CN109789489B - 用于制造金属合金泡沫的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于制造金属合金泡沫的方法。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合金泡沫的用于制造金属合金泡沫的方法，以及具有上述特征的金属合金泡沫。此外，本申请可以提供能够在快的过程时间内形成在呈薄膜或片的形式的同时确保上述物理特性的金属合金泡沫的方法，以及这样的金属合金泡沫。

Description

用于制造金属合金泡沫的方法

技术领域

本申请要求基于在2016年10月14日提交的韩国专利申请第10-2016-0133353号的优先权的权益，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合金泡沫的方法和金属合金泡沫。

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且有用的特性而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。此外，金属合金泡沫不仅具有高的比表面积，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用基底、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而被有效地使用。

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形成的孔并且具有优异的机械强度和期望的孔隙率的金属合金泡沫的方法。

技术方案

在本申请中，术语金属合金泡沫或金属骨架意指包含两种或更多种金属作为主要组分的多孔结构。这里，金属作为主要组分意指基于金属合金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的上限没有特别限制，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％、为约99％或更小、或者为约98％或更小。这里，孔隙率可以通过计算金属合金泡沫等的密度以已知的方式来计算。

本申请的用于制造金属合金泡沫的方法可以包括烧结包含含有至少两种金属的金属组分的生坯结构的步骤。在本申请中，术语生坯结构意指在进行以形成金属合金泡沫的过程(例如，烧结过程)之前的结构，即，在形成金属合金泡沫之前的结构。此外，即使生坯结构被称为多孔生坯结构，所述结构本身也不一定是多孔的，如果其可以最终形成金属合金泡沫(其为多孔金属结构)，则为了方便起见可以将其称为多孔生坯结构。

在本申请中，生坯结构可以通过包含含有第一金属和不同于第一金属的第二金属的金属组分形成。

在一个实例中，具有适当的相对磁导率和电导率的金属可以应用于第一金属。根据本申请的一个实例，应用这样的金属的可以确保当应用下述感应加热方法进行烧结时，根据相关方法的烧结顺利地进行。

例如，作为第一金属，可以使用相对磁导率为90或更大的金属。这里，相对磁导率(μ_r)是相关材料的磁导率(μ)与真空中的磁导率(μ₀)之比(μ/μ₀)。本申请中使用的第一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。相对磁导率的上限没有特别限制，因为该值越高，当施加如下所述的用于感应加热的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。

第一金属可以为导电金属。在本申请中，术语导电金属可以意指在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，并且例如，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，具有上述相对磁导率和电导率的第一金属也可以简称为导电磁性金属。

通过应用具有上述相对磁导率和电导率的第一金属，当进行下述的感应加热过程时，可以更有效地进行烧结。这样的第一金属可以例举镍、铁或钴等，但不限于此。

金属组分可以包含不同于第一金属的第二金属以及第一金属，由此可以最终形成金属合金泡沫。作为第二金属，也可以使用相对磁导率和/或电导率在与上述第一金属相同的范围内的金属，也可以使用相对磁导率和/或电导率在所述范围之外的金属。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，只要其不同于第一金属即可，并且例如，可以应用以下的不同于第一金属的一种或更多种金属：铜、磷、钼、锌、锰、铬、铟、锡、银、铂、金、铝或镁等，但不限于此。

金属组分中第一金属与第二金属的比率没有特别限制。例如，可以调节第一金属的比率使得在应用下述感应加热方法时第一金属可以产生适当的焦耳热。例如，基于全部金属组分的重量，金属组分可以包含30重量％或更多的第一金属。在另一个实例中，金属组分中第一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、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。第一金属的比率的上限没有特别限制，并且可以为例如小于100重量％、或者为95重量％或更小。然而，上述比率是示例性比率。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呈粉末形式。例如，金属组分中的金属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合金泡沫的形状(例如，金属合金泡沫的厚度或孔隙率等)从适当的范围中选择，其没有特别限制。

