CN109694965B - 一种铜基表面多孔结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜基表面多孔结构及其制造方法。该铜基表面多孔结构特征是：表面为具有孔隙尺寸为微米的多孔结构，并与铜基体实现冶金结合。铜基表面多孔结构兼具功能和结构双重属性，具有比表面积大、热导率高、导电性好的特点，铜基有利于导热或导电，可广泛应用于热交换、催化还原、检测传感等领域。该铜基表面多孔结构的制造方法是：首先采用激光合金化技术，以锰粉为原材料，在铜板上制备铜锰合金层，然后利用化学脱合金的方法脱去合金层中的锰元素，获得表面多孔结构。

Description

一种铜基表面多孔结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及铜基表面多孔结构及其制造，属于先进制造技术领域。
背景技术
金属多孔表面兼具功能和结构双重属性，具有比表面积大、热导率高、导电性好的特点，可广泛应用于热交换、催化、检测传感等领域。目前，金属多孔表面的制造方法主要包括火焰喷涂法、电镀法、机械加工法、烧结法、铸造法、沉积法等方法，制备的多孔表面的厚度及孔隙尺寸大、孔分布的均匀性及一致性差。
脱合金即选择性腐蚀,是指通过化学腐蚀或电化学腐蚀将合金中的一种或多种组元选择性地去除的一种方法；组元既可以是单相固溶体合金中的某一种元素,也可以是多相合金中的某一相。在固体—电解液界面处，合金发生相分离。合金中较为活泼的金属原子优先溶解进入溶液中，而惰性金属原子聚集成二维簇。随着腐蚀的持续进行，被腐蚀区域不断向合金内部扩展，形成孔洞，最终获得三维连通的多孔结构。通过脱合金法较为容易制备出微纳尺寸的多孔结构，并可以获得均匀一致的孔分布。金-银、铂-钴等合金体系经过脱合金后已得到多孔金、多孔铂等多孔结构。脱合金制备多孔铜的前驱体合金有锰-铜单相体系[Advanced Functional Materials,2009,19(8):1221-1226.]，以及相对复杂的单相金属间化合物或者多相结构，如铝-铜[Materials Science and Engineering:B,2012,177(7):532-535.]等。但是，目前采用感应熔炼、电弧熔炼等方法制备用于脱合金的前驱体合金，经脱合金后获得的多孔结构不具有金属基底。
发明内容
为了解决传统方法制备出的金属表面多孔结构的孔隙尺寸大、孔分布均匀性及一致性差等问题，本发明提出了一种铜基表面多孔结构及其制造方法。
本发明的技术方案如下。
本发明一方面提供了一种铜基表面多孔材料，包括铜基体和具有多孔结构的表面，其中，所述铜基体与所述具有多孔结构的表面的材料均为金属铜，所述铜基体与所述表面冶金结合，所述表面的多孔结构的孔隙尺寸为微米级。
优选地，所述表面的多孔结构为三维互连通孔结构。
优选地，所述表面的多孔结构具有基本均匀的孔径。
优选地，所述铜基体与所述具有多孔结构的表面的材料均为金属铜。
本发明另一方面提供了一种铜基表面多孔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，在铜基板表面形成铜锰合金层，制备用于脱合金的前驱体合金；
步骤S2，脱去所述铜锰合金层中的锰元素，形成表面多孔结构，获得所述铜基表面多孔材料。
优选地，所述步骤S1以锰粉为原材料，在所述铜基板表面预置锰粉涂层，采用激光合金化技术在铜板表面形成铜锰合金层。
优选地，所述步骤S1采用的激光合金化技术的激光功率为200W～500W，激光扫描速度为50mm/s～3000mm/s。
优选地，所述铜锰合金层的锰元素含量为20at.％～90at.％。
优选地，所述步骤S2采用化学脱合金的方法脱去所述铜锰合金层中的锰元素。
优选地，所述步骤S2采用的化学脱合金所用的腐蚀剂为盐酸、柠檬酸、硫酸+硫酸锰、硫酸铵+硫酸锰、水杨酸、磷酸的任意一种。
优选地，所述步骤S2采用的化学脱合金所用的腐蚀剂的浓度为0.001mol/L～2mol/L，腐蚀时间为1～24h，温度为0～90℃。
通过以上技术方案，本发明能够获得如下优点。
1)采用激光合金化技术制备合金层，可以调控铜锰元素比例，同时实现合金层与铜基体的冶金结合。
2)采用脱合金技术获得铜基表面三维互连通孔结构，孔径均匀。
附图说明
图1是本发明的某一实施例的铜锰合金层截面SEM图；
图2是图1实施例激光合金化制备的铜锰合金层截面EDS元素分布图；
图3是图1实施例的铜基多孔结构的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明不限于以下实施例。
为了解决传统方法制备出的金属表面多孔结构的孔隙尺寸大、孔分布均匀性及一致性差等问题，本发明提出了一种铜基表面多孔结构及其制造方法。
激光合金化通过在基体表面添加合金化材料，并利用高能密度的激光束使之和基体表面同时熔化并快速凝固，从而在基体表面形成与其冶金结合的表面涂层。通过激光合金化，可以制备出与铜基体冶金结合的铜锰合金层。在此基础上结合脱合金技术，选择性去除铜锰合金层中的锰元素，实现与铜基体冶金结合的均匀的微米多孔结构。
本发明的第一实施例提供了一种铜基表面多孔材料，包括铜基体和具有多孔结构的表面，其中，所述铜基体与所述具有多孔结构的表面的材料均为金属铜，所述铜基体与所述表面冶金结合，所述表面的多孔结构的孔隙尺寸为微米级。
在一优选的实施方式中，所述表面的多孔结构为三维互连通孔结构。
在一优选的实施方式中，所述表面的多孔结构具有基本均匀的孔径。
本发明第二实施例提供了一种铜基表面多孔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，在铜基板表面形成铜锰合金层，制备用于脱合金的前驱体合金；
步骤S2，脱去所述铜锰合金层中的锰元素，形成表面多孔结构，获得所述铜基表面多孔材料。
在一优选的实施方式中，所述步骤S1以锰粉为原材料，在所述铜基板表面预置锰粉涂层，采用激光合金化技术在铜板表面形成铜锰合金层。
在一优选的实施方式中，所述步骤S1采用的激光合金化技术的激光功率为200W～500W，激光扫描速度为50mm/s～3000mm/s。
在一优选的实施方式中，所述铜锰合金层的锰元素含量为20at.％～90at.％。本领域技术人员能够理解，调控铜锰元素比例应当保证获得空隙尺寸为微米级、孔分布均匀一致的多孔结构，同时实现合金层与铜基体的冶金结合。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2采用化学脱合金的方法脱去所述铜锰合金层中的锰元素。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2采用的化学脱合金所用的腐蚀剂为盐酸、柠檬酸、硫酸+硫酸锰、硫酸铵+硫酸锰、水杨酸、磷酸的任意一种。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2采用的化学脱合金所用的腐蚀剂的浓度为0.001mol/L～2mol/L，腐蚀时间为1～24h，温度为0～90℃。
本发明第三实施例提供了一种铜基表面多孔材料的制备方法，该方法涉及以下原料。
1)锰粉，其粉末目数为-325目；铜基板，其为T2紫铜。
2)腐蚀液：1mol/L的HCl溶液。
本发明第三实施例的铜基表面多孔材料的制备方法包括如下步骤。
步骤一：激光合金化。
在铜基板上预置100μm的锰粉涂层，采用YLS-3000激光器搭配振镜系统对预置锰涂层进行合金化。请参见图1，其所示出的是本实施例的激光合金化制备的铜锰合金层截面SEM图。
在本实施例中，激光合金化采用的激光功率为200W，扫描速度为60mm/s，离焦量为+6mm，这样能够得到铜锰合金层中锰元素的含量为60at.％，从而在调控铜锰元素比例的同时实现合金层与铜基体的冶金结合。请参见图2，其所示出的是本实施例激光合金化制备的铜锰合金层截面EDS元素分布图。
步骤二：化学脱合金。
将激光合金化得到的前驱体浸入到1mol/L的HCl溶液中，然后在室温下腐蚀24h。最后经去离子水、无水乙醇分别多次洗涤，得到多孔铜结构。请参见图3，其所示出的是本实施例的铜基多孔结构的SEM图。
本发明的铜基表面多孔材料表面为具有孔隙尺寸为微米的多孔结构，并与铜基体实现冶金结合。铜基表面多孔结构兼具功能和结构双重属性，具有比表面积大、热导率高、导电性好的特点，铜基有利于导热或导电，可广泛应用于热交换、催化还原、检测传感等领域。
虽然结合示例性实施例已对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应当理解：在不偏离本发明的范围的情况下，可对其作出各种变型并且用等同方式替换其中的技术特征。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，为使具体情形和材料适用于本发明的教导，可对本发明进行多种修改。因此，应意识到，本发明所公开的具体实施例为实施本发明的最佳方式，但本发明不局限于此，本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (3)

