CN103602845A - 一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法，该方法是采用粉末冶金方法，将冰糖颗粒与电解铜粉以及添加剂无水乙醇混合均匀后压制得生坯，将生坯置于沸水中冲洗将冰糖颗粒彻底溶除，并经清洗、烘干后，将所得物品置于惰性气体气氛中烧结，随炉冷却至室温后即制得有由三维相互连通的空间网络构成的孔隙率为50～85%和平均孔径为0.2～2mm的开孔泡沫铜产品。本发明所得开孔泡沫铜的烧结质量较高，有着很好的力学性能及压缩吸能特性。

Description

一种孔隙率、孔径可控开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，具体地说是一种开孔泡沫铜的制备方法。

背景技术

开孔泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通孔洞的新型多功能材料，其比表面积高，同时具有吸音、渗透、过滤及能量吸收等特性，在催化、化工、能源、热能、环保、机械、电子、航空、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、去合金化方法、电沉积或气相沉积方法、熔融金属渗流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。去合金化方法一般用于制备具有纳米孔隙的泡沫铜，其生产周期较长。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。熔融金属渗流方法是采用可溶或可熔的造孔剂烧结体为前驱体、待制备泡沫的金属为渗流体，渗流后将造孔剂溶/熔除来获得开孔泡沫金属的制备方法。该方法操作难度很大，造孔剂选择困难，且在压力渗流过程中由于温度过高往往存在界面反应。与上述方法相比，用粉末冶金方法可制备出构型更为灵活、基体更为多样化的多孔金属，采用该工艺所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。CN101608271B公开了一种采用粉末冶金工艺制备开孔泡沫铜的方法，该方法以电解铜粉为原材料、NaCl颗粒为造孔剂，将两者混合均匀并压制成坯后进行烧结，之后将所得材料在循环热水中将NaCl颗粒溶除，得开孔泡沫铜产品。该方法工艺及所使用设备简单、生产成本低、易于实现规模化生产，且所制得的开孔泡沫铜产品的孔隙率及孔径均可精确控制。然而，采用该工艺制备泡沫铜时，极少量残留在铜基体中的NaCl可能会对铜基体造成腐蚀，从而影响材料的性能。CN103215470A亦公开了一种采用粉末冶金工艺制备开孔泡沫的方法。该方法系采用尿素颗粒为造孔剂，利用尿素在快速升温过程中充分分解或挥发来获得开孔泡沫铜。然而，该方法的主要问题在于对铜具有腐蚀性的尿素分解产物在较高温度下经由铜基体排出时，可对铜基体造成影响，进而影响材料的性能及应用。同时，该方法中所设计的尾气收集系统增加了制备设备的复杂性和建造成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法，它是用粉末冶金方法，特别是利用对铜基体无腐蚀且价格低廉的冰糖颗粒作为造孔剂来制备泡沫铜，制备工艺及所使用设备简单，所得开孔泡沫铜的孔隙率及孔径可控，烧结质量较高，力学性能优良。

本发明的技术方案为：

一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法，包括以下步骤：

第一步，冰糖颗粒的预处理

对冰糖颗粒进行破碎处理及不同粒径颗粒的筛分，选出得到平均粒径为0.2～2mm的冰糖颗粒；

第二步，制备生坯

将从第一步处理并筛分得到的冰糖颗粒与40～80μm的纯铜粉均匀混合，同时加入为上述纯铜粉和冰糖颗粒总质量2～3%的添加剂无水乙醇，其中，冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的50～85%，将该均匀混合物装入压制模具，单向加压至250～320MPa，获得生坯；

第三步，冰糖颗粒的溶除

将第二步制得的生坯置于沸水中冲洗将冰糖颗粒溶除，冲洗过程直至该物品质量不再变化结束，然后将该物品置于超声波无水乙醇浴中洗10～15分钟，再于烘箱中在80℃烘干；

第四步，惰性气体气氛保护烧结

将第三步制得的物品置于处于室温的管式气氛烧结炉中，并充入氩气，10分钟后采用以下阶梯升温方式：首先以10℃/min的升温速率升温至750～780℃并保温烧结1～2小时，然后再以3℃/min的升温速率升温至930～950℃并保温烧结2～3小时，随炉冷却至室温后即制得开孔泡沫铜产品。

所述的冰糖是市售的单晶或多晶冰糖颗粒。

在上述一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法中，所用的原材料纯铜粉、冰糖颗粒和无水乙醇均为市售的普通化工商品；筛分、单向加压、烘干和烧结均为公知的材料加工工艺；压制模具、沸水冲洗装置、超声波清洗装置和烧结炉均为公知的普通材料制备用设备。

本发明按上述方法可得到烧结质量高、外观及性能均优异的开孔泡沫铜产品。该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、孔径均可精确控制，范围分别为50～85%、0.2～2mm。