生坯结构可以使用包含分散剂和粘合剂以及含有第一金属和第二金属的金属组分的浆料形成。

用作分散剂的组分没有特别限制，并且例如，可以应用醇。作为醇，可以使用具有1至20个碳原子的一元醇，例如甲醇、乙醇、丙醇、戊醇、辛醇、乙二醇、丙二醇、戊醇、2-甲氧基乙醇、2-乙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、甘油、酯醇(texanol)或松油醇；或者具有1至20个碳原子的二元醇，例如乙二醇、丙二醇、己二醇、辛二醇或戊二醇；或者多元醇等，但种类不限于上述。

浆料中的分散剂的比率没有特别限制，其可以考虑可分散性等来选择，并且例如，相对于100重量份的金属组分，分散剂可以以约10重量份至500重量份的比率存在于浆料中，但不限于此。在另一个实例中，所述比率可以为约15重量份或更大、约20重量份或更大、或者约25重量份或更大。此外，所述比率可以为例如约450重量份或更小、约400重量份或更小、约350重量份或更小、约300重量份或更小、约250重量份或更小、约200重量份或更小、约150重量份或更小、约100重量份或更小、或者约50重量份或更小。

根据需要，浆料还可以包含粘合剂。粘合剂的种类没有特别限制，并且可以根据在生产浆料时应用的金属组分、分散剂或溶剂等的种类适当地选择。例如，粘合剂可以例举具有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；或者基于聚乙烯醇的粘合剂，例如聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯；等等，但不限于此。

相对于100重量份的金属组分，粘合剂可以以约5重量份至200重量份的比率存在于浆料中，但不限于此。即，所述比率可以考虑浆料的期望粘度、粘合剂的保持效率等来控制。在另一个实例中，所述比率可以为约10重量份或更大、约20重量份或更大、约30重量份或更大、约40重量份或更大、约50重量份或更大、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。所述比率可以为例如约190重量份或更小、约180重量份或更小、约170重量份或更小、约160重量份或更小、约150重量份或更小、约140重量份或更小、约130重量份或更小、120重量份或更小、或者约110重量份或更小。

相对于100重量份的分散剂，粘合剂可以以约3重量份至500重量份的比率存在于浆料中，但不限于此。即，所述比率可以考虑期望分散程度、浆料的粘度、粘合剂的保持效率等来控制。在另一个实例中，所述比率为约10重量份或更大、约20重量份或更大、约30重量份或更大、约40重量份或更大、约50重量份或更大、约60重量份或更大、约70重量份或更大、约80重量份或更大、约90重量份或更大、约100重量份或更大、约150重量份或更大、约200重量份或更大、或者约250重量份或更大。所述比率可以为例如约450重量份或更小、约400重量份或更小、约350重量份或更小、约300重量份或更小、约250重量份或更小、约200重量份或更小、约150重量份或更小、约100重量份或更小、或者约50重量份或更小。

根据需要，浆料还可以包含溶剂。作为溶剂，可以考虑浆料组分(例如，金属组分或聚合物粉末等)的溶解性使用适当的溶剂。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。这样的溶剂可以例举水、具有1至8个碳原子的醇(例如，乙醇、丁醇或甲醇)、DMSO(二甲亚砜)、DMF(二甲基甲酰胺)或NMP(N-甲基吡咯烷酮)等，但不限于此。

相对于100重量份的金属组分，溶剂可以以约1重量份至100重量份的比率存在于浆料中，但不限于此。

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。

使用上述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，可以应用所有的这些方法。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，因为其根据期望的金属合金泡沫来确定。在一个实例中，生坯结构可以呈膜或片的形式。例如，当结构呈膜或片的形式时，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。金属合金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：它们难以以膜或片，特别是薄膜或片的形式来制造，并且即使制成它们也容易破碎。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合金泡沫。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、20μm或更大、或者约30μm或更大。

金属合金泡沫可以通过烧结以上述方式形成的生坯结构来制造。在这种情况下，进行用于生产金属合金泡沫的烧结的方法没有特别限制，并且可以应用已知的烧结方法。即，烧结可以通过以适当的方式向生坯结构施加适当量的热的方法来进行。

