一種低密度多孔金屬材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是：按金屬單質(zhì)粉體70～95%、聚乙烯醇5～10%、以及聚苯乙烯微球0～20%的質(zhì)量百分比例組成取原料；將聚乙烯醇配制成質(zhì)量百分比濃度為5～10%的聚乙烯醇水溶液；將聚苯乙烯微球加入到聚乙烯醇水溶液中，加入金屬單質(zhì)粉體,經(jīng)攪拌混合均勻，制得漿料；將漿料倒入圓管柱狀聚四氟乙烯管模具中，經(jīng)冷凍干燥成型脫模；將干燥后的物料置于流動惰性氣氛的管式爐中在400～500℃的溫度下燒結(jié)2～6小時，即制得低密度多孔金屬材料。采用本發(fā)明制備的多孔金屬的相對密度可低至5%，大部分為通孔，孔徑具有雙峰分布的特點(diǎn)，孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)均勻可調(diào)，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。
【專利說明】一種低密度多孔金屬材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多孔金屬材料的制備，涉及一種低密度多孔金屬材料的制備方法。本發(fā)明制備的低密度多孔金屬材料可廣泛應(yīng)用于過濾分離裝置、多孔電極、傳感器、催化劑及催化劑載體、電容器、熱交換器、吸音減震材料、高溫密封和高性能結(jié)構(gòu)材料等方面。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔金屬材料是一種兼具結(jié)構(gòu)和功能雙重特性的新型工程材料，不僅保留了金屬的可焊性、延展性、導(dǎo)電性等金屬特性，還具備多孔材料質(zhì)輕、比表面積高、吸能減震、消音降噪、電磁屏蔽、透氣透水、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，有著其他多孔材料難以實現(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于過濾分離裝置、多孔電極、傳感器、催化劑及催化劑載體、電容器、熱交換器、吸音減震材料、高溫密封和高性能結(jié)構(gòu)材料等方面?，F(xiàn)有技術(shù)中，多孔金屬的制備方法主要包括粉末冶金法、熔體發(fā)泡法、電沉積法、滲流法以及其他一些方法。
[0003]在過濾分離、熱交換等應(yīng)用領(lǐng)域，都需要液體或氣體等介質(zhì)能夠通過多孔材料，這就要求多孔材料具有盡量高的開孔率，一定的孔徑分布，并保持塊體形狀以便于使用。另外，高孔隙率能夠提高金屬材料的利用率，降低制備成本，故高孔隙率多孔金屬的制備一致是人們追求的目標(biāo)。目前已報道多孔金屬材料制備中，孔隙率大于90%的制備方法主要有粉末冶金、纖維燒結(jié)、熔體發(fā)泡、熔體吹氣、金屬沉積和自蔓延燒結(jié)等工藝，然而上述制備方法存在孔徑粗大、制備工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低密度多孔金屬材料的制備方法。本發(fā)明通過粉末冶金結(jié)合造孔劑工藝，制備出具有雙模式孔徑分布、孔徑尺寸連續(xù)可調(diào)、孔隙率高的低密度多孔金屬塊體材料。
[0005]本發(fā)明的內(nèi)容是:一種低密`度多孔金屬材料的制備方法，其特征是包括下列步驟:
a、配料:按金屬單質(zhì)粉體70~95%、聚乙烯醇(簡稱PVA)5~10%、以及聚苯乙烯(簡稱PS)微球O~20%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇(簡稱PVA)和聚苯乙烯(簡稱PS)微球；
將聚乙烯醇(簡稱PVA)溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為5~10%的聚乙烯醇水溶液；
b、將聚苯乙烯(簡稱PS)微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，隨后加入金屬單質(zhì)粉體，經(jīng)攪拌(較好的是經(jīng)超聲分散、以使原料充分混合均勻)混合均勻，制得漿料；
C、將漿料倒入(備用的)圓管柱狀聚四氟乙烯管(即聚四氟乙烯管)模具中、或者將圓管柱狀聚四氟乙烯管模具插入漿料中，再經(jīng)冷凍干燥成型，脫模，制得干燥后的物料；
d、將干燥后的物料置于流動惰性氣氛的管式爐(該設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)及型號有:合肥科晶GSL-1200X型管式爐等)中在400~500°C的溫度下燒結(jié)2~6小時，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金屬材料(為低密度多孔金屬塊體材料)產(chǎn)品。[0006]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟a配料較好的是替換為:按金屬單質(zhì)粉體70~95%、聚乙烯醇3~10%、以及聚苯乙烯微球2~20%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇和聚苯乙烯微球；
將聚乙烯醇溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為5~10%的聚乙烯醇水溶液。
[0007]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟b所述金屬單質(zhì)粉體可以是銅粉、鐵粉、鋁粉、鎳粉、鈦粉、銀粉、金粉等中的任一種；