1.一种铜基表面多孔结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，在铜基板表面形成铜锰合金层，制备用于脱合金的前驱体合金；
步骤S2，脱去所述铜锰合金层中的锰元素，形成表面多孔结构，获得所述铜基表面多孔结构；
其特征在于，所述步骤S1以锰粉为原材料，在所述铜基板表面预置锰粉涂层，采用激光器搭配振镜系统的激光合金化技术在铜基板表面形成铜锰合金层；所述铜锰合金层的锰元素含量为20at.％～90at.％，以保证获得孔隙尺寸为微米级的多孔结构，同时实现合金层与铜基板的冶金结合；
所述步骤S1采用的激光合金化技术的激光功率为200W～500W，激光扫描速度为50mm/s～3000mm/s；
所述步骤S2采用化学脱合金的方法脱去所述铜锰合金层中的锰元素；所述步骤S2采用的化学脱合金所用的腐蚀剂的浓度为0.001mol/L～2mol/L，腐蚀时间为1～24h，温度为0～90℃。
2.根据权利要求1所述的一种铜基表面多孔结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2采用的化学脱合金所用的腐蚀剂为盐酸、柠檬酸、硫酸+硫酸锰、硫酸铵+硫酸锰、水杨酸、磷酸的任意一种。
3.根据权利要求1-2中任一项的方法制备的铜基表面多孔结构，包括铜基板和具有多孔结构的表面，所述铜基板与所述具有多孔结构的表面的材料均为金属铜，所述铜基板与表面冶金结合，所述表面的多孔结构的孔隙尺寸为微米级；
其特征在于，所述表面的多孔结构为三维互连通孔结构。
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