CN108883470A - 制造金属泡沫的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于制造金属泡沫的方法。本申请可以提供能够形成包含均匀形成的孔并具有优异的机械特性和期望的孔隙率的金属泡沫的用于制造金属泡沫的方法，以及具有上述特征的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够在快速加工时间内形成在确保上述物理特性的同时呈薄膜或片状形式的金属泡沫的方法及这样的金属泡沫。

Description

制造金属泡沫的方法

技术领域

本申请要求基于2016年4月1日提交的韩国专利申请第10-2016-0040361号和2017年3月30日提交的韩国专利申请第10-2017-0040971号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

本申请涉及用于制造金属泡沫的方法。

背景技术

金属泡沫由于具有诸如轻质特性、能量吸收特性、绝热特性、耐火性或环境友好性的多种且有用的特性可以应用于包括轻质结构、运输机械、建筑材料或能量吸收装置等的多种领域。金属泡沫不仅具有高比表面积，而且还可以进一步改善流体(例如，液体和气体)或电子的流动，并因此也可以通过应用于热交换器的基材、催化剂、传感器、致动器、二次电池、气体扩散层(GDL)或微流体流控制器等中而被有用地使用。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供能够制造包含均匀形成的孔并具有优异的机械特性和期望的孔隙率的金属泡沫的方法。

技术方案

在本说明书中，术语金属泡沫或金属骨架意指包含金属作为主要组分的多孔结构。在此，金属作为主要组分意指基于金属泡沫或金属骨架的总重量，金属的比例为55重量％或更大、60重量％或更大、65重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、90重量％或更大、或者95重量％或更大。作为主要组分包含的金属的比例上限没有特别限制，并且可以为，例如约100重量％、99重量％或约98重量％。

在本文中，术语多孔特性可以意指孔隙率为至少30％或更大、40％或更大、50％或更大、60％或更大、70％或更大、75％或更大、或者80％或更大的情况。孔隙率的上限没有特别限制，并且可以为，例如小于约100％、约99％或更小、或者约98％或更小左右。孔隙率可以通过计算金属泡沫的密度等以已知的方式来计算。

本申请的用于制造金属泡沫的方法可以包括对包含金属组分的生坯结构进行烧结的步骤。在本申请中，术语生坯结构意指在进行以形成金属泡沫的过程例如烧结过程之前的结构，即，形成金属泡沫之前的结构。此外，即使生坯结构被称为多孔生坯结构，该结构本身也不一定是多孔的，如果它最终可以形成金属泡沫(其为多孔金属结构)，则为了方便起见可以被称为多孔生坯结构。

在本申请中，生坯结构可以包含金属组分和盐，包含金属组分和盐的混合物可以被模制以形成生坯结构。

在一个实例中，金属组分可以包含具有预定的相对磁导率和电导率的至少一种金属。根据本申请的一个实例，当下面所述的感应加热方法用作烧结时，根据相关方法的烧结可以通过应用这样的金属顺利地进行。

例如，作为金属，可以使用相对磁导率为90或更大的金属。相对磁导率(μ_r)是相关材料的磁导率(μ)与真空中的磁导率(μ₀)之比(μ/μ₀)。金属的相对磁导率可以为95或更大、100或更大、110或更大、120或更大、130或更大、140或更大、150或更大、160或更大、170或更大、180或更大、190或更大、200或更大、210或更大、220或更大、230或更大、240或更大、250或更大、260或更大、270或更大、280或更大、290或更大、300或更大、310或更大、320或更大、330或更大、340或更大、350或更大、360或更大、370或更大、380或更大、390或更大、400或更大、410或更大、420或更大、430或更大、440或更大、450或更大、460或更大、470或更大、480或更大、490或更大、500或更大、510或更大、520或更大、530或更大、540或更大、550或更大、560或更大、570或更大、580或更大、或者590或更大。相对磁导率越高，如下所述在施加用于感应加热的电磁场时产生的热越高，因此其上限没有特别限制。在一个实例中，相对磁导率的上限可以是例如大约300000或更小。

