CN101439884B - FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，属于无机多孔材料领域。本发明所解决的技术问题是提供了一种孔结构可控程度较好的FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法。本发明FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，先制备多孔支撑体和复合浆料，然后将复合浆料涂在多孔支撑体表面，然后置于真空气氛中烧结，冷却，即得FeAl金属间化合物多孔材料。本发明方法可调控多孔材料的孔结构，具有短流程、低成本和低能耗的特点。所制备的多孔材料具有优异的抗高温硫化性能、抗高温氧化性能和抗热震性能，良好的高温力学性能，以及可加工和可焊接性能等，具有广阔的应用前景。

Description

FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法

技术领域

本发明涉及FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，属于无机多孔材料领域。

背景技术

无机多孔材料按材料种类主要分为两大类：陶瓷多孔材料，如氧化铝、氧化锆、碳化硅和二氧化硅等材料的多孔体；以及金属多孔材料，如金属镍、不锈钢、钛、铜和铝等材料的多孔体。目前，工业上广泛使用的无机多孔材料的制备方法主要有：原料粉末的粉末冶金烧结法和以聚氨酯等有机物为模板的合成法等。这些方法通常需要预先制备原料粉末，在制备过程中通过高温加热的方式，脱除预先添加成形剂和造孔剂等大量的有机物，脱除周期较长，并造成严重的环境污染。同时，陶瓷多孔材料的烧结能耗高，而金属多孔材料的孔结构可控程度较差。特别是，采用原料粉末冶金烧结法制备多孔材料是基于堆跺粉末间隙造孔，孔结构可控度小，曲折因子大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种孔结构可控程度较好的FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法。

本发明FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，包括如下步骤：

a、多孔支撑体的制备：取平均粒径为150～40μm的Al粉和平均粒径为150～40μm的Fe粉，按Fe-20～70at％Al(即Fe原子数为总原子数的30～80％，)混匀；然后于100～250MPa下采用普通模压方式制备片状坯；或于120～250MPa下采用冷等静压方式制备管状坯；片状坯或管状坯置于真空度为1.0～1.0×10^-2Pa的真空气氛中，在温度为120～150℃下烧结30～60min，然后升温至510～640℃并保温60～240min，进行中温固相扩散，最后升温至1000～1250℃并保温60～180min，进行高温稳定化处理，冷却，制得多孔支撑体；

b、复合浆料的制备：取平均粒径为0.5～2.0μm的Al粉和平均粒径为0.5～2.0μm的Fe粉，按Fe-20～70at％Al混匀，制得粉料混合物；然后按重量比粉料混合物∶有机添加剂＝1∶0.2～1.5向粉料混合物中加入有机添加剂，其中，所述有机添加剂为醇类物质及其衍生物，如：乙醇、乙二醇、甘油、聚乙二醇、聚乙烯醇中至少一种；粉料混合物与有机添加剂混匀，即得复合浆料；

c、多孔材料的制备：将复合浆料涂在多孔支撑体表面，然后置于真空度为1.0～1.0×10^-2Pa的真空气氛中，加热，在100～400℃下保温30～120min，以脱除有机添加剂，然后升温至510～640℃并保温60～240min，以进行固相偏扩散，形成大量的Kirkendall孔隙，最后升温至700～900℃并保温30～120min，使材料充分反应并使各成分均匀化，冷却，即得FeAl金属间化合物多孔材料。

进一步的，上述a步骤中制备片状坯或管状坯时，压制芯杆成0.1～2°的锥度，以便于手动脱模。

进一步的，上述c步骤的多孔支撑体在涂复合浆料前先于聚丙烯酸和乙二醇组成的复合水溶液中预浸润，以避免元素粉颗粒渗透进入支撑体孔隙，其中，所述复合水溶液中聚丙烯酸和乙二醇的重量比为1∶0.8-1.2，聚丙烯酸和乙二醇的总浓度为10～20wt％。

进一步的，为了使预浸润效果最好，上述聚丙烯酸和乙二醇的重量比优选为1∶1。

进一步的，上述c步骤中升温速率控制为5～10℃/min，以使多孔支撑体表面形成细小孔径的FeAl薄层。

本发明方法具有如下有益效果：

1、本发明方法可以通过调节原料成分、粉末粒度、成形压力、烧结温度和保温时间等多种工艺参数来控制基体多孔材料的孔结构，孔结构调控范围大，多孔材料的孔结构控制程度较好。

2、本发明方法利用Fe、Al元素粉末在固相扩散过程中的Kirkendall效应来形成孔隙，具有短流程、低成本和低能耗的特点。

3、本发明方法制备的多孔材料具有梯度孔结构，可以在提高过滤精度的同时大大降低渗透阻力，提高膜的渗透性；支撑体与多孔膜同质，避免了在使用过程中由于两者间结合力及热膨胀系数的差异而造成多孔膜与支撑体脱离，以及基体和表面材料间的互扩散等的现象，提高了使用寿命，扩大了使用环境范围。

