CN101608271B

CN101608271B - 一种通孔泡沫铜的制备方法

Info

Publication number: CN101608271B
Application number: CN2009100697927A
Authority: CN
Inventors: 王清周; 崔春翔; 陆东梅; 李诺
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-07-20
Also published as: CN101608271A

Abstract

本发明一种通孔泡沫铜的制备方法，涉及有开或闭孔隙的金属的制造，是以电解铜粉和NaCl颗粒为原材料，采用烧结-脱溶技术制备通孔泡沫铜的方法，将NaCl颗粒与电解铜粉以及添加剂混合均匀后压制得生坯，在烧结炉中置于氩气气氛下烧结，得到的物品置于循环热水装置中将NaCl颗粒溶除，再用超声波水浴中洗涤和丙酮清洗，最后烘干，即制得有由三维相互连通的空间网络构成的开孔、孔隙率为50～81％、平均孔径为0.2～4mm和基体中存在微观孔洞的通孔泡沫铜产品。所得通孔泡沫铜的孔隙率及孔径可控，烧结质量较高，有着很好的吸能性能。

Description

一种通孔泡沫铜的制备方法

技术领域

本发明的技术方案涉及有开或闭孔隙的金属的制造，具体地说是一种通孔泡沫铜的制备方法。

背景技术

通孔泡沫铜具有高比表面积、吸音、渗透、过滤及能量吸收的特性，在催化、化工、能源、热能、环保、缓冲和减震降噪领域都具有巨大的市场应用潜力。

有关泡沫铜的制备方法，已经研发的现有工艺技术有：定向凝固方法、电沉积或气相沉积方法及粉末冶金方法。其中定向凝固方法可制备多种构型的泡沫金属特别是珊瑚状泡沫铜，但孔隙率和开孔率均比较低，因此不适宜制备高孔隙率和开孔型泡沫铜。电沉积或气相沉积方法用塑料泡沫为前驱材料，但因为孔的形貌、尺寸及孔隙率等都很大程度上取决于前驱材料，因此所制得泡沫金属材料的结构参数仍有限制。CN101186982公开了一种通孔泡沫铜的制备方法，这种方法属于铸造方法，是利用不同金属的熔点差，采用较低熔点的铝金属球烧结体为前驱体、较高熔点的铜或铜合金为渗流体，采用渗流方法实现通孔泡沫铜的制备方法。但利用该现有技术进行泡沫铜制备时因前驱体铝与渗流体铜或铜合金的熔点相差较大，前驱体预热温度、渗流体熔化温度及渗流速度都较难控制，温度过高则铝过早熔化，而温度过低则铜或铜合金过早凝固，这都会阻塞渗流通道，因此该现有技术操作要求较高；另外在压力渗流过程中还可能存在界面反应。与上述方法相比，用粉末冶金法可制备出构型更为灵活、基体更为多样化的多孔金属，其中的烧结-脱溶工艺更显示出巨大优势，其制备的多孔材料具有更为宽广的结构及性能参数的可调范围，因此所制得泡沫金属材料有着更广的应用范围。但是，至今有关应用该方法制备泡沫铜的报道较少，特别是利用易脱溶但熔点显著低于通常铜烧结温度＞900℃的NaCl(NaCl的熔点为801℃)为造孔剂的报道尚未见到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种通孔泡沫铜的制备方法，它是用粉末冶金法中的烧结-脱溶工艺，特别是利用熔点显著低于通常铜烧结温度的物质为造孔剂，所得通孔泡沫铜的孔隙率及孔径可控，烧结质量较高，克服了用现有技术制得泡沫铜的结构参数有限制和技术操作要求较高的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种通孔泡沫铜的制备方法，是以电解铜粉和NaCl颗粒为原材料，采用烧结-脱溶技术制备通孔泡沫铜的方法，具体步骤是：