金属可以是导电金属。术语导电金属可以意指在20℃下电导率为约8MS/m或更大、9MS/m或更大、10MS/m或更大、11MS/m或更大、12MS/m或更大、13MS/m或更大、或者14.5MS/m的金属或其合金。电导率的上限没有特别限制，例如，电导率可以为约30MS/m或更小、25MS/m或更小、或者20MS/m或更小。

在本申请中，具有如上所述的相对磁导率和电导率的金属也可以简称为导电磁性金属。

通过应用所述导电磁性金属，当进行待在下面所述的感应加热过程时，烧结可以更有效地进行。这样的金属可以例示为镍、铁或钴，但不限于此。

如果需要的话，金属组分可以包含——连同导电磁性金属——不同于该金属的第二金属。在这种情况下，金属泡沫可以由金属合金形成。作为第二金属，也可以使用具有与上述导电磁性金属相同范围的相对磁导率和/或电导率的金属，以及可以使用具有该范围之外的相对磁导率和/或电导率的金属。此外，第二金属还可以包含一种或两种或更多种金属。第二金属的种类没有特别限制，只要其与待应用的导电磁性金属不同即可，例如，可以应用以下与导电磁性金属不同的一种或更多种金属：铜、磷、钼、锌、锰、铬、铟、锡、银、铂、金、铝或镁等，不限于此。

金属组分或生坯结构中的导电磁性金属的比例没有特别限制。例如，当应用如下所述的感应加热方法时，可以调节该比例以产生适当的焦耳热。例如，基于全部金属组分的重量，金属组分或生坯结构可以包含量为30重量％或更大的导电磁性金属。在另一个实例中，金属组分或生坯结构中的导电磁性金属的比例可以为约35重量％或更大、约40重量％或更大、约45重量％或更大、约50重量％或更大、约55重量％或更大、60重量％或更大、65重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、或者90重量％或更大。导电磁性金属比例的上限没有特别限制，例如，金属组分或生坯结构中的导电磁性金属的比例可以小于约100重量％、或者95重量％或更小。然而，上述比例是示例性比率。例如，由于通过由施加电磁场引起的感应加热所产生的热可以根据所施加的电磁场的强度、金属的电导率和电阻等来调节，因此该比率可以根据具体情况而改变。

形成生坯结构的金属组分可以呈粉末形式。例如，金属组分中的金属的平均粒径可以在约0.1μm至约200μm的范围内。在另一个实例中，平均粒径可以为约0.5μm或更大、约1μm或更大、约2μm或更大、约3μm或更大、约4μm或更大、约5μm或更大、约6μm或更大、约7μm或更大、或者约8μm或更大。在另一个实例中，平均粒径可以为约150μm或更小、100μm或更小、90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、40μm或更小、30μm或更小、或者20μm或更小。作为金属组分中的金属，也可以应用具有不同平均粒径的金属。平均粒径可以考虑到期望的金属泡沫的形状(例如金属泡沫的厚度或孔隙率等)从适当的范围中来选择。

生坯结构可以包含盐连同金属组分。生坯结构中包含的盐用于形成金属泡沫的孔。由于盐即使在高温下也是稳定的，因此当金属组分在烧结过程中熔融时盐可以保持未分解，如果这样的盐在后续过程中被除去，则可以在盐存在的位置形成孔。

可以应用于本申请的盐的种类没有特别限制，例如，可以使用可以良好地溶解在用于除去盐的溶剂(例如水)中的那些盐。可用的盐为NaCl、KCl、K₂CO₃、KOH、NaOH、CsCl、CaCl₂、MgBr₂、MgCl₂、Na₂SiO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、NH₄Br或NH₄Cl等，但不限于此。

盐的大小、形状和比率没有特别限制，并且可以根据期望的金属泡沫的结构来选择。也就是说，金属泡沫中的孔的形状和大小可以通过本申请中施加的盐的大小或形状来确定，并且其比率可以影响总孔隙率，因此考虑到这一点，具有适当大小和形状的盐可以以适当的比率来施加。

