铝粉生产技术及应用前景分析

赵寅星，马社俊，聂中奎，朱莉莉，彭欣洁，彭 建

（1.河南省高技术创业服务中心，河南 郑州 450003；2.河南省远洋粉体科技股份有限公司，河南 长垣 453431；3.重庆大学材料科学与工程学院机械传动国家重点实验室，重庆 400044）

铝及铝合金粉是以铝为主要元素，根据不同的用途适当加入其他合金元素加工制备而成的金属粉末，其颗粒外形尺寸通常小于1000μm。根据国家标准GB/T 2085-2007，铝粉分为空气雾化铝粉、球磨铝粉、粉碎铝粉和氮气雾化铝粉四类。铝粉具有优良的抗耐腐蚀性、导电导热性和塑性等优点，在航空航天、武器装备、化工、汽车制造、铸造、粉末冶金、3D打印、医药用品、铝电解电容器阳极箔、金属颜料、电子浆料等领域有广泛应用并呈加速扩大的趋势[1,2]。

铝粉生产制备工艺技术有多种，包括冲击粉碎法、球磨法和雾化法等，本文主要对国内外铝粉制备和应用的研究现状进行综述，对铝粉的各种制备工艺和应用前景进行分析介绍。

1 铝粉制备和应用的国内外研究现状

欧美国家对于铝粉的生产制造和应用发展研究起步较早，铝粉的工业化生产历史已超百年[3]。国内外至今仍保持着对铝粉研发的高度关注。Jing等人[4]对微米级片状和球形铝粉的着火特性和爆炸机理进行了实验测量和统计分析，发现添加铝粉可以增加燃烧系统的能量，利用球磨技术可将球形铝粉压片，去除颗粒表面的氧化层，提高材料反应活性。但因铝粉的表面效应对加剧爆炸危险有显著影响，片状铝粉的最大爆炸压力上升率是球形铝粉的4.19倍。王路路等人[5]研究发现立式球磨机对提高球形铝粉活性的最佳条件为搅拌转速1100r/min，研磨时间4h，助磨剂占铝粉质量比4%；所制备的活性铝粉粒径D50为1.108μm，片状活性铝质量分数由90.42%增加到98.42%。Azarhomayun等人[6]研究铝粉对混凝土干缩、开裂特性和力学性能的影响，发现铝粉的使用几乎消除了混凝土的自由收缩，其抑制干燥收缩的效果增加了18%，最大裂缝宽度和最终裂缝面积分别减少了2.67%和27%。刘建良等人[7]研究活化单质铝粉的性能与急冷雾化工艺的关系，发现多级急冷雾化制粉过程，工艺参数改变，如雾化压力、雾化转盘转速、熔体过热度等，都会引起粉体粒度的变化。当雾化压力3.5MPa，雾化转盘转速为6000r/min，含氧率小于0.1%时，铝粉粒度可控制在10μm左右且形状接近球状。

国内近期大量的相关研发更多集中在铝粉应用。Peng等人[8]利用激光冲击小规模动态压实粉末的新方法，发现随着激光能量的增加，铝粉压坯的力学性能逐渐提高。在1800mJ激光能量下，成功压成了几乎完全致密的铝压块，最终相对密度为99.72%，压块的显微硬度更是提高近60%。Men等人[9]通过将溶胶-凝胶法、亲核反应和原位聚合法结合制备彩色铝颜料，此铝颜料具有较高的色牢度和耐腐蚀性以及鲜艳的色彩，使得彩色铝颜料在高性能彩色耐腐蚀涂料中凸显应用潜力。王延铭等人[10]采用粉末冶金的方法将铝粉添加到低温陶瓷结合剂中，使低温陶瓷的抗折强度和平均抗冲击强度分别提高42%和414%。李君君等人[11]将金属铝粉、纳米Al2O3粉引入基础陶瓷结合剂中，研究发现添加金属铝粉的陶瓷结合剂CBN复合材料抗折强度随烧结温度升高而提高，金属铝粉和纳米Al2O3粉的复掺有利于玻璃网络结构的键合。管东波等人[12]通过添加一定量的金属铝粉和多孔粉体至聚丙烯(PP)中，当金属铝粉和多孔粉体的添加量分别为2wt%和9wt%时，复合材料具有较好的综合性能，材料的拉伸强度、拉伸强度和球压痕硬度同时改善。

