CN109982795A - 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在非常短的时间内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，以及通过上述方法制造的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够在短时间内形成确保上述物理特性同时呈薄膜或片形式的金属泡沫的方法及这样的金属泡沫。
Description
技术领域
本申请要求基于于2016年11月30日提交的韩国专利申请第10-2016-0162154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的孔隙率的金属泡沫的方法。
技术方案
在本申请中，术语金属泡沫或金属骨架意指包含两种或更多种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金属的比例基于金属泡沫或金属骨架的总重量为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％。
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，并且可以为，例如小于约100％、约99％或更小、或者约98％或更小左右。在此，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烧结包含具有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，即使在生坯结构被称为多孔生坯结构时，该结构本身也不一定是多孔的，并且如果其最终可以形成金属泡沫(其为多孔金属结构)，则为了方便起见可以被称为多孔生坯结构。
在本申请中，生坯结构可以包含聚合物泡沫和形成在聚合物泡沫的表面上的金属组分的层。当将具有这样的形状的生坯结构施加至烧结过程并在通过热使聚合物泡沫分解并除去的同时进行烧结时，可以获得具有期望结构的金属泡沫。
生坯结构可以通过在合适的聚合物泡沫的表面上涂覆金属组分来形成。此时，所应用的聚合物泡沫的种类或形状等没有特别限制，可以根据期望的金属泡沫来选择。例如，作为聚合物泡沫，可以应用在通过下述感应加热进行烧结时通过热可以有效除去的材料的泡沫。此外，聚合物泡沫的形状可以根据期望的金属泡沫的形状来选择，并且物理特性(例如孔隙率)也可以考虑期望的金属泡沫的孔隙率等来选择。可以应用的聚合物泡沫的类型可以为聚氨酯泡沫、丙烯酸类泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚烯烃泡沫(例如聚乙烯泡沫或聚丙烯泡沫)、聚碳酸酯泡沫或聚氯乙烯泡沫，但不限于此。
在一个实例中，聚合物泡沫可以呈膜或片的形式。由此制造的金属泡沫的形状也可以为膜或片。例如，当聚合物泡沫呈膜或片的形式时，厚度可以为2,000μm或更小、1,500μm或更小、1,000μm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。金属泡沫由于其多孔结构特征而通常具有脆性特征，使得存在这样的问题：其难以以膜或片的形式，特别是薄膜或片的形式来制造，并且即使在制成时也容易破碎。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。
在此，聚合物泡沫的厚度的下限没有特别限制。例如，膜或片形式的厚度可以为约5μm或更大、10μm或更大、或者约15μm或更大。
在这样的聚合物泡沫的表面上形成金属组分的层的方法没有特别限制。用于在聚合物的表面上形成金属涂层的各种方法在工业上是已知的，并且可以应用所有这些方法。所述方法可以例示为镀覆法(例如电镀或无电镀)或者喷涂浆料或粉末状态下的金属组分的方法等。
因此，生坯结构可以通过包括以下步骤的方法来形成：将金属组分喷洒在聚合物泡沫上；或者将金属组分镀覆在述聚合物泡沫上。
在一个实例中，作为在聚合物泡沫的表面上形成层的金属组分，可以使用至少包含具有适当的相对磁导率和电导率的金属的金属组分。根据本申请的一个实例，应用这样的金属可以确保当将下述感应加热方法应用作烧结时，根据相关方法的烧结顺利地进行。
例如，作为金属，可以使用相对磁导率为90或更大的金属。在此，相对磁导率(μr)为相关材料的磁导率(μ)与真空中的磁导率(μ0)的比率(μ/μ0)。本申请中使用的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，在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300,000或更小。
金属可以是导电金属。在本申请中，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或更大的金属或其合金。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。
通过应用导电磁性金属，当进行下面描述的感应加热过程时，可以更有效地进行烧结。这样的金属可以例示为镍、铁或钴等，但不限于此。
如果需要，金属组分可以包含与导电磁性金属不同的第二金属以及该导电磁性金属。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，也可以使用具有在与上述导电磁性金属相同的范围内的相对磁导率和/或电导率的金属，并且可以使用具有在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，只要其与所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，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。
金属组分中的导电磁性金属的比率没有特别限制。例如，可以调节该比率使得在应用下述感应加热方法时该比率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％或更多的导电磁性金属。在另一个实例中，金属组分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、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。导电磁性金属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95重量％或更小。然而，上述比率为示例性比率。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条件而改变。
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。作为金属组分中的金属，也可以应用具有不同平均粒径的金属。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，这没有特别限制。
此外，在形成生坯结构时，聚合物泡沫上的金属组分可以通过仅喷涂如上金属组分或者通过将如上金属组分进行电镀或无电镀来形成，并且如果需要的话，可以使用通过将金属组分与合适的粘合剂和/或溶剂混合而制备的浆料来形成。在该过程中应用的溶剂或粘合剂的类型没有特别限制，并且可以考虑金属组分的分散性等来选择合适的类型。
可以烧结如上的生坯结构以制造金属泡沫。在这种情况下，用于制造金属泡沫的烧结可以通过下述感应加热方法来进行。因此，烧结步骤可以包括如下步骤：向生坯结构施加电磁场并通过由对导电金属进行感应加热而产生的热来烧结金属组分。
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。特别地，与常规方法不同，根据该方法，可以在非常短的时间内形成具有优异的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形式的金属泡沫。
