CN102917820B - 制造封闭孔金属泡沫的方法以及具有封闭孔金属泡沫的组件 - Google Patents

制造封闭孔金属泡沫的方法以及具有封闭孔金属泡沫的组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制造封闭孔金属泡沫的方法。另外，本发明还涉及一种组件，所述金属泡沫使用在其中。为了形成带有封闭孔（17）的金属泡沫（18），该组件（11）在热处理之前配备有金属颗粒（19）构成的复合物（21），其中，颗粒例如能够具有膨胀剂的层（20）。可选的（未示出），金属和膨胀剂还能够设置为板的多层或者作为颗粒的混合物。膨胀剂通过热处理释放出膨胀气体，其中依据本发明设置如下，即膨胀剂由富勒烯或纳米管组成，在其上，膨胀剂化学或者物理的连接。因为纳米管或富勒烯良好的高温稳定性，可产生膨胀剂，由此在相对较高的超过1000℃的温度下释放出膨胀气体，其中，由此具有相对较高的超过1000℃的固相线温度的金属还能够加工成为金属泡沫。由此形成了大量多样的可制造的金属泡沫，以及由此产生的更多结构自由度。

Description

制造封闭孔金属泡沫的方法以及具有封闭孔金属泡沫的组件
技术领域
本发明涉及制造封闭孔金属泡沫的方法，其中提供了由金属或金属合金和膨胀剂构成的复合物。该复合物经受热处理，其中，复合物的加热需足够，从而在复合物中形成封闭孔隙的情况下膨胀剂(Treibmittel)还形成膨胀气体(Treibgas)。这就意味着，封闭孔隙通过如下产生，即，膨胀气体产生并被捕获在形成为封闭的孔中。
此外，本发明还涉及一种组件，该组件至少部分的由所述封闭孔金属泡沫组成。
背景技术
例如US5,151,246公开了带有封闭孔金属泡沫部分的组件及其制造方法。组件例如能够由套筒组成，在其内部放置有封闭孔金属泡沫。为了制造该封闭孔金属泡沫部分，将使用膨胀剂，例如金属氢化物，尤其是氢化钛或碳酸盐，例如碳酸钙。由该膨胀剂和预期形成金属泡沫的金属来制造复合物，该复合物例如能够由两种物质的颗粒组成，并通过挤压来压实。如此形成的生坯能够随后经受热处理，其中，温度必须足够高，一方面为了实现各个金属粉末颗粒之间的连接，另一方面为了使得膨胀剂形成膨胀气体。为了保证金属颗粒之间的连接，必须至少实现颗粒间的扩散过程。为此必须实现对金属材料足够的加热。使用所述的膨胀剂，能够使具有高达660℃的固相线温度的金属颗粒发泡。
金属泡沫例如能够用于壳体结构的密封。根据WO2008/145173A1这例如在气体放电灯中是有益的，该气体放电灯安装在灯体中。为了实现电学接触，触点必须从灯体中引出，其中，为了不使氧气进入到灯内，必须保证这些馈通(Durchführen)的严实密封。灯体和金属电极之间的馈通可靠的借助金属泡沫来填充。
此外，所选取的膨胀剂必须根据其热性能如下选择，其匹配于待发泡的金属(或待发泡的金属合金)的固相线温度。金属的固相线温度和膨胀剂释放膨胀气体的较低温度之间的温度差异在这里不允许大于120℃。只有以这种方式，才能保证可靠的形成金属泡沫。如果之后提及金属泡沫，在此应该也理解包括金属合金的泡沫。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制造封闭孔金属泡沫的方法以及带有此类封闭孔金属泡沫的组件，其中，可使用高于660℃的固相线温度的金属。
这一目的将以前述方法依据本发明如下完成，即使用由C形成的分子和/或由B和N形成的分子作为用于连接膨胀剂的分子，它们具有球状或者管状结构，其中，膨胀剂或膨胀气体化学的或者物理的连接在这些分子上。球状分子是已知的，例如所谓的富勒烯。在此涉及常规的例如由C原子构成的结构。具体实例为以C60所表示的富勒烯，其结构和足球的结构类似。碳纳米管(以下缩写为CNT)或者氮化硼纳米管(以下缩写为BNNT)作为已知的管状结构。膨胀剂的化学结合例如能够通过该分子的官能化来实现。适合作为膨胀剂的官能团例如是-COOMe。这一官能团例如能够连接在CNT的C原子上，其中，Me尤其代表Mo、Ni、Ir或者Co。如此所得的膨胀剂在例如有氧气作为反应物存在时在高于1000℃的温度范围中反应。典型的，在此情况下释放出CO2，其之后作为膨胀气体来使用。使用该膨胀气体实例的情况下，具有高于1000℃的固相线温度的金属能够被加工成泡沫。
还有可能，膨胀剂通过涂层分子连接在分子上。在此例如通过ALD法(ALD代表原子层沉积)施加非常薄的涂层，其厚度为一个或多个原子层。纳米颗粒在此以涡流法保持运动。这一方法为已知。待涂层的颗粒例如能够是CNT或BNNT。这些分子能够典型的以氢化钛或贵金属氧化物涂层，该贵金属氧化物例如氧化铱和/或氧化钼和/或氧化铂和/或氧化铜(I)和/或氧化锰(Magnetide)和/或五氧化二钒。使用贵金属氧化物的是有益的，因为他们由于其较低的与氧的亲和力轻易的就分解成金属组分和氧组分，所述氧组分提供膨胀剂。这在适合于形成金属泡沫的温度下进行。氧化铱和氧化铂例如在大约1200℃的温度下分解，氧化钌和氧化铑在大约1100℃的温度下分解，氧化钼同样在1100℃分解。带有较高分解温度的氧化物是分解温度为1580℃的氧化锰，分解温度为1800℃的氧化铜(I)和分解温度为1750℃的五氧化二钒。由此能够根据发泡所使用金属的固相线温度合适的选择氧化物，其中必须考虑到，所选金属氧化物的分解温度必须小于所用金属相关的固相线温度，具体地至多小120℃。
当使用球状分子来作为分子使用时，膨胀气体还能够根据本发明有益的实施方式被包围在这些分子中，即在室温下已经以膨胀气体的形式存在。然而，只有当球状分子被破坏时其才能被释放出来。对此同样必须加热到1500℃。填充气体的富勒烯例如能够包含He或N2，并且记为HeC60或者N2C60。当气体从富勒烯内部被释放出的时候，其在分解之后同样作为膨胀气体使用。这意味着，以此类膨胀剂还能够将具有大约1600℃的固相线温度的金属发泡。
