CN109070225A - 用于制造金属泡沫的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了用于制造金属泡沫的方法。本申请可以提供能够形成包含均匀形成的孔并具有优异的机械特性和期望的孔隙率的金属泡沫的用于制造金属泡沫的方法，以及具有上述特征的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够在快速加工时间内形成在呈薄膜或片状形式的同时确保上述物理特性的金属泡沫的方法及这样的金属泡沫。
Description
技术领域
本申请要求基于2016年4月1日提交的韩国专利申请第10-2016-0040362号和2017年3月30日提交的韩国专利申请第10-2017-0040972号的优先权的权益，其公开内容为其全部内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及用于制造金属泡沫的方法。
背景技术
金属泡沫由于具有诸如轻质特性、能量吸收特性、绝热特性、耐火性或环境友好性的各种且有用的特性可以应用于包括轻质结构、运输机械、建筑材料或能量吸收装置等的各种领域。金属泡沫不仅具有高比表面积，而且还可以进一步改善流体(例如，液体和气体)或电子的流动，并因此也可以通过应用于热交换器的基底、催化剂、传感器、致动器、二次电池、气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)或微流体流量控制器等中而被有用地使用。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供能够制造包含均匀的孔并具有优异的机械特性和期望的孔隙率的金属泡沫的方法。
技术方案
在本说明书中，术语金属泡沫或金属骨架意指包含金属作为主要成分的多孔结构。在此，金属作为主要成分意指基于金属泡沫或金属骨架的总重量，金属的比例为55重量％或更大、60重量％或更大、65重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、90重量％或更大、或者95重量％或更大。作为主要组分包含的金属的比例上限没有特别限制，并且可以为，例如约100重量％、99重量％或约98重量％。
在本文中，术语多孔特性可以意指孔隙率为至少30％或更大、40％或更大、50％或更大、60％或更大、70％或更大、75％或更大、或者80％或更大的情况。孔隙率的上限没有特别限制，并且可以大概为，例如小于约100％、约99％或更小、或者约98％或更小。孔隙率可以通过计算金属泡沫的密度等以已知的方式来计算。
本申请的用于制造金属泡沫的方法可以包括对包含金属组分的结构进行烧结的步骤。在本申请中，术语结构意指在进行以形成金属泡沫的过程例如烧结过程之前的结构，即，形成金属泡沫之前的结构。此外，即使该结构被称为多孔结构，该结构本身也不一定是多孔的，并且如果它最终可以形成金属泡沫(这是多孔金属结构)，则为了方便起见可以被称为多孔结构。
在本申请中，该结构可以包含金属组分和有机粘合剂，并且包含金属组分和有机粘合剂的混合物可以被模制形成该结构。
在一个实例中，金属组分可以包含至少一种具有预定的相对磁导率和电导率的金属。根据本申请的一个实例，当下面所述的感应加热方法用作烧结时，根据相关方法的烧结可以通过应用这样的金属顺利地进行。
例如，作为金属，可以使用相对磁导率为90或更大的金属。相对磁导率(μr)是相关材料的磁导率(μ)与真空中的磁导率(μ0)之比(μ/μ0)。金属的相对磁导率可以为95或更大、100或更大、110或更大、120或更大、130或更大、140或更大、150或更大、160或更大、170或更大、180或更大、190或更大、200或更大、210或更大、220或更大、230或更大、240或更大、250或更大、260或更大、270或更大、280或更大、290或更大、300或更大、310或更大、320或更大、330或更大、340或更大、350或更大、360或更大、370或更大、380或更大、390或更大、400或更大、410或更大、420或更大、430或更大、440或更大、450或更大、460或更大、470或更大、480或更大、490或更大、500或更大、510或更大、520或更大、530或更大、540或更大、550或更大、560或更大、570或更大、580或更大、或者590或更大。相对磁导率越高，如下所述在施加用于感应加热的电磁场时产生的热量越高，因此其上限没有特别限制。在一个实例中，相对磁导率的上限可以是例如大约300000或更小。
金属可以是导电金属。术语导电金属可以意指在20℃下电导率为约8MS/m或更大、9MS/m或更大、10MS/m或更大、11MS/m或更大、12MS/m或更大、13MS/m或更大、或者14.5MS/m的金属或其合金。电导率的上限没有特别限制，例如，电导率可以为约30MS/m或更小、25MS/m或更小、或者20MS/m或更小。
