，行业对粉末冶金技术的前景具有一致期望。对于新能源材料而言，粉末冶金技术具有较强的创造性与塑造性，发挥着关键性技术作用。粉末冶金技术由于其技术原理，使得能够在新能源领域研发出更高效、更经济的新材料。在这一发展进程中，传统粉末冶金技术也逐渐革新，各种新技术、新工艺及新设备被研发出来，在粉末制备和成型中发挥着重要的作用。在不久的将来，粉末冶金技术将应用、扩展到更多的行业中去。