???? 超細(xì)銅粉由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性能、低價(jià)易得、化學(xué)穩(wěn)定性較好等特點(diǎn),與金、銀、鋁、鐵、鋅等金屬相比有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),目前在導(dǎo)電涂料、聚合物防靜電填料、高能電容材料、微電子材料、電磁屏蔽材料等多方面都有應(yīng)用。不過超細(xì)銅粉也有著明顯的不足:首先,銅粉粒徑越小越易被氧化腐蝕,而銅粉一經(jīng)氧化就失去了許多優(yōu)異的性質(zhì)如導(dǎo)電性能;其次,由于表面界面效應(yīng)超細(xì)銅粉顆粒容易團(tuán)聚;再者,銅粉在高分子聚合物中的分散性也不理想。這些不足嚴(yán)重限制了超細(xì)銅粉的深入廣泛應(yīng)用。因此,在不影響導(dǎo)電性的前提下,削弱顆粒團(tuán)聚性,增強(qiáng)微粒抗氧化性,提高其與有機(jī)物、高分子的親合性是眾多表面改性方法的方向。 1 表面改性方法 超細(xì)銅粉的表面改性主要有兩大類方法:一為表面轉(zhuǎn)化[1],它是用物理化學(xué)方法處理表面,使材料本身組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使性能得到改變,常見的技術(shù)有磷化,鈍化,輻射處理,超聲處理,熱處理等。該類技術(shù)可以用于提高超細(xì)銅粉的耐腐蝕抗氧化、分散等性能,,不過它們應(yīng)用到超細(xì)銅粉改性方面的實(shí)例尚不多。二為表面包覆法,它是用合適的物質(zhì)將粉體包覆,以賦予或加強(qiáng)基材的一些物理化學(xué)性質(zhì)。如果考慮到保持銅粉優(yōu)良的導(dǎo)電性,現(xiàn)有已見的包覆材料有金屬、偶聯(lián)劑、導(dǎo)電聚合物、緩蝕劑及表面活性劑、無機(jī)半導(dǎo)體等,其中金屬,偶聯(lián)劑,表面活性劑及緩蝕劑已有文獻(xiàn)報(bào)道用于超細(xì)銅粉的包覆,導(dǎo)電聚合物半導(dǎo)體金屬及金屬氧化物尚少應(yīng)用。本文將按此分類方法介紹各種已經(jīng)應(yīng)用于或者有可能應(yīng)用于超細(xì)銅粉表面改性的方法技術(shù)及其最新進(jìn)展,以期指出超細(xì)銅粉表面改性的研究發(fā)展方向。 表面轉(zhuǎn)化法: 磷化。磷化【2】是用含磷酸、磷酸鹽和其他金屬鹽溶液處理金屬,使金屬表面通過化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生完整的、具有中等防腐蝕作用的磷酸鹽層的過程[?]。為了提高磷化保護(hù)膜的致密性,通常在磷化液中加入氧化劑,如亞硝酸鈉、硝酸鈉和雙氧水。磷化工藝簡單,處理方便,在已有成熟的化學(xué)表面轉(zhuǎn)化處理工藝中,占有重要地位。該技術(shù)在超細(xì)銅粉表面處理中仍然適用。劉志杰等【3】發(fā)現(xiàn)經(jīng)磷化后的銅粉具備高于220℃的抗氧化性能。用該法對(duì)處理超細(xì)銅粉優(yōu)點(diǎn)是可以提高銅粉的耐候性,但處理后銅粉外觀,導(dǎo)電性均會(huì)受到影響。 鈍化。鈍化又稱鉻酸鹽處理【4】,它是指使金屬表面轉(zhuǎn)化成為鉻酸鹽為主要組成的膜的工藝,實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化所用的介質(zhì)一般是以鉻酸、堿金屬的鉻酸鹽或重鉻酸鹽為基本成分的溶液[?]。銅件經(jīng)鈍化處理后可以得到耐蝕性良好的轉(zhuǎn)化膜,典型的工藝是將銅在重鉻酸鈉(180 g/L)、氯化鈉(10 g/L)、硫酸鈉(50 g/L)、硫酸(6 mL/L)混合溶液中18~25℃下處理5~15 min。