第一步，对NaCl颗粒进行去结晶水处理及不同粒径颗粒的筛分；

第二步，将从第一步处理并筛分得到的平均粒径为0.2mm～4mm的NaCl颗粒与电解铜粉以及添加剂混合均匀后装入压制模具，单向加压至250～350MPa获得生坯，所述的电解铜粉末和NaCl颗粒的质量是由m_铜＝V×(1-P)×8.96、m_NaCl＝V×P×2.16确定，其中V为泡沫铜的体积，P为孔隙率，8.96和2.16分别为致密状态下电解铜及NaCl的密度；所述的添加剂为有机溶剂，加入量为电解铜粉和NaCl总质量的2～5％；

第三步，将第二步制得的生坯置于氩气气氛中，在烧结炉中于740～760℃烧结2～3小时，然后升温至930～960℃烧结3～5小时；

第四步，将第三步得到的物品随炉冷却至室温，用线切割切去该物品表皮后置于循环热水装置中将NaCl颗粒溶除，至该物品质量不再变化方可结束，然后将该物品置于超声波水浴中洗13～16分钟，再用丙酮清洗后于烘箱中在100℃烘干，即制得通孔泡沫铜产品，该通孔泡沫铜产品为由三维相互连通的空间网络构成的开孔铜泡沫，其孔隙率为50～81％，平均孔径为0.2～4mm，且基体中存在微观孔洞。

上述一种通孔泡沫铜的制备方法，其第二步中所述的添加剂为乙醇、丙醇或丙酮。

上述一种通孔泡沫铜的制备方法，其第四步中的循环热水是自来水加热后所得的循环热水。

在上述一种通孔泡沫铜的制备方法中，所用的原材料电解铜粉、NaCl颗粒和有机添加剂均为市售的普通化工商品；结晶水处理、筛分、单向加压、烧结、线切割和烘干均为公知的材料加工工艺；压制模具、烧结炉、循环热水装置和超声波水浴均为公知的普通材料制备用设备。

本发明的有益效果是：

本发明一种通孔泡沫铜的制备方法的原理是：对于高熔点金属粉术的烧结，曾有过利用高熔点氧化物或氟化物为固态造孔剂的报道，但目前尚未见到有利用熔点远低于铜的烧结温度而且对基体低腐蚀、无毒和容易用水溶除的NaCl颗粒为泡沫铜固态造孔剂的报道。而本发明的发明者研究表明：在泡沫铜烧结的升温过程中，在NaCl熔化之前铜粉颗粒之间已达到良好的冶金结合，即泡沫铜的骨架已基本固定，且泡孔基本复制了NaCl颗粒的形貌与尺寸。而最终泡沫铜的烧结温度＞900℃，显著高于NaCl熔点801℃，会至使NaCl全部熔融的，该烧结温度除了会进一步提高泡沫铜基体的烧结质量外，不会再影响泡沫铜泡孔的形貌。因此利用低熔点NaCl颗粒作为固体造孔剂来制备通孔泡沫铜是完全可行的，且烧结温度不受限制，由此所制得的通孔泡沫铜具有更高的烧结质量，而且所得孔隙率和孔径都是可控的。

以下更详细列出本发明一种通孔泡沫铜的制备方法所具有的优点和积极效果：

(1)本发明方法工艺简单、生产成本低和制得的通孔泡沫铜产品的孔隙率及孔径均可精确控制。

(2)本发明方法与采用氟化物或氧化物固态造孔剂的方法相比，NaCl更易于水中溶除，且利用NaCl具有对烧结温度没有限制、无毒和对基体低腐蚀的特点。

(3)本发明方法烧结温度不受限制，样品烧结质量高。(参见附图1)

(4)本发明方法所用设备条件简单，易于实现规模化生产。

(5)本发明方法的获取生坯的压制过程中，使用少量有机溶剂添加剂，这使电解铜粉与NaCl颗粒更易混匀且粘接充分，同时使产品的脱模变的更加容易。

(6)本发明方法采用烧结-脱溶技术制备通孔泡沫铜，保证产品通孔泡沫铜的孔径和孔分布均匀，显著提高了通孔泡沫铜的烧结质量，大大降低了废品率。

(7)对采用本发明方法制得的通孔泡沫铜分别用数码相机和场发射扫描电镜来进行形态和结构的表征，由照片并经计算可知，所得通孔泡沫铜为三维相互贯通的空间开孔网络结构，其孔径范围为0.2～4mm，孔隙率范围为50～81％。(参见附图1)

