CN107511482B - 一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料的制备技术领域，提供了一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，预先将金属粉末与超细焦炭和水形成粘稠膏体，通过升温使得水蒸气与焦炭反应产生氢气和一氧化碳，在将粘稠膏体发泡的同时，将金属粉末分布为泡沫状，并点燃氢气和一氧化碳，在原位灼烧金属粉，从而将金属粉连接牢固，形成了泡沫金属。采用预先将金属粉膏体化，实现了低温稳定发泡，具有孔隙率高的优点。采用焦炭，利用焦炭与水产生可燃气体的特性，在发泡的同时将蓬松发泡的金属粉原位灼烧连接，从而形成具有良好强度的泡沫金属。
Description
技术领域
本发明属于新型金属材料的制备技术领域，提供了一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法。
背景技术
多孔材料可分为金属和非金属两大类,也可细分为多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金属材料3种不同的类型。多孔金属材料又称为泡沫金属,作为结构材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。而且,多孔金属材料往往兼有结构材料和功能材料的双重作用,是一类性能优异的多用途材料。目前,多孔金属材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。多孔金属材料作为多孔材料的重要组成部分,在材料学领域具有不可取代的地位。
多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料，正是由于这种特殊的结构，使之既有金属的特性又有气泡特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低 (闭孔体)、换热散热能力高(通孔体)、吸声性好 (通孔体)、渗透性优 (通孔体)、电磁波吸收性好(通孔体)、阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏 (一些多孔金属对某些气体十分敏感) 、能再生、加工性好等。因此，作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，甚至在航空航天技术中有着广泛的用途。孔径大、孔隙率高、密度低是泡沫金属的三大结构特点。
到目前为止,国内外对多孔泡沫金属的制备工艺方面的研究较多,归纳起来主要有以下几种,铸造法、粉末冶金法、金属沉积法、烧结法、熔融金属发泡法、共晶定向凝固法等六种。一般说来 ,电沉积制备出的泡沫金属的孔隙率高且非常均匀 ,但工序长 ,操作繁琐 ,成本稍高 ;用化学分解法制备的泡沫金属对于泡沫镍而言存在封孔问题和残碳问题;真空气相沉积制备泡沫金属的操作条件严格 ,沉积速度慢 ,投资大 ,生产成本高 ; 发泡法的技术一般则比较复杂 ,难于掌握 ,且主要是低熔点金属泡沫的制备上 ;熔模铸造法仅适用于低熔点的金属和合金 (如 Al ,Pb ,Sn 等) ;粒状物料周围浇铸法可以得到形状非常复杂的浇铸件 ;利用金属纤维而不是金属粉末进行烧结可制备出适用于筛网制造的泡沫金属。 此外 ,随着市场需求的发展 ,泡沫金属向大面积、合金化发展以满足更多领域的需求也是一种趋势 ,采用高自动化生产工艺以提高生产效率则是泡沫金属生产的努力方向。
对多孔材料 ,应该在保证基本的强度使用要求的基础上追求高孔率、高比表面积和高通孔率 ,以使产品的使用性能达到最佳状态。对制备技术,报道几乎全都是有关单一金属与孔洞 (空气) 形成的复合相的功能材料的制备,这样制备的多孔泡沫金属是以牺牲其力学性能来换取特殊物理性能 ,而材料科学的发展 ,在前期功能材料 ,结构材料观念的基础上 ,又提出了功能结构一体化新材料的概念 ,既保证在功能特性的基础上 ,又具备较高的力学性能 ,以满足复杂工况条件下对零件的要求。
发明内容
针对现有泡沫金属的制备缺陷，本发明提出一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法。其主要在于先将金属粉末与少量的超细焦炭、水等混合制成膏体，并高速搅拌研磨使之混合均匀，随着温度升高，利用超细焦炭与水蒸气发生反应生成H2、CO的特性，气体膨胀使金属粉末发泡，初期的未反应完全的超细焦炭起到增粘剂的作用，提升膏体粘度，确保气泡相对稳定、不逸出，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将金属粉末与超细焦炭按一定的质量比例混合，加入一定比例的分散剂，在高速混合机中分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将其与水按一定质量比例混合，并研磨使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘稠膏体；
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
优选的，步骤（1）所述金属粉末为镍粉、铝粉或铜粉，粒径小于0.5mm。
优选的，步骤（1）所述超细焦炭的粒径为5~10μm。
优选的，步骤（1）所述金属粉末与超细焦炭的质量比例为100:5-10。
优选的，步骤（1）所述分散剂为硬脂酸钡、硬脂酸锌或硬脂酸镁，所述分散剂的加入质量为金属粉末与超细焦炭质量总和的3~5%。
优选的，步骤（1）所述高速混合处理的温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为20~30min。
优选的，步骤（2）所述的粘稠膏体粘度为3000-6000cP。
优选的，步骤（2）所述水的用量为混合物料质量的20-35%。
优选的，步骤（2）所述研磨采用捏合机，研磨时间为10~20min。
本发明一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，预先将金属粉末与超细焦炭和水形成粘稠膏体，通过升温使得水蒸气与焦炭反应产生氢气和一氧化碳，在将粘稠膏体发泡的同时，将金属粉末分布为泡沫状，并点燃氢气和一氧化碳，在原位灼烧金属粉，从而将金属粉连接牢固，形成了泡沫金属。金属粉末及焦炭在水中的混合状态及均匀性，直接关系到发泡过程的均匀性及泡沫金属制品的结构均匀性，因此必须采用分散剂增强固相与液相的界面相容性，并施加足够搅拌，以实现均匀分散，并防止颗粒之间的重新团聚。增粘过程主要是通过前期未反应的超细焦炭粒子来实现的，加热后溶液粘度增加，有利于防止气体逸出，提高泡孔孔壁强度。但若增粘过度，会造成气泡分布不均，形状不规整，孔隙率下降等问题，发泡温度也是重要的工艺参数，发泡温度过低，不能促进气泡成长，造成不完全发泡。发泡温度过高，气泡增长过快，形状不规整，发泡速度也难以控制。
本发明提供了一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备泡沫金属的方法，采用预先将金属粉膏体化，实现了低温稳定发泡，具有孔隙率高、单位体积的内表面积较大、与母体金属的容重比较小等优点。
2.本发明制备泡沫金属的方法，在满足功能特性的基础上，保持了良好的力学性能，可满足复杂工况条件下对零件的要求。采用焦炭，利用焦炭与水产生可燃气体的特性，在发泡的同时将蓬松发泡的金属粉原位灼烧连接，从而形成具有良好强度的泡沫金属。
3.本发明制备过程中，初期未反应的焦炭可作增粘剂，有利于提高熔体粘度，防止气体逸出，保证发泡反应过程相对平稳地进行。
4.本发明的方法具有成本低廉，制备过程简单等优点。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将粒径小于0.5mm铝粉10kg与粒径为5~10μm的0.5kg的超细焦炭混合，加入0.45%kg的分散剂硬脂酸钡，在高速混合机中温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为20min,分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将混合料其与水混合，并在捏合机研磨10min使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘度为3500cP的粘稠膏体；所述水的用量为混合物料质量的20%。
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
对实施例1得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及孔径分布，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。