本发明一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法的原理是：采用冰糖颗粒为造孔剂，将纯铜粉与冰糖颗粒混合均匀并压制成坯后，首先在沸水中将冰糖颗粒完全溶除，如此便可在铜基体中留下均匀分布的泡孔。待将多孔生坯在高温进行烧结后，便可最终制得孔隙率、孔径可控的开孔泡沫铜产品。

本发明的有益效果是：

（1）本发明方法工艺及所使用设备条件简单、生产成本低，废品率低，易于实现规模化生产。

（2）本发明方法与采用NaCl或尿素为造孔剂的方法相比，具有对基体无腐蚀的优点。

（3）本发明方法制得的开孔泡沫铜产品的孔隙率及孔径均可精确控制，其孔隙率范围为50～85%，孔径范围为0.2～2mm。

（4）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，这使的纯铜粉与冰糖颗粒更易混匀且粘接充分，从而可以保证最终所得产品中孔洞分布的均匀性。

（5）本发明方法在样品烧结前即已将造孔剂完全溶除，因此烧结温度不受限制。

（6）本发明方法采用了阶梯升温的方式，避免了较高的热应力，同时使得铜基体在较低温时提前固化，从而使得最终所得产品的烧结质量高，形貌规则。（参见附图1）

（7）本发明方法在烧结过程中采用了惰性气体保护，所得产品表面及孔洞内壁均不含铜的氧化物，从而保证了产品的质量和性能。

（8）本发明方法制得的开孔泡沫铜均为三维相互贯通的空间开孔网络结构。

（9）用万能材料试验机对用本发明方法制得的开孔泡沫铜进行测试，所得开孔泡沫铜应力-应变曲线具有明显的弹性、屈服及塑性变形阶段，说明该开孔泡沫铜有着良好的力学性能。同时，该开孔泡沫铜应力-应变曲线展示出了很长的低应力值塑性平台区，说明该开孔泡沫铜有着很好的压缩吸能特性。（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是用数码相机和S-4800型场发射扫描电镜进行观察本发明实施例4制得的孔隙率为70%开孔泡沫铜后所得的照片；其中，图1a为所得的开孔泡沫铜的宏观形貌；图1b为所得的开孔泡沫铜的微观形貌；

图2是用SHT5305型微机控制电液伺服万能材料试验机对本发明实施例2～6制得的开孔泡沫铜进行准静态压缩而得到的应力-应变曲线图。

具体实施方式

实施例1

第一步，冰糖颗粒的预处理

对冰糖颗粒进行破碎处理及不同粒径颗粒的筛分，选出得到平均粒径为0.2mm的冰糖颗粒；

第二步，制备生坯

将从第一步处理并筛分得到的冰糖颗粒与40μm的纯铜粉均匀混合，同时加入为上述纯铜粉和冰糖颗粒总质量2%的添加剂无水乙醇，其中，冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的50%，将该均匀混合物装入压制模具，单向加压至250MPa，获得生坯；

第三步，冰糖颗粒的溶除

将第二步制得的生坯置于沸水中冲洗将冰糖颗粒溶除，冲洗过程直至该物品质量不再变化结束，然后将该物品置于超声波无水乙醇浴中洗10分钟，再于烘箱中在80℃烘干；

第四步，惰性气体气氛保护烧结

将第三步制得的物品置于处于室温的管式气氛烧结炉中，并充入氩气，10分钟后采用以下阶梯升温方式：首先以10℃/min的升温速率升温至750℃并保温烧结2小时，然后再以3℃/min的升温速率升温至930℃并保温烧结3小时，随炉冷却至室温后即制得开孔泡沫铜产品。

本实施例所制得的泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为50%，平均孔径为0.2mm。

实施例2

第一步，冰糖颗粒的预处理

对冰糖颗粒进行破碎处理及不同粒径颗粒的筛分，选出得到平均粒径为0.4mm的冰糖颗粒；

第二步，制备生坯

将从第一步处理并筛分得到的冰糖颗粒与75μm的纯铜粉均匀混合，同时加入为上述纯铜粉和冰糖颗粒总质量3%的添加剂无水乙醇，其中，冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的50%，将该均匀混合物装入压制模具，单向加压至300MPa，获得生坯；

第三步，冰糖颗粒的溶除

将第二步制得的生坯置于沸水中冲洗将冰糖颗粒溶除，冲洗过程直至该物品质量不再变化结束，然后将该物品置于超声波无水乙醇浴中洗15分钟，再于烘箱中在80℃烘干；

第四步，惰性气体气氛保护烧结

将第三步制得的物品置于处于室温的管式气氛烧结炉中，并充入氩气，10分钟后采用以下阶梯升温方式：首先以10℃/min的升温速率升温至780℃并保温烧结1小时，然后再以3℃/min的升温速率升温至940℃并保温烧结2.5小时，随炉冷却至室温后即制得开孔泡沫铜产品。

