CN105215366B - 制备多孔薄膜材料的烧结方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制备多孔薄膜材料的烧结方法及其应用。在放入烧结炉中烧结之前，在薄膜前驱体的至少一个侧面喷涂隔离层，然后将至少一张带隔离层的前驱体沿着圆形支撑筒的外壁卷绕并捆扎固定，卷绕时使含有隔离层的侧面朝向支撑筒的外壁。采用喷涂方式可以形成与薄膜前驱体一体的均匀的隔离层，可以保证较高的导热率，有利于脂的脱除并防止在烧结过程中发生粘连现象。由于受到隔离层的保护作用，可以将至少两张薄膜前驱体重叠后沿支撑筒外壁收卷固定，不仅可以节约烧结炉空间，提升生产效率，而且可以防止膜的尺寸在烧结过程中发生变化。该制备多孔薄膜材料的烧结方法可以应用于粉末冶金制备多孔薄膜材料的烧结过程。

Description

制备多孔薄膜材料的烧结方法及其应用

技术领域

本发明涉及制备多孔薄膜材料的烧结方法，还涉及该烧结方法在粉末冶金法制备多孔薄膜材料的烧结过程中的应用。本发明还涉及制备多孔薄膜材料的烧结支撑体以及包含该烧结支撑体的烧结工装。

背景技术

多孔薄膜材料的制备主要包括混合物料制备、制膜(制备薄膜前驱体)以及烧结过程。如果将薄膜前驱体直接放入或折叠后放入烧结舟中，然后在烧结炉中烧结，由于烧结过程中，烧结温度较高并且伴有化学反应，因此烧结得到的多孔薄膜材料与其薄膜前驱体相比，通常会产生一定的变形，而且相互接触的薄膜前驱体在烧结过程中易粘连在一起，难以分离，使得多孔薄膜材料的尺寸和性能难以控制。为了控制多孔薄膜材料的尺寸且防止粘连，必须对烧结过程作进一步改进。目前，主要采用惰性氧化物隔层将相邻的薄膜前驱体隔开，这种方法虽然解决了粘连问题，但是惰性氧化物隔层不能起到支撑固定作用，所以仍不能控制多孔薄膜材料的尺寸；此外，在烧结过程中特别是真空烧结过程中，惰性氧化物隔层的导热率低、脂难于脱尽，未脱除的脂在高温时会转化为残炭，残炭对多孔薄膜材料性能的影响很大；为了将脂脱除干净，需要延长烧结时间，进而导致其产品成本大幅度上升，从而限制其应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的烧结方法，该烧结方法易脱除脂，制备的多孔薄膜材料具有接近于其薄膜前驱体的尺寸。本发明还要提供该烧结方法的应用。此外，为了方便本发明的烧结方法的实施，本发明还要提供制备多孔薄膜材料的烧结支撑体以及烧结工装。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

制备多孔薄膜材料的烧结方法，所述多孔薄膜材料由薄膜前驱体烧结得到，在放入烧结炉中烧结之前，在薄膜前驱体的至少一个侧面喷涂隔离层，然后进行收卷和固定；所述收卷和固定过程为将至少一张含有隔离层的薄膜前驱体沿着圆形支撑筒的外壁卷绕并捆扎固定，卷绕时使含有隔离层的侧面朝向支撑筒外壁。采用喷涂方式可以形成与薄膜前驱体一体的均匀的隔离层，这样不仅可以节约空间，而且可以保证较高的导热率，有利于脂的脱除并防止薄膜前驱体在烧结过程中发生粘连现象。由于受到隔离层的保护作用，可以将至少两张薄膜前驱体收卷，可以节约烧结炉空间，提升生产效率。圆形的支撑筒的外壁平滑，可以有效固定膜的形状，避免变形。其中，所述多孔薄膜材料包含烧结金属纤维毡材料、烧结金属丝网材料、烧结金属多孔材料中的至少一种；所述烧结金属多孔材料包含金属间化合物纸型膜。

作为本发明的进一步改进，所述隔离层包含在烧结条件下相对薄膜前驱体表现为惰性的金属化合物，所述金属化合物为Al₂O₃、MgO、CuN中的至少一种。这类金属化合物的导热率高且稳定性好，在烧结过程中不发生变化，即在烧结过程中，金属化合物不与多孔薄膜材料以及薄膜前驱体发生反应，不影响多孔薄膜材料的构造和组成。

作为本发明的进一步改进，所述隔离层为隔离浆料干燥所得，所述隔离浆料为隔离层粉末与醇类溶剂的均匀分散液；所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的至少一种；分散液中隔离层粉末的浓度为2-2.5Kg/L。这样的喷涂方式以及配比有利于控制喷涂过程，得到分布均匀的隔离层，使各个区域内的导热率相同。