4、本发明方法制备的多孔材料具有优异的抗高温硫化性能、抗高温氧化性能和抗热震性能，良好的高温力学性能，以及可加工和可焊接性能等，与传统的无机多孔材料相比，具有更为广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1用本发明方法制备FeAl金属间化合物多孔材料

Fe、Al元素粉末配比为Fe-30at％Al，粒度选择为平均粒径为100μm的Fe粉和平均粒径为90μm的Al粉。机械混合后，采用普通模压方式在240MPa的压力下压制出片状坯。采用真空气氛进行烧结，真空度控制在1.0×10^-1～1.0×10^-2Pa。首先在130℃烧结45min以脱去吸附水份。随后，在520℃温度下进行中温固相扩散，时间为60分钟。最终高温成份均匀化和组织结构稳定化处理温度为1050℃，时间为120分钟，制得FeAl金属间化合物多孔支撑体。

选择配比为Fe-30at％Al，平均粒径为1.5μm的Fe和Al元素超细粉混匀，制得粉料混合物；选择乙醇与聚乙二醇按质量比为1∶0.5混合的有机物作为添加剂；按粉料混合物与有机添加剂的质量比为1∶0.5的比例向粉料混合物中加入有机添加剂，经搅拌和超声波处理后使其混匀，得到分散均匀的复合浆料；

采用喷涂的方式在片状支撑体表面刮涂出一层平整而连续的涂层；在真空烧结阶段，在300℃的温度下保温60分钟以脱除有机添加剂，在540℃的温度下保温60分钟以进行固相偏扩散，形成大量的Kirkendall孔隙，在750℃的温度下保温120分钟进行材料的成分均匀化处理，期间控制升温速率为10℃/min，冷却，即得本发明FeAl金属间化合物多孔材料。

经检测：所得FeAl金属间化合物多孔材料的孔隙度为40％、最大孔径为1.5μm，具有梯度孔结构，各成分均匀。

实施例2用本发明方法制备FeAl金属间化合物多孔材料

Fe、Al元素粉末配比为Fe-60at％Al，粒度选择为平均粒径为5μm的Fe粉和平均粒径为10μm的Al粉。机械混合均匀后，采用普通模压方式在150MPa的压力下压制成片状坯。采用真空气氛进行烧结，真空度控制在1.0～1.0×10^-1Pa。首先在150℃加热50min；随后，在560℃温度下进行中温固相扩散，时间为120分钟。最终高温成份均匀化和组织结构稳定化处理温度为1100℃，时间为30分钟。制得FeAl金属间化合物多孔支撑体。

选择配比为Fe-60at％Al，平均粒径为1.0μm的Fe和Al元素超细粉混匀，制得粉料混合物；选择乙二醇与聚乙烯醇按质量比为1∶1混合的有机物作为添加剂；按粉料混合物与有机添加剂的质量比为1∶1.2的比例向粉料混合物中加入有机添加剂，经搅拌和超声波处理后得到分散均匀的复合浆料。

采用刮刀刮涂浆料的方式在片状支撑体表面刮涂出一层平整而连续的涂层；在真空烧结阶段，在250℃的温度下保温90分钟以脱除有机添加剂，在560℃的温度下保温90分钟以进行固相偏扩散，形成大量的Kirkendall孔隙，在850℃的温度下保温90分钟进行材料的成分均匀化处理，期间控制升温速率为8℃/min，冷却，即得本发明FeAl金属间化合物多孔材料。

经检测：所得FeAl金属间化合物多孔材料的孔隙度为38％、最大孔径为1.0μm，具有梯度孔结构，各成分均匀。

实施例3用本发明方法制备FeAl金属间化合物多孔材料

Fe、Al元素粉末配比为Fe-40at％Al，粒度选择为平均粒径为40μm的Fe粉和平均粒径为30μm的Al粉。机械混合均匀后，采用冷等静压方式在180MPa的压力下进行压制，压制芯杆锥度1.8°，手动脱模后得到内径略成锥度的管状成形坯。采用真空气氛进行烧结，真空度控制在1.0×10^-1～1.0×10^-2Pa。先在120℃下加热30min除去吸附水份；随后，在600℃温度下进行中温固相扩散，时间为120分钟。高温成份均匀化和组织结构稳定化处理最终温度为1200℃，时间为90分钟。制得eAl金属间化合物多孔支撑体。

选择成分配比为Fe-40at％Al，平均粒径为1.5μm的Fe和Al元素超细粉混匀，制得粉料混合物；选择乙醇与聚乙烯醇按质量比为1∶0.7混合的有机物作为添加剂；按粉料混合物与有机添加剂的质量比为1∶0.6的比例向粉料混合物中加入有机添加剂，经搅拌和超声波处理后得到分散均匀的复合浆料。