根据本发明另一实施方式，由金属颗粒或者金属合金颗粒形成复合物，其中，至少一部分颗粒以膨胀剂的层来涂层。在此，甚至在金属颗粒加工成为组件(生坯)之前，膨胀剂已经如此包装，即在制造生坯膨胀剂已经装进生坯中。能够通过颗粒上涂层的厚度、颗粒尺寸和/或涂层颗粒相比于未涂层颗粒的比例来设定膨胀剂的浓度。经此有益的提供了非常准确的方法用于设定膨胀剂的浓度。膨胀剂的浓度接下来决定了在金属泡沫中孔隙的大小和浓度，并且因此还决定了其密度。
在本发明另一实施方式中，当复合物是由多层的涂层构成时，其中，提供有连续的金属或者金属合金层和膨胀剂层。当膨胀剂层和金属合金或者金属层相互交替时，这是特别有益的。膨胀剂的浓度能够通过金属层与膨胀剂层的厚度之比来设定。然而为了能够实现膨胀气体在复合物中均匀分布，层必须实施得足够薄，从而还实现孔隙在所形成泡沫中的均匀分布。由此尤其能够有益的非常经济的以金属泡沫层覆盖具有特别大表面的组件。
当在复合物中额外的装入具有负的热膨胀系数的材料时，这是特别有益的。正如前面对于膨胀剂已经阐述过的那样，这例如能够通过颗粒的涂层或者在其他金属层或膨胀剂层之间插入这样的材料层来实现。当在金属泡沫中设有带有负的热膨胀系数的材料时，在此能够影响金属泡沫的热膨胀系数，其会因此降低。然而前提在于，材料热力学要如此稳定，即它要经受得住形成金属泡沫所需的热处理。
当金属泡沫与如下组件接触时，其中该组件比缺失具有负的热膨胀系数的材料成分的金属泡沫具有更低的热膨胀系数，此时金属泡沫通过所述材料降低的热膨胀系数是特别有益的。金属泡沫例如能够通过这一手段有益的可靠的与陶瓷组件或者玻璃组件相连。相应组件和金属泡沫之间的连接通过金属泡沫和组件热膨胀系数的匹配而经受较低机械应力。尤其能够在此达到的是，金属泡沫和组件之间的密封连接能够较可靠的并且在较长的时间段内实现。
此外，发明目的通过一个组件来完成，其中，在使用的金属泡沫中包含有C的分子和/或B和N的分子，它们具有球状或管状结构。因为这些分子在前述方法中适合于与载体气体物理或者化学结合，所述载体气体随后包含在金属泡沫的孔隙中。在前述方法中，膨胀剂的物质连接在分子上，并通过热处理释放出载体气体，该载体气体形成了金属泡沫的孔隙。
根据组件优选的实施方式，其由不同于金属泡沫的材料构成为壳体结构，且包括具有开口的空腔，其中，开口通过金属泡沫来封闭。在此能够有益的具有空腔严密的密封，因为其在开口的区域内在金属泡沫和壳体结构之间形成紧密结合。尤其是当金属泡沫根据其热膨胀系数在上述方法中适合于那些壳体结构时，严实的密封还能够有益的在组件热力学负载时保证较长时间。当空腔通过玻璃体构成，尤其是灯具时，这是特别有益的。
附图说明
本发明其他细节将在随后结合附图得以说明。相同的或者相应的附图元素在各个附图中分别配备有相同的附图标记，并且仅在各个附图之间存在区别时多次阐明。其中：
图1至图3在截面图中展示了依据本发明的组件的实施例，其中，分别在分界线的左右概括的展示了实施本发明用于热处理(形成金属泡沫)的方法的实施例之前和之后的状态，和
图4是带有用于接触的密封的馈通的灯体，其中，通过依据本发明的金属泡沫的实施例来构成密封。
具体实施方式
根据图1带有壳体结构11的组件具有空腔12，其中，组件例如能够是两端开口的管。此外，铜导体13延伸穿过组件，其中，空腔12的截面的其余部分预期要被密封。为了该目的，将涂层14(展示在分界线16的左半部分)施加在壳体结构11的内壁上，该涂层14具有相互交替的金属层15a和膨胀剂层15b。在图1中以并不真实的厚度展示了层15a、15b。当然能够设有更薄的层以及因此实际上更多的层数。这些层例如能够通过冷气喷涂、通过电化学涂层或者还通过ALD法(ALD代表原子层沉积)来实施。可将其他层设在复合物中，这些层由带有负热膨胀系数的材料组成，这一可能性并未示出。这些材料例如已知有ZrW2O5、ZrV2O7、Sc2W3O12、Y2W3O12、K5Zr(PO4)2或者KzR2(PO4)3。
在根据图1所示的右半部中，即分界线16的右侧，展示了完成的金属泡沫18。其具有孔隙17，其中，金属泡沫将空腔12完全填满。在此，金属泡沫既沿铜导体13走向又沿空腔12内壁的走向，从而形成严实的密封。
孔隙17在金属泡沫18中的浓度的大小依赖于膨胀剂的浓度。在图1中(以及在其他附图中)仅仅示例性的展示了孔隙。孔隙的浓度在现实中能够大很多，从而其间仅仅形成相对薄壁的金属结构。由此尤其能够达到带有较低密度的密封结构。
在根据图2的壳体结构11中，金属颗粒19施加在表面上，所述颗粒都具有由膨胀剂构成的层20。一种变化并未示出，根据这种变化，仅仅一部分颗粒19具有此类涂层，由此形成涂层颗粒和非涂层颗粒19的混合物。在根据本发明方法热处理之后，通过由膨胀剂的层20来产生膨胀气体，从而构成封闭孔金属泡沫18，这在分界线16的右侧得以展示。
根据图3，由不同的颗粒形成复合物21，即金属颗粒19和膨胀剂颗粒22，它们以混合的方式存在(见分界线16左侧)。在此同样地，热处理制造出在分界线的右侧所示的带有孔隙17的金属泡沫18。
根据图4，展示了用于气体放电灯的玻璃体23作为形成空腔结构11的组件。两个电极24位于空腔12中，它们通过位于轮片(Quetschung)中的扁平导体25与连接接触器26相连。连接接触器26通过开口27导出，由此从外界的接触是可能的。为了保证开口27中接触馈通的严实密封，开口27以依据本发明的方法用金属泡沫18填充。

