CN109789488A - 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且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，以及具有上述特性的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够在快的加工时间内形成确保上述物理特性同时为薄膜或片形式的金属泡沫的方法，以及这样的金属泡沫。
Description
技术领域
本申请要求基于2016年10月14日提交的韩国专利申请第10-2016-0133352号的优先权权益，其公开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和金属泡沫。
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多种有用特性而可以应用于多种领域，包括轻质结构、运输机械、建筑材料或能量吸收装置等。此外，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，并因此还可以通过应用于热交换器的基材、催化剂、传感器、致动器、二次电池、气体扩散层(GDL)或微流体流动控制器等中而被有用地使用。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供能够制造包含均匀形成的孔并且具有优异的机械强度和期望水平的孔隙率的薄膜形式的金属泡沫的方法。
技术方案
在本申请中，术语金属泡沫或金属骨架意指包含金属作为主要组分的多孔结构。在此，金属作为主要组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。作为主要组分被包含的金属的比例上限没有特别限制，并且可以为例如100重量％。
在本申请中，术语多孔特性可以意指孔隙率为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。在此，孔隙率可以以已知的方式通过计算金属泡沫的密度等来计算。
在本申请中，主要内容之一是在制造金属泡沫的过程中，通过对具有适当电导率和磁导率的金属进行感应加热来执行烧结。通过这种方法，可以制造在包含均匀形成的孔的同时具有优异的机械特性和控制成期望水平的孔隙率的金属泡沫。在本申请中，可以甚至以薄膜或片的形式形成具有这种物理特性的金属泡沫。
在此，感应加热是当施加电磁场时由特定金属产生热的现象。例如，如果向具有适当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，并且由于金属的电阻而发生焦耳加热。在本申请中，可以执行通过这种现象进行的烧结过程。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执行，从而确保可加工性，同时，可以生产具有优异的机械强度以及为薄膜形式的具有高孔隙率的金属泡沫。
因此，本申请的用于制造金属泡沫的方法可以包括向包含至少含有可应用感应加热方法的金属的金属组分的生坯结构施加电磁场的步骤。通过施加电磁场而在金属中产生热以将该结构加热，从而可以使其烧结。在本申请中，术语生坯结构意指在执行用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，即使当生坯结构被称为多孔生坯结构时，该结构本身也未必是多孔的，并且如果它最终可以形成作为多孔金属结构的金属泡沫，则为了方便起见可以将其称为多孔生坯结构。
在本申请中，生坯结构可以使用包含金属组分、溶剂和聚合物粉末的浆料来形成。
以上中使用的金属组分可以至少包含可应用感应加热方法的金属或金属的合金。例如，金属组分可以包含相对磁导率为90或更大的金属或金属的合金。在此，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)。本申请中使用的金属或金属的合金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。相对磁导率的上限没有特别限制，因为该值越高，在施加电磁场时产生的热越高。在一个实例中，相对磁导率的上限可以为例如约300000或更小。
金属或金属的合金也可以是导电金属或其合金。在本申请中，术语导电金属或金属的合金可以意指在20℃下的电导率为约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，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可以简称为导电磁性金属。
通过应用具有如上所述的相对磁导率和电导率的金属或合金，可以更有效地执行通过感应加热进行的烧结。这样的金属可以例示为镍、铁或钴等，并且合金可以例示为铁素体或不锈钢等，但不限于此。
