CN102618744B

CN102618744B - 一种用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法

Info

Publication number: CN102618744B
Application number: CN2012100479341A
Authority: CN
Inventors: 曹箭波; 王幸福; 厉运杰; 任月路; 王新福; 韩福生
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN102618744A

Abstract

本发明公开了一种用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，首先将一次NaCl颗粒烘干后球磨成粉体，然后将NaCl粉体通过造粒步骤制备出二次颗粒，将所得颗粒通过筛网筛分出不同的颗粒尺寸；然后预烧结NaCl颗粒，最后将金属镁熔化，金属液上方铺展SY-LF1覆盖剂，并通过惰性气体加压渗流，将金属镁液渗入到预制块颗粒间隙中，冷却后去除NaCl，得到泡沫镁。本发明与粉末冶金法以及传统的颗粒渗流法相比，这种方法的创新之处在于渗流颗粒为二次颗粒，它具有较一次颗粒更优的溶解能力，渗流后极易去除，不会对镁泡沫基体造成腐蚀和损害，在生物仿生领域将有巨大的应用前景。

Description

一种用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫镁的制备工艺，特别是一种用于生物仿生研究领域的清洁高纯、无异相残余的通孔泡沫镁的制备方法。

背景技术

泡沫金属是一种在金属基体内分布着许多孔洞的材料，与对应的实体金属相比，具有密度小、比表面积大、能量吸收率好等特点，是一种结构与功能一体化的新型材料。作为结构材料，它具有轻质和高强的特点；作为功能材料，同时具有吸声、隔热、防震、耐冲击、高阻尼、电磁屏蔽等特性，在很多领域具有广泛的应用前景。比如它可用于飞船的起落架、减震器、缓冲器、过滤器、消音器，以及多孔金属电极、信号舱等。

金属镁的密度是铝的2/3，比强度和比刚度比铝高，具有六方晶体结构，这将有利于提高其阻尼性能，所以泡沫镁的制备具有较泡沫铝更大的意义，尤其是泡沫镁具有良好的生物相容性以及生物可降解性，对于开孔结构的泡沫镁来说，可以使新骨组织在其内部生长、体液在其内部传输，而且，可以通过控制镁泡沫的孔隙率，使其强度和杨氏模量满足自然骨的力学要求。所以说泡沫镁在生物仿生领域具有巨大的应用潜力和发展前景。

但是，目前泡沫金属的研究以泡沫铝为主，关于泡沫镁的文章和专利较少，尤其是高纯度、无异相残余的泡沫镁，鲜见报道，这主要是由于镁金属化学活性强，易氧化，易腐蚀，在制备研发上具有一定的难度，因而探索新的简单易行的制备方法有着重要的意义。

目前，常用的制备泡沫金属的方法主要有以下几种：

1. 熔体发泡法

将发泡剂加入到液态金属中，发泡剂受热分解释放出气体，气体膨胀使液态金属发泡，在金属冷却凝固过程中气泡保留在金属中，从而形成闭孔泡沫金属材料。熔体发泡法的优点是获得的泡沫金属孔隙率高、制作成本低、适合制备大件，其结构为闭孔结构；缺点是工艺控制比较困难。

2. 颗粒渗流法

首先将颗粒在模具内压实，烘干，形成预制块。然后施加气压将金属液渗入到颗粒预制块的间隙中，最后将颗粒溶去即可得到开孔结构的泡沫金属材料。对于填料颗粒的选择应满足下列要求：1）颗粒材料必须具有一定的强度和耐温性能，以保证预热过程、高温金属液渗流过程及渗流压力的作用下不软化变形，更不能熔化；2）当渗流冷却后，颗粒应易溶于水或易用其它方式去除掉，以获得孔洞连通的泡沫金属网络结构；3）颗粒表面应该光滑，以保证颗粒间良好的接触，颗粒表面凹凸不平使颗粒彼此间接触不良，从而使孔洞间连通性变差；4）颗粒材料还应满足对环境无污染、来源广泛和便于成型等特点。