2 铝粉生产技术

铝粉制备技术经过一百多年的研究发展，在规模化生产方面已形成捣冲法、球磨法、雾化法等多种成熟工艺。

2.1 捣冲法

早期的铝粉生产方式是“捣冲法”，把铝碎屑放在捣冲机的凹槽内，捣杵在机械带动下连续冲打凹槽内的铝屑，具有延展性的铝在冲击下逐渐变成薄片并且破碎，当铝屑变得非常微薄细小后，再筛选出符合要求的铝粉作为产品。捣冲法缺点是生产效率很低、产品质量不稳定，且生产过程中粉尘很多、容易起火和爆炸。

2.2 球磨法

在1867年，德国Hamtag使用密闭的球磨机生产制造片状铝粉。球磨法因生产能力大且过程容易控制，使大规模工业化生产成为可能，因此机械球磨法逐渐发展成为铝粉生产的主要方式。铝粉生产工艺与过程由球磨机的结构尺寸、研磨介质种类和运动方式决定，通常在钢制回转圆筒中放入铝块、钢球或钢锻件等研磨介质，由圆筒旋转过程产生的研磨和冲击将铝块粉碎成粉体[13]。

球磨法一般分为干法球磨和湿法球磨。干法球磨的原理是在水平球罐中装入磨球、待加工原料、助剂等在惰性气氛保护下，开机研磨制取份体。张绍波等人[14]通过干法球磨制取片状铝粉中，初始8h铝屑在钢球作用下细碎成层状铝粉，经16h形成单层片状铝粉，25h获得超细铝粉。采用d=16mm钢球比采用d=8mm钢球球磨效率更高，在球磨过程中适当停机冷却获得铝粉平均粒径更小。一般来说，用于指纹鉴定和加气节能混凝土的铝粉常用干法球磨制得。干法球磨由于铝粉在空气中急剧氧化易产生爆炸，参数难以确定，国内在这方面开展的工作相对较少，但用干法球磨生产铝粉有比用湿法球磨成本低、流程简单、生产的铝粉活性更大等优点。

湿法球磨是将球形或类球形金属粉末、研磨介质、助剂及溶剂加入球磨机中将前躯体金属粉挤压成片状[15]。湿式球磨法在金属片状加工过程的能量由球磨机中的磨球与原料粉体的撞击和摩擦提供。随着球磨时间的增加，原料粉体的表面积和比表面能随之增加，粉体颗粒的团聚会有自动降低比表面能的趋势，加入一定量的球磨助剂可降低比表面能，阻止颗粒之间的团聚。因此，球磨过程中球磨机转速、球磨时间和球磨助剂的性质对产品各项指标有重要影响。丁心雄等人[16]采用湿式球磨法制备鳞片状锌铝合金，发现当以球磨时间为9h、球磨机转速为600r/min、以含二乙醇胺-马来酸酐共聚物的复合助磨剂为球磨助剂（添加量为原料的2.5%）时，所制备的鳞片状锌铝合金的片状化程度良好，光亮度高，径厚比为36，粒径分布均匀，平均粒径在9μm左右，能够满足富锌铝涂料要求。湿法球磨制备的片状粉体相对干法制备而言，工艺稍微复杂，但所需的设备简单，产品均匀性好，含氧量低，合格率高。

2.3 雾化法

当前，金属粉末产品采用雾化法生产占比很大，北美生产的60%以上的金属粉末是通过雾化法生产的。雾化法生产金属粉末，可分为水雾化、气体雾化、离心雾化和等离子雾化这四种方法[17]，如图1所示。雾化法是将液体分解成细小液滴再凝固成颗粒的过程，与其他粉末生产的机械或化学方法相比，能够控制粉末的生产速率和所需物理特性。

铝粉雾化工艺流程如图2所示[18]，将一定品位的铝锭预热后投入已升温好的加热炉中，待铝锭化成熔体并达到一定的温度后，在高压气流的作用下将熔体经雾化器喷嘴呈雾状喷出，经冷却后形成不同尺寸颗粒混合的原粉，再经筛分来获取不同颗粒大小规格的铝粉产品。

图1 四种不同的商业雾化方法示意图[17]:(a)气体雾化的顶端,(b)水雾化,(c)等离子体雾化,(d)等离子体旋转电极过程(PREP)

图2 铝粉雾化工艺流程图[18]

