CN105018770A - 一种多孔金属材料的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种制备具有三维通孔结构的多孔金属材料的制备工艺及其应用，其特征在于：在真空环境中，使合金中一种或一种以上易挥发合金元素挥发，最终形成多孔纯金属或多孔合金。该工艺方法简单，制备成本低，所得金属孔隙率可以调节，可广泛应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保或建筑等领域。

Description

一种多孔金属材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于金属材料加工制备领域，涉及一种新型多孔金属材料的制备方法及应用。

背景技术

多孔金属的显著特征是其内部具有大量的孔隙，这些内部孔隙使多孔金属材料具有诸多优异的特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、换热散热能力高、吸声性好、渗透性优、电磁波吸收性好等等。多孔有机高分子材料强度低且不耐高温，多孔陶瓷则质脆且不抗热震，因此多孔金属材料被广泛应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保、建筑等行业的分离、过滤、催化、电化学过程、消音、吸震、屏蔽、热交换等工艺过程中，制作过滤器、催化剂及催化剂载体、多孔电极、能量吸收器、消音器、减震缓冲器、电磁屏蔽器件、电磁兼容器件、换热器和阻燃器等。

目前金属多孔材料的制备方法有熔体发泡法，固体-气体共晶凝固法，粉体发泡法，熔铸法，喷雾发泡法，金属粉末或纤维烧结法，海绵浸浆烧结法，电沉积法，气相沉积法等等。近些年脱合金法也成为一种制备纳米多孔材料的方法，主要通过选择性腐蚀，可以制备出纳米多孔铂、纳米多孔钯、纳米多孔钛以及纳米多孔铜等。但是此方法属于脱合金腐蚀，用于制备多孔金属材料一般都是在金属材料表层进行，难以制备大块材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备具有三维通孔结构的多孔金属材料的制备工艺及其应用。

本发明具体提供了一种多孔金属材料的制备方法，其特征在于：在真空环境中，使合金中一种或一种以上易挥发合金元素挥发，最终形成多孔纯金属或多孔合金。

本发明的基本原理是利用合金中一种或一种以上易挥发合金元素(造孔元素)在特定的温度区间相对较高的蒸汽压(至少同一处理温度下高三个数量级以上)，通过持续高真空使其逐渐挥发，最终形成多孔纯金属或合金。因此，采用的原材料必须是合金，而且其中至少有一种造孔元素，造孔元素相对合金中基体元素具有相对较高的蒸汽压，且造孔元素能够和基体合金元素形成均匀的合金或固溶体，合金中造孔元素的含量需要控制在20at.％-80at.％以形成不同的孔隙率，最后使造孔元素在低于合金熔点温度以及持续高真空的条件下挥发。

本发明所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于，为了节约能源和提高效率，所用合金的厚度最好控制在0.005-1000mm之间，将合金在200℃-1200℃、真空度小于10Pa条件下根据合金厚度保温0.1小时以上，使易挥发合金元素逐渐挥发。

本发明所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于，制备过程为：采用市售合金或自制合金，要求该合金中至少含有一种或一种以上易挥发合金元素；根据不同合金的熔点以及不同易挥发合金元素的蒸汽压特点，将合金在低于合金熔点温度下，通过持续高真空使易挥发合金元素从合金中脱出，真空度建议保持在10Pa以下，最终形成多孔纯金属或多孔合金；其中，所述易挥发合金元素要求其蒸汽压比合金中基体元素的蒸汽压高(在同一处理温度下至少高三个数量级以上)，且能够与基体合金元素形成均匀的合金或固溶体。

造孔元素必须根据所制备多孔金属的特点选择，例如铁基合金或镍基合金等熔点高于1200℃的合金均可以选择锰元素作为造孔元素，而铜合金可以选择锌、锶、镉等合金元素作为造孔元素。

制备多孔金属材料的原始合金材料可以采用冶炼、粉末冶金等方法制备，使用前需将合金表面抛光去氧化皮，也可以通过表面离子镀、喷涂等表面处理方法在普通合金表面制备以上所述的合金层，通过本工艺获得表面多孔的梯度材料。也可以采用本发明处理工艺将粒度大于10微米以上的合金粉末制备成多孔合金粉末或球体。

采用本发明所述方法制备的多孔金属材料，其孔径分布为0.01-100微米。

本发明所述方法可应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保或建筑领域的分离、过滤、催化、电化学过程、消音、吸震、屏蔽、热交换工艺过程中，用于制作过滤器、催化剂及催化剂载体、多孔电极、能量吸收器、消音器、减震缓冲器、电磁屏蔽器件、电磁兼容器件、换热器和阻燃器等。