作为本发明的进一步改进，所述隔离层的质量占前驱体质量的0.5-2％，金属化合物的平均粒径为3-5μm。此范围内的隔离层即可起到较好的隔离和导热作用，并且容易清洗干净；一定粒径的金属化合物在薄膜前驱体侧面堆积会形成大量的孔隙，进一步提升导热率，便于脂的脱除。

作为本发明的进一步改进，所述支撑筒安置于底座上，支撑筒的材质为钢材；所述固定过程采用材质为钢材的捆绑件捆扎固定。钢材具有高导热性，并且能够耐受1200℃以上的高温，因此支撑体与捆绑件在烧结过程中不发生变化，主要起支撑和固定作用。

作为本发明的进一步改进，所述支撑筒为中空结构，支撑筒的筒体上设置有通气口。采用含有通气口的支撑筒，可以使内外层的薄膜前驱体受热均匀，有利于脱脂。

作为本发明的进一步改进，所述烧结过程完成后清洗烧结产物即得到多孔薄膜材料，清洗过程的清洗剂为水，清洗工艺简单，环保而且成本低。

制备多孔薄膜材料的烧结方法的应用在于将该烧结方法应用于粉末冶金制备多孔薄膜材料的烧结过程。

本发明提供了一种新型的烧结方法，该方法中多孔薄膜材料的薄膜前驱体的侧面形成与薄膜前驱体一体的均匀的隔离层，隔离层包含在烧结条件下相对薄膜前驱体表现为惰性的金属化合物，金属化合物的导热率高且耐高温性能好，可以保证在整个烧结过程中，内外层的薄膜前驱体都充分烧结，同时，一定孔径的金属化合物在薄膜前驱体的侧面上堆积并形成大量的孔隙，有利于脂的脱除。由于受到隔离层的保护作用，在烧结过程中不会发生粘连现象，因此可以将至少两张薄膜前驱体重叠后采用圆形支撑筒收卷固定起来，不仅可以在很大程度上节约烧结炉空间，提升生产效率，而且可以防止膜的尺寸在烧结过程中发生变化。烧结后的隔离层可以通过清洗去除，清洗工艺简单、环保成本低。

本发明提供的制备多孔薄膜材料的烧结支撑体包含底座以及设置于底座上的至少一个支撑筒，所述多孔薄膜材料由薄膜前驱体烧结得到，所述薄膜前驱体沿着支撑筒筒壁卷绕并放置于底座上。将卷绕后的薄膜前驱体随烧结支撑体一起放入烧结炉中烧结，可以在很大程度上提升烧结炉的利用率，提升生产效率。多张薄膜前驱体可以卷绕在不同的支撑筒上。支撑筒起到支撑和固定作用，防止薄膜前驱体在烧结过程中变形。

作为本发明的进一步改进，所述烧结支撑体包含至少两个相互嵌套的支撑筒，相邻的支撑筒之间形成放置薄膜前驱体的空腔。这样设置的目的是减小烧结支撑体的大小，从而提升烧结炉的利用率。

作为本发明的进一步改进，所述支撑筒为中空结构，筒体上设置有通气口。在烧结过程中，这样的支撑筒有更好的导热率，可以保证内外层的薄膜前驱体受热均匀，易于脱脂。

作为本发明的进一步改进，所述支撑筒的材质为钢材。支撑筒的材质需要选用导热率高且能够耐1200℃以上的高温的材料。

作为本发明的进一步改进，所述底座具有通孔。多个具有通孔的烧结支撑体可以叠放于支撑杆上，不仅节约烧结炉空间，而且组装方便，易拆卸。

作为本发明的进一步改进，所述通孔与最内层的支撑筒同心，这样既美观也节约空间。

作为本发明的进一步改进，所述烧结支撑体还包括在卷绕完成后捆扎固定薄膜前驱体外部的捆绑件。捆绑件可以选用导热性好且耐高温的钢材。

作为本发明的进一步改进，所述烧结支撑体还包括上端盖，上端盖具有与卷绕完成后的薄膜前驱体相适应的凹槽。上端盖可以进一步支撑和固定薄膜前驱体。

烧结工装包含支撑杆、底座以及至少一个含通孔的制备多孔薄膜材料的烧结支撑体，烧结支撑体依次通过通孔与支撑杆连接。烧结支撑体的底座上的通孔的尺寸与支撑杆的径向尺寸相匹配。

作为本发明的进一步改进，所述支撑杆为中空结构，杆体上设置有通气口。其作用是促进传热，使内外层薄膜前驱体充分烧结。

薄膜前驱体沿着支撑筒的筒壁卷绕并随支撑体一起放入烧结炉中烧结，不仅提升了烧结炉的利用率，提升生产效率，而且可以防止薄膜前驱体在烧结过程中产生形变。烧结支撑体的底座具有通孔，多个烧结支撑体可以通过通孔与支撑杆连接，不仅节约烧结炉空间，而且组装方便，易拆卸。