颗粒渗流法的优点是孔隙率高，为通孔结构；缺点是对颗粒预制块的制备要求很高，内部的颗粒难以在短时间内完全去除，从而对镁基体造成严重腐蚀。

3. 粉末冶金法

包括粘结剂发泡法、松散粉末烧结法、渗入海绵粘合剂烧结法和粉末压制烧结发泡法。

1）粘结剂发泡法是将粘结发泡剂的混合物与金属粉末混合物搅拌发泡，烘干成一多孔固体，然后烧结成泡沫金属材料。

2）松散粉末烧结法：根据烧结的机制，粉末颗粒要相互接触，在加热时由于热运动和表面张力作用，使粉末之间的接触增大，烧结时不外加压力，可以直接把金属粉末装满整个模子进行烧结。此方法主要是用于生产多孔金属电极和燃料电池。

3）渗入海绵粘合剂烧结法：将一种海绵相的有机材料，如天然的或合成的塑料海绵切割成所需的形状，然后浸泡在粘合剂中，这种粘合剂是由所需的金属粉末和粘合剂媒介物所组成，之后把浸泡过的海绵干燥除去媒介物，最后把得到的干燥海绵在高温加热烧结，同时除去分解的有机材料，冷却后得到一种相互连通的高孔隙率的泡沫金属材料。

4）粉末压制烧结发泡法：首先将金属粉末和相应的发泡剂按一定的比例均匀混合，发泡剂可以是金属氢化物、水化物等；然后将混合粉末通过挤压或热等静压制成致密的半成品，这种半成品的外表面与普通金属一样，但在其内部包含了发泡剂。热挤压时选择的温度使金属粉末粒子之间通过扩散连接在一起，选择的压力使发泡剂不发生分解。最后将挤压的可发泡半成品加热到母体金属熔点温度以上，使发泡剂产生气体分解，从而在金属内部产生气泡，形成泡沫金属材料。

粉末冶金法的特点是适合于制备孔隙率高、孔分布均匀的、结构较复杂的部件；缺点是工艺控制复杂，残余物难以清除。

4. 空心球铸造法

先用商用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料炭化，形成中空的小球。然后将这些空心小球加入到金属液中，并强烈搅拌使空心小球均匀分散，最后得到空心球与金属基体形成的泡沫金属材料。

空心球铸造法的特点是孔径和孔隙率易于控制，适宜于制备小件试样，并对进行理论分析有较重要的价值。

5. 精密铸造法

首先用耐火材料浆料填满海绵状的泡沫塑料的空隙，待耐火材料固化后，加热除去塑料，即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属液浇入到该预制块上，最后再除去耐火物质，就形成了与原来海绵状塑料结构相同的泡沫金属材料。

精密铸造法的特点是能制备出分布均匀的孔洞连通结构，但力学性能往往较低。

6. 气体-共晶转变法

工艺的核心是在高压下使气体溶入金属并达到共晶成分，然后通过控制气体“晶体”的结晶热力学和生长动力学条件，使泡沫金属材料中的孔洞可以在较大程度上人为地进行控制。高压气体喷嘴可在一定范围内摆动，以避免在熔液中产生大的气泡，在气体吹入处有一搅拌装置，其作用是尽量使气体均匀分布在熔液中。气泡气体可以为空气、二氧化碳、氧气、氢气、水蒸汽或者惰性气体等。

气体-共晶转变法的特点是孔洞的大小和孔隙率基本可控，但成本很高。

7. 金属沉积法

以聚氨基甲酸乙酯发泡材料为骨架，进行电解沉积，然后加热除去有机聚合物骨架，得到泡沫金属材料。

金属沉积法的特点是不但孔隙率高、孔分布均匀，而且孔互相连通呈三维网状结构，但制备成本较高，对环境有一定影响。

8. 溅射沉积法

在惰性气体的压力下，金属原子在飞溅路程中与高压惰性气体原子碰撞，金属原子一方面捕获了惰性气体原子，另一方面凝聚成金属液滴，然后到达衬底。因此在衬底上获得均匀包裹惰性气体原子的金属体。最后在高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使捕获的气体膨胀，形成泡沫金属材料。