本发明的优点在于：

(1)、真空热处理工艺成熟，可以进行规模化生产，不仅可以制备大尺寸块体，还特别适用于制备超薄金属箔片和10mm以下球体。

(2)、采用本工艺制备的三维多孔纯金属或合金具有通孔结构，孔隙率可以根据合金比例调节。

(3)、采用本工艺也可以制备表面多孔的梯度材料或多孔粉体材料。

(4)、本发明制备的多孔纯金属或合金，可以用于电池集电体、分离、过滤、催化、消音、吸震、屏蔽、热交换等领域。

附图说明

图1实施例1获得的三维多孔纯铜图片(2μm)。

图2实施例3获得的三维多孔铜合金图片(2μm)。

图3实施例4获得的三维多孔镍合金图片(5μm)。

图4实施例5获得的三维多孔不锈钢合金图片(10μm)。

图5实施例6获得的三维多孔硅合金图片(5μm)。

具体实施方式

以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

如无特殊说明，本实施例中所有百分数均表示原子百分比。

实施例1

采用市售62黄铜，制备成20×20×1mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在600℃保温持续高真空3小时，真空度控制在10Pa以内，获得三维多孔纯铜(图1)，孔径为1-3微米，孔隙率为20％左右。

实施例2：

采用市售62黄铜，制备成20×20×1mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在800℃保温持续高真空2小时，真空度控制在10Pa以内，没有获得多孔纯铜，经能谱分析发现，尽管黄铜中锌已被完全脱掉，但是样品表面仅有很少量小孔，分析原因为处理温度过高，铜合金表面形成的小孔经过扩散逐渐融合，因此制备多孔金属必须根据不同的合金选择合适的处理温度。

实施例3

采用自制的40硅黄铜(含锌60％，含硅3％)，采用石墨坩埚在热处理炉内熔化配制好的纯铜，纯锌和纯硅，浇铸后锻造成块体，然后线切割成10×15×1mm薄片，砂纸磨光到0.8mm厚，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在500℃保温1小时，真空度控制在10Pa以内，获得三维多孔铜硅合金(图2)，孔径为1-8微米，孔隙率为40％左右。

实施例4

采用自制镍锰合金(70％锰含量)，采用真空感应炉熔炼配制好的纯镍和纯锰，浇铸后直接从铸锭上线切割成10×15×1mm薄片，砂纸磨光到0.8mm厚，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在900℃保温1小时，真空度控制在10Pa以内，获得三维多孔纯镍(图3)，孔径为2-10微米，孔隙率为40％左右。

实施例5

采用自制高锰316不锈钢(50％锰含量)，采用真空感应炉熔炼配制好的316不锈钢和纯锰，浇铸后直接从铸锭上线切割成10×15×1mm薄片，砂纸磨光到0.8mm厚，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在1000℃保温1小时，真空度控制在5Pa以内，获得三维多孔不锈钢(图4)，孔径为2-15微米，孔隙率为50％左右。

实施例6

采用自制硅锰合金(锰含量60％)，采用真空感应炉熔炼配制好的纯硅和纯锰，浇铸后直接从铸锭上线切割制备成10×5×1mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在900℃保温持续高真空2小时，真空度控制在10Pa以内，获得三维多孔硅(图5)，孔径为2-10微米，孔隙率为15％左右。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多孔金属材料的制备方法，其特征在于：在真空环境中，使合金中一种或一种以上易挥发合金元素挥发，最终形成多孔纯金属或多孔合金。

2.按照权利要求1所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于：使合金中易挥发合金元素在低于合金熔点温度以及持续高真空的条件下挥发。

3.按照权利要求1所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于，制备过程为：采用市售合金或自制合金，要求该合金中至少含有一种或一种以上易挥发合金元素；将合金在低于合金熔点温度下，通过持续高真空，真空度小于10Pa，使易挥发合金元素逐渐挥发，最终形成多孔纯金属或多孔合金；

其中，所述易挥发合金元素要求其蒸汽压在同一处理温度下比合金中基体元素的蒸汽压高三个数量级以上，且能够与基体合金元素形成均匀的合金或固溶体。

4.按照权利要求1～3任一所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述易挥发合金元素占合金的原子百分比控制在20％-80％之间。

5.按照权利要求1～3任一所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所用合金的厚度控制在0.005-1000mm，将合金在200℃-1200℃、真空度小于10Pa条件下根据合金厚度保温0.1小时以上，使易挥发合金元素逐渐挥发。

6.按照权利要求1或3所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述合金为熔点高于1200℃的铁基合金或镍基合金，选择锰元素作为易挥发合金元素。

7.按照权利要求1或3所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述合金为铜合金，选择锌、锶、镉之一种或多种元素作为易挥发合金元素。

8.按照权利要求1或3所述多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述合金采用冶炼或粉末冶金方法制备，使用前需将合金表面抛光去氧化皮。

9.一种按照权利要求1所述多孔金属材料的制备方法制备的多孔金属材料，其特征在于：所述多孔金属材料的孔径分布为0.01-100微米。

10.一种按照权利要求1所述多孔金属材料的制备方法的应用，其特征在于：该方法可应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保或建筑领域。