附图说明

图1为含有1个支撑筒的制备多孔薄膜材料的烧结支撑体的主视图和俯视图。

图2为含有2个支撑筒的制备多孔薄膜材料的烧结支撑体的俯视图和轴向剖视图。

图3为上端盖的俯视图和轴向剖视图。

图4为图1所示制备多孔薄膜材料的烧结支撑体的使用效果图。

图5为图2所示制备多孔薄膜材料的烧结支撑体的使用效果图。

图6为烧结工装的使用效果图。

具体实施方式

实施例1

首先以羰基Ni粉(纯度为99.5％，平均粒径为3μm)和Cu粉(纯度为99.7％，平均粒径为6μm)为原料，参照中国发明专利CN104588662A所公开的方法制备金属间化合物纸型膜的前驱体。将平均粒径为4μm的Al₂O₃粉末加入到无水乙醇中并搅拌2h，最终Al₂O₃的浓度为2.2Kg/L。将尺寸为500*1000mm的前驱体铺平并在其一侧喷涂Al₂O₃的无水乙醇溶液，然后在60℃干燥4h，干燥后前驱体表面即形成一层均匀的Al₂O₃粉末隔离层并且Al₂O₃粉末的质量占前驱体质量的0.5％。

将含有隔离层的前驱体沿着直径为60mm、材质为310S的支撑筒的侧壁卷绕，支撑筒为中空结构且筒体上设置有通气口，卷绕时使含有隔离层的侧面向内，然后用直径为1mm、材质为FeCrAl合金钢的捆绑件进行捆扎固定，然后将支撑筒直立放入烧结炉中烧结。烧结过程分为以下三个阶段，第一阶段：从室温升至200℃，保温180min，该保温平台的主要作用是将浆料中残余的水分缓慢去除，规避水分快速挥发导致膜开裂及空洞现象；第二阶段：从200℃升至600℃，保温200min，该保温平台的主要作用是脱除膜中的PVB，并保证膜的完整性；第三阶段：从600℃升至1100℃，保温240min，其主要是促使Ni-Cu合金相均匀化并形成连接层；整个烧结过程中的升温速率为5℃/min。烧结完成后用水将Al₂O₃粉末清洗除去，即得到金属间化合物纸型膜1。

金属间化合物纸型膜1的尺寸与其前驱体的尺寸相同，气通量为220m³/m²·h·Kpa、冲击韧度为250J/cm²。在相同的烧结时间和温度下，采用惰性氧化物隔层烧结得到的对应的金属间化合物纸型膜的尺寸产生了变化，并且其气通量仅为150m³/m²·h·Kpa、冲击韧度仅为170J/cm²。说明，本发明的烧结方法更有利于脱脂，降低了残炭对金属间化合物纸型膜1性能的影响。

实施例2

首先以羰基Ni粉(纯度为99.5％，平均粒径为4μm)和Cu粉(纯度为99.7％，平均粒径为7μm)为原料，参照中国发明专利CN104588662A所公开的方法制备金属间化合物纸型膜的前驱体。将平均粒径为5μm的MgO粉末加入到无水乙醇中并搅拌2h，最终MgO的浓度为2.3Kg/L。将尺寸为500*1000mm的前驱体铺平并在其一侧喷涂MgO的无水乙醇溶液，然后在60℃干燥4h，干燥后前驱体表面即形成一层均匀的MgO粉末隔离层并且MgO粉末的质量占前驱体质量的2％。

将含有隔离层的前驱体沿着直径为60mm，材质为316L的支撑筒的侧壁卷绕，使含有隔离层的侧面向内，然后用直径为1mm、材质为FeCrNi合金钢的捆绑件进行捆扎固定，捆扎固定后即直立放入烧结炉中烧结。烧结过程分为以下三个阶段，第一阶段：从室温升至200℃，保温180min，该保温平台的主要作用是将浆料中残余的水分缓慢去除，规避水分快速挥发导致膜开裂及空洞现象；第二阶段：从200℃升至600℃，保温240min，该保温平台的主要作用是脱除膜中的PVB，并保证膜的完整性；第三阶段：从600℃升至1100℃，保温200min，其主要是促使Ni-Cu合金相均匀化并形成连接层；整个烧结过程中的升温速率为5℃/min。烧结完成后用水将MgO粉末清洗除去，即得到金属间化合物纸型膜2。

金属间化合物纸型膜2的尺寸与其前驱体的尺寸相同，气通量为200m³/m²·h·Kpa、冲击韧度为180J/cm²。在相同的烧结时间和温度下，采用惰性氧化物隔层烧结得到的对应的金属间化合物纸型膜的尺寸产生了变化，并且其气通量仅为140m³/m²·h·Kpa、冲击韧度仅为130J/cm²。说明，本发明的烧结方法更有利于脱脂，降低了残炭对金属间化合物纸型膜2性能的影响。