气体雾化法[17]是获得接近球形粉末的传统制造工艺，在1872年由英国人Marriott首次获得专利，使用蒸气作为熔融材料的雾化气体。该方法首先是在陶瓷坩埚或水冷铜坩埚中使用电弧或感应线圈熔化合金原料锭，并在此状态下保持一段时间使熔体加热均匀，然后，将熔体以自由落体方式倒入，或通过具有高压差的密闭耐火喷嘴喷射进入雾化室，再由雾化的金属液滴冷却后形成粉末颗粒。高速喷射的雾化气体通常采用氩气或氮气，也可选用空气或氦气。雾化气体的选择取决于粉体成品的性能要求，气体成本、导热性以及与金属熔体是否发生反应。铝粉的工业生产仍主要采用二战期间发明的空气雾化法，并持续发展优化。常政刚等人[19]研究发现雾化氮气压力是影响铝粉颗粒大小的重要因素，雾化压力越大，铝粉的平均粒径越小。

气体雾化法具有工艺过程简易、生产成本较低的特点，然而生产效率不高，高品质球形铝粉制备难度大，并且生产过程比较危险，容易发生爆炸。

水雾化法[20]是将金属熔体液从漏包的底部小孔沿着环形喷嘴中心孔轴线自由落下，高压水由环形喷嘴高速喷出并扬成一定的喷射角，而环形气流形成封闭的圆锥形区域，于顶点交汇后又散开，如图3所示。金属熔液在高速液流作用下分成负压紊流区、原始液滴形成区、有效雾化区、飞行冷却凝固区、颗粒急冷区5个区域。解传娣等人[21]采用雾化工艺制备了铝粉，发现保持其他雾化工艺参数不变，适当的提高水的压力使铝粉细粉量增加、粉末松装密度变大、流动性提高；而随着漏嘴直径的减小，铝粉的细粉率有一个最大值；最佳雾化参数为熔融合金温度950℃，水压15MPa，漏嘴直径5mm。

图3 水雾化过程示意图[20]

等离子雾化是由Pyr-GanesisInc公司和Hydro-Quebec(LTEE)公司联合开发的一种专利技术[22]。等离子体加热法是利用等离子体对铝源（铝棒材或粗大铝颗粒）的加热作用，使其经熔化、气化、冷凝过程形成超细粉。等离子体工艺的生产效率高、设备简单，独特的优点是所得到的粉末颗粒是高度球形化且没有伴生组织，主要源于等离子喷嘴的聚合作用形成长扩展热区，使金属液滴保持足够长时间的熔融状态，从而凭借其表面张力作用形成理想球体。李明利等人[23]通过等离子雾化工艺成功制备粒径为0.1～10μm的超细铝粉，获得的铝粉结晶度和纯度更高，具有更大的活性；并对制备纳米铝粉时防止粉体“拖尾”现象和不规则絮状物产生进行了介绍。

2.4 铝合金粉制备技术

微细球形铝合金粉主要采用气体雾化法制备，该方法也被称为快速凝固法，液态快速凝固可以显著细化晶粒、减少偏析、增加固溶度、产生新的亚稳定结构，能显著改善工程材料的机械特性[24]。微细球形铝合金粉生产过程的熔炼、雾化制粉、冷却及分级采用全封闭的氮气保护，防止空气进入系统，保证了生产安全，同时也有利于提高铝合金细粉的回收率。实践中通过对各项参数（如雾化喷嘴结构和类型、雾化气体压力和速度，雾化氮气质量等）的反复试验来获得适合的粒径范围。

袁晓光[25]等应用联合气体雾化和离心盘雾化法制备Al-Si合金粉末平均粒径为14μm，但颗粒直径小于40μm的粉末占60%，并且颗粒外形极不规则。米成群[26]等制得的微细球形含铜高硅高耐磨铝硅合金粉末，其粒径范围在20～60μm之间，含氧量0.41%，Cu元素加入是用作合金变质剂，减少初生Si相的数量和尺寸。董仁安[27]等以99.85%以上高纯铝和其它高纯度合金元素单质为原料，运用高纯氮气在系统中的高速循环流动迅速冷却，收集得到粉末粒径在1～20μm范围的球形铝合金粉。在铝合金体系中，ALSi12、ALSi10Mg等AL-Si合金应用于增材制造零件技术相对比较成熟，已实现部分工程化应用，但AL-Si系合金增材制造零件的力学性能不高，不能满足高强度应用领域的需求。

也有研究表明添加少量元素Mg、Mn和轻稀土元素Er、Zr、Ti等，经过均匀化处理得到待雾化合金，采用高温雾化介质进行超音速雾化处理可得到优质粉末，能够有效抑制AlMg合金3D打印过程中的裂纹，并且具有显著的细晶和沉淀强化效果[28，29]。

