CN107626926A - 秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途，属于金属材料领域。本发明的技术方案之一是提供了秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途，所述金属多孔材料为钛、镍、铝或其中两种以上合金的多孔材料。另外，本发明还提供了以秸秆作为造孔剂制备钛或钛合金多孔材料的方法，该方法是以秸秆粉末为造孔剂，采用粉末冶金法将金属粉末制备成多孔材料；其中，所述金属粉末为钛粉末、钛合金粉末或钛粉末与合金成分粉末的混合物。本发明选用的造孔剂价格低廉，工艺简单，起到节能减排的作用，为制备金属多孔材料开辟了新的途径。

Description

秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途

技术领域

本发明涉及秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途，属于金属材料领域。

背景技术

金属多孔材料是由刚性骨架和内部孔洞组成，具有优异物理特性和良好机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能，如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高等，使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。其中，钛及钛合金多孔材料由于具有较低的弹性模量、良好的生物相容性、优异的机械性能和抗腐蚀性能等特性，在口腔外科和骨科方面受到越来越多的关注。

目前，金属多孔材料的制备方法主要有直接发泡法、精密铸造法、粉末冶金法和电沉积法。其中，粉末冶金法由于能够较好地控制孔隙的各种参数，得到了广泛应用，尤其在制备生物医用多孔钛合金材料领域，几乎是最为常用的方法。粉末冶金法为提高材料的孔隙率和透过性，往往需要在粉末中添加各种造孔剂，目前最常用的造孔剂包括氢化钛、石蜡、天然纤维、甲基纤维素、硬脂酸、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。然而，上述造孔剂分别存在价格昂贵、难以去除干净、容易对基体金属造成污染等缺陷。

因此，亟需开发出一种价格更为低廉、容易去除干净、节能环保的新型造孔剂。

发明内容

本发明的目的在于提供秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途。本发明的另一目的在于提供钛或钛合金多孔材料的制备方法。

本发明提供了秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途。

进一步地，所述金属多孔材料为钛、镍、铝或其中两种以上合金的多孔材料。

进一步地，所述秸秆为水稻秸秆或玉米秸秆。

本发明提供了钛或钛合金多孔材料的制备方法：以秸秆粉末为造孔剂，采用粉末冶金法将金属粉末制备成多孔材料；其中，所述金属粉末为钛粉末、钛合金粉末或钛粉末与合金成分粉末的混合物。

进一步地，所述的制备方法包括如下步骤：将秸秆粉末与金属粉末混合，加压成型，烧结，即得。

进一步地，所述钛合金中合金成分为镍或铝。

进一步地，所述秸秆粉末为水稻秸秆粉末或玉米秸秆粉末。

进一步地，所述秸秆粉末的粒径为80～100μm。

进一步地，所述秸秆粉末由下述方法制备得到：将秸秆放入马弗炉内于250℃加热15～30min，马弗炉内氧气含量小于18％，粉碎，即得。

进一步地，所述金属粉末过300目筛。

进一步地，所述秸秆粉末与金属粉末的混合物中，秸秆粉末的质量百分比为20～60％。

进一步地，所述的制备方法包括如下步骤：

a、混料：将金属粉末、秸秆粉末和粘结剂进行球磨混粉，球磨混粉过程中控制真空度为6～10Pa，得到混合粉末；

b、加压成型：将步骤a得到的混合粉末在100～150MPa的单向压力下压制成型，得到生坯；

c、烧结：将步骤b得到的生坯置入真空烧结炉内烧结，真空度为10^-3～10^-2Pa，烧结温度为900～1100℃，保温时间1～3h，冷却，即得。

优选地，所述粘结剂为金属粉末和秸秆粉末总量的3～5％。

优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇。

本发明提供了秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途，主要具有以下优点：

1、秸秆是农业生产的废弃物，如果不及时处理，会影响小麦等秋播作物的播种，其大规模焚烧又会造成雾霾，污染环境，秸秆的处理一直是一大难题。本发明将秸秆开发为造孔剂，能够变废为宝，而且成本基本可以忽略不计。