盡管目前仍未見鈍化技術(shù)應(yīng)用于超細(xì)銅粉表面改性的報(bào)道,但經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)后應(yīng)亦可用于提高超細(xì)銅粉的耐蝕性。 物理表面修飾【5】。常見的物理表面修飾有超聲、輻射、熱處理等技術(shù)。超聲波可產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)及對(duì)介質(zhì)空化,使材料的特性和狀態(tài)發(fā)生變化。低頻超聲波在降低表面張力方面有一定效應(yīng)。輻射技術(shù)是用高能射線與物質(zhì)相互作用,在極短的時(shí)間內(nèi)把自身的能量傳遞給介質(zhì),使介質(zhì)發(fā)生電離和激發(fā)等變化,從而產(chǎn)生各種效應(yīng)。研究表明經(jīng)過輻射處理后一些物質(zhì)接觸角有變大的趨勢(shì)。這些技術(shù)有望用于削弱超細(xì)銅粉自團(tuán)聚以及增強(qiáng)其在高分子聚合物中的分散性。 表面包覆法: 表面鍍金屬。采用化學(xué)鍍、真空蒸鍍等方法在銅粉表面鍍上導(dǎo)電性好的惰性金屬如金、銀或鈦可以防止銅粉氧化,并保持原有金屬粉末的高電導(dǎo)性。 鍍銀:鍍銀處理超細(xì)銅粉研究比較多比較成熟,主要有置換法和還原法。置換法是將銅粉加入到銀離子溶液中,通過銅自身的還原作用使銀在銅粉表面生成從而包覆銅粉。通過向反應(yīng)液中加入一些絡(luò)合劑如氨鹽使其與銀離子絡(luò)合控制反應(yīng)速度可以使鍍層均勻。本法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得結(jié)構(gòu)均勻、厚度可控的包覆層。不過研究發(fā)現(xiàn)該法也有不足【6】,超細(xì)銅粉的表面積極大,反應(yīng)中會(huì)吸附大量的反應(yīng)產(chǎn)物銅氨配離子,阻礙置換反應(yīng)的進(jìn)行,致使一次鍍銀反應(yīng)只能得到點(diǎn)綴結(jié)構(gòu)的銅銀雙金屬粉;而點(diǎn)綴結(jié)構(gòu)的鍍層又使體系中形成大量的微電池,微電池反應(yīng)的結(jié)果使得鍍層變?yōu)槎喾肿訉?。還原法是外加還原劑使欲鍍金屬還原。沒有銅離子生成從而消除了鍍銀銅粉表面吸附的銅氨配合物的影響,制得包覆結(jié)構(gòu)的銅銀雙金屬粉。有研究用甲醛還原銀氨絡(luò)合離子制備鍍銀銅粉【7】,另有用酒石酸鉀鈉作還原劑,制得了包覆效果良好的鍍銀銅粉【8】。 包覆后抗氧化效果與鍍銀量有關(guān),研究發(fā)現(xiàn)35μm球狀銅粉表面銀含量達(dá)到15.22%具備常溫抗氧化性,達(dá)38.84%時(shí)具備250℃抗氧化性,93.53%時(shí)具備700℃抗氧化性【9】,3.4μm球狀銅粉包覆銀含量超過20%時(shí)具備150℃抗氧化性【8】。枝狀銅粉(35μm)表層銀含量達(dá)45.05%才有常溫抗氧化作用,隨著銀含量的提高其抗氧化溫度也有提高趨勢(shì)【10】。 鍍銀主要優(yōu)點(diǎn)前已敘及,該法不足在于不能削弱顆粒團(tuán)聚性,提高其與有機(jī)物、高分子的親合性,此外該法成本也比較高。 滲鈦:滲鈦是國內(nèi)外十分重視的研究課題,目前在大尺寸物質(zhì)方面應(yīng)用較多。有固體滲、液體滲、氣體滲、感應(yīng)加熱膏劑滲、粉末滲等方法。在應(yīng)用于大尺寸銅基改性的實(shí)例中,通過固體滲鍍技術(shù)將銅基片表面滲鈦。結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲鈦后表面分三層,最外為含α-Ti Ti2Cu的β-Ti層,中間為TiCu、Ti2Cu層,內(nèi)層為鈦在銅中摻雜結(jié)構(gòu)。三層厚約30μm,該表層增進(jìn)了基片在700℃下的抗氧化性【11】。滲鈦銅耐蝕性可以與鈦相當(dāng),而其導(dǎo)電性基本未變。