金属组分可以仅包含具有如上所述的相对磁导率和导电率的金属或其合金，或者还可以连同该金属或其合金一起进一步包含另外的金属组分。当包含另外的金属组分时，比率没有特别限制，例如，其可以被调节成使得由在施加电磁场时产生的感应加热引起的热可以为足以使多孔生坯结构烧结的程度。例如，基于重量，金属组分可以包含50重量％或更大的具有所述电导率和磁导率的金属或其合金。在另一个实例中，金属组分中具有所述电导率和磁导率的金属或其合金的比率可以为约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、或者90重量％或更大。金属或其合金的比率的上限没有特别限制，并且可以为例如约100重量％或更小、或者95重量％或更小。然而，上述比率是示例性比率。由于通过由施加电磁场引起的感应加热而产生的热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。
形成生坯结构的金属组分可以为粉末形式。例如，金属组分中的金属或其合金的平均粒径可以在约0.1μm至约200μm的范围内。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。作为第一金属和第二金属，也可以应用具有不同平均粒径的那些。平均粒径可以考虑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，其没有特别限制。
形成生坯结构的浆料可以连同金属组分一起包含溶剂。作为溶剂，可以考虑浆料组分(例如金属组分或聚合物粉末)的溶解度等使用适当的溶剂。例如，作为溶剂，可以使用介电常数在约10至120范围内的那些。在另一个实例中，介电常数可以为约20或更大、约30或更大、约40或更大、约50或更大、约60或更大、或者约70或更大，或者可以为约110或更小、约100或更小、或者约90或更小。这样的溶剂可以例示为水；具有1至8个碳原子的醇，如乙醇、丁醇或甲醇；DMSO(二甲基亚砜)；DMF(二甲基甲酰胺)或NMP(N-甲基吡咯烷酮)等，但是不限于此。
相对于100重量份的金属组分，这样的溶剂可以以约50重量份至300重量份的比率存在于浆料中，但是不限于此。在另一个实例中，该比率可以为约60重量份或更大、约70重量份或更大、约80重量份或更大、或者约90重量份或更大。在另一个实例中，该比率可以为约290重量份或更小、280重量份或更小、270重量份或更小、260重量份或更小、250重量份或更小、240重量份或更小、230重量份或更小、220重量份或更小、210重量份或更小、200重量份或更小、190重量份或更小、180重量份或更小、170重量份或更小、160重量份或更小、150重量份或更小、140重量份或更小、130重量份或更小、120重量份或更小、110重量份或更小、或者约100重量份或更小。
浆料还可以包含聚合物粉末。这样的聚合物粉末可以为间隔保持物(spacerholder)，即用于形成最终形成的金属泡沫中的孔的组分。作为这样的聚合物粉末，使用在溶剂中具有低溶解度的组分。在一个实例中，作为聚合物粉末，可以使用在室温下在溶剂中的溶解度为5mg/mL或更小的聚合物粉末。在另一个实例中，溶解度可以为约4.5mg/mL或更小、约4mg/mL或更小、约3.5mg/mL或更小、约3mg/mL或更小、约2.5mg/mL或更小、约2mg/mL或更小、约1.5mg/mL或更小、或者约1mg/mL或更小。溶解度的下限可以为例如0mg/mL或约0.5mg/mL。该聚合物粉末的种类没有特别限制，并且可以根据在制备浆料时所应用的溶剂的种类等考虑相关粉末的溶解度来选择。例如，聚合物粉末可以例示为如下的粉末：烷基纤维素，例如甲基纤维素或乙基纤维素；聚碳酸亚烷基酯，例如聚碳酸亚丙酯或聚碳酸亚乙酯；或者基于聚乙烯醇的聚合物，例如聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯等，但不限于此。
在本申请中，术语室温是在没有加热或冷却情况下的自然温度，并且例如可以大概为在约15℃至30℃、或约20℃或约25℃范围内的温度。
相对于100重量份的金属组分，聚合物粉末可以以约10重量份至100重量份的比率存在于浆料中，但不限于此。也就是说，可以考虑期望的孔隙率等来调节该比率。另外，可以考虑期望的孔的尺寸等来控制聚合物粉末的平均粒径。例如，该比率可以为约15重量份或更大、约20重量份或更大、约25重量份或更大、或者约30重量份或更大。此外，在另一个实例中，该比率可以为约90重量份或更小、约80重量份或更小、约70重量份或更小、约60重量份或更小、约50重量份或更小、或者约40重量份或更小。
如有必要，浆料还可以包含粘合剂。与作为间隔保持物的聚合物粉末不同，充分溶解在溶剂中的那些可以用作粘合剂。粘合剂用于维持以便在涂覆聚合物浆料或形成聚合物浆料的膜时使金属颗粒和聚合物颗粒不分散。在一个实例中，作为粘合剂，可以使用在室温下在溶剂中的溶解度为100mg/mL或更大的聚合物粘合剂。在另一个实例中，溶解度可以为110mg/mL或更大、120mg/mL或更大、130mg/mL或更大、140mg/mL或更大、150mg/mL或更大、160mg/mL或更大、或者170mg/mL或更大。在另一个实例中，溶解度可以为约500mg/mL或更小、约450mg/mL或更小、约400mg/mL或更小、约350mg/mL或更小、约300mg/mL或更小、约250mg/mL或更小、或者约200mg/mL或更小。在此，粘合剂的溶解度可以以与在聚合物粉末的情况下相同的方式来确定。该粘合剂的种类没有特别限制，并且可以根据在生产浆料时所使用的溶剂的类型等考虑相关粘合剂的溶解度等来选择。例如，可以考虑被选择为聚合物粉末的种类和所应用的溶剂的种类，在已经描述的用作聚合物粉末的聚合物中选择合适的种类作为粘合剂。