2、秸秆在烧结过程中炭化、挥发，不仅可以促进孔隙的形成，而且能够被很干净地除去，不会对基体金属造成污染，相较于现有的造孔剂具有明显优势，尤其适用于生物医用多孔材料的制备。

附图说明

图1为实施例中多孔钛的制备工艺流程图；

图2为实施例3制备得到的多孔钛在扫描电镜下的形貌图；

图3为实施例3制备得到的多孔钛的XRD图。

具体实施方式

本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。

本发明提供了秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途。由于秸秆中含有粗纤维和木质素属于有机高分子类物质，直接破碎难度较大，破碎后颗粒的粒度较大，难以应用于多孔材料的制备。发明人对其进行半碳化预处理，预处理方法为：将秸秆放入马弗炉内加热至250℃，保持15～30min，马弗炉内氧气含量小于18％。经半碳化处理后，秸秆中粗纤维和木质素的结构被破坏，韧性降低，在半碳化温度下秸秆造孔剂的质量损失和能量释放值都很低，然后经球磨机磨碎，即得秸秆粉末。

本发明还提供了钛或钛合金多孔材料的制备方法，其工艺流程见图1。

检测方法：

1、孔隙率

采用阿基米德排水法测，具体操作如下：

(1)选取试样并标明序号后放在真空干燥箱中烘干，在天平上称试样质量记为M_空。

(2)将试样浸入到装有蒸馏水的抽真空设备内，抽真空到2.7KPa以下，并保持30min，停止抽气，在空气中静置30min，以使蒸馏水充满孔隙。

(3)将试样从水中取出，用浸有饱和蒸馏水的毛巾擦去表面水滴，然后用电子天平分别称量试样的浮重和湿重，分别记为M_浮和M_湿。

根据公式(2-3)和(2-4)计算试样的体积密度D和气孔率θ，实验中每组测试了5个试样，然后取其平均值。

式中：D为试样的体积密度，g/cm³；D_水为水的密度，g/cm³；θ为试样的孔隙率，％。

2、抗压强度

首先，对多孔钛材料加工成φ8*12mm的圆柱，保证多孔钛试样的上下表面平整且平行的平面，然后，采用DNS-电子力学测试仪，压缩速率为1.0mm/min。

实施例1采用本发明方法制备多孔钛材料

造孔剂秸秆准备：将玉米秸秆放入马弗炉内加热至250℃，升温速度为10℃/min，保持15～30min，马弗炉内氧气含量小于18％。经半碳化处理后，将玉米秸秆放入粉碎机中粉碎，筛分，得到粒径为100μm的秸秆粉末。

混料：取粒径为100μm、纯度为99.5％的金属钛粉和上述秸秆粉末，放入球磨罐中进行混粉，其中，秸秆粉末质量占混合物总量的20％，另外，再加入混合物总量3～5％的粘结剂聚乙烯醇，球磨混粉过程中控制真空度为6～10Pa。

冷压成型：将上述混合粉末加入不锈钢磨具内，使用单向油压万能试验机压制成型，成型压力80MPa，保压1min得到生坯。

烧结：将生坯置入真空度为10^-3Pa真空烧结炉内烧结，烧结温度1000℃，保温时间2h，随炉冷却，即得本发明多孔钛材料。对多孔材料的性能分析，可知通过此种方法可得到孔隙率为30％，抗压强度为200MPa的多孔钛材料。

实施例2采用本发明方法制备多孔钛材料

造孔剂秸秆准备：将玉米秸秆放入马弗炉内加热至250℃，升温速度为10℃/min，保持15～30min，马弗炉内氧气含量小于18％。经半碳化处理后，将玉米秸秆放入粉碎机中粉碎，筛分，得到粒径为100μm的秸秆粉末。