所述金屬單質(zhì)粉體的粒徑較好的為0.1~10 μ m。
[0008]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟c中所述圓管柱狀聚四氟乙烯管的內(nèi)徑可以為2~20mm。
[0009]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟d中所述流動惰性氣氛可以為流動氮?dú)饣驓鍤狻?br> [0010]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟a中所述聚乙烯醇(簡稱PVA)的平均聚合度較好的為1797±50，醇解度為96~98% ;產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)和型號有:上海阿拉丁試劑有限公司，型號為1797型等。
[0011]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟a中所述聚苯乙烯(簡稱PS)微球直徑較好的為I~20 μ m，聚苯乙烯可以為通用級，分子量介于5000~10000之間；產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)和型號有:上海阿拉丁試劑有限公司，型號為P1077型等。
[0012]本發(fā)明的內(nèi)容中:步驟c中所述冷凍干燥的冷凍介質(zhì)可以為液氮或溫度為-10~-50°c的重油,冷凍干燥的時間可以為6~24小時。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列特點(diǎn)和有益效果:
(1)采用本發(fā)明，將造孔劑與原始金屬粉料均勻混合，冷凍干燥成型之后燒結(jié)去除造孔劑，即得到經(jīng)過物理堆積而形成的大量孔隙的低密度多孔金屬材料；
(2)采用本發(fā)明，由于采用了聚乙烯醇和聚苯乙烯微球作為雙造孔劑，通過粉末冶金與造孔劑工藝結(jié)合，所制得多孔金屬材料具有雙連續(xù)孔徑分布，相對密度可低至5%，且孔隙大部分為開孔，孔徑和孔隙率連續(xù)可調(diào)，孔隙率可達(dá)到95%以上，同時，產(chǎn)品形狀可以根據(jù)模具的形狀而調(diào)節(jié)，產(chǎn)品為塊體且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，是一種理想的通用低密度多孔材料制備方法；
(3)采用本發(fā)明，通過改變原料配比和聚苯乙烯微球直徑，可以對孔隙率和孔徑分布進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品；
(4)采用本發(fā)明，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中制備低密度多孔金屬孔徑粗大、制備工藝復(fù)雜、孔隙率難以提高等問題，通過粉末冶金結(jié)合造孔劑工藝，制備出具有雙模式孔徑分布、孔徑尺寸連續(xù)可調(diào)、孔隙率高的低密度多孔金屬(塊體)材料；該多孔金屬材料是一種兼具結(jié)構(gòu)和功能雙重特性的新型工程材料，不僅保留了金屬的可焊性、延展性、導(dǎo)電性等金屬特性，還具備多孔材料質(zhì)輕、比表面積高、吸能減震、消音降噪、電磁屏蔽、透氣透水、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，有著其他多孔材料難以實現(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于過濾分離裝置、多孔電極、傳感器、催化劑及催化劑載體、電容器、熱交換器、吸音減震材料、高溫密封和高性能結(jié)構(gòu)材料等方面；
(5)本發(fā)明產(chǎn)品制備工藝簡單，工序簡便，可操作性強(qiáng)，重復(fù)性好，所使用造孔劑為成熟工業(yè)用品，生產(chǎn)成本低，實用性強(qiáng)?！揪唧w實施方式】
[0014]下面給出的實施例擬以對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不能理解為是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0015]實施例1:
一種低密度多孔金屬材料(低密度多孔鐵)的制備方法，包括下列步驟:
(I)以0.2-0.5 μ m鐵粉為原始金屬粉體，IOym工業(yè)級PS微球為造孔劑，通過磁力攪拌將0.5g PVA完全溶解于IOml去離子水中，取0.5g PS微球加入上述PVA水溶液中，通過超聲攪拌使PS球均勻分散，隨后加入4.0g鐵粉，超聲分散并攪拌，形成均勻分散的漿料。
[0016](2)將圓柱狀聚四氟乙烯管插入漿料中，模具管的內(nèi)徑為5.0mm，隨后將樣品容器置于冷凍腔體中，采用液氮作為冷凍介質(zhì)進(jìn)行冷凍成型。冷凍完成后將容器移出并置于真空干燥箱中脫水干燥，干燥后的樣品脫模。
[0017](3)將干燥脫模后樣品置于流動氣氛為氮?dú)饣驓鍤獾墓苁綘t中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500°C，燒結(jié)時間為3小時，即可完全去除造孔劑，得到高純度的低密度多孔鐵塊體。本實驗制得圓柱狀多孔鐵的外徑為4.9mm,多孔鐵的孔隙率為85.7%，雙模式孔徑分布的中值孔徑分別為 0.42μπι和 9.5μπι。
[0018]實施例2:
一種低密度多孔金屬材料(低密度多孔鋁)的制備方法，包括下列步驟:
(I)以0.5-1.0ym鋁粉為原始金屬粉體，IOym工業(yè)級PS微球為造孔劑，通過磁力攪拌將0.5g PVA完全溶解于IOml去離子水中，取0.8g PS微球加入上述PVA水溶液中，通過超聲攪拌使PS球均勻分散，隨后加入3.7g鋁粉，超聲分散并攪拌，形成均勻分散的漿料。
[0019](2)將圓柱狀聚四氟乙烯管插入漿料中，模具管的內(nèi)徑為10mm，隨后將樣品容器置于冷凍腔體中，采用重油作為冷凍介質(zhì)進(jìn)行冷凍成型。冷凍完成后將容器移出并置于真空干燥箱中脫水干燥，干燥后的樣品脫模。
[0020](3)將干燥脫模后樣品置于流動氣氛為氮?dú)饣驓鍤獾墓苁綘t中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500°C，燒結(jié)時間為3小時，即可完全去除造孔劑，得到高純度的低密度多孔鋁塊材。本實驗制得圓柱狀多孔鋁的外徑為9.7mm，多孔鐵的孔隙率為91.5%，雙模式孔徑分布的中值孔徑分別為 0.85μπι和 9.2μπι。
[0021]實施例3:
一種低密度多孔金屬材料(低密度多孔銅)的制備方法，包括下列步驟:
(I)以1.0-5.5 μ m銅粉為原始金屬粉體，20 μ m工業(yè)級PS微球為造孔劑，通過磁力攪拌將0.5g PVA完全溶解于IOml去離子水中，取1.0g PS微球加入上述PVA水溶液中，通過超聲攪拌使PS球均勻分散，隨后加入3.5g銅粉，超聲分散并攪拌，形成均勻分散的漿料。
[0022](2)將圓柱狀聚四氟乙烯管插入漿料中，模具管的內(nèi)徑為10mm，隨后將樣品容器置于冷凍腔體中，采用液氮作為冷凍介質(zhì)進(jìn)行冷凍成型。冷凍完成后將容器移出并置于真空干燥箱中脫水干燥，干燥后的樣品脫模。
[0023](3)將干燥脫模后樣品置于流動氣氛為氮?dú)饣驓鍤獾墓苁綘t中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500°C，燒結(jié)時間為3小時，即可完全去除造孔劑，得到高純度的低密度多孔銅塊體。本實驗制得圓柱狀多孔鐵的外徑為19.5mm,多孔銅的孔隙率為95.8%，雙模式孔徑分布的中值孔徑分別為3.8 μ m和16.6 μ m。
[0024]實施例4:
一種低密度多孔金屬材料的制備方法，包括下列步驟:
a、配料:按金屬單質(zhì)粉體70%、聚乙烯醇(簡稱PVA)10%、以及聚苯乙烯(簡稱PS)微球20%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇(簡稱PVA)和聚苯乙烯(簡稱PS)微球；
將聚乙烯醇(簡稱PVA)溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為5%的聚乙烯醇水溶液；
b、將聚苯乙烯(簡稱PS)微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，隨后加入金屬單質(zhì)粉體，經(jīng)攪拌(較好的是經(jīng)超聲分散、以使原料充分混合均勻)混合均勻，制得漿料；
C、將漿料倒入(備用的)圓管柱狀聚四氟乙烯管(即聚四氟乙烯管)模具中、或者將圓管柱狀聚四氟乙烯管模具插入漿料中，再經(jīng)冷凍干燥成型，脫模，制得干燥后的物料；
d、將干燥后的物料置于流動惰性氣氛的管式爐(該設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)及型號有:合肥科晶GSL-1200X型管式爐等)中在500°C的溫度下燒結(jié)2小時，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金屬材料(為低密度多孔金屬塊體材料)產(chǎn)品。
[0025]實施例5:
一種低密度多孔金屬材料的制備方法，包括下列步驟:
a、配料:按金屬單質(zhì)粉體95%、聚乙烯醇(簡稱PVA)5%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇(簡稱PVA)和`聚苯乙烯(簡稱PS)微球；
將聚乙烯醇(簡稱PVA)溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為10%的聚乙烯醇水溶液；
b、將聚苯乙烯(簡稱PS)微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，隨后加入金屬單質(zhì)粉體，經(jīng)攪拌(較好的是經(jīng)超聲分散、以使原料充分混合均勻)混合均勻，制得漿料；
C、將漿料倒入(備用的)圓管柱狀聚四氟乙烯管(即聚四氟乙烯管)模具中、或者將圓管柱狀聚四氟乙烯管模具插入漿料中，再經(jīng)冷凍干燥成型，脫模，制得干燥后的物料；
d、將干燥后的物料置于流動惰性氣氛的管式爐(該設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)及型號有:合肥科晶GSL-1200X型管式爐等)中在400°C的溫度下燒結(jié)6小時，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金屬材料(為低密度多孔金屬塊體材料)產(chǎn)品。
[0026]實施例6:
一種低密度多孔金屬材料的制備方法，包括下列步驟:
a、配料:按金屬單質(zhì)粉體85%、聚乙烯醇(簡稱PVA)7%、以及聚苯乙烯(簡稱PS)微球8%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇(簡稱PVA)和聚苯乙烯(簡稱PS)微球；
將聚乙烯醇(簡稱PVA)溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇水溶液；