例如，盐的平均粒径可以为约30μm或更大、或者约40μm或更大。盐的平均粒径可以为，例如约250μm或更小、约200μm或更小、约190μm或更小、180μm或更小、170μm或更小、160μm或更小、150μm或更小、140μm或更小、130μm或更小、120μm或更小、110μm或更小、或者100μm或更小左右。

盐的形式可以不同地选自例如球形、椭球形、多边形和无定形等。

在生坯结构中，相对于100重量份的金属组分，盐可以例如以约10重量份至1000重量份的比率包含在内。在另一个实例中，这样的比率可以为约15重量份或更多、约20重量份或更多、约30重量份或更多、约40重量份或更多、约50重量份或更多、约60重量份或更多、约70重量份或更多、约80重量份或更多、约90重量份或更多、约95重量份或更多，并且可以为约900重量份或更少、约800重量份或更少、约700重量份或更少、约600重量份或更少、约500重量份或更少、约400重量份或更少、约300重量份或更少、约200重量份或更少、约190重量份或更少、约180重量份或更少、约170重量份或更少、约160重量份或更少、约150重量份或更少、约140重量份或更小、约130重量份或更少、约120重量份或更少、或者约110重量份或更少。

除了上述组分之外，生坯结构还可以包含另外需要的已知添加剂。这样的添加剂的实例可以例示为溶剂或粘合剂等，但不限于此。

形成生坯结构的方式没有特别限制。在制造金属泡沫的领域中，已知多种用于形成生坯结构的方法，而在本申请中，可以应用所有这些方法。例如，生坯结构可以通过将金属组分和盐的混合物保持在适当的模板中，或者通过以适当的方式涂覆该混合物来形成。

这样的生坯结构的形状没有特别限制，因为它根据期望的金属泡沫来确定。在一个实例中，生坯结构可以呈膜或片的形式。例如，当该结构呈膜或片的形式时，厚度可以为5000μm或更小、3500μm或更小、2000μm或更小、1000μm或更小、800μm或更小、700μm或更小、或者500μm或更小。金属泡沫由于其多孔结构特征而通常具有脆性特征，因此存在这样的问题：其难以以膜或片，特别是薄膜或片的形式来制造，并且即使在制成它们时也容易破碎。然而，根据本申请的方法，可以形成具有在内部均匀形成的孔、优异的机械特性和薄的厚度的金属泡沫。

在此，该结构厚度的下限没有特别限制。例如，膜或片状结构的厚度可以为约10μm或更大、50μm或更大、或者约100μm或更大。

金属泡沫可以通过烧结以上述方式形成的生坯结构来制造。在这种情况下，进行用于制造金属泡沫的烧结的方法没有特别限制，可以应用已知的烧结方法。也就是说，烧结可以通过以适当的方式向生坯结构施加适当量的热的方法来进行。

在本申请中，作为与现有已知方法不同的方法，烧结可以通过感应加热方法来进行。也就是说，如上所述，金属组分包含具有预定磁导率和电导率的导电磁性金属，因此可以应用感应加热方法。通过这样的方法，可以顺利地制造具有优异的机械特性并且其孔隙率被控制至期望的水平以及包含均匀形成的孔的金属泡沫。

在此，感应加热是当施加电磁场时由特定的金属产生热的现象。例如，如果向具有适当的电导率和磁导率的金属施加电磁场，则在金属中产生涡电流，并由于金属的电阻而发生焦耳加热。在本申请中，可以进行通过这种现象的烧结过程。在本申请中，金属泡沫的烧结可以通过应用这样的方法在短时间内进行，从而确保可加工性，同时，可以制造具有优异的机械强度以及呈具有高孔隙率的薄膜形式的金属泡沫。

