CN109022881A - 西米作为造孔剂的用途、造孔剂及其制备泡沫金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于泡沫金属材料制备技术领域，具体涉及一种西米作为造孔剂的用途、造孔剂及其制备泡沫金属的方法。针对现有制备泡沫金属时所用造孔剂成本高，造孔效果不好，难除净等问题，本发明提供了西米作为造孔剂在制备泡沫金属中的用途，还提供了一种造孔剂以及该造孔剂制备泡沫金属的方法，将金属粉末和造孔剂西米加入粘接剂混合后，压实成坯，脱模干燥；预烧结；烧结得到泡沫金属。本发明的造孔剂西米造孔效果好，容易去除，安全环保。采用西米制备泡沫材料的方法流程简单、性价比高、对环境无污染，且制备出来的泡沫钢、泡沫钛、泡沫铜具有孔径、孔隙率、孔形可控等优点，在吸能减震、生物、过滤分离方面具有很好的应用前景。

Description

西米作为造孔剂的用途、造孔剂及其制备泡沫金属的方法
技术领域
本发明属于泡沫金属材料制备技术领域，具体涉及一种西米作为造孔剂的用途、造孔剂及其制备泡沫金属的方法。
背景技术
泡沫金属是一种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结构～功能材料。它具有轻质、比表面积大、导热散热性好、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高、通透性好等优点，广泛应用于过滤分离、流体控制、能量吸收、消声降噪、生物医疗、催化剂载体等领域。
目前泡沫金属的制备方法主要有发泡剂发泡法、气体注入发泡法、渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法、金属沉积法、气相积法、纤维烧结法、粉末冶金烧结法、固～气共晶定向凝固法(Gasar工艺)、放电等离子烧结法(SPS)、去合金化法、自蔓延高温合成法(SHS)等。其中，粉末冶金法因其工艺简单、成本低廉、设备要求低，能较好控制泡沫金属的孔隙率、孔径等优点，得到了广泛的应用。
粉末冶金一般通过添加造孔剂的方法使金属材料的内部产生孔洞，造孔剂的性质直接影响泡沫金属的各项性能。目前常用的造孔剂有氢化钛、氯化钠、氟化钠、碳酸氢铵、甲基丙烯酸甲酯、镁粉、碳酸钾、尿素、石蜡等。但是尿素熔点低，加热易分解，金属粒子之间还没有形成结合，结构因此会倾塌，同时也不利于制备高熔点的泡沫金属，而且尿素会释放氨气，不环保。碳酸钾化学性质不稳定，高温可能会与金属反应，释放的CO2有可能导致金属基体的氧化。NaF有毒且其水溶液呈碱性，对金属基体有腐蚀性。NaCl不易清除，残留的NaCl会污染基体。镁成本高，同时镁蒸汽见空气易燃。
因此，亟需开发出一种价格低廉、容易去除干净、节能环保的新型造孔剂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有制备泡沫金属时所用造孔剂成本高，造孔效果不好，难除净等问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种西米作为造孔剂在制备泡沫金属中的新用途。
本发明还提供了一种泡沫金属造孔剂，组成成分为粒径0.2～4mm的球形西米。
本发明还提供了一种上述造孔剂制备泡沫金属的方法，包括以下步骤：
a、按体积比1～4︰6～9称取金属粉末和西米，再加入粘接剂混匀；
b、将步骤a混匀后的物料压实成坯，脱模干燥；
c、在惰性气体保护下，将步骤b中干燥的坯料进行预烧结，烧结炉内升温至480～830℃，保温2～3h，随后再升温至900～1200℃进行烧结，保温1～3h，随炉冷却到室温，得到泡沫金属。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述金属粉末为钛粉、不锈钢粉或铜粉中的至少一种。进一步的，所述的不锈钢粉为316L不锈钢粉。优选的，所述的金属粉末粒径为100～300目。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述西米为球形。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述西米的粒径为0.2～4mm。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述的粘结剂为无水乙醇。
进一步的，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述粘结剂的加入量为钛粉和西米总量的2～5wt％。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤b中所述干燥的条件为：干燥温度100～120℃，干燥时间1～2h。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤b中所述的压实成坯时压力为100～200Mpa，保压时间为3～5min。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤c中所述升温的速率为4～10℃/min。