在本申请中，具有如上所述的相对磁导率和电导率的金属也可以简称为导电磁性金属。
通过应用所述导电磁性金属，当进行下面所述的感应加热加工时，烧结可以更有效地进行。这样的金属可以例示为镍、铁或钴，但不限于此。
根据需要，金属组分可以同时包含导电磁性金属和不同于该金属的第二金属。在这种情况下，金属泡沫可以由金属合金形成。作为第二金属，也可以使用具有与上述导电磁性金属相同的范围的相对磁导率和/或电导率的金属，以及可以使用具有该范围之外的相对磁导率和/或电导率的金属。此外，第二金属还可以包含一种或两种或更多种金属。第二金属的种类没有特别限制，只要其与待应用的导电磁性金属不同即可，例如，可以应用以下与导电磁性金属不同的一种或更多种金属：铜、磷、钼、锌、锰、铬、铟、锡、银、铂、金、铝或镁等，不限于此。
金属组分或结构中的导电磁性金属的比例没有特别限制。例如，当应用下面所述的感应加热方法时，可以调节该比例以产生适当的焦耳热。例如，基于整个金属组分的重量，金属组分或该结构可以包含量为30重量％或更多的导电磁性金属。在另一个实例中，金属组分或结构中的导电磁性金属的比例可以为约35重量％或更多、约40重量％或更多、约45重量％或更多、约50重量％或更多、约55重量％或更多、60重量％或更多、65重量％或更多、70重量％或更多、75重量％或更多、80重量％或更多、85重量％或更多、或者90重量％或更多。导电磁性金属比例的上限没有特别限制，例如，金属组分或结构中的导电磁性金属的比例可以小于约100重量％、或者95重量％或更小。然而，上述比例是示例性比率。例如，由于通过由施加电磁场引起的感应加热所产生的热量可以根据所施加的电磁场的强度、金属的电导率和电阻等来调节，因此该比率可以根据具体情况而改变。
形成该结构的金属组分可以呈粉末状。例如，金属组分中的金属的平均粒径范围可以为约0.1μm至约200μm。在另一个实例中，平均粒径可以为约0.5μm或更大、约1μm或更大、约2μm或更大、约3μm或更大、约4μm或更大、约5μm或更大、约6μm或更大、约7μm或更大、或者约8μm或更大。在另一个实例中，平均粒径可以为约150μm或更小、100μm或更小、90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、40μm或更小、30μm或更小、或者20μm或更小。也可以应用具有不同平均粒径的金属作为金属组分中的金属。平均粒径可以考虑到期望的金属泡沫的形状(例如金属泡沫的厚度或孔隙率等)从适当的范围中来选择。
该结构可以包含有机粘合剂和金属组分。例如，该结构可以通过模制包含金属组分和有机粘合剂的浆料来制造。
可以应用于本申请的有机粘合剂的种类没有特别限制。有机粘合剂可以例示为，例如，具有1至8个碳原子的烷基的烷基纤维素，例如甲基纤维素或乙基纤维素；具有1至8个碳原子的亚烷基单元的聚碳酸亚烷基酯，例如聚碳酸亚丙酯或聚碳酸亚乙酯；基于聚乙烯醇的粘合剂，例如聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯；或具有1至8个碳原子的亚烷基的聚环氧烷，例如聚环氧乙烷或聚环氧丙烷；等等，但不限于此。
在该结构中，相对于100重量份的金属组分，有机粘合剂可以以例如约10重量份至400重量份的比率包含在内。可以通过将上述比率设定为10重量份或更多确保适当的孔隙率，以及可以通过将该比率设定为400重量份或更少并有效地进行金属组分之间的煅烧稳定地保持泡沫形状。在另一个实例中，粘合剂的比率可以为约20重量份或更多、约30重量份或更多、约40重量份或更多、约50重量份或更多、约60重量份或更多、约70重量份或更多、约80重量份或更多、或者约90重量份或更多，或者可以为约350重量份或更少、约300重量份或更少、约250重量份或更少、约200重量份或更少、或者约150重量份或更少。
除了上述组分之外，结构还可以包含另外需要的已知添加剂。这样的添加剂的实例可以例示为溶剂或粘合剂等，但不限于此。
形成该结构的方式没有特别限制。在制造金属泡沫的领域中，已知各种用于形成结构的方法，并且在本申请中，可以应用所有这些方法。例如，该结构可以通过将包含金属组分和有机粘合剂的浆料装在适当的模板中，或者通过以适当的方式涂覆该混合物来形成。
这样的结构的形状没有特别限制，因为它根据期望的金属泡沫来确定。在一个实例中，该结构可以呈膜或片状。例如，当该结构呈膜或片状时，厚度可以为5000μm或更小、3500μm或更小、2000μm或更小、1000μm或更小、800μm或更小、700μm或更小、或者500μm或更小。金属泡沫由于其多孔结构特征而通常具有脆性特征，因此存在这样的问题：其难以以膜或片，特别是薄膜或片的形式来制造，并且即使在制造它们时也容易破碎。然而，根据本申请的方法，可以形成具有在内部均匀形成的孔、优异的机械特性和薄的厚度的金属泡沫。
