CN103667762A

CN103667762A - 一种低密度多孔金属材料的制备方法

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Publication number: CN103667762A
Application number: CN201310603767.9A
Authority: CN
Inventors: 张魁宝; 吴浪; 黄毅; 马雪; 滕元成; 李玉香
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: CN103667762B

Abstract

本发明公开了一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：按金属单质粉体70～95%、聚乙烯醇5～10%、以及聚苯乙烯微球0～20%的质量百分比例组成取原料；将聚乙烯醇配制成质量百分比浓度为5～10%的聚乙烯醇水溶液；将聚苯乙烯微球加入到聚乙烯醇水溶液中，加入金属单质粉体,经搅拌混合均匀，制得浆料；将浆料倒入圆管柱状聚四氟乙烯管模具中，经冷冻干燥成型脱模；将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉中在400～500℃的温度下烧结2～6小时，即制得低密度多孔金属材料。采用本发明制备的多孔金属的相对密度可低至5%，大部分为通孔，孔径具有双峰分布的特点，孔隙率和微观结构均匀可调，并具有一定的机械强度。

Description

一种低密度多孔金属材料的制备方法

技术领域

本发明属于多孔金属材料的制备，涉及一种低密度多孔金属材料的制备方法。本发明制备的低密度多孔金属材料可广泛应用于过滤分离装置、多孔电极、传感器、催化剂及催化剂载体、电容器、热交换器、吸音减震材料、高温密封和高性能结构材料等方面。

背景技术

多孔金属材料是一种兼具结构和功能双重特性的新型工程材料，不仅保留了金属的可焊性、延展性、导电性等金属特性，还具备多孔材料质轻、比表面积高、吸能减震、消音降噪、电磁屏蔽、透气透水、热导率低等特点，有着其他多孔材料难以实现的独特优势，可广泛应用于过滤分离装置、多孔电极、传感器、催化剂及催化剂载体、电容器、热交换器、吸音减震材料、高温密封和高性能结构材料等方面。现有技术中，多孔金属的制备方法主要包括粉末冶金法、熔体发泡法、电沉积法、渗流法以及其他一些方法。

在过滤分离、热交换等应用领域，都需要液体或气体等介质能够通过多孔材料，这就要求多孔材料具有尽量高的开孔率，一定的孔径分布，并保持块体形状以便于使用。另外，高孔隙率能够提高金属材料的利用率，降低制备成本，故高孔隙率多孔金属的制备一致是人们追求的目标。目前已报道多孔金属材料制备中，孔隙率大于90%的制备方法主要有粉末冶金、纤维烧结、熔体发泡、熔体吹气、金属沉积和自蔓延烧结等工艺，然而上述制备方法存在孔径粗大、制备工艺复杂、成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种低密度多孔金属材料的制备方法。本发明通过粉末冶金结合造孔剂工艺，制备出具有双模式孔径分布、孔径尺寸连续可调、孔隙率高的低密度多孔金属块体材料。

本发明的内容是：一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是包括下列步骤：

a、配料：按金属单质粉体70～95%、聚乙烯醇 (简称PVA) 5～10%、以及聚苯乙烯(简称PS)微球0～20%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇 (简称PVA) 和聚苯乙烯(简称PS)微球；

将聚乙烯醇 (简称PVA)溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为5～10%的聚乙烯醇水溶液；

b、将聚苯乙烯(简称PS)微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，随后加入金属单质粉体,经搅拌（较好的是经超声分散、以使原料充分混合均匀）混合均匀，制得浆料；

c、将浆料倒入（备用的）圆管柱状聚四氟乙烯管（即聚四氟乙烯管）模具中、或者将圆管柱状聚四氟乙烯管模具插入浆料中，再经冷冻干燥成型，脱模，制得干燥后的物料；

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉（该设备的生产企业及型号有：合肥科晶GSL-1200X型管式炉等）中在400～500℃的温度下烧结2～6小时，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品。

本发明的内容中：步骤a配料较好的是替换为：按金属单质粉体70～95%、聚乙烯醇3～10%、以及聚苯乙烯微球2～20%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇和聚苯乙烯微球；