本发明还提供了一种泡沫金属，由上述方法制备而成。
采用本发明方法制备的泡沫金属材料，可在很多领域进行广泛应用。泡沫钛可用于制备生物医疗骨关；泡沫钢可用于制备汽车防撞梁；泡沫铜可用于制备油过滤材料。
本发明的有益效果为：本发明开发了一种新的造孔剂西米，该造孔剂不会与钛、钢、铜反应，造孔后易除去，且价格便宜，可根据造孔剂形状控制泡沫金属形状。本发明还提供了采用西米作为造孔剂制备泡沫金属的方法，通过造孔剂体积分数控制孔隙率，并且在预烧结时快速将温度升至480～550℃，保温2～3h，保证西米中的淀粉分解，此时多金属骨架已经基本形成，孔形状不会变形，从而制备得到孔隙率、孔径、孔形可控的泡沫金属。采用本发明的方法，可以制备得到孔隙率达60～90％，孔径0.2～4mm，孔形为球形，开孔率高达90％的泡沫金属。本发明的制备方法设备要求低，工艺简单、价格低廉、对环境无污染。
附图说明
图1所示为造孔剂西米。
具体实施方式
本发明提供了一种西米作为造孔剂在制备泡沫金属中的新用途。
本发明还提供了一种泡沫金属造孔剂，组成成分为西米。
其中，为了使泡沫金属的孔形状为球形，上述泡沫金属造孔剂中，所述的西米为球形。
其中，为了得到适宜孔径的泡沫金属，上述泡沫金属造孔剂中，所述西米的粒径为0.2～4mm。
西米是一种由棕榈类的树干、树身加工，通过机械处理、浸泡，沉淀，烘干制成的可食用西米淀粉，其主要成分为淀粉。一般情况下，西米是作为食物食用。西米与金属钛、金属钢、金属铜都不发生反应，本发明创造性的将西米用作造孔剂来制备泡沫金属。采用西米作为造孔剂，成本低廉，操作简单，并且西米在一定温度下可以完全分解，能够有效去除，安全环保，是一种性能优异的造孔剂。
本发明还提供了一种上述造孔剂制备泡沫金属的方法，包括以下步骤：
a、按体积比1～4︰6～9称取金属粉末和西米，再加入粘接剂混匀；
b、将步骤a混匀后的物料压实成坯，脱模干燥；
c、在惰性气体保护下，将步骤b中干燥的坯料进行预烧结，烧结炉内升温至480～830℃，保温2～3h，随后再升温至900～1200℃进行烧结，保温1～3h，随炉冷却到室温，得到泡沫金属。
其中，上述泡沫金属的制备方法中，金属粉末粒径要小于造孔剂粒径，但当粉末粒径过小时，烧结后泡沫金属通透性不好，因此，本发明步骤a中所述金属粉末粒径为100～200目。步骤a中所述金属粉末为钛粉、316L不锈钢粉或铜粉，其纯度均大于99.9％，纯度越高，制备出的泡沫金属杂质越少。
本发明在比较多种造孔剂的前提下，采用西米作为造孔剂制备泡沫金属。西米与金属钛、金属钢、金属铜都不发生反应，西米主要成分为淀粉，将温度升至480～550℃，保温2～3h，保证淀粉完全分解，此时多金属骨架已经基本形成，孔形状不会变形，从而制备得到孔隙率、孔径、孔形可控的泡沫金属。采用西米作为造孔剂，成本低廉，操作简单。为了得到合适孔径的泡沫金属，步骤A中所述的西米粒径为0.2～4mm。若想得到孔小的泡沫金属，则需要减小西米颗粒粒径。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述的粘结剂为无水乙醇，优选浓度为99.5％以上的乙醇。
进一步的，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤a中所述粘结剂的加入量为钛粉和西米总量的2～5wt％。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤b中所述干燥的条件为：干燥温度100～120℃，干燥时间1～2h。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤b中所述的压实成坯时压力为100～200Mpa，保压时间为3～5min。
其中，上述造孔剂制备泡沫金属的方法中，步骤c中所述升温的速率为4～10℃/min。本发明在预烧结时对坯料进行了两次加热，这种热处理方式使得造孔剂西米在480～550℃，保温2～3h，保证淀粉完全分解，此时金属骨架已经初步形成，后续加热升温时先形成的孔不会变形，因此可以通过控制造孔剂形状控制泡沫金属的孔形。
本发明还提供了一种泡沫金属，由上述方法制备而成。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例中泡沫金属的孔隙率其中m为泡沫金属质量，V泡沫金属体积，ρs为金属的密度。利用AG-IC100KN电子力学试验机测试泡沫材料的压缩性能。利用FBP-3I型多孔材料性能检测仪检测泡沫金属的透气性能。
实施例1采用本发明技术方案制备泡沫钢
按下述操作步骤制备泡沫钢：
A、将粒径200目，纯度为99.9％的钛粉与粒径约为4mm的球形西米颗粒按体积分数为2︰3，装入V型混料机混合1小时；混料过程中加入无水乙醇，无水乙醇和混合料的质量比为5︰95。
B、将混合均匀的粉末置入钢模具中压实成坯，单向压力为200Mpa，保压时间5min，脱模干燥。
