中国粉体网讯 数十年来，国内外众多研发机构与大型企业，投入了大量的人力、物力与财力，竞相进行纳米铜粉研发与材料生产、应用研究与市场开发。但由于纳米铜粉粒子超细、表面活性高、非常容易氧化变质，导致了纳米铜粉的制备与规模化生产应用都非常困难，即使采用了当前最先进的工艺技术与装备也难以实现超纯纳米铜粉的大规模生产。
目前全球只有日本三井与福田，美国ECKA、智利Tanchile等不到十家企业在小批量生产纳米铜粉，市场价格奇高，2021年《中国军转民》杂志上一篇文章曾提到智利某企业卖给韩国的片状纳米铜粉每公斤竟超过100万美元，主要用于军工领域的发动机与运转设备的润滑抗磨修复剂、航天领域的炸药增效剂与火箭催进剂以及特种高端领域，成为国家战略储备物资。
住友铜粉
先进制造业 “新宠”：纳米铜粉的多元应用
润滑油添加剂
通过在润滑油中均匀分散超细纳米铜粉，形成稳定的悬浮液，成为一种新型润滑技术。这种添加剂每升含有数百万纳米铜粒子，能在重载、低速、高温振动等极端工况下，通过与固体表面结合，构筑致密光滑的防护层，同步填补微小划痕，使摩擦系数显著降低。
其核心优势体现在三方面：一是抗磨减摩性能突出，添加至发动机润滑油后可降低启动电流、提升缸压；二是形成自修复保护膜，使装备在润滑系统故障时仍能短时安全运行，具备重要军事价值；三是赋予非导电润滑油脂导电特性，应用于大电流接触点可有效抑制电弧产生。
导电材料
导电浆料作为电子封装技术中的关键材料，具备良好的导电性能和黏结能力，使用方便。由纳米铜粉作为导电相的浆料在烧结过程中有机溶剂相不断挥发，不同铜颗粒之间相互接触并融合，最终实现烧结并导电。同时，铜浆在芯片贴片中也承担着散热和固定的作用。在芯片封装过程中，铜浆可以与散热片结合使用，形成高效的散热系统。铜浆由于其高导热性，能够迅速将芯片产生的热量传导到周围环境中，从而有效降低芯片的工作温度。这种机械连接确保了芯片在设备运行过程中的稳定性和可靠性。
在第三代半导体封装互连领域，亟需一种能满足低温互连、高温服役的互连材料。纳米金属烧结后具有近似块体金属的良好导电导热性，进而成为半导体封装互连领域研究热点。常用的纳米金属材料为纳米银粉和纳米铜粉，纳米银粉有较强的电迁移能力，会影响互连材料的可靠性；纳米铜具有抗电迁移能力，且成本低，其导电导热性跟纳米银粉差不多。
在印刷电子领域，理想导电油墨需兼顾制备便捷性、存储稳定性、喷墨适配性及电导率与成本平衡，纳米铜粉以其独特物理特性，成为制备高性能导电油墨的首选金属材料。
催化剂
超细纳米铜粉在冶金、石油化工领域展现出优异的催化性能，是因为其有着高比表面积与丰富的表面活性位点。其非多孔结构避免了反应物内扩散受限引发的副反应，因此明显提升了催化效率。例如，在聚合物的加氢/脱氢反应中，纳米铜粉催化剂展现出优异的活性与显著的选择性。具有疏松结构的纳米铜粉能够促进硅和氯甲烷气体的反应进程，其催化活性十分出色；纳米铜粉在制备导电纤维时，能对乙炔的聚合反应起到有效的催化作用，使聚合率提高；在汽车尾气净化处理中，纳米铜粉可部分替代铂、钌等贵金属催化剂，将有毒的CO、NO转化为CO2、NO2。
抗菌材料
纳米铜具有仅次于纳米银的抗菌杀菌能力，同时价格低廉、制备容易、生物毒性低，近年来受到广泛关注。据研究报道，纳米铜的抗菌性能与其粒径形貌有很大关系；不同形貌的纳米铜针对的菌群也有差异，球形铜纳米晶对葡萄状穗霉菌有很好的杀菌效果，花状纳米铜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌都有优异的杀菌抑菌作用，而铜纳米棒对粪链杆菌和革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌、大肠杆菌均有很好的抗菌效果。
制约纳米铜粉规模化的关键技术问题