将聚乙烯醇溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为5～10%的聚乙烯醇水溶液。

本发明的内容中：步骤b所述金属单质粉体可以是铜粉、铁粉、铝粉、镍粉、钛粉、银粉、金粉等中的任一种；

所述金属单质粉体的粒径较好的为0.1～10μm。

本发明的内容中：步骤c中所述圆管柱状聚四氟乙烯管的内径可以为2～20mm。

本发明的内容中：步骤d中所述流动惰性气氛可以为流动氮气或氩气。

本发明的内容中：步骤a中所述聚乙烯醇 (简称PVA)的平均聚合度较好的为1797±50，醇解度为96～98%；产品生产企业和型号有：上海阿拉丁试剂有限公司，型号为1797型等。

本发明的内容中：步骤a中所述聚苯乙烯(简称PS)微球直径较好的为1～20μm，聚苯乙烯可以为通用级，分子量介于5000～10000之间；产品生产企业和型号有：上海阿拉丁试剂有限公司，型号为P1077型等。

本发明的内容中：步骤c中所述冷冻干燥的冷冻介质可以为液氮或温度为-10～-50℃的重油，冷冻干燥的时间可以为6～24小时。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：

（1）采用本发明，将造孔剂与原始金属粉料均匀混合，冷冻干燥成型之后烧结去除造孔剂，即得到经过物理堆积而形成的大量孔隙的低密度多孔金属材料；

（2）采用本发明，由于采用了聚乙烯醇和聚苯乙烯微球作为双造孔剂，通过粉末冶金与造孔剂工艺结合，所制得多孔金属材料具有双连续孔径分布，相对密度可低至5%，且孔隙大部分为开孔，孔径和孔隙率连续可调，孔隙率可达到95%以上，同时，产品形状可以根据模具的形状而调节，产品为块体且具有一定的机械强度，是一种理想的通用低密度多孔材料制备方法；

（3）采用本发明，通过改变原料配比和聚苯乙烯微球直径，可以对孔隙率和孔径分布进行连续调节，获得目标结构产品；

（4）采用本发明，有效解决了现有技术中制备低密度多孔金属孔径粗大、制备工艺复杂、孔隙率难以提高等问题，通过粉末冶金结合造孔剂工艺，制备出具有双模式孔径分布、孔径尺寸连续可调、孔隙率高的低密度多孔金属（块体）材料；该多孔金属材料是一种兼具结构和功能双重特性的新型工程材料，不仅保留了金属的可焊性、延展性、导电性等金属特性，还具备多孔材料质轻、比表面积高、吸能减震、消音降噪、电磁屏蔽、透气透水、热导率低等特点，有着其他多孔材料难以实现的独特优势，可广泛应用于过滤分离装置、多孔电极、传感器、催化剂及催化剂载体、电容器、热交换器、吸音减震材料、高温密封和高性能结构材料等方面；

（5）本发明产品制备工艺简单，工序简便，可操作性强，重复性好，所使用造孔剂为成熟工业用品，生产成本低，实用性强。

具体实施方式

下面给出的实施例拟以对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种低密度多孔金属材料（低密度多孔铁）的制备方法，包括下列步骤：

（1）以0.2-0.5μm铁粉为原始金属粉体，10μm工业级PS微球为造孔剂，通过磁力搅拌将0.5g PVA完全溶解于10ml去离子水中，取0.5g PS微球加入上述PVA水溶液中，通过超声搅拌使PS球均匀分散，随后加入4.0g铁粉，超声分散并搅拌，形成均匀分散的浆料。

（2）将圆柱状聚四氟乙烯管插入浆料中，模具管的内径为5.0mm，随后将样品容器置于冷冻腔体中，采用液氮作为冷冻介质进行冷冻成型。冷冻完成后将容器移出并置于真空干燥箱中脱水干燥，干燥后的样品脱模。

（3）将干燥脱模后样品置于流动气氛为氮气或氩气的管式炉中烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为3小时，即可完全去除造孔剂，得到高纯度的低密度多孔铁块体。本实验制得圆柱状多孔铁的外径为4.9mm，多孔铁的孔隙率为85.7%，双模式孔径分布的中值孔径分别为0.42μm和9.5μm。

实施例2：

一种低密度多孔金属材料（低密度多孔铝）的制备方法，包括下列步骤：

（1）以0.5-1.0μm铝粉为原始金属粉体，10μm工业级PS微球为造孔剂，通过磁力搅拌将0.5g PVA完全溶解于10ml去离子水中，取0.8g PS微球加入上述PVA水溶液中，通过超声搅拌使PS球均匀分散，随后加入3.7g铝粉，超声分散并搅拌，形成均匀分散的浆料。