(8)除宏观孔洞外，利用本发明方法制备的通孔泡沫铜基体上还存在有因基体非完全致密化或在高温捕获部分NaCl蒸汽而形成的微观孔洞，这有利于通孔泡沫铜性能的进一步提高。(参见附图1)

(9)用万能材料试验机对用本发明方法制得的通孔泡沫铜和用同等条件制得的致密铜样品进行准静态压缩测试，与致密铜相比，用本发明方法制得的通孔泡沫铜的应力-应变曲线展示出了很长的低应力值塑性平台区，说明该通孔泡沫铜有着很好的吸能性能。(参见附图2)

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例2制得的通孔泡沫铜的数码相机和扫描电镜照片。

图2是本发明实施例2制得的通孔泡沫铜和用同等条件制得的致密铜样品的应力-应变曲线图。

具体实施方式

下列实施例中所用的原料电解铜粉、所需NaCl颗粒和添加剂乙醇、丙醇或丙酮均从市场购买而得；所用的设备标准样品筛、自制压制模具及常规的压力机、管式烧结炉、超声波水浴及烘箱均为公知的普通材料制备用设备。

实施例1

第一步，对市购的NaCl颗粒进行去结晶水处理，用标准样品筛进行不同粒径颗粒的筛分；

第二步，将从第一步处理并筛分得到的平均粒径为0.2mm的NaCl颗粒与市购的电解铜粉以及乙醇混合均匀后装入压制模具，单向加压至250MPa获得生坯，所述的电解铜粉末和NaCl颗粒的质量是由m_铜＝V×(1-P)×8.96、m_NaCl＝V×P×2.16确定，其中V为泡沫铜的体积，P为孔隙率，8.96和2.16分别为致密状态下电解铜及NaCl的密度；乙醇的加入量为电解铜粉和NaCl总质量的2％；

第三步，将第二步制得的生坯置于氩气气氛中，在烧结炉中于740℃烧结3小时，然后升温至930℃烧结5小时；

第四步，将第三步得到的物品随炉冷却至室温，用线切割切去该物品表皮后置于循环热水装置中将NaCl颗粒溶除，至该物品质量不再变化方可结束，然后将该物品置于超声波水浴中洗16分钟，再用丙酮清洗后于烘箱中在100℃烘干，即制得通孔泡沫铜产品，该通孔泡沫铜产品为由三维相互连通的空间网络构成的开孔铜泡沫，其孔隙率为50％、平均孔径为0.2mm，且基体中存在微观孔洞。

实施例2

第二步，将从第一步处理并筛分得到的平均粒径为0.75mm的NaCl颗粒与市购的电解铜粉以及丙醇混合均匀后装入压制模具，单向加压至300MPa获得生坯，所述的电解铜粉末和NaCl颗粒的质量是由m_铜＝V×(1-P)×8.96、m_NaCl＝V×P×2.16确定，其中V为泡沫铜的体积，P为孔隙率，8.96和2.16分别为致密状态下电解铜及NaCl的密度；丙醇的加入量为电解铜粉和NaCl总质量的3％；

第三步，将第二步制得的生坯置于氩气气氛中，在烧结炉中于750℃烧结2.5小时，然后升温至940℃烧结4小时；

第四步，将第三步得到的物品随炉冷却至室温，用线切割切去该物品表皮后置于自来水加热后所得的循环热水装置中将NaCl颗粒溶除，至该物品质量不再变化方可结束，然后将该物品置于超声波水浴中洗15钟，再用丙酮清洗后于烘箱中在100℃烘干，即制得通孔泡沫铜产品，该通孔泡沫铜产品为由三维相互连通的空间网络构成的开孔铜泡沫，其孔隙率为70％、平均孔径为0.75mm，且基体中存在微观孔洞。