相对于100重量份的金属组分，粘合剂可以以约1重量份至15重量份的比率存在于浆料中，但不限于此。也就是说，该比率可以考虑期望的浆料粘度、粘合剂的维持效率(maintenance efficiency)等来控制。在另一个实例中，粘合剂的比率可以为2重量份或更大、3重量份或更大、4重量份或更大、5重量份或更大、6重量份或更大、7重量份或更大、8重量份或更大、或者9重量份或更大。
除了上述组分之外，浆料还可以包含另外需要的已知添加剂。
使用如上所述的浆料形成生坯结构的方法没有特别限制。在制造金属泡沫的领域中，已知多种用于形成生坯结构的方法，并且在本申请中，可以应用所有这些方法。例如，生坯结构可以通过使浆料保持在适当的模板中，或者通过以适当的方式涂覆浆料来形成。
这样的生坯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，生坯结构可以为膜或片的形式。例如，当该结构为膜或片的形式时，厚度可以为约5000μm或更小、4000μm或更小、3000μm或更小、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、或者150μm或更小。金属泡沫由于其多孔结构特征而通常具有脆性特性，因此存在这样的问题：其难以制造成膜或片的形式，特别是薄膜或片的形式，并且即使在其被制成时也容易破碎。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和优异的机械特性以及薄的厚度的金属泡沫。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50μm或更大、或者约100μm或更大。
当向上述结构施加电磁场时，通过感应加热现象在导电磁性金属中产生焦耳热，从而可以使该结构烧结。此时，用于施加电磁场的条件没有特别限制，因为它们根据生坯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。此外，感应加热可以例如通过施加大概为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的频率来执行。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小时的范围内执行。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(例如施加的电流、频率和施加时间等)可以考虑导电磁性金属的种类和比率而改变。
生坯结构的烧结可以仅通过上述感应加热来进行，或者如有必要，还可以连同感应加热(即，施加电磁场)一起通过施加适当的热来进行。
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。如上所述，基于重量，金属泡沫中的上述导电磁性金属的比率可以包括30重量％或更大。在另一个实例中，金属泡沫中的导电磁性金属的比率可以为约35重量％或更大、约40重量％或更大、约45重量％或更大、约50重量％或更大、约55重量％或更大、约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、或者90重量％或更大。金属比率的上限没有特别限制，并且可以为例如约100重量％或更小、或者95重量％或更小。
金属泡沫的孔隙率可以在约40％至99％的范围内。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。因此，金属泡沫还可以以薄膜或片的形式存在。在一个实例中，金属泡沫可以为膜或片的形式。这样的膜或片的形式的金属泡沫的厚度可以为约5000μm或更小、2000μm或更小、1500μm或更小、1000μm或更小、900μm或更小、800μm或更小、或者700μm或更小。例如，膜或片状金属泡沫的厚度可以为约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。
这样的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以及期望水平的孔隙率的薄膜或片状金属泡沫，从而与常规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且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，以及具有上述特性的金属泡沫。另外，本申请可以提供能够形成其中确保上述物理特性同时为薄膜或片形式的金属泡沫的方法，以及这样的金属泡沫。此外，可以通过经由电磁场感应加热进行的煅烧确保快的加工时间。
附图说明
图1是实施例中生产的片的照片。
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.