（2）将圆柱状聚四氟乙烯管插入浆料中，模具管的内径为10mm，随后将样品容器置于冷冻腔体中，采用重油作为冷冻介质进行冷冻成型。冷冻完成后将容器移出并置于真空干燥箱中脱水干燥，干燥后的样品脱模。

（3）将干燥脱模后样品置于流动气氛为氮气或氩气的管式炉中烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为3小时，即可完全去除造孔剂，得到高纯度的低密度多孔铝块材。本实验制得圆柱状多孔铝的外径为9.7mm，多孔铁的孔隙率为91.5%，双模式孔径分布的中值孔径分别为0.85μm和9.2μm。

实施例3：

一种低密度多孔金属材料（低密度多孔铜）的制备方法，包括下列步骤：

（1）以1.0-5.5μm铜粉为原始金属粉体，20μm工业级PS微球为造孔剂，通过磁力搅拌将0.5g PVA完全溶解于10ml去离子水中，取1.0g PS微球加入上述PVA水溶液中，通过超声搅拌使PS球均匀分散，随后加入3.5g铜粉，超声分散并搅拌，形成均匀分散的浆料。

（2）将圆柱状聚四氟乙烯管插入浆料中，模具管的内径为10mm，随后将样品容器置于冷冻腔体中，采用液氮作为冷冻介质进行冷冻成型。冷冻完成后将容器移出并置于真空干燥箱中脱水干燥，干燥后的样品脱模。

（3）将干燥脱模后样品置于流动气氛为氮气或氩气的管式炉中烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为3小时，即可完全去除造孔剂，得到高纯度的低密度多孔铜块体。本实验制得圆柱状多孔铁的外径为19.5mm，多孔铜的孔隙率为95.8%，双模式孔径分布的中值孔径分别为3.8μm和16.6μm。

实施例4：

一种低密度多孔金属材料的制备方法，包括下列步骤：

a、配料：按金属单质粉体70%、聚乙烯醇 (简称PVA)10%、以及聚苯乙烯(简称PS)微球20%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇 (简称PVA) 和聚苯乙烯(简称PS)微球；

将聚乙烯醇 (简称PVA)溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉（该设备的生产企业及型号有：合肥科晶GSL-1200X型管式炉等）中在500℃的温度下烧结2小时，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品。

实施例5：

一种低密度多孔金属材料的制备方法，包括下列步骤：

a、配料：按金属单质粉体95%、聚乙烯醇 (简称PVA) 5%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇 (简称PVA) 和聚苯乙烯(简称PS)微球；

将聚乙烯醇 (简称PVA)溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇水溶液；

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉（该设备的生产企业及型号有：合肥科晶GSL-1200X型管式炉等）中在400℃的温度下烧结6小时，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品。

实施例6：

一种低密度多孔金属材料的制备方法，包括下列步骤：

a、配料：按金属单质粉体85%、聚乙烯醇 (简称PVA)7%、以及聚苯乙烯(简称PS)微球8%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇 (简称PVA) 和聚苯乙烯(简称PS)微球；

将聚乙烯醇 (简称PVA)溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为8%的聚乙烯醇水溶液；

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉（该设备的生产企业及型号有：合肥科晶GSL-1200X型管式炉等）中在450℃的温度下烧结4小时，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品。

实施例7～13：

一种低密度多孔金属材料的制备方法，包括下列步骤：

将聚乙烯醇 (简称PVA)溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为5～10%的聚乙烯醇水溶液（实施例7～13中聚乙烯醇水溶液质量百分比浓度分别为6%、7%、7%、8%、8%、9%、9%）；

各实施例中各组分原料的具体质量百分比用量见下表：

Figure 2013106037679100002DEST_PATH_IMAGE002

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉（该设备的生产企业及型号有：合肥科晶GSL-1200X型管式炉等）中在400～500℃的温度（实施例7～13中的温度可以分别为480℃、470℃、460℃、450℃、440℃、430℃、420℃）下烧结2～6小时（实施例7～13中的时间可以分别为2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时），以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品。