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。即，如上所述，金属组分包含具有预定磁导率和电导率的第一金属，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到期望水平以及包含均匀形成的孔的金属合金泡沫。

这里，感应加热是当施加电磁场时由特定的金属产生热的现象。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，并且由于金属的电阻而发生焦耳加热。在本申请中，可以进行通过这样的现象的烧结过程。在本申请中，金属合金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，并且同时，可以生产具有优异的机械强度以及呈具有高孔隙率的薄膜形式的金属合金泡沫。

因此，烧结过程可以包括向生坯结构施加电磁场的步骤。通过施加电磁场，在金属组分的第一金属中通过感应加热现象产生焦耳热，从而可以烧结所述结构。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第一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进行。此外，感应加热可以例如通过施加大概100A至1000A的电流来进行。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的频率进行。在另一个实例中，频率可以为900kHz或更小、800kHz或更小、700kHz或更小、600kHz或更小、500kHz或更小、或者450kHz或更小。在另一个实例中，频率可以为约150kHz或更大、约200kHz或更大、或者约250kHz或更大。

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，或者根据需要，也可以通过施加适当的热连同感应加热(即，施加电磁场)来进行。

本申请还涉及金属合金泡沫。金属合金泡沫可以是通过上述方法制造的金属合金泡沫。这样的金属合金泡沫可以包含例如至少上述第一金属。基于重量，金属合金泡沫可以包含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％或更多的第一金属。在另一个实例中，金属合金泡沫中的第一金属的比率可以为约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。第一金属的比率的上限没有特别限制，并且可以为例如小于约100重量％、或者为95重量％或更小。

金属合金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。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。

金属合金泡沫也可以以薄膜或片的形式存在。在一个实例中，金属合金泡沫可以呈膜或片的形式。这样的膜或片形式的金属合金泡沫的厚度可以为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。例如，膜或片状金属合金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。

金属合金泡沫可以具有优异的机械强度，并且例如，拉伸强度可以为2.5MPa或更大、3MPa或更大、3.5MPa或更大、4MPa或更大、4.5MPa或更大、或者5MPa或更大。此外，拉伸强度可以为约10MPa或更大、约9MPa或更大、约8MPa或更大、约7MPa或更大、或者约6MPa或更小。这样的拉伸强度可以例如通过KS B 5521在室温下进行测量。

这样的金属合金泡沫可以用于需要多孔金属结构的各种应用。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水平的孔隙率的薄膜或片状金属合金泡沫，从而与常规的金属合金泡沫相比扩大了金属合金泡沫的应用。

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合金泡沫的用于制造金属合金泡沫的方法，以及具有上述特征的金属合金泡沫。此外，本申请可以提供能够形成在呈薄膜或片的形式的同时确保上述物理特性的金属合金泡沫的方法，以及这样的金属合金泡沫。

附图说明

图1为实施例中形成的金属合金的XRD分析结果。

具体实施方式

在下文中，将通过实施例和比较例的方式详细描述本申请，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(Ni)作为第一金属并使用铜(Cu)作为第二金属，并且使第一金属与第二金属以约99:1的重量比(Ni:Cu)混合以形成金属组分。这里，作为第一金属的镍的平均粒径为约10μm左右，铜的平均粒径为约5μm左右。使金属组分、作为分散剂的酯醇和作为粘合剂的乙基纤维素以50:15:50的重量比(金属组分:分散剂:粘合剂)混合以制备浆料。将浆料以膜的形式涂覆在石英板上以形成生坯结构。随后，使生坯结构在约120℃的温度下干燥约60分钟。在用氢气/氩气吹扫以形成还原性气氛的同时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，并经受超声清洁以生产膜形式的厚度为约39μm的镍铜合金片。所生产的镍铜片的孔隙率为约80.3％且拉伸强度为约4.3MPa。图1为实施例中生产的合金的XRD数据。从图中可以看出，XRD的峰从单独Ni的峰移动到Ni和Cu的合金峰(以图1中箭头的方向移动)，由此可以看出形成了合金。