采用喷涂的方式在管状件表面形成涂层；在真空烧结阶段，在400℃的温度下保温30分钟以脱除有机添加剂，在600℃的温度下保温120分钟以进行固相偏扩散，形成大量的Kirkendall孔隙，在900℃的温度下保温120分钟进行材料的成分均匀化处理，期间控制升温速率为5℃/min，冷却，即得本发明FeAl金属间化合物多孔材料。

经检测：所得FeAl金属间化合物多孔材料的孔隙度为35％、最大孔径为3.0μm，具有梯度孔结构，各成分均匀。

实施例4用本发明方法制备FeAl金属间化合物多孔材料

Fe、Al元素粉末配比为Fe-50at％Al，粒度选择为平均粒径为70μm的Fe粉和平均粒径为60μm的Al粉。机械混合后，采用冷等静压方式在200MPa的压力下进行压制，压制芯杆锥度0.2°，手动脱模后得到内径略成锥度的管状成形坯。采用真空气氛进行烧结，真空度控制在1.0～1.0×10^-1Pa。首先，在130℃下加热45min，随后，在640℃温度下进行中温固相扩散，时间为90分钟。最终高温处理温度为1050℃，时间为60分钟。制得FeAl金属间化合物多孔支撑体。

选择成分配比为Fe-50at％Al，平均粒径为1.0μm的Fe和Al元素超细粉混匀，制得粉料混合物；选择甘油与聚乙二醇按质量比为1∶0.4混合的有机物作为添加剂；按粉料混合物与有机添加剂的质量比为1∶0.4的比例向粉料混合物中加入有机添加剂，经搅拌和超声波处理后得到分散均匀的复合浆料。

采用喷涂的方式在管状件表面形成涂层；在真空烧结阶段，在300℃的温度下保温120分钟以脱除有机添加剂，在580℃的温度下保温90分钟以进行固相偏扩散，形成大量的Kirkendall孔隙，在800℃的温度下保温100分钟进行材料的成分均匀化处理，期间控制升温速率为7℃/min，冷却，即得本发明FeAl金属间化合物多孔材料。

经检测：所得FeAl金属间化合物多孔材料的孔隙度为45％、最大孔径为5.0μm，具有梯度孔结构，各成分均匀。

将实施例1～4制备的FeAl金属间化合物多孔材料，在800℃下静态空气加热150小时，各多孔材料氧化增重均小于2％，最大孔径增加均小于5％。在含10％S+90％N₂的气氛中，800℃加热152小时，增重小于均2wt％，最大孔径变化均小于3％。说明本发明方法制备的FeAl金属间化合物多孔材料具有良好的抗高温氧化性能、抗高温硫化性能等。

Claims (5)

1.FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，包括如下步骤：

a、多孔支撑体的制备：取平均粒径为150～40μm的Al粉和平均粒径为150～40μm的Fe粉，按Fe原子数为总原子数的30～80％并且Al原子数为总原子数的20～70％混匀；然后于100～250MPa下采用普通模压方式制备片状坯；或于120～250MPa下采用冷等静压方式制备管状坯；片状坯或管状坯置于真空度为1.0～1.0×10^-2Pa的真空气氛中，在温度为120～150℃下烧结30～60min，然后升温至510～640℃并保温60～240min，最后升温至1000～1250℃并保温60～180min，冷却，制得多孔支撑体；

b、复合浆料的制备：取平均粒径为0.5～2.0μm的Al粉和平均粒径为0.5～2.0μm的Fe粉，按Fe原子数为总原子数的30～80％并且Al原子数为总原子数的20～70％混匀，制得粉料混合物；然后向粉料混合物中加入有机添加剂混匀，即得复合浆料；其中，所述有机添加剂为乙醇、乙二醇、甘油、聚乙二醇、聚乙烯醇中至少一种；粉料混合物∶有机添加剂按重量比＝1∶0.2～1.5；

c、多孔材料的制备：将复合浆料涂在多孔支撑体表面，然后置于真空度为1.0～1.0×10^-2Pa的真空气氛中，加热，在100～400℃下保温30～120min，然后升温至510～640℃并保温60～240min，最后升温至700～900℃并保温30～120min，冷却，即得FeAl金属间化合物多孔材料。

2.根据权利要求1所述的FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，其特征在于：a步骤中制备片状坯或管状坯时，压制芯杆成0.1～2°的锥度。

3.根据权利要求1所述的FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，其特征在于：c步骤的多孔支撑体在涂复合浆料前先于聚丙烯酸和乙二醇组成的复合水溶液中预浸润，其中，所述复合水溶液中聚丙烯酸和乙二醇的重量比为1∶0.8-1.2，聚丙烯酸和乙二醇的总浓度为10～20wt％。

4.根据权利要求3所述的FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，其特征在于：所述聚丙烯酸和乙二醇的重量比为1∶1。

5.根据权利要求1所述的FeAl金属间化合物多孔材料的制备方法，其特征在于：c步骤中升温速率为5～10℃/min。