烧结过程可以包括向生坯结构施加电磁场的步骤。通过施加电磁场，通过金属组分的导电磁性金属中的感应加热现象产生焦耳热，从而可以烧结该结构。此时，施加电磁场的条件没有特别限制，因为它们根据生坯结构中的导电磁性金属的种类和比率等来确定。

例如，感应加热可以使用形成为线圈等形式的感应加热器来执行。

感应加热可以例如通过施加100A至1000A左右的电流来执行。在另一个实例中，所施加的电流的大小可以为900A或更小、800A或更小、700A或更小、600A或更小、500A或更小、或者400A或更小。在另一个实例中，电流的大小可以为约150A或更大、约200A或更大、或者约250A或更大。

感应加热可以例如以约100kHz至1000kHz的频率来进行。在另一实例中，频率可以为900kHz或更低、800kHz或更低、700kHz或更低、600kHz或更低、500kHz或更低、或者450kHz或更低。在另一个实例中，频率可以为约150kHz或更高、约200kHz或更高、或者约250kHz或更高。

用于感应加热的电磁场的施加可以在例如约1分钟至10小时的范围内进行。在另一个实例中，施加时间可以为约9小时或更短、约8小时或更短、约7小时或更短、约6小时或更短、约5小时或更短、约4小时或更短、约3小时或更短、约2小时或更短、约1小时或更短、或者约30分钟或更短。

如上所述，上述感应加热条件(例如施加的电流，频率和施加时间等)可以考虑到导电磁性金属的种类和比率而改变。

生坯结构的烧结可以仅通过上述感应加热来进行，或者也可以通过施加适当的热连同感应加热来进行，即，根据需要，施加电磁场。

在烧结过程之后，本申请的制造方法还可以执行从经烧结的生坯结构中除去盐的过程。通过在烧结之后除去盐，可以形成金属泡沫，同时在盐存在的部分中形成空隙。

除去盐的方法没有特别限制，盐可以通过用能够溶解该盐的溶剂例如水处理经烧结的生坯结构来除去。

本申请还涉及金属泡沫。金属泡沫可以是通过上述方法制造的金属泡沫。这样的金属泡沫可以包含例如至少上述导电磁性金属。基于重量，金属泡沫可以包含30重量％或更大、35重量％或更大、40重量％或更大、45重量％或更大、或者50重量％或更大的导电磁性金属。在另一个实例中，金属泡沫中的导电磁性金属的比例可以为约55重量％或更大、60重量％或更大、65重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、或者90重量％或更大。导电磁性金属的比例的上限没有特别限制，并且可以为，例如小于约100重量％或95重量％或更小。

金属泡沫的孔隙率可以在约40％至99％的范围内。如上所述，根据本申请的方法，在包含均匀形成的孔的同时可以控制孔隙率和机械强度。孔隙率可以为50％或更大、60％或更大、70％或更大、75％或更大、或者80％或更大，或者可以为95％或更小、或者90％或更小。

金属泡沫也可以呈薄膜或片的形式存在。在一个实例中，金属泡沫可以呈膜或片的形式。这样的膜或片形式的金属泡沫的厚度可以为2000μm或更小、1500μm或更小、1000μm或更小、900μm或更小、800μm或更小、700μm或更小、600μm或更小、500μm或更小、400μm或更小、300μm或更小、200μm或更小、150μm或更小、约100μm或更小、约90μm或更小、约80μm或更小、约70μm或更小、约60μm或更小、或者约55μm或更小。膜或片状金属泡沫的厚度可以为约10μm或更大、约20μm或更大、约30μm或更大、约40μm或更大、约50μm或更大、约100μm或更大、约150μm或更大、约200μm或更大、约250μm或更大、约300μm或更大、约350μm或更大、约400μm或更大、约450μm或更大、或者约500μm或更大，但不限于此。

金属泡沫可以用于需要多孔金属结构的多种应用中。特别地，如上所述，根据本申请的方法，可以制造具有优异的机械强度以及期望的孔隙率水平的薄膜或片状金属泡沫，从而与常规的金属泡沫相比扩大了金属泡沫的应用。