在此，该结构厚度的下限没有特别限制。例如，膜或片状结构的厚度可以为约10μm或更大、50μm或更大、或者约100μm或更大。
金属泡沫可以通过烧结以上述方式形成的该结构来制造。在这种情况下，进行用于制造金属泡沫的烧结的方法没有特别限制，可以应用已知的烧结方法。也就是说，烧结可以通过以适当的方式向该结构施加适当量的热量的方法来进行。
在本申请中，作为与现有已知方法不同的方法，烧结可以通过感应加热方法来进行。也就是说，如上所述，金属组分包含具有预定磁导率和电导率的导电磁性金属，因此可以应用感应加热方法。通过这样的方法，可以顺利地制造具有优异的机械特性并且其孔隙率被控制至期望的水平以及包含均匀形成的孔的金属泡沫。
在此，感应加热是当施加电磁场时由特定的金属产生热量的现象。例如，如果向具有适当的电导率和磁导率的金属施加电磁场，则在金属中产生涡电流，并由于金属的电阻而发生焦耳加热。在本申请中，可以进行通过这种现象的烧结过程。在本申请中，金属泡沫的烧结可以通过应用这样的方法在短时间内进行，从而确保可加工性，同时，可以制造具有优异的机械强度以及呈具有高孔隙率的薄膜状的金属泡沫。
烧结过程可以包括向该结构施加电磁场的步骤。通过施加电磁场，通过金属组分的导电磁性金属中的感应加热现象产生焦耳热，从而可以烧结该结构。此时，施加电磁场的条件没有特别限制，因为它们根据该结构中的导电磁性金属的种类和比率等来确定。
例如，感应加热可以使用形成为线圈等形式的感应加热器来执行。
感应加热可以例如通过施加大概100A至1000A的电流来执行。在另一个实例中，所施加的电流的大小可以为900A或更小、800A或更小、700A或更小、600A或更小、500A或更小、或者400A或更小。在另一个实例中，电流的大小可以为约150A或更大、约200A或更大、或者约250A或更大。
感应加热可以例如以约100kHz至1000kHz的频率来进行。在另一实例中，频率可以为900kHz或更低、800kHz或更低、700kHz或更低、600kHz或更低、500kHz或更低、或者450kHz或更低。在另一个实例中，频率可以为约150kHz或更高、约200kHz或更高、或者约250kHz或更高。
用于感应加热的电磁场的施加可以在例如约1分钟至10小时的范围内进行。在另一个实例中，施加时间可以为约9小时或更短、约8小时或更短、约7小时或更短、约6小时或更短、约5小时或更短、约4小时或更短、约3小时或更短、约2小时或更短、约1小时或更短、或者约30分钟或更短。
如上所述，上述感应加热条件(例如施加电流，频率和施加时间等)可以考虑到导电磁性金属的种类和比率而改变。
该结构的烧结可以只通过上述感应加热来进行，或者也可以通过施加适当的热量同时感应加热来进行，即，根据需要，施加电磁场。
金属泡沫可以通过烧结金属组分，同时通过在如上所述的烧结过程中产生的热量除去该结构中的有机粘合剂来形成。
本申请还涉及金属泡沫。金属泡沫可以是通过上述方法制造的金属泡沫。这样的金属泡沫可以包含例如至少上述导电磁性金属。基于重量，金属泡沫可以包含30重量％或更多、35重量％或更多、40重量％或更多、45重量％或更多、或者50重量％或更多的导电磁性金属。在另一个实例中，金属泡沫中的导电磁性金属的比例可以为约55重量％或更多、60重量％或更多、65重量％或更多、70重量％或更多、75重量％或更多、80重量％或更多、85重量％或更多、或者90重量％或更多。导电磁性金属的比例的上限没有特别限制，并且可以为，例如小于约100重量％或95重量％或更小。
金属泡沫的孔隙率范围可以为约40％至99％。如上所述，根据本申请的方法，在包含均匀形成的孔的同时可以控制孔隙率和机械强度。孔隙率可以为50％或更大、60％或更大、70％或更大、75％或更大、或者80％或更大，或者可以为95％或更小、或者90％或更小。
金属泡沫也可以呈薄膜或片状存在。在一个实例中，金属泡沫可以呈膜或片状。这样的膜或片状的金属泡沫的厚度可以为2000μm或更小、1500μm或更小、1000μm或更小、900μm或更小、800μm或更小、700μm或更小、600μm或更小、500μm或更小、400μm或更小、300μm或更小、200μm或更小、150μm或更小、约100μm或更小、约90μm或更小、约80μm或更小、约70μm或更小、约60μm或更小、或者约55μm或更小。膜或片状金属泡沫的厚度可以为约10μm或更大、约20μm或更大、约30μm或更大、约40μm或更大、约50μm或更大、约100μm或更大、约150μm或更大、约200μm或更大、约250μm或更大、约300μm或更大、约350μm或更大、约400μm或更大、约450μm或更大、或者约500μm或更大，但不限于此。