b、將聚苯乙烯(簡稱PS)微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，隨后加入金屬單質(zhì)粉體，經(jīng)攪拌(較好的是經(jīng)超聲分散、以使原料充分混合均勻)混合均勻，制得漿料；
C、將漿料倒入(備用的)圓管柱狀聚四氟乙烯管(即聚四氟乙烯管)模具中、或者將圓管柱狀聚四氟乙烯管模具插入漿料中，再經(jīng)冷凍干燥成型，脫模，制得干燥后的物料；
d、將干燥后的物料置于流動惰性氣氛的管式爐(該設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)及型號有:合肥科晶GSL-1200X型管式爐等)中在450°C的溫度下燒結(jié)4小時，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金屬材料(為低密度多孔金屬塊體材料)產(chǎn)品。
[0027]實施例7~13:
一種低密度多孔金屬材料的制備方法，包括下列步驟:
a、配料:按金屬單質(zhì)粉體70~95%、聚乙烯醇(簡稱PVA)5~10%、以及聚苯乙烯(簡稱PS)微球O~20%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇(簡稱PVA)和聚苯乙烯(簡稱PS)微球；
將聚乙烯醇(簡稱PVA)溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為5~10%的聚乙烯醇水溶液(實施例7~13中聚乙烯醇水溶液質(zhì)量百分比濃度分別為6%、7%、7%、8%、8%、9%、9%)；
各實施例中各組分原料的具體質(zhì)量百分比用量見下表:
【權(quán)利要求】
1.一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是包括下列步驟: a、配料:按金屬單質(zhì)粉體70~95%、聚乙烯醇5~10%、以及聚苯乙烯微球O~20%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇和聚苯乙烯微球； 將聚乙烯醇溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為5~10%的聚乙烯醇水溶液； b、將聚苯乙烯微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，隨后加入金屬單質(zhì)粉體，經(jīng)攪拌混合均勻，制得漿料； C、將漿料倒入圓管柱狀聚四氟乙烯管模具中、或者將圓管柱狀聚四氟乙烯管模具插入漿料中，再經(jīng)冷凍干燥成型，脫模，制得干燥后的物料； d、將干燥后的物料置于流動惰性氣氛的管式爐中在400~500°C的溫度下燒結(jié)2~6小時，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金屬材料。
2.按權(quán)利要求1所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟a配料替換為:按金屬單質(zhì)粉體70~95%、聚乙烯醇3~10%、以及聚苯乙烯微球2~20%的質(zhì)量百分比例組成取原料金屬單質(zhì)粉體、聚乙烯醇和聚苯乙烯微球； 將聚乙烯醇溶于去離子水中攪拌混合，配制成質(zhì)量百分比濃度為5~10%的聚乙烯醇水溶液。
3.按權(quán)利要求1或2所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟b所述金屬單質(zhì)粉體是銅粉、鐵粉、鋁粉、鎳粉、鈦粉、銀粉、金粉中的任一種。
4.按權(quán)利要求3所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:所述金屬單質(zhì)粉體的粒徑為0.1~10 μ m。
5.按權(quán)利要求1、2或4所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟c中所述圓管柱狀聚四氟乙烯管的內(nèi)徑為2~20mm。
6.按權(quán)利要求3所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟c中所述圓管柱狀聚四氟乙烯管的內(nèi)徑為2~20mm。
7.按權(quán)利要求1、2、4或6所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟d中所述流動惰性氣氛為流動氮?dú)饣驓鍤狻?br> 8.按權(quán)利要求1、2、4或6所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟a中所述聚乙烯醇的平均聚合度為1797±50，醇解度為96~98%。
9.按權(quán)利要求1、2、4或6所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟a中所述聚苯乙烯微球直徑為I~20 μ m,分子量介于5000~10000之間。
10.按權(quán)利要求1、2、4或6所述一種低密度多孔金屬材料的制備方法，其特征是:步驟c中所述冷凍干燥的冷凍介質(zhì)為液氮或溫度為-10~_50°C的重油、冷凍干燥的時間為6~24小時。
【文檔編號】C22C1/04GK103667762SQ201310603767
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】張魁寶, 吳浪, 黃毅, 馬雪, 滕元成, 李玉香 申請人:西南科技大學(xué)