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38μm的镍铜合金片，不同之处在于将金属组分中的第一金属与第二金属的重量比(Ni:Cu)变为97:3。所生产的镍铜合金片的孔隙率为约79.9％且拉伸强度为约5.4MPa。

实施例3

以与实施例1中相同的方式生产膜形式的厚度为约40μm的镍铜合金片，不同之处在于将金属组分中的第一金属与第二金属的重量比(Ni:Cu)变为95:5。所生产的镍铜合金片的孔隙率为约80.5％且拉伸强度为约5.3MPa。

实施例4

以与实施例1中相同的方式生产膜形式的厚度为约45μm的镍铜合金片，不同之处在于将金属组分中的第一金属与第二金属的重量比(Ni:Cu)变为9:1。所生产的镍铜合金片的孔隙率为约79.5％且拉伸强度为约5.4MPa。

实施例5

以与实施例1中相同的方式生产膜形式的厚度为约38μm的镍铜合金片，不同之处在于将金属组分中的第一金属与第二金属的重量比(Ni:Cu)变为8:2。所生产的镍铜合金片的孔隙率为约79.1％且拉伸强度为约5.4MPa。

实施例6

以与实施例1中相同的方式生产膜形式的厚度为约38μm的镍铜合金片，不同之处在于将金属组分中的第一金属与第二金属的重量比(Ni:Cu)变为1:1。所生产的镍铜合金片的孔隙率为约79.5％且拉伸强度为约5.2MPa。

参照例

以与实施例1中相同的方式生产膜形式的厚度为约44μm的镍铜合金片，不同之处在于仅应用作为金属组分中的第一金属的镍。所生产的镍片的孔隙率为约81.5％且拉伸强度为约4.2MPa。

Claims (15)

1.一种用于制造金属合金泡沫的方法，包括烧结包含金属组分的生坯结构的步骤，所述金属组分包含第一金属和不同于所述第一金属的第二金属，所述第一金属的相对磁导率为90或更大且电导率为8MS/m或更大，

其中所述生坯结构是仅使用包含所述金属组分、分散剂和粘合剂的浆料形成的，所述金属组分含有所述第一金属和所述第二金属，

其中烧结所述生坯结构是通过向所述结构施加电磁场来进行的。

2.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述第一金属为镍、铁或钴。

3.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述第二金属为选自以下的一者或更多者：铜、锌、锰、铬、铟、锡、钼、银、铂、金、铝和镁。

4.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中基于重量，所述金属组分包含30重量％或更多的所述第一金属。

5.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述金属组分的平均粒径在0.1μm至200μm的范围内。

6.根据权利要求5所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述分散剂为醇。

7.根据权利要求5所述的用于制造金属合金泡沫的方法，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。

8.根据权利要求5所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述浆料包含相对于100重量份的所述金属组分的10重量份至500重量份的所述分散剂。

9.根据权利要求5所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述浆料包含相对于100重量份的所述金属组分的5重量份至200重量份的所述粘合剂。

10.根据权利要求5所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述浆料包含相对于100重量份的所述分散剂的3重量份至500重量份的所述粘合剂。

11.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述电磁场是通过施加在100A至1000A范围内的电流来形成的。

12.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中所述电磁场是通过以在100kHz至1000kHz范围内的频率施加电流来形成的。

13.根据权利要求1所述的用于制造金属合金泡沫的方法，其中施加所述电磁场持续在1分钟至10小时的范围内的时间。

14.一种金属合金泡沫，包含第一金属和不同于所述第一金属的第二金属的合金，所述第一金属的相对磁导率为90或更大且电导率为8MS/m或更大，并且所述金属合金泡沫的孔隙率在40％至99％的范围内且拉伸强度为2.5MPa或更大，其中所述金属合金泡沫呈厚度为1500μm或更小的膜或片的形式。

15.根据权利要求14所述的金属合金泡沫，其中所述金属合金泡沫呈厚度为1000μm或更小的膜或片的形式。

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