Claims (12)

1.用于制造封闭孔金属泡沫(18)的方法，其中
●提供由金属或者金属合金和膨胀剂所组成的复合物(21)，和
●所述复合物(21)经受热处理，其中，所述复合物的热处理要足够，从而释放膨胀气体，且在复合物(21)中形成封闭孔(17)，
其特征在于，使用具有球状或者管状结构的C的分子和/或B和N的分子作为用于连接膨胀剂的分子，其中，所述膨胀剂或膨胀气体化学或者物理连接至这些分子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使分子官能化或者通过涂覆分子而将所述膨胀剂连接在分子上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分子的官能化通过连接官能团-COOMe来实现，其中，Me是Mo、Ni、Ir或Co。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用球状分子作为所述分子，膨胀气体被封闭在该球状分子中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，氦气和/或氮气作为所述膨胀气体被封闭在分子中。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，由金属颗粒(19)或金属合金颗粒形成所述复合物(21)，其中，至少部分所述颗粒以膨胀剂的层(20)来涂敷。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合物由带有多层(15a、15b)的涂层(14)组成，其中，提供有金属或金属合金构成的和膨胀剂构成的连续的层(15a、15b)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述复合物(21)中额外地引入带有负的热膨胀系数的材料。
9.至少部分是由权利要求1～8中任一项的方法制造的封闭孔金属泡沫(18)所构成的组件，具有球状或者管状结构的C的分子和/或B和N的分子包含在金属泡沫(18)中，其特征在于，所述组件形成为以不同于金属泡沫(18)的材料所组成的壳体结构(11)，并且包括具有开口(27)的空腔(12)，所述开口(27)通过金属泡沫(18)来封闭，其中所述分子化学或者物理连接膨胀剂或膨胀气体，其在热处理后释放膨胀气体。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述空腔(12)通过玻璃体(23)来形成。
11.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述玻璃体(23)是灯。
12.根据权利要求9～11中任意一项所述的组件，其特征在于，具有负的热膨胀系数的材料另外存在于金属泡沫中，其比例如下选择，即金属泡沫(18)在开口(27)的区域内具有与壳体结构(11)至少基本上相同的膨胀系数。
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