但粉體滲硅尚需新的技術(shù)支持。張躍飛等【12】介紹了加弧輝光離子滲鍍技術(shù)可以為銅粉的改性提供參考。 偶聯(lián)劑包覆。偶聯(lián)劑理包覆處理,可以提高銅粉與有機(jī)聚合物的親和力,改善其機(jī)械性能,電、磁、氣性能以及耐候、耐水性能,難燃分散性,加工性和抗氧化等性能。其基本過程首先是Si—X水解生成多羥基化合物,隨后一方面Si—OH 之間脫水縮合成含Si—O—Si的低聚硅氧烷,另一方面,硅烷與基材表面羥基脫水縮合形成共價(jià)鍵,隨著水解縮合的不斷進(jìn)行,基材逐漸被包覆【13】。偶聯(lián)劑包覆主要有以下五種技術(shù)工藝:(1)干式處理;(2)漿料處理;(3)噴霧處理;(4)直接整體摻混和;(5)母料法整體摻混【14】。常見偶連劑有硅烷偶連劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑。 G.Kane Jennings等【15】用自組裝技術(shù)在銅表面先形為一層長鏈硫醇(alkanethiol)膜,再由偶聯(lián)劑包覆處理最終形成了雙層包膜結(jié)構(gòu)。改性后銅在干濕環(huán)境中都有良好的抗氧化腐蝕性。閏軍【16】等用干式處理法、直接整體摻混和法用兩種硅烷偶聯(lián)劑處理銅粉并對(duì)其導(dǎo)電性能進(jìn)行了研究,探討了不同型號(hào)偶聯(lián)劑處理銅粉的差別。李正莉等采用直接整體摻混和法【17】用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)銅粉進(jìn)行表面處理。 用偶連接包覆有很多優(yōu)點(diǎn)但也有不足,由于形成的包覆層導(dǎo)電性差,制得的復(fù)合粒子導(dǎo)電性較包覆前將有所降低【18】。 導(dǎo)電聚合物及其它聚合物包覆。經(jīng)導(dǎo)電聚合物包覆后的復(fù)合粒子抗氧化性、耐腐蝕性有所改進(jìn),與有機(jī)物親和力較強(qiáng),表面能比較小不易團(tuán)聚,而且由于導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性,復(fù)合粒子的電導(dǎo)性沒有太大損失。 常見的導(dǎo)電聚合物有聚苯胺(PAn)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)等。常用的技術(shù)有溶解涂覆、化學(xué)沉淀、原位聚合【19-20】等。溶解涂覆是將聚合物或摻雜后的聚合物溶于某種溶液,將預(yù)處理物質(zhì)在該溶液中浸泡一段時(shí)間后取出烘干,使溶質(zhì)析出涂覆于基材表面的技術(shù)。包覆厚度可以通過浸泡條件及浸泡次數(shù)控制。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是能溶解導(dǎo)電聚合物的溶劑不多。有實(shí)驗(yàn)旨在合成水溶性PAn【21-23】和PPy【24-26】,將進(jìn)一步擴(kuò)展該法的應(yīng)用?;瘜W(xué)沉淀是將基材放入聚合物單體的溶液中,然后加入引發(fā)劑使單體聚合,生成的聚合物沉積在金屬顆粒表面將其包覆,最后再對(duì)聚合物摻雜以提高其導(dǎo)電性。原位聚合是將聚合物單體分散于顆粒表面然后再使表面單體聚合【27】,或者先用引發(fā)劑包覆基材,然后在單體溶液中使單體在基材表面聚合【28】。另外為使聚合物更好地包覆金屬粒子有實(shí)驗(yàn)先用偶連劑對(duì)金屬粒子進(jìn)行處理然后再包覆導(dǎo)電聚合物。目前該方面的研究尚不多,W. Prissanaroon等用電化學(xué)沉淀法制備了聚吡咯包覆的銅電極【29】,Vandana Shinde等用循環(huán)伏安法制備了聚茴香胺包覆表面的銅基【30】,可以為進(jìn)一步用聚合物包覆銅粉提供參考。Vandana Shinde等制備了聚鄰甲基苯胺包覆的銅粉。研究結(jié)果顯示聚甲基苯胺與銅粉結(jié)合牢固。