有益效果

本申请可以提供能够形成包含均匀形成的孔并具有优异的机械特性和期望的孔隙率的金属泡沫的用于制造金属泡沫的方法，以及具有上述特征的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够形成其中确保上述物理特性，同时呈薄膜或片的形式的金属泡沫的方法，以及这样的金属泡沫。

附图说明

图1和2是实施例中形成的金属泡沫的SEM照片。

具体实施方式

在下文中，将通过实施例和比较例详细地描述本申请，但是本申请的范围不限于以下实施例。

实施例1

使用镍金属(其为导电磁性金属)粉末作为金属组分。将通过200目筛筛分的镍金属粉末与作为盐的NaCl以1:1的重量比混合。在此，作为NaCl，使用粒径分布在约50μm至100μm的范围内的NaCl。另一方面，在上述镍中，20℃下的电导率为约14.5MS/m，相对磁导率为约600左右。

将制备的混合物涂覆在石英板上呈厚度为约600μm的片的形式以制造生坯结构，用线圈型感应加热器向生坯结构施加电磁场。电磁场通过施加约380kHz的频率下的约350A的电流形成，并施加电磁场约3分钟。在施加电磁场之后，将经烧结的生坯结构浸入水中并用超声处理洗涤以除去盐，从而制造厚度为约600μm水平的片形式金属泡沫。所制造的片的孔隙率为约53％。图1是所制造的片的SEM照片。

实施例2

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫，不同之处在于将镍金属粉末与NaCl的重量比变为1:1.5(镍金属粉末:NaCl)。所制造的片的孔隙率为约70％左右。图2是所制造的片的SEM照片。

实施例3

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫片，不同之处在于施用粒径分布在约50μm至70μm的范围内的Na₂SiO₃作为盐。所制造的片的孔隙率为约55％。

实施例4

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫片，不同之处在于施用粒径分布在约150μm至200μm的范围内的Na₂CO₃作为盐。所制造的片的孔隙率为约43％。

实施例5

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫片，不同之处在于施用粒径分布在约70μm至100μm的范围内的KCl作为盐。所制造的片的孔隙率为约62％。

实施例6

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫片，不同之处在于施用粒径分布在约25μm至55μm的范围内的NH₄Cl作为盐。所制造的片的孔隙率为约58％。

实施例7

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫片，不同之处在于施用粒径分布在约70μm至110μm的范围内的CaCl₂作为盐。所制造的片的孔隙率为约60％。

实施例8

以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫片，不同之处在于施用粒径分布在约50μm至70μm的范围内的MgCl₂作为盐。所制造的片的孔隙率为约42％。

Claims (15)

1.一种用于制造金属泡沫的方法，包括对包含金属组分和盐的生坯结构进行烧结的步骤，所述金属组分包含相对磁导率为90或更大的导电金属。

2.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属在20℃下的电导率为8MS/m或更大。

3.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属为镍、铁或钴。

4.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述生坯结构包含基于重量的30重量％或更大的所述导电金属。

5.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属的平均粒径在10μm至100μm的范围内。

6.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述盐为NaCl、KCl、K₂CO₃、KOH、NaOH、CsCl、CaCl₂、MgBr₂、MgCl₂、Na₂SiO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、NH₄Br或NH₄Cl。

7.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述盐的粒径在30μm至250μm的范围内。

8.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中相对于100重量份的所述金属组分，所述生坯结构包含10重量份至1000重量份的所述盐。

9.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述生坯结构呈膜或片状。

10.根据权利要求9所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述膜或片的厚度为5000μm或更小。

11.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述生坯结构的烧结通过向所述结构施加电磁场来进行。

12.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述电磁场通过施加100A至1000A范围内的电流来形成。

13.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述电磁场通过施加频率在100kHz至1000kHz范围内的电流来形成。

14.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中施加所述电磁场持续1分钟至10小时范围内的时间。

15.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，还进行在烧结之后除去所述盐的步骤。