金属泡沫可以用于需要多孔金属结构的各种应用中。特别地，如上所述，根据本申请的方法，可以制造具有优异的机械强度和期望的孔隙率水平的薄膜或片状金属泡沫，从而与常规的金属泡沫相比扩大了金属泡沫的应用。
有益效果
本申请可以提供能够形成包含均匀形成的孔并具有优异的机械特性和期望的孔隙率的金属泡沫的用于制造金属泡沫的方法，以及具有上述特征的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够形成在确保上述物理特性的同时呈薄膜或片状的金属泡沫的方法，以及这样的金属泡沫。
附图说明
图1和2分别是实施例1和2中形成的金属泡沫的SEM照片。
具体实施方式
在下文中，将通过实施例和比较例详细地描述本申请，但是本申请的范围不限于以下实施例。
实施例1
将镍粉(电导率为约14.5MS/m，相对磁导率大概为约600，平均粒径大概为约10μm至20μm)和乙基纤维素以约1:1的重量比添加至二氯甲烷中并使用行星式混合器混合以制备浆料。在石英板上涂覆所制备的混合物至大概为约200μm的厚度以制造结构，并通过用线圈型感应加热器向其施加电磁场对该结构进行烧结以制造金属泡沫。此时，电磁场通过以约380kHz的频率施加约350A的电流形成，并且施加时间大概为约3分钟。所制造的金属泡沫的孔隙率为约65％，并且其SEM照片示于图1中。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫，不同之处在于使用聚碳酸亚乙酯代替乙基纤维素。所制造的金属泡沫的孔隙率为约45％，其SEM照片示于图2中。
实施例3
以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫，不同之处在于应用聚乙烯醇代替乙基纤维素，并应用水代替二氯甲烷。所制造的金属泡沫的孔隙率为约52％。
实施例4
以与实施例1中相同的方式制备金属泡沫，不同之处在于使用聚环氧乙烷代替乙基纤维素。所制造的金属泡沫的孔隙率为约57％。
Claims (14)
1.一种用于制造金属泡沫的方法，包括对包含金属组分和有机粘合剂的结构进行烧结的步骤，所述金属组分包含相对磁导率为90或更大的导电金属。
2.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属在20℃下的电导率为8MS/m或更大。
3.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属为镍、铁或钴。
4.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中基于重量，所述结构包含30重量％或更大的所述导电金属。
5.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属的平均粒径在5μm至100μm的范围。
6.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述有机粘合剂为烷基纤维素、聚碳酸亚烷基酯、聚乙烯醇、聚环氧烷或聚乙酸乙烯酯。
7.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中相对于100重量份的所述金属组分，所述结构包含10重量份至400重量份的所述有机粘合剂。
8.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述结构通过使用包含金属组分和有机粘合剂的浆料来制造。
9.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述结构呈膜或片状。
10.根据权利要求9所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述膜或片的厚度为5000μm或更小。
11.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述结构的烧结通过向所述结构施加电磁场来进行。
12.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述电磁场通过施加100A至1000A范围的电流来形成。
13.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述电磁场通过以100kHz至1000kHz范围的频率施加电流来形成。
14.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中施加所述电磁场1分钟至10小时范围的时间。
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