復(fù)合物在抗氧化耐腐蝕方面均強(qiáng)于未處理銅粉,其在氯化物環(huán)境中更有顯著的抗腐蝕性。【31】 導(dǎo)電聚合物包覆有許多預(yù)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。但目前這方面的理論尚不成熟,沒有明確的理論指導(dǎo),同時(shí)包覆后的粒子最高使用溫度在200℃左右,滿足不了高溫抗氧化要求。 其它聚合物包覆主要作用是改善銅粉抗氧化、耐腐蝕性。Jeonghwan Kim等用機(jī)械球磨技術(shù),先后加入聚酰胺、蓖麻油脂與銅粉一起研磨,最終形成兩種物質(zhì)共包覆的復(fù)合物。改性后銅粉抗氧化性得到了提高。【32】 緩蝕劑處理。在腐蝕介質(zhì)中添加少量 (1%左右)阻止基體腐蝕繼續(xù)進(jìn)行的介質(zhì)稱為緩蝕劑。緩蝕劑種類很多,已用于銅粉改性的有咪唑化合物和有機(jī)酸。咪唑化合物與金屬銅有很好的配位反應(yīng)活性,能瞬間吸附在銅表面,生成致密的防氧化、抗腐蝕薄膜。該法的優(yōu)點(diǎn)是處理過后銅在空氣、水或弱酸、稀堿中具有耐腐蝕性。水中存儲(chǔ)100天不被氧化【33】,強(qiáng)酸強(qiáng)堿中完全不腐蝕時(shí)間最長可達(dá)數(shù)十小時(shí)【34】。其與銅粉表面作用是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),主要經(jīng)歷了三個(gè)階段,最終形成了以一價(jià)銅粉絡(luò)合物為主的保護(hù)薄膜【35】。另外咪唑化合物種類很多,對(duì)含烷基支鏈苯駢三氮唑(BTA)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),烷基支鏈長短對(duì)銅的在NaCl溶液和NaClO3溶液中的抗蝕效果有一定影響【36】。有機(jī)酸是另一種常用緩蝕劑,具體用油酸鈍化銅粉可以使銅粉具備較好的抗氧化性和分散性。用該法處理的超細(xì)銅粉有良好的分散性和抗氧化性【37】,但處理后銅粉導(dǎo)電性下降,同時(shí)將處理后銅粉用于環(huán)氧-聚酰胺樹脂中抗氧化能力也比較差【17】。因此用油酸處理比較適合于銅粉的存儲(chǔ)。 表面活性劑處理。經(jīng)表面活性劑處理后的銅粉表面能減小,表面由親水性變?yōu)橛H油性的,從而可以改善其與有機(jī)物的親和性,提高它在塑料、橡膠、膠粘劑等高聚物基復(fù)合材料填充時(shí)的相容性和分散性【38】;另外,表面活性劑包覆可以使銅粉與空氣隔絕,也能起到一定的抗氧化作用。金壽日等【39】用油酸醇蒸汽對(duì)超細(xì)銅粉進(jìn)行表面處理,使其表面包覆一層致密的膜,樣品再經(jīng)真空燒制最終得到導(dǎo)電性膜,改善了銅粉的抗氧化和分散性能。 無機(jī)半導(dǎo)體包覆。 滲硅:滲硅目前用于超細(xì)銅粉改性的報(bào)道尚不多,但已有文章在400~500℃下使硅烷氣體分解制備了包覆結(jié)構(gòu)的大尺寸銅件【40】。滲硅處理能增加銅件的耐磨性,同時(shí)使其具備常溫及高溫抗氧化性【41】。該法經(jīng)改進(jìn)后有望實(shí)現(xiàn)對(duì)超細(xì)銅粉的改性,形成耐磨,耐腐蝕,具有高溫抗氧化性而且導(dǎo)電性良好的復(fù)合超細(xì)粉末。 半導(dǎo)體化合物包覆:可用于包覆的半導(dǎo)體氧化物很多,比如炭化硅、二氧化鈦、三氧化鉻、三氧化鐵、氧化鋅等。用這些物質(zhì)包覆的銅粉在保持較高導(dǎo)電性前提下可以使銅粉具備高溫抗氧化性,同時(shí)也能改變金屬表面活性,方便進(jìn)一步處理。可以實(shí)現(xiàn)這方面包覆的技術(shù)也很多,如溶膠-凝膠法、沉淀法、非均相成核法、乳液法等。但具體實(shí)現(xiàn)對(duì)銅粉的實(shí)例不多。