实施例14：

一种低密度多孔金属材料的制备方法，包括下列步骤：

a、配料：按金属单质粉体95%、聚乙烯醇 (简称PVA)3%、以及聚苯乙烯(简称PS)微球2%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇 (简称PVA) 和聚苯乙烯(简称PS)微球；

将聚乙烯醇 (简称PVA)溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为9%的聚乙烯醇水溶液；

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉（该设备的生产企业及型号有：合肥科晶GSL-1200X型管式炉等）中在450℃的温度下烧结5小时，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品。

上述实施例4～14中：步骤b所述金属单质粉体可以是铜粉、铁粉、铝粉、镍粉、钛粉、银粉、金粉等中的任一种；所述金属单质粉体的粒径较好的为0.1～10μm。

上述实施例4～14中：步骤c中所述圆管柱状聚四氟乙烯管的内径可以为2～20mm。

上述实施例4～14中：步骤d中所述流动惰性气氛可以为流动氮气或氩气。

上述实施例中：步骤a中所述聚乙烯醇 (简称PVA)的平均聚合度为1797±50，醇解度为96～98%；产品生产企业和型号有：上海阿拉丁试剂有限公司，型号为1797型。

上述实施例中：步骤a中所述聚苯乙烯(简称PS)微球直径为1～20μm，聚苯乙烯为通用级，分子量介于5000～10000之间；产品生产企业和型号有：上海阿拉丁试剂有限公司，型号为P1077型。

上述实施例4～14中：步骤c中所述冷冻干燥的冷冻介质可以为液氮或温度为-10～-50℃的重油，冷冻干燥的时间为6～24小时。

上述实施例4～14制得的低密度多孔金属材料（为低密度多孔金属块体材料）产品具有实施例1～3对应的或接近的良好性能参数。

上述实施例中：所采用的各原料均为市售产品。

上述实施例中：所采用的百分比例中，未特别注明的，均为质量（重量）百分比例；所述质量（重量）份可以均是克或千克。

上述实施例中：各步骤中的工艺参数和各组分用量数值等为范围的，任一点均可适用。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims

1. 一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是包括下列步骤：

a、配料：按金属单质粉体70～95%、聚乙烯醇5～10%、以及聚苯乙烯微球0～20%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇和聚苯乙烯微球；

将聚乙烯醇溶于去离子水中搅拌混合，配制成质量百分比浓度为5～10%的聚乙烯醇水溶液；

b、将聚苯乙烯微球加入到所述聚乙烯醇水溶液中，随后加入金属单质粉体,经搅拌混合均匀，制得浆料；

c、将浆料倒入圆管柱状聚四氟乙烯管模具中、或者将圆管柱状聚四氟乙烯管模具插入浆料中，再经冷冻干燥成型，脱模，制得干燥后的物料；

d、将干燥后的物料置于流动惰性气氛的管式炉中在400～500℃的温度下烧结2～6小时，以去除聚乙烯醇和聚苯乙烯微球，即制得低密度多孔金属材料。

2.按权利要求1所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤a配料替换为：按金属单质粉体70～95%、聚乙烯醇3～10%、以及聚苯乙烯微球2～20%的质量百分比例组成取原料金属单质粉体、聚乙烯醇和聚苯乙烯微球；

3.按权利要求1或2所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤b所述金属单质粉体是铜粉、铁粉、铝粉、镍粉、钛粉、银粉、金粉中的任一种。

4.按权利要求3所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：所述金属单质粉体的粒径为0.1～10μm。

5.按权利要求1、2或4所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤c中所述圆管柱状聚四氟乙烯管的内径为2～20mm。

6.按权利要求3所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤c中所述圆管柱状聚四氟乙烯管的内径为2～20mm。

7.按权利要求1、2、4或6所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤d中所述流动惰性气氛为流动氮气或氩气。

8.按权利要求1、2、4或6所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤a中所述聚乙烯醇的平均聚合度为1797±50，醇解度为96～98%。

9.按权利要求1、2、4或6所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤a中所述聚苯乙烯微球直径为1～20μm，分子量介于5000～10000之间。

10.按权利要求1、2、4或6所述一种低密度多孔金属材料的制备方法，其特征是：步骤c中所述冷冻干燥的冷冻介质为液氮或温度为-10～-50℃的重油、冷冻干燥的时间为6～24小时。