2024年，中国粉体网曾报道：获得科技部立项的由华北电力大学专家牵头承担的“十四五”国家重点研发计划专项“超纯纳米铜粉制备及应用关键技术”项目启动。总经费约4030万元的该项目致力于“突破超纯纳米铜粉可控制备、表面抗氧化和抗团聚关键技术，实现超纯纳米铜粉批量化生产”。
据华北电力大学的研究人员介绍，微纳米铜粉应用的关键在于满足形貌和表面结构要求的粉末制备，颗粒尺寸越小，其形貌、尺寸分布、材料稳定性、氧化性、分散均匀性等都存在较大难度，尤其对于纳米粒子，其表面能高，极易团聚，与银和金相比，铜的还原电位较低、更容易被氧化，进而导致电迁移性能出现极大下降，因此铜基纳米晶体制备难度极大。此外，微纳米铜粉的规模化应用还需要解决放大效应存在的关键技术问题以及工艺的成本难题等。
据中国粉体网了解，纳米铜粉的制备方式包括液相还原法、电沉积法、球磨法和气相沉积法；其他方法还包括等离子体法、辐照法、模板法、相转移法、热溶剂法等，然而这些方法都存在一些问题，目前还不存在工业应用的潜力。
据中国有研科技集团有限公司金属粉体材料产业技术研究院的研究人员介绍，液相还原法是最常用也是最具有工业前景的制备方法，液相还原法利用氧化还原反应的机制，在液相或接近液相时，反应物在还原剂的作用下发生化学反应，从而制备出微纳米颗粒。一般是在常压或水热条件下，还原剂将可溶性铜盐中的Cu2+还原成Cu原子，通过调整反应条件可以控制纳米铜粒子的粒径和形貌，极具应用前景。
据金属粉体材料产业技术研究院的研究人员分析，现阶段纳米铜粉制备和应用存在的关键技术问题包括：
（1）形貌粒度均匀性较差
以液相还原法制备微纳米铜粉为例，其影响因素是多方面的，同一工艺条件下微小的变动便可导致形貌粒度的差异，在进一步放大时由于放大效应的存在表现出与实验室不同的结果，根源是对成核长大机制认识不清晰不明确，多停留在表面制备工艺的试错与重复，需进一步加强对原理基础的探究，以实现纳米铜粉的可控制备。
（2）团聚严重分散性差
微纳米铜粉由于铜的高活性和大的比表面积，极易在制备和保存过程中发生团聚导致其分散性变差，团聚后的粉末颗粒失去了原有单分散颗粒的特性，致使应用性能变差，在催化应用领域如何保证在极小的粒径尺寸下不团聚是关键。
目前常采用一些有机物作为保护剂提升其分散性，但不同有机物对分散性的提升效果不同，针对有机物与铜和溶液环境之间的作用方式尚有待进一步挖掘。
（3）易氧化问题
纳米铜的比表面积大、表面活性高，在空气中，很容易在短时间内被氧化，而氧化铜会影响纳米铜在烧结过程中烧结颈的形成，从而影响纳米铜的烧结性能，所以氧化后的纳米铜会极大地影响半导体封装互连的性能。因此，解决纳米铜粉的氧化问题，是纳米铜粉成功应用于第三代半导体互连领域的关键。
目前的方法通常是采用包覆的方式在铜粉颗粒表面形成一层有机、无机或金属薄膜以阻碍水和氧的侵蚀减缓氧化，但包覆层的存在又会降低导电导热性，削弱了铜本身的性能优势，因此未来的研究需要着眼于制备—存储—应用的协同化发展，降低不良影响。
参考来源：
[1]罗文博等：微纳米铜粉的制备研究进展，华北电力大学先进材料研究院
[2]周家璇等：超细纳米铜粉的研究进展，西安航天新能源装备科技有限公司
[3]陈梓源：面向第三代半导体封装互连纳米铜粉的抗氧化及烧结性能研究，广东工业大学
[4]万荣春等：微纳米球形铜粉及其延伸材料在船舶制造中的应用，渤海船舶职业学院
[5]柯鑫等：微纳米铜粉的液相还原法制备及抗氧化研究进展，中国有研科技集团有限公司金属粉体材料产业技术研究院
[6]王一帆等：纳米铜粉的制备方法及其在电子封装行业的应用，中南大学冶金与环境学院
[7]中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/平安）
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