本实施例所制得的泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为50%，平均孔径为0.4mm。

实施例3

其它步骤同实施例2，不同之处为冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的60%，所得泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为60%，平均孔径为0.4mm。

实施例4

其它步骤同实施例2，不同之处为冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的70%，所得泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为70%，平均孔径为0.4mm。

图1是用数码相机和S-4800型场发射扫描电镜进行观察本实施例制得的孔隙率为70%开孔泡沫铜所得到的照片。其中图1a为利用数码相机所得的开孔泡沫铜的宏观形貌，由照片可知，由本实施例制得的开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0.4mm，孔隙率为70%；图1b为利用S-4800型场发射扫描电镜所得的开孔泡沫铜的微观形貌，由照片可知由本实施例制得的开孔泡沫铜的烧结质量较高，泡沫铜基体致密，铜粉颗粒间已形成了良好的冶金结合。

实施例5

其它步骤同实施例2，不同之处为冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的80%，所得泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为80%，平均孔径为0.4mm。

实施例6

其它步骤同实施例2，不同之处为冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的85%，所得泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为85%，平均孔径为0.4mm。

图2是用SHT5305型微机控制电液伺服万能材料试验机对实施例2～6制得的开孔泡沫铜进行准静态压缩而得到的应力-应变曲线图。由图可见，由实施例2～6制得的开孔泡沫铜的应力-应变曲线具有明显的弹性、屈服及塑性变形阶段，说明所得开孔泡沫铜有着良好的力学性能。同时，由实施例2～6制得的开孔泡沫铜应力-应变曲线展示出了很长的低应力值塑性平台区，说明所得开孔泡沫铜有着很好的压缩吸能特性。

实施例7

第一步，冰糖颗粒的预处理

对冰糖颗粒进行破碎处理及不同粒径颗粒的筛分，选出得到平均粒径为2mm的冰糖颗粒；

第二步，制备生坯

将从第一步处理并筛分得到的冰糖颗粒与80μm的纯铜粉均匀混合，同时加入为上述纯铜粉和冰糖颗粒总质量3%的添加剂无水乙醇，其中，冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的70%，将该均匀混合物装入压制模具，单向加压至320MPa，获得生坯；

第三步，冰糖颗粒的溶除

将第二步制得的生坯置于沸水中冲洗将冰糖颗粒溶除，冲洗过程直至该物品质量不再变化结束，然后将该物品置于超声波无水乙醇浴中洗15分钟，再于烘箱中在80℃烘干；

第四步，惰性气体气氛保护烧结

将第三步制得的物品置于处于室温的管式气氛烧结炉中，并充入氩气，10分钟后采用以下阶梯升温方式：首先以10℃/min的升温速率升温至780℃并保温烧结1小时，然后再以3℃/min的升温速率升温至950℃并保温烧结2小时，随炉冷却至室温后即制得开孔泡沫铜产品。

本实施例所制得的泡沫铜产品具有开孔结构，平均孔隙率为70%，平均孔径为2mm。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (2)

1.一种孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法，其特征为包括以下步骤：

第一步，冰糖颗粒的预处理

对冰糖颗粒进行破碎处理及不同粒径颗粒的筛分，选出得到平均粒径为0.2～2 mm的冰糖颗粒；

第二步，制备生坯

将从第一步处理并筛分得到的冰糖颗粒与40～80μm的纯铜粉均匀混合，同时加入为上述纯铜粉和冰糖颗粒总质量2～3%的添加剂无水乙醇，其中，冰糖颗粒的体积为冰糖颗粒与纯铜粉体积之和的50～85%，将该均匀混合物装入压制模具，单向加压至250～320 MPa，获得生坯； 

第三步，冰糖颗粒的溶除

将第二步制得的生坯置于沸水中冲洗将冰糖颗粒溶除，冲洗过程直至该物品质量不再变化结束，然后将该物品置于超声波无水乙醇浴中洗10～15分钟，再于烘箱中在80 ^oC烘干；

第四步，惰性气体气氛保护烧结

将第三步制得的物品置于处于室温的管式气氛烧结炉中，并充入氩气，10分钟后采用以下阶梯升温方式：首先以10 ^oC/min的升温速率升温至750～780 ^oC并保温烧结1～2小时，然后再以3 ^oC/min的升温速率升温至930～950 ^oC并保温烧结2～3小时，随炉冷却至室温后即制得开孔泡沫铜产品。

2.如权利要求1所述的孔隙率、孔径可控开孔泡沫铜的制备方法，其特征为所述的冰糖是市售的单晶或多晶冰糖颗粒。

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