V.D.Stankovic等將半導(dǎo)體MoS2、C、SiC 、Al2O3包覆于銅基片表面,并對(duì)包覆后表面結(jié)構(gòu)形貌,表面硬度,及包覆后伸展性進(jìn)行了研究,可以為銅粉處理提供參考。【42】 3 結(jié)語 針對(duì)同樣的目的,用于實(shí)現(xiàn)的方法、技術(shù)很多,超細(xì)粒子的改性與大尺寸改性不同,根據(jù)其差異,可將表面改性方法技術(shù)大致分為三類:一、完全針對(duì)大尺寸物質(zhì),不能用來實(shí)現(xiàn)超細(xì)粒子表面改性的技術(shù),如電鍍、熱噴涂、堆焊等;二、針對(duì)大尺寸物質(zhì)但改進(jìn)后可以應(yīng)用于超細(xì)粉末的技術(shù),如化學(xué)涂鍍,氣相沉淀包覆等;三、針對(duì)微細(xì)粒子改性的技術(shù),如微乳液法、超臨界膨脹法等。文中敘及的超細(xì)銅粉表面改性的兩類方法,表面轉(zhuǎn)化涉及到的技術(shù)方便、易行,在大尺寸物質(zhì)改性方面已廣泛成熟應(yīng)用,不過較少見用于微細(xì)粒子改性方面的實(shí)例,屬于可以改進(jìn)后應(yīng)用于超細(xì)粉體改性的技術(shù);表面包覆中的一些方面研究較多技術(shù)成熟如化學(xué)鍍銀、偶聯(lián)劑處理,另一些方面尚未有很多研究,有待進(jìn)一步開發(fā)研究以拓展銅粉的應(yīng)用范圍??偟膩碚f對(duì)于超細(xì)銅粉改性,目前的理論、方法、技術(shù)還不完善,有很大研究的余地。因此,對(duì)于銅粉表面改性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究,在實(shí)際應(yīng)用與理論研究方面都有很大的意義。 引文: 【1】錢苗根,姚壽山,張少宗.現(xiàn)代表面技術(shù)﹒北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994 【2】鄧舜揚(yáng).金屬防腐蝕對(duì)話.北京:冶金工業(yè)出版社,1987.153 【3】劉志杰,等.超細(xì)銅粉表面磷化及抗氧化性能研究 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào) 1996.6 【4】李金桂.防腐蝕表面工程技術(shù). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.1.55~59 【5】毋偉,陳建峰,盧壽慈.超細(xì)粉體表面修飾.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.3.70~77 【6】高保嬌,蔣紅梅,張忠興﹒用銀氨溶液對(duì)微米級(jí)銅粉鍍銀反應(yīng)機(jī)理的研究﹒無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2000.7 【7】鐘蓮云,吳伯麟,賀立勇﹒導(dǎo)電涂料用片狀鍍銀銅粉的研究﹒涂料工業(yè),2003.9 【8】Xinrui Xu, etc﹒Electroless silver coating on fine copper powder and its effects on oxidation resistance﹒Materials Letters 57 【9】高保嬌,等﹒微米級(jí)銅-銀雙金屬粉鍍層結(jié)構(gòu)及其抗氧化性﹒物理化學(xué)學(xué)報(bào),2000.4,16(4) 【10】程原,高保嬌,梁浩﹒微米級(jí)鍍銀銅粉復(fù)合導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電性研究﹒應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2001.9 【11】M.R. 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