铝合金粉制备中存在的技术难题包括铝粉易氧化、流动性难以实现以及热成型性差等，在一定程度上阻碍了3D打印在航空、汽车批量生产中轻量化应用。解决这些问题对于提高3D打印时的铺粉效果、打印件的性能、丰富铝合金3D打印粉末体系至关重要。许多文献、专利公开了一些制粉方法和铝粉用作3D打印粉的通用成分，但并未筛选优化粉末材料的组成与配比，粉体中的氧含量相对较高、流动性不佳、热成型性问题没有很好的改善，未见有规模化制备超微细铝合金粉（20μm以下）的工艺。

3 铝粉应用前景分析

随着国际竞争的加剧、国内科技进步及产业化升级的加快，以微细球形铝粉为原料的军民两用产品市场不断扩大，微细球形铝粉的制备技术也成为一种常见的金属粉体材料生产技术。同时，铝及铝合金粉产品在轻量化金属零部件、金属颜料、电子浆料、耐火材料、固态储氢材料、高能燃料和军工生产等领域也将具有更为广阔的应用前景（如图4）。

图4 铝及铝合金粉主要应用领域

3.1 金属颜料

作为常规工业原料，随着铝粉加工技术的更新迭代，其使用范畴也随之扩大。但仅仅是超细粉碎和分级技术现已无法达到终端制品对性能的要求，工业产业化的升级，需要铝粉材料具有超细粒度（如微纳米级）和更均匀的粒度分布；同时，需要强化对粉体内在因素（如成分、结构、形貌）的控制，以满足铝颜料某些特别性能的要求。铝粉微细化及纯化已成为行业未来总体的发展方向，例如，纳米片状铝粉材料具有极小的径厚度（30nm～50nm），从而径厚比远高于传统片状铝粉，使其具有更强的光反射能力，并且在涂料中能够均匀水平分布，与传统产品相比，微细化铝粉颜料保护和装饰效果更佳。目前，由于生产过程的高度危险性，纳米片状铝粉颜料的生产工艺仍处于研发阶段，并没有进入工业化应用。

铝粉颜料产品将向环保型、水性化等环境友好方向发展。随着国内生态意识的增强和环保法规的日益严格，更环保的水性涂料将逐步取代传统的溶剂型涂料。传统铝颜料制品用作水性涂料时，未经处理的片状铝粉将会同水分子反应生成大量的氢气，降低涂料的金属光泽和耐候性，因此尽管国际上铝粉水性涂料已有近70年的发展历史，但其新产品研发仍在继续。我国对铝粉水性颜料的研发还处于起步阶段，能够生产高端水性铝颜料的企业寥寥无几，产品的品质以及生产效益也较低[30]。

3.2 电子浆料

电子浆料是制造电子元器件的基础材料之一，是一种新型材料。电子浆料产业链的上游产品，主要是以银粉、铝粉等金属粉末以及陶瓷粉、玻璃粉等无机粉体为原材料。太阳能电池背场用铝浆是新兴的球形铝粉需求市场，对铝粉需求量较大，性能要求较高，价格也高，球形铝粉粒径D50范围为1～10μm。虽然太阳能浆料需求巨大，但国内部分高端市场份额仍被国外企业所占领，因为尽管背银和背铝浆料已基本实现国产化，但与国际领先水平相比依旧存在较大差距。其次，技术壁垒高、附加价值更高的正银浆料主要被杜邦、贺利氏、三星和台湾和硕等企业垄断，这四家企业占据了全球90%的电子浆料市场；国内仅有部分企业处于研发与小批量生产阶段，还未达到大规模生产，因此电子浆料国产化潜力巨大，可为对应的铝粉产品国产化提供较大空间。

市场上，铝电解电容器阳极箔的生产目前有两种工艺。一种是采用减材生产的方式，对高纯铝光箔进行化学腐蚀发坑处理以增加比表面积，在制造方面要求“两高一薄”，即高纯、高立方织构和薄的表面氧化膜；另一种采用增材制造的方式，将铝粉浆料涂覆堆砌（也称涂覆工艺）在减薄的铝箔表面，依靠铝粉层的表面起伏来增加阳极箔比表面积。增材制造方式是近年来研发应用的新兴工艺技术，与传统电化学腐蚀技术获得的阳极箔相比，铝箔两边堆砌的铝粉表面积更加均匀，避免了传统腐蚀技术铝箔内外层孔洞的表面积分布不均的缺点，能够更好地实现铝电解电容器的轻量化和高比电容，并减少传统工艺可能带来的环境污染。国际上，运用浆料涂覆堆砌制备铝电解电容器阳极箔的技术主要掌握在日本东洋铝株式会社等少数跨国公司，虽然近几年国内科研工作者在新型铝电解电容器阳极箔制备技术等方面取得了众多研究成果，但总体上工程化应用仍处于起步阶段。总之，在国家“双碳”战略的背景下，未来10年，电极箔市场需求将随着光伏产业、新能源汽车等新兴市场带来约100亿元/年的增长。

