CN101876021A

CN101876021A - 有机泡沫浸浆烧结法制备宏观网状多孔铁

Info

Publication number: CN101876021A
Application number: CN2009102596649A
Authority: CN
Inventors: 刘培生; 崔光; 陈一鸣; 罗军
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2010-11-03

Abstract

本发明涉及一种宏观网状的多孔铁材料，产品的孔隙主要是构成宏观网状结构且尺寸为0.5～2.0mm的主孔，孔隙之间相互通孔。此外，在主孔孔棱上还存在着少量的尺寸远小于主孔的微孔。这种宏观网状的多孔铁的制备方法是以有机泡沫材料为基体，采用浸浆干燥烧结法制备而成，烧结温度在1100～1400℃之间。其中料浆由金属铁粉和无毒性有机黏结剂组成，黏度用水调节。

Description

有机泡沫浸浆烧结法制备宏观网状多孔铁

技术领域：

本发明涉及多孔铁材料，尤其涉及一种宏观网状多孔铁的制备方法。

背景技术：

铁是地核中的主要物质，也是人们最为熟知的一种金属。多孔金属具有结构和功能双重属性，可应用于很多的工程领域([1]刘培生.多孔材料引论[M].北京：清华大学出版社，2004.)。作为多孔金属，多孔铁首先在减震减摩领域以及在含油轴承等方面都起着重要的作用，而且在军事领域也受到很大重视([2]张政，党新安.温压工艺制备多孔铁基金属的探讨[J].火工品，2007，3：50-53.)。泡沫态多孔铁的性能优于泡沫铝等低熔点泡沫金属的性能，较突出的优点如其比泡沫铝具有更高的强度、吸能缓冲性和耐高温性，因而在汽车制造业、船舶制造业、高层建筑业、桥梁及交通运输业有着更广阔的应用前景，但制备多孔铁的工艺也要比制备泡沫铝的工艺更为困难([3]高芝，周芸，左孝青，潘晓亮，杨林海.粉体致密化法(PCF)制备泡沫铁的研究[J].昆明理工大学学报(理工版)，2006，31(6)：32-35.)。

多孔铁还是近来研究较多的用于汽车尾气净化的载体材料([4]陈红辉，郝胜策，高原，张婷.超声波对泡沫铁结构的影响[J].电镀与环保，2009，29(3)：15-17.)。早期所研究的汽车尾气净化一般均采用泡沫陶瓷芯体作为催化载体，利用活性物质对汽车尾气进行催化转化后排放([5]陈红辉，朱爱平，夏健康，刘纯辉，高原.泡沫铁制备工艺的研究[J].电镀与环保，2007，27(5)：11-12.)。但陶瓷芯体存在机械强度低、脆性大、导热性能较差等缺点。泡沫态多孔铁具有价格便宜、比表面积大、抗压强度高、热膨胀系数低、热稳定性好等特点，更适合用于汽车尾气净化领域([5]陈红辉，朱爱平，夏健康，刘纯辉，高原.泡沫铁制备工艺的研究[J].电镀与环保，2007，27(5)：11-12.)。

此外，适当选取不同初始密度的多孔铁样品，可使铁的实验冲击压缩点趋近地核密度压缩线，这对于界定地核条件下铁相变等结构进化特征具有直接的应用意义([6]张岱宇，刘福生，薛学东.用精密示波器测量多孔铁冲击高压实验[J].实验科学与技术，2006，6：25-27.)。

从所阅文献来看，多孔铁的制备方法一般是采用粉末冶金温压工艺([2]张政，党新安.温压工艺制备多孔铁基金属的探讨[J].火工品，2007，3：50-53.)、粉末致密化发泡工艺([3]高芝，周芸，左孝青，潘晓亮，杨林海.粉体致密化法(PCF)制备泡沫铁的研究[J].昆明理工大学学报(理工版)，2006，31(6)：32-35.)和电沉积工艺([4]陈红辉，郝胜策，高原，张婷.超声波对泡沫铁结构的影响[J].电镀与环保，2009，29(3)：15-17；[5]陈红辉，朱爱平，夏健康，刘纯辉，高原.泡沫铁制备工艺的研究[J].电镀与环保，2007，27(5)：11-12.)。本发明则是采用有机泡沫浸浆干燥烧结工艺，制备出了宏观网状的多孔铁材料，其孔隙组成主要是尺度在毫米量级的宏孔(肉眼可视的宏观孔隙)，即宏孔构成多孔体的主孔。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种孔隙相互连通的宏观网状多孔铁材料及其制备方法。制备方法采用有机泡沫基体浸浆干燥烧结工艺，选用金属铁粉和无毒黏结剂配制料浆，选用聚氨酯泡沫为有机基体。