C、将干燥的坯料预烧结，在高纯氩气的气氛下，以10℃/min速度上升到550℃，保温21h，其次，以相同的升温速率升至1000℃，保温2h，随炉冷却，得到孔径为3.6mm，孔隙率为62.54％的泡沫钢。
实施例2采用本发明技术方案制备泡沫钛
按下述操作步骤制备泡沫钛：
A、将粒径100目，纯度为99.9％的钛粉与粒径约为0.2mm的球形西米颗粒按体积分数为3︰7，装入V型混料机混合1小时；混料过程中加入无水乙醇，无水乙醇和混合料的质量比为4︰96。
B、将混合均匀的粉末置入钢模具中压实成坯，单向压力为200Mpa，保压时间4min，脱模干燥。
C、将干燥的坯料预烧结，在高纯氩气的气氛下，以7℃/min速度上升到520℃，保温3h，其次，以相同的升温速率升至1200℃，保温2h，随炉冷却得到孔径为0.15mm，孔隙率为73.26％的泡沫钛。
实施例3采用本发明技术方案制备泡沫铜
按下述操作步骤制备泡沫铜：
A、将粒径300目，纯度为99.9％的铜粉与粒径约为0.3mm的球形西米颗粒按体积分数为1︰4，装入V型混料机混合1小时；混料过程中加入无水乙醇，无水乙醇和混合料的质量比为3︰97。
B、将混合均匀的粉末置入钢模具中压实成坯，单向压力为100Mpa，保压时间3min，脱模干燥。
C、将干燥的坯料预烧结，在高纯氩气气氛下，以4℃/min速度上升到480℃，保温1h，其次，以相同的升温速率升至900℃，保温2h，随炉冷却，得到孔径为0.25mm，孔隙率为81.76％的泡沫铜。
对实施例1～3制备得到的泡沫金属进行孔隙率测定，泡沫金属孔隙率略大于造孔剂体积分数，因此可以通过造孔剂的体积分数控制泡沫金属的孔隙率。泡沫金属孔径略小于造孔剂体粒径，因此可以通过造孔剂颗粒粒径来控制泡沫金属的孔径。
实施例1制备孔径为3.6mm，孔隙率为62.54％的泡沫钢对应的单位体积能量吸收值为49.92MJ/m3，屈服平台应力为114.56Mpa。其密度为316L不锈钢的1/3左右，作为汽车防撞梁材料，不仅可以减轻汽车重量，而且也符合节能减排要求。
实施例2制备的孔径为0.15mm，孔隙率为73.26％的泡沫钛，其抗压强度为6.71Mpa,杨氏模量为0.34Gpa，满足人体骨松质的抗压强度为4～12Mpa,杨氏模量为0.02～0.5Gpa的要求，制备的泡沫钛为开孔结构，有利于骨骼的生长和人体体液的输送，泡沫钛具有耐腐蚀性能和生物相容性，因此本方法制备的泡沫钛理论上可以用于人体松质骨的替代材料。
实施例3制备的干燥后得到孔径为0.25mm，孔隙率为81.76％的泡沫铜。其抗压强度为15.7Mpa，透气度为39.27m3/(h·kPa·m2)，可以用于油的过滤领域，过滤内燃机和液压系统中油夹杂的固体颗粒。
综上可知，采用西米作为造孔剂，通过调整西米的形状和粒径，可以制备得到孔径适宜，孔隙率高、性能优异的泡沫金属，可广泛应用于吸能减震、生物、过滤分离等领域。

Claims (10)

1.西米作为造孔剂在制备泡沫金属中的新用途。
2.泡沫金属造孔剂，其特征在于：组成成分为粒径0.2～4mm的球形西米。
3.权利要求2所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、按体积比1～4︰6～9称取金属粉末和西米，再加入粘接剂混匀；
b、将步骤a混匀后的物料压实成坯，脱模干燥；
c、在惰性气体保护下，将步骤b中干燥的坯料进行预烧结，烧结炉内升温至480～830℃，保温2～3h，随后再升温至900～1200℃进行烧结，保温1～3h，随炉冷却到室温，得到泡沫金属。
4.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤a中所述金属粉末为钛粉、不锈钢粉或铜粉中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤a中所述的金属粉末粒径为100～300目。
6.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤a中所述的粘结剂为无水乙醇。
7.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤a中所述粘结剂的加入量为钛粉和西米总量的2～5wt％。
8.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤b中所述的压实成坯时压力为100～200Mpa，保压时间为3～5min。
9.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤b中所述干燥的条件为：干燥温度100～120℃，干燥时间1～2h。
10.根据权利要求3所述的造孔剂制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤c中所述升温的速率为4～10℃/min。
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