图1是用数码相机和Philips XL30型扫描电镜进行观察本实施例制得的通孔泡沫铜所得到的照片。其中图1a和图1b分别为垂直于和平行于压制方向的通孔泡沫铜的截面形貌，图1c为平行于压制方向通孔泡沫铜的弯曲断口形貌，图1d为平行于压制方向将泡沫铜切割后所得截面基体上的微观形貌。由这些照片并经计算可知：(1)由本实施例制得的通孔泡沫铜为三维相互贯通的空间开孔网络结构，其平均孔径范围为0.75mm，孔隙率为70％；(2)所制得通孔泡沫铜属典型韧性断裂，表明泡沫铜烧结质量较高，另外孔壁粗糙，有利于吸声、降噪作用的提高；(3)所制得通孔泡沫铜的基体上存在因基体非完全致密化或高温下捕获部分氯化钠蒸汽而形成的微观孔洞，根据吸能及阻尼机制这有利于通孔泡沫铜吸能及阻尼性能的进一步提高。

图2是用SHT5305型微机控制电液伺服万能材料试验机对本实施例制得的通孔泡沫铜和用同等条件制得的致密铜样品进行准静态压缩而得到的应力-应变曲线图。与用同等条件制得的致密铜相比，由本实施例制得的通孔泡沫铜的应力-应变曲线展示出了很长的低应力值塑性平台区，说明该通孔泡沫铜有着很好的吸能特性。

实施例3

第二步，将从第一步处理并筛分得到的平均粒径为3mm的NaCl颗粒与市购的电解铜粉以及丙酮混合均匀后装入压制模具，单向加压至300MPa获得生坯，所述的电解铜粉末和NaCl颗粒的质量是由m_铜＝V×(1-P)×8.96、m_NaCl＝V×P×2.16确定，其中V为泡沫铜的体积，P为孔隙率，8.96和2.16分别为致密状态下电解铜及NaCl的密度；丙酮的加入量为电解铜粉和NaCl总质量的4％；

第三步，将第二步制得的生坯置于氩气气氛中，在烧结炉中于760℃烧结2小时，然后升温至940℃烧结4小时；

第四步，将第三步得到的物品随炉冷却至室温，用线切割切去该物品表皮后置于循环热水装置中将NaCl颗粒溶除，至该物品质量不再变化方可结束，然后将该物品置于超声波水浴中洗14钟，再用丙酮清洗后于烘箱中在100℃烘干，即制得通孔泡沫铜产品，该通孔泡沫铜产品为由三维相互连通的空间网络构成的开孔铜泡沫，其孔隙率为75％、平均孔径为3mm，且基体中存在微观孔洞。

实施例4

第二步，将从第一步处理并筛分得到的平均粒径为4mm的NaCl颗粒与市购的电解铜粉以及乙醇混合均匀后装入压制模具，单向加压至350MPa获得生坯，所述的电解铜粉末和NaCl颗粒的质量是由m_铜＝V×(1-P)×8.96、m_NaCl＝V×P×2.16确定，其中V为泡沫铜的体积，P为孔隙率，8.96和2.16分别为致密状态下电解铜及NaCl的密度；乙醇的加入量为电解铜粉和NaCl总质量的5％；

第三步，将第二步制得的生坯置于氩气气氛中，在烧结炉中于760℃烧结2小时，然后升温至960℃烧结3小时；

第四步，将第三步得到的物品随炉冷却至室温，用线切割切去该物品表皮后置于自来水加热后所得的循环热水装置中将NaCl颗粒溶除，至该物品质量不再变化方可结束，然后将该物品置于超声波水浴中洗13钟，再用丙酮清洗后于烘箱中在100℃烘干，即制得通孔泡沫铜产品，该通孔泡沫铜产品为由三维相互连通的空间网络构成的开孔铜泡沫，其孔隙率为81％、平均孔径为4mm，且基体中存在微观孔洞。

Claims

1.一种通孔泡沫铜的制备方法，其特征在于：是以电解铜粉和NaCl颗粒为原材料，采用烧结-脱溶技术制备通孔泡沫铜的方法，具体步骤是：

2.根据权利要求1所述一种通孔泡沫铜的制备方法，其特征在于：其第二步中所述的添加剂为乙醇、丙醇或丙酮。

3.根据权利要求1所述一种通孔泡沫铜的制备方法，其特征在于：其第四步中的循环热水是自来水加热后所得的循环热水。