本发明的宏观网状多孔铁材料，在一定程度上“翻版”了有机泡沫塑料的形态，其特征在于：通过有机泡沫基体浸浆干燥，在真空环境下热分解有机物并实现铁粉烧结，最后形成网状结构的多孔体，其孔隙组成主要是尺度在0.5～2.0mm的宏孔(肉眼可视的宏观孔隙)，孔隙之间相互连通。多孔体中，在以宏孔为主孔的孔棱上，存在着尺寸远小于主孔的微孔。

本发明使用的无毒黏结剂由甲基纤维素与去离子水配制，两者的质量配比为1∶5～1∶15；本发明提供的有机基体浸浆后的干燥工艺条件，为干燥箱中100℃烘干2h以上，以确保除去多孔坯体中绝大多数水份并使坯体全部硬化。

考虑到金属铁的高温氧化，本工艺规定烧结炉应保持真空度不低于10^-2Pa的水平。

本发明制备的多孔铁结构具有下述特征和优点：

1)本发明的多孔铁呈宏观网状结构，孔隙之间相互连通。

2)本发明的宏观网状多孔铁在一定程度上“翻版”了浸浆工艺中所用有机泡沫基体的结构形态。有机泡沫材料的制造工艺成熟、可调性强、孔结构可控性好，品种丰富。因此，在本工艺选用多孔基体时，可供选择性强，较易获得所需结构指标的备用体。

3)本发明的制备方法操作方便，设备简单，实用性强。

附图说明：

图1本发明多孔铁宏观形貌的低倍扫描电子显微照片，显示了多孔结构中肉眼可视的宏观网状形貌，其中孔隙(主孔)之间是相互连通的。

图2本发明多孔铁中主孔孔棱形貌的扫描电子显微照片，显示了主孔孔棱上存在着少量的尺寸远小于主孔的微孔。

具体实施方式：

实施例：称取一定量的甲基纤维素，按“甲基纤维素∶去离子水＝1g∶12ml”的比例加入常温去离子水，搅拌下配制成浆糊状的均匀乳状黏结剂待用。选用粒度为D₅₀＝2.5μm、纯度为99.5％的铁粉，将75g铁粉与60ml的上述黏结剂配制成料浆，搅拌均匀。然后用聚氨酯通孔泡沫块体进行浸浆处理，将处理过的多孔体置于干燥箱中，于100℃烘干4h。烘干后的多孔体变硬，再放到真空炉中，先在室温下抽真空至小于5×10^-3Pa的水平，再用15min的时间升温至160℃，保温30min，持续抽真空最后达到最小压力为3×10^-3Pa。然后以80min的时间将炉温由160℃直接提高到1100℃，接着以30min的时间将炉温由1100℃提高到1160℃，在1160℃保温2h，完成后关机使系统随炉冷却。整个过程保持真空状态，直至炉体冷却至100℃才出炉取样。所得块体多孔铁的宏观形貌呈肉眼可视的网状结构(参见图1)，孔隙尺度为0.5～2.0mm，孔隙之间相互连通。经电镜显微分析，上述孔隙的孔棱上还存在着少量尺度为微米量级的微孔(参见图2)。

Claims

1.一种孔隙尺寸为0.5～2.0mm的宏观网状多孔铁材料，其制备方法采用有机泡沫基体浸浆干燥烧结工艺，该工艺方法的特征在于：所用有机泡沫为聚氨酯泡沫体，浆料由铁粉、甲基纤维素和水组成，用水调节黏度，有机泡沫基体浸浆后先经100～120℃烘干2h以上，使其水分挥发并获得具有良好自支持硬质结构的预制体，然后置于真空炉中烧结。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：铁粉无需预处理，料浆配制的甲基纤维素与水的质量比为1∶5～1∶15之间。