溅射沉积法的特点是孔结构特征非常理想，但成本昂贵，不易制备大件。

发明内容

为了缓解现有技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，本发明与粉末冶金法以及传统的颗粒渗流法相比，这种方法的创新之处在于渗流颗粒为二次颗粒，它具有较一次颗粒更优的溶解能力，渗流后极易去除，不会对镁泡沫基体造成腐蚀和损害，在生物仿生领域将有巨大的应用前景。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：

用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）首先将一次NaCl颗粒烘干后球磨成粉体，过200目筛网，将NaCl粉体通过造粒步骤制备出粒度在0.1-5mm的二次颗粒，将所得颗粒依次通过一定规格的筛网，筛分出不同尺寸范围的二次颗粒；

（2）将步骤（1）分级得到的颗粒原料，置入马弗炉中进行预烧结，于600-700℃保温10-120min，取出后自然冷却；

（3）渗流：将金属镁于660-700℃熔化，金属液上方铺展覆盖剂，再将步骤（2）预烧结后的颗粒压成预制块，控制压力在10-100MPa，并于600-650℃进行预热，然后采用惰性气体加压渗流，调节压力至0.1-1atm，将金属镁液渗入到预制块颗粒间隙中，冷却后去除NaCl，得到泡沫镁。

所述的用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于：所述的泡沫镁的孔隙率在50-80%之间，为三维相互连通的空间网络结构，孔径在0.1-5mm之间。

所述的用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于：所述的一定规格的筛网为8目、12目、16目、30目、60目和100目。

本发明的有益效果：

本发明所用的预制块成型材料为NaCl二次颗粒，它采用粉体成型技术加工而成，极易溶解，解决了一次颗粒难以清除而造成镁泡沫腐蚀严重的问题，相对于粉末冶金技术，也解决了常规造孔剂难以完全除去而存在异相残余的问题；本发明成本低廉，所制备的泡沫镁可以通过选择不同大小及形状的二次颗粒而使其孔径、孔隙率得到有效调整，满足生物仿生研究方面的需求，具有极为广阔的应用前景。

附图说明

图1 本发明的工艺流程图。

图2 本发明生产的泡沫镁，孔隙率从左到右依次为60%、64%、67%的形貌照片：其中(a)俯视图；（b）侧视图。

图3 本发明生产的泡沫镁形貌照片：其中(a)微结构扫描形貌；（b）EDX能谱图。

具体实施方式

实施例1：用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）首先将一次NaCl颗粒烘干后球磨成粉体，过200目筛网，将NaCl粉体通过造粒步骤制备出粒度在0.1-5mm的二次颗粒，将所得颗粒依次通过8目、12目、16目、30目、60目和100目的筛网，筛分出不同尺寸范围的二次颗粒；

（3）渗流：将金属镁于660-700℃熔化，金属液上方铺展SY-LF1覆盖剂，再将步骤（2）预烧结后的颗粒（可以是同一目数级别的颗粒或多种不同目数的颗粒混合）压成预制块，控制压力在10-100MPa，并于600-650℃进行预热，然后采用惰性气体加压渗流，调节压力至0.1-1atm，将金属镁液渗入到预制块颗粒间隙中，冷却后去除NaCl，得到泡沫镁。

所述的泡沫镁的孔隙率在50-80%之间，为三维相互连通的空间网络结构，孔径在0.1-5mm之间。

实施例2：将平均直径为1mm的二次NaCl球形颗粒置入直径为105mm，高度为90mm的金属模具内，振动，压实，放入电阻炉内进行预热；升温到650℃并保温1h；随后在0.5atm下将680℃的金属镁液在氩气保护下渗流浇铸到650℃预热的预制块中；冷却后水洗除去球形盐颗粒，得到孔隙率为60%的球形孔清洁泡沫镁。

Claims

1.一种用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于：所述的泡沫镁的孔隙率在50-80%之间，为三维相互连通的空间网络结构，孔径在0.1-5mm之间。

3.根据权利要求1所述的用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法，其特征在于：所述的一定规格的筛网为8目、12目、16目、30目、60目和100目。