实施例2
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将粒径小于0.5mm铜粉10kg与粒径为5~10μm的0.8kg的超细焦炭混合，加入0.56kg的分散剂硬脂酸锌在高速混合机中温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为30min,分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将混合料其与水混合，并在捏合机研磨15min使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘度为6000cP的粘稠膏体；所述水的用量为混合物料质量的20%。
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
对实施例2得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及孔径分布，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。
实施例3
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将粒径小于0.5mm镍粉10kg与粒径为5~10μm的1kg的超细焦炭混合，加入0.4%kg的分散剂硬脂酸镁，在高速混合机中温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为20min,分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将混合料其与水混合，并在捏合机研磨20min使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘度为4000cP的粘稠膏体；所述水的用量为混合物料质量的35%。
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
对实施例3得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及孔径分布，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。
实施例4
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将粒径小于0.5mm铝粉10kg与粒径为5~10μm的0.5kg的超细焦炭混合，加入0.35%kg的分散剂硬脂酸锌，在高速混合机中温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为25min,分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将混合料其与水混合，并在捏合机研磨10min使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘度为3500cP的粘稠膏体；所述水的用量为混合物料质量的20%。
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
对实施例4得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及孔径分布，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。
实施例5
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将粒径小于0.5mm铜粉10kg与粒径为5~10μm的0.5kg的超细焦炭混合，加入0.45kg的分散剂硬脂酸钡，在高速混合机中温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为30min,分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将混合料其与水混合，并在捏合机研磨20min使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘度为6000cP的粘稠膏体；所述水的用量为混合物料质量的20%。
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
对实施例5得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及孔径分布，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。
对比例1
一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将粒径小于0.5mm铜粉10kg与0.5kg的淀粉混合，加入0.45kg的分散剂硬脂酸钡，在高速混合机中温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为30min,分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将混合料其与水混合，并在捏合机研磨20min使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘度为7200cP的粘稠膏体；所述水的用量为混合物料质量的20%。
（3）将粘稠膏体升高温度，水蒸气膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后利用外源热加热，使已发泡的金属粉末灼烧连接，便得到泡沫金属。
对比例1得到的多孔泡沫金属，出现明显的坍塌，测试其孔隙率及孔径分布，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。
表1：
由表1可见：
（1）本发明制得的多孔泡沫金属的孔隙率高达80%以上，孔径分布均匀。因此焦炭反应产生的气体发泡和原位灼烧连接形成的微孔更为均匀和稳定。
（2）本发明制得的多孔泡沫金属，其弾性変形范围内可承受的最大压应力较高，可见其抗压能力较强，受压时不易发生塑性变形，说明未反应焦炭起到了很好的增粘剂作用。制得的泡沫金属的压缩强度也相应提高。
Claims (8)
1.一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征是，具体步骤如下：
（1）将金属粉末与超细焦炭按一定的质量比例混合，加入一定比例的分散剂，在高速混合机中分散均匀，使分散剂形成膜包覆于金属粉末及超细焦炭的表面；
（2）待步骤（1）所得的混合物料冷却至室温后，将其与水按一定质量比例混合，并研磨使之混合均匀形成膏状，形成稳定的粘稠膏体；所述超细焦炭的粒径为5~10μm；
（3）将粘稠膏体升高温度，使超细焦炭与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，气体膨胀使粘稠膏体发泡，同时金属粉末随膏体形成泡沫雏形，随后点燃气体，已发泡的金属粉末灼烧原位连接固化，便得到泡沫金属。
2.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（1）所述金属粉末为镍粉、铝粉或铜粉，粒径小于0.5mm。
3.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（1）所述金属粉末与超细焦炭的质量比例为100:5-10。
4.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（1）所述分散剂为硬脂酸钡、硬脂酸锌或硬脂酸镁，所述分散剂的加入质量为金属粉末与超细焦炭质量总和的3~5%。
5.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（1）所述高速混合处理的温度为80~100℃，转速为100~120r/min，处理时间为20~30min。
6.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（2）所述的粘稠膏体粘度为3000-6000cP。
7.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（2）所述水的用量为混合物料质量的20-35%。
8.根据权利要求1所述一种由焦炭复合发泡剂制备泡沫金属的方法，其特征在于:步骤（2）所述研磨采用捏合机，研磨时间为10~20min。
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