混料：取粒径为100μm、纯度为99.5％的金属钛粉和上述秸秆粉末，放入球磨罐中进行混粉，其中，秸秆粉末质量占混合物总量的40％，另外，再加入混合物总量3～5％的粘结剂聚乙烯醇，球磨混粉过程中控制真空度为6～10Pa。

冷压成型：将上述混合粉末加入不锈钢磨具内，使用单向油压万能试验机压制成型，成型压力100MPa，保压1min得到生坯。

烧结：将生坯置入真空度为10^-3Pa真空烧结炉内烧结，烧结温度1100℃，保温时间2h，随炉冷却，即得本发明多孔钛材料。对多孔材料的性能分析，可知通过此种方法可得到孔隙率为50％，抗压强度为108MPa的多孔钛材料。

实施例3采用本发明方法制备多孔钛材料

造孔剂秸秆准备：将玉米秸秆放入马弗炉内加热至250℃，升温速度为10℃/min，保持15～30min，马弗炉内氧气含量小于18％。经半碳化处理后，将玉米秸秆放入粉碎机中粉碎，筛分，得到粒径为100μm的秸秆粉末。

混料：取粒径为100μm、纯度为99.5％的金属钛粉和上述秸秆粉末，放入球磨罐中进行混粉，其中，秸秆粉末质量占混合物总量的60％，另外，再加入混合物总量3～5％的粘结剂聚乙烯醇，球磨混粉过程中控制真空度为6～10Pa。

冷压成型：将上述混合粉末加入不锈钢磨具内，使用单向油压万能试验机压制成型，成型压力150MPa，保压1min得到生坯。

烧结：将生坯置入真空度为10^-3Pa真空烧结炉内烧结，烧结温度1200℃，保温时间3h，随炉冷却，即得本发明多孔钛材料，其在扫描电镜下的形貌见图2，XRD见图3。对多孔材料的性能分析，可知通过此种方法可得到孔隙率为67％，抗压强度为40MPa的多孔钛材料。

Claims (10)

1.秸秆作为造孔剂在制备金属多孔材料中的用途。

2.如权利要求1所述的用途，其特征是：所述金属多孔材料为钛、镍、铝或其中两种以上合金的多孔材料。

3.如权利要求1所述的用途，其特征是：所述秸秆为水稻秸秆或玉米秸秆。

4.钛或钛合金多孔材料的制备方法，其特征是：以秸秆粉末为造孔剂，采用粉末冶金法将金属粉末制备成多孔材料；其中，所述金属粉末为钛粉末、钛合金粉末或钛粉末与合金成分粉末的混合物。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征是：包括如下步骤：将秸秆粉末与金属粉末混合，加压成型，烧结，即得。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征是：所述钛合金中合金成分为镍或铝。

7.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征是：所述秸秆粉末满足以下至少一项：

所述秸秆粉末为水稻秸秆粉末或玉米秸秆粉末；

所述秸秆粉末的粒径为80～100μm；

所述秸秆粉末由下述方法制备得到：将秸秆放入马弗炉内于250℃加热15～30min，马弗炉内氧气含量小于18％，粉碎，即得。

8.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征是：所述金属粉末过300目筛。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征是：所述秸秆粉末与金属粉末的混合物中，秸秆粉末的质量百分比为20～60％。

10.如权利要求4～9任意一项所述的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

a、混料：将金属粉末、秸秆粉末和粘结剂进行球磨混粉，球磨混粉过程中控制真空度为6～10Pa，得到混合粉末；优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇；优选地，所述粘结剂为金属粉末和秸秆粉末总量的3～5％；

b、加压成型：将步骤a得到的混合粉末在100～150MPa的单向压力下压制成型，得到生坯；

c、烧结：将步骤b得到的生坯置入真空烧结炉内烧结，真空度为10^-3～10^-2Pa，烧结温度为900～1100℃，保温时间1～3h，冷却，即得。