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，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，因为其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进行。此外，感应加热可以例如通过施加100A至1,000A左右的电流来进行。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1,000kHz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。
施加用于感应加热的电磁场可以在例如约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。
在一个实例中，感应加热可以考虑烧结过程中聚合物泡沫的除去效率等以至少两个阶段逐步进行。例如，感应加热步骤可以包括第一感应加热步骤和第二感应加热步骤，该第二感应加热步骤在与第一感应加热步骤不同的条件下进行。
在此，第一感应加热条件和第二感应加热条件没有特别限制。
例如，在上述第一感应加热中，可以通过施加100A至500A范围内的电流来形成电磁场。这样的电磁场可以例如通过以约200kHz至500kHz范围内的频率施加电流来形成。第一感应加热可以通过施加电磁场持续约30秒至1小时范围内的时间来进行。
在以这种方式进行第一感应加热之后，可以在与上述不同的条件下进行第二感应加热。在此，第一感应加热条件和第二感应加热条件不同的事实可以意指用于施加电磁场所施加的电流的大小和频率中的至少一者是不同的。
第二感应加热步骤可以例如通过施加100A至1,000A范围内的电流来进行。在这种情况下，电磁场可以通过以100kHz至1,000kHz范围内的频率施加电流来形成。该第二感应加热可以进行例如约1分钟至10小时范围内的时间。
生坯结构的烧结可以仅通过上述感应加热来进行，或者也可以通过施加适当的热连同感应加热来进行，即，根据需要，施加电磁场。
本申请还涉及金属泡沫。金属泡沫可以为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。导电磁性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。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的形式存在。在一个实例中，金属泡沫可以呈膜或片的形式。这样的膜或片形式的金属泡沫的厚度可以为2,000μm或更小、1,500μm或更小、1,000μm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。
金属泡沫可以具有优异的机械强度，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或更小、约9MPa或更小、约8MPa或更小、约7MPa或更小、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。
这样的金属泡沫可以用于需要多孔金属结构的多种应用中。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。
附图说明
图1为实施例中形成的金属泡沫的SEM照片。
有益效果
本申请可以提供能够在非常短的时间内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，以及通过上述方法制造的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够在短时间内形成其中确保上述物理特性，同时呈薄膜或片的形式的金属泡沫的方法，以及这样的金属泡沫。
具体实施方式
在下文中，将通过实施例和比较例详细描述本申请，但是本申请的范围不限于以下实施例。
实施例1
聚合物泡沫为厚度为约5mm的片形式的聚氨酯泡沫。通过已知方法在聚氨酯泡沫的表面上溅射钛以形成厚度为约100nm的薄膜。然后，将表面上溅射有钛的聚氨酯泡沫放入其中溶解有NiSO4、NiCl2或H2BO3等的溶液中，并通过其中铂电极和聚氨酯泡沫分别用作阳极和阴极的电镀法用镍对相关聚氨酯泡沫的表面进行镀覆。在进行镀覆约1小时之后，取出经镀覆的聚氨酯泡沫，然后通过在H2/N2的气氛下进行感应加热来除去聚氨酯泡沫并烧结镍。用于感应加热的电磁场通过以约380kHz的频率施加约350A的电流来形成，并且施加电磁场约3分钟。通过上述步骤，制造了膜形式的厚度为约4.2mm的片。所制造的片的孔隙率为约93％。图1为实施例中制造的金属泡沫的照片。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制造金属泡沫，不同之处在于使用丙烯酸类泡沫作为聚合物泡沫。所制造的膜形式的金属泡沫的厚度为约4.5mm且孔隙率为约95％。
比较例1
将以与实施例1中相同的方式制造的镀覆有镍的聚氨酯泡沫施加至电阻加热烘箱中并烧结。通过这样的过程经约6小时制造了具有与实施例1的那些相似的物理特性的金属泡沫。
Claims (14)
1.一种用于制造金属泡沫的方法，包括以下步骤：向具有聚合物泡沫的生坯结构施加电磁场，其中在所述聚合物泡沫的表面上形成有包含相对磁导率为90或更大的导电金属的金属组分的层；以及通过由对所述导电金属进行感应加热而产生的热来烧结所述金属组分。
2.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述聚合物泡沫为聚氨酯泡沫、丙烯酸类泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚烯烃泡沫、聚碳酸酯泡沫或聚氯乙烯泡沫。
3.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属在20℃下的电导率为8MS/m或更大。
4.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属为镍、铁或钴。
5.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30重量％或更多的所述导电金属。
6.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属的平均粒径在10μm至100μm的范围内。
7.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述生坯结构通过包括以下步骤的方法形成：将所述金属组分喷洒在所述聚合物泡沫上；或者将所述金属组分镀覆在所述聚合物泡沫上。
8.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中感应加热步骤包括第一感应加热步骤和第二感应加热步骤，所述第二感应加热步骤在与所述第一感应加热步骤不同的条件下进行。
9.根据权利要求8所述的用于制造金属泡沫的方法，其中在所述第一感应加热步骤中，通过施加在100A至500A范围内的电流来形成所述电磁场。
10.根据权利要求8所述的用于制造金属泡沫的方法，其中在所述第一感应加热步骤中，通过以在200kHz至500kHz范围内的频率施加电流来形成电磁场。
11.根据权利要求8所述的用于制造金属泡沫的方法，其中在所述第一感应加热步骤中，施加所述电磁场持续在30秒至1小时范围内的时间。
12.根据权利要求8所述的用于制造金属泡沫的方法，其中在所述第二感应加热步骤中，通过施加在100A至1,000A范围内的电流来形成所述电磁场。
13.根据权利要求8所述的用于制造金属泡沫的方法，其中在所述第二感应加热步骤中，通过以在100kHz至1,000kHz范围内的频率施加电流来形成所述电磁场。
14.根据权利要求8所述的用于制造金属泡沫的方法，其中在所述第二感应加热步骤中，施加所述电磁场持续在1分钟至10小时范围内的时间。
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| GR01 | Patent grant | ||
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