与金属间化合物纸型膜1相比，金属间化合物纸型膜1具有更高的气通量和冲击韧度，说明采用具有通气口的支撑筒能保证更高的导热率，有利于脱脂，进一步降低了残炭对金属间化合物纸型膜性能的影响。

实施例3

本发明的制备多孔薄膜材料的烧结支撑体包含底座2以及至少一个支撑筒1，图1为含有一个支撑筒1的烧结支撑体的主视图和俯视图，图2为含有2个支撑筒1的烧结支撑体的俯视图和轴向剖视图，两个支撑筒1相互嵌套，两者之间的区域为放置薄膜前驱体4的空腔。支撑筒1为中空结构，筒体上设置有通气口，其作用是促进热的传导，使内外层薄膜前驱体4充分烧结。底座2上具有与内层支撑筒1同心的通孔。

将喷有一层粒度为4μm的均匀的Al₂O₃粉末隔离层的薄膜前驱体4沿支撑筒1的外壁卷绕，其中，Al₂O₃粉末隔离层占薄膜前驱体质量的1.3％，支撑筒的直径为60mm，材质为310S不锈钢，卷绕完成后用直径为1mm、材质为FeCrAl合金钢的捆绑件捆扎固定，即可放入烧结炉中烧结。为了进一步固定薄膜前驱体4，可以在卷绕固定之后，在薄膜前驱体4的上部安装带有凹槽的上端盖3，凹槽的尺寸与卷绕后的薄膜前驱体4相适应，即得到如图4所示的使用效果图。两张薄膜前驱体4可以重叠后卷绕在如图1所示的烧结支撑体上或者采用图2所示的烧结支撑体，两张薄膜前驱体4分别卷绕在图2中的两个支撑筒1上，即得到如图5所示的使用效果图。将卷绕后的薄膜前驱体4随烧结支撑体一起放入烧结炉中烧结，可以在很大程度上提升烧结炉的利用率，提升生产效率。支撑筒1起到支撑和固定作用，防止薄膜前驱体4在烧结过程中变形。

图6为烧结工装的使用效果图，从图中可以看出，该烧结工装包括支撑杆5、底座6以及3个如图1所示的烧结支撑体A1-A3，3个烧结支撑体A1-A3依次套在支撑杆5上，支撑杆5为中空结构，杆体上设置有通气孔，可促进传热。此烧结工装不仅具有烧结支撑体A1-A3的优点，即提升烧结炉的利用率和防止薄膜前驱体4在烧结过程中变形，而且组装简单，拆卸方便，进一步提升烧结炉的利用率。

Claims (10)

1.制备多孔薄膜材料的烧结方法，所述多孔薄膜材料由薄膜前驱体烧结得到，其特征在于：在放入烧结炉中烧结之前，在薄膜前驱体的至少一个侧面喷涂隔离层，然后进行收卷和固定；所述收卷和固定过程为将至少一张含有隔离层的薄膜前驱体沿着圆形支撑筒的外壁卷绕并捆扎固定，卷绕时使含有隔离层的侧面朝向支撑筒外壁；所述烧结过程完成后清洗烧结产物即得到多孔薄膜材料；所述隔离层为隔离浆料干燥所得，所述隔离浆料为隔离层粉末与醇类溶剂的均匀分散液；所述隔离层粉末为在烧结条件下相对薄膜前驱体表现为惰性的金属化合物粉末。

2.如权利要求1所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述金属化合物为Al₂O₃、MgO、CuN中的至少一种。

3.如权利要求1所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的至少一种；分散液中隔离层粉末的浓度为2-2.5Kg/L。

4.如权利要求1-3任一项所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述隔离层的质量占前驱体质量的0.5-2％，金属化合物的平均粒径为3-5μm。

5.如权利要求1所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述支撑筒安置于底座上，支撑筒的材质为钢材；所述固定过程采用材质为钢材的捆绑件捆扎固定。

6.如权利要求5所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述支撑筒为中空结构。

7.如权利要求6所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述支撑筒的筒体上设置有通气口。

8.如权利要求1所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：清洗过程的清洗剂为水。

9.如权利要求1所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法，其特征在于：所述多孔薄膜材料包含烧结金属纤维毡材料、烧结金属丝网材料、烧结金属多孔材料中的至少一种；所述烧结金属多孔材料包含金属间化合物纸型膜材料。

10.烧结方法的应用，包括将权利要求1-9任一项所述的制备多孔薄膜材料的烧结方法应用于粉末冶金法制备多孔薄膜材料的烧结过程。

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