使用在20℃下的电导率为约14.5MS/m且相对磁导率为约600的镍作为金属组分。将平均粒径在约5μm至10μm范围内的镍粉末与作为溶剂的水、以及甲基纤维素和乙基纤维素共混以制备浆料。此处，甲基纤维素在室温下在水中的溶解度为约180mg/mL，乙基纤维素在室温下在水中的溶解度为约1mg/mL。在制备浆料时，将镍粉末、水、甲基纤维素和乙基纤维素的重量比(镍粉末:水:甲基纤维素:乙基纤维素)设定为约2.8:2.7:0.3:1。在石英板上将浆料涂覆成膜的形式以形成生坯结构。随后，将生坯结构在约110℃的温度下干燥约30分钟，然后用线圈型感应加热器向生坯结构施加电磁场。电磁场通过以约380kHz的频率施加约350A的电流来形成，并且施加电磁场约5分钟。在施加电磁场之后，将经烧结的生坯结构放入水中并进行超声清洗以产生膜形式的厚度为约130μm的镍片。所生产的片的照片在图1中示出。所生产的镍片的孔隙率为约82％，拉伸强度为约3.4MPa。
实施例2.
以与实施例1中相同的方式生产膜形式的厚度为约120μm的镍片，不同之处在于使用平均粒径在约30μm至40μm范围内的镍粉末作为金属组分，并且在制备浆料时将镍粉末、水、甲基纤维素和乙基纤维素的重量比(镍粉末:水:甲基纤维素:乙基纤维素)设定为2.8:2.7:0.3:1。所生产的镍片的孔隙率为约81％，拉伸强度为约4.1MPa。
Claims (12)
1.一种用于制造金属泡沫的方法，包括向通过使用浆料形成的生坯结构施加电磁场以使所述生坯结构烧结的步骤，所述浆料包含：包含相对磁导率为90或更大的导电金属或含有所述导电金属的合金的金属组分；溶剂；和在室温下在所述溶剂中的溶解度为5mg/mL的聚合物粉末。
2.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属为选自铁、镍和钴中的任一者。
3.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，所述金属组分包含50重量％或更大的所述导电金属或所述含有所述导电金属的合金。
4.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述金属组分的平均粒径在10μm至100μm的范围内。
5.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述溶剂的介电常数在10至120的范围内。
6.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述溶剂为水、醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或N-烷基吡咯烷酮。
7.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述溶剂以相对于100重量份的所述金属组分的50重量份至300重量份的比率包含在所述浆料中。
8.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述聚合物粉末为烷基纤维素、聚碳酸亚烷基酯或聚乙烯醇化合物。
9.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述聚合物粉末以相对于100重量份的所述金属组分的10重量份至100重量份的比率包含在所述浆料中。
10.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述浆料还包含在室温下在所述溶剂中的溶解度为100mg/mL或更大的粘合剂。
11.根据权利要求10所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述粘合剂为烷基纤维素、聚碳酸亚烷基酯或聚乙烯醇化合物。
12.根据权利要求10所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述粘合剂以相对于100重量份的所述溶剂的1重量份至15重量份的比率包含在所述浆料中。
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