3.3 固体燃料

固体燃料推进器可作为火箭、导弹及各种固体发动机的能量源，其能量转换效率对航空航天器的推力、续航和武器装备的作战能力起关键作用。铝粉已经成为固体推进器里常用的添加原料，除了能起到提升发动机理论比冲、推进剂密度和燃烧温度的作用，还可减缓高频声不稳定燃烧。微米级铝粉添加至固体推进剂中能显著提高推进剂的能力水平，然而微米级铝粉在燃烧时易凝聚，留下的残渣堆积在发动机中，会使燃烧效率和发动机的有效载荷均降低。因此，削弱铝粉凝聚是提高铝粉燃烧效率的重要课题，工业上使用纳米级铝粉将其替代从而改善凝聚现象已得到证实，且具有重要的实用价值。

铝粉作为高能燃料，已经广泛用于火炸药领域。相比普通炸药，含铝粉炸药可反应释放更高的爆热，能大幅度增强炸药的杀伤力和有效射程。纳米铝粉的出现赋予了铝粉添加剂在温压炸药和增强爆炸炸药上的应用潜能，混合炸药成分中加入纳米铝粉，可增加其密实度和比表面积，进而在不改变材料能量密度的前提下，能够显著改善炸药的爆炸性能。

固态储氢含能材料的开发，相对于高压气态储氢和低温液化储氢，是通过氢与材料间的相互作用形成固溶体或氢化物的固态氢储存，由于其具有好的安全性和高的能量密度，被认为是最有发展前景的储氢技术之一。以铝粉为原料的金属铝氢化物（如α-三氢化铝AlH3）及其复合储氢材料，具有贮氢密度高、安全高效及环境友好等优点，可作为航空航天推进器高能添加剂、新型军工特能材料等，但因生产工艺技术复杂，目前仍处于试验研究和应用探索阶段。

3.4 耐火材料

基于氮气雾化铝粉生产耐火材料也是未来铝粉市场拓展的主要方向之一。目前，耐火材料用铝粉主要为空气雾化铝粉，粒径在100μm以上，价格便宜，但规则度差、抗氧化能力不强，造成生产的耐火材料性能不佳、废品率高。与空气雾化铝粉相比，氮气雾化铝粉粒径小且均匀，性能更佳，制成的耐火砖与陶瓷材料硬度高及尺寸稳定性更好，质地精良，但造价成本也更高，现阶段还未得到市场广泛认可。同时，氮气雾化铝粉球形度和致密度高，能够避免加热过程中被点燃和氧化，并提高耐火材料的热稳定性，利于安全生产。

3.5 轻量化金属结构件

“轻量化”是航空航天、新能源汽车、轨道交通等领域重点研究的方向，轻量化材料的使用是实现零部件轻量化的重要手段。传统铝合金加工技术主要采用熔炼、铸造和锻造等工艺，因无法有效解决合金成分组织均匀性问题，难以实现复杂精密铝合金结构件的性能要求和高效生产。粉末冶金及3D打印铝合金结构件可以做到零件致密、组织均匀，具有更加优异的物理、化学及力学性能，因此，铝合金3D打印技术和粉末冶金技术将得到更加广泛的应用。

3D打印和粉末冶金用粉末材料需满足成分均匀、粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求，因此，高纯铝及高性能铝合金粉的制备是3D打印和粉末冶金的关键。目前，国内使用的高性能铝合金粉末材料多依赖进口，种类有限，且价格昂贵，如何攻克制备关键核心技术，降低3D打印及粉末冶金的整体成本，是其拓展应用市场的重要前提。

4 市场展望

当前，铝粉在金属颜料、电子浆料、固体燃料、耐火材料、武器装备及轻量化金属零部件等行业有着较大的发展潜力，并且需求量略大于供给量。同时，随着科技进步推动铝粉制品产业不断升级，工业上对增强铝粉的性能和制备技术有了更高的要求，因此，基于技术创新驱动提高铝粉性能质量和生产效益仍有较大发展空间；另外，随着国际国内产业转移和技术转移转化的加快、“双碳”战略的实施和下游应用领域的不断拓展，国内铝及铝合金粉市场容量到“十五五”末可望突破100亿元/年大关。