CN109982797B - 用于制造金属泡沫的方法 - Google Patents

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，以及具有上述特性的金属泡沫。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

用于制造金属泡沫的方法

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10-2016-0162152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，生坯结构可以使用至少包含金属组分、分散剂和粘合剂的浆料来形成。

在一个实例中，金属组分可以至少包含具有适当相对磁导率和电导率的金属。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(μ_r)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：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。

生坯结构可以使用包含分散剂和粘合剂以及含有金属的金属组分的浆料来形成。

如上浆料中的金属组分的比率没有特别限制，可以考虑期望的粘度和过程效率来选择。在一个实例中，浆料中的金属组分的比率可以为约10重量％至70重量％，但不限于此。

在此，作为分散剂，例如可以使用醇。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()、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；等等，但种类不限于以上。

浆料还可以包含粘合剂。粘合剂的种类没有特别限制，并且可以根据制造浆料时应用的金属组分或分散剂等的种类而适当地选择。例如，粘合剂可以例示为：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烃酯，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。

如上的浆料中的各组分的比率没有特别限制。这样的比率可以考虑使用浆料进行加工时的过程效率(例如涂覆性和成型性)来调节。

例如，在浆料中，相对于100重量份的上述金属组分，粘合剂可以以约5重量份至500重量份的比率包含在内。在另一个实例中，该比率可以为约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、约100重量份或更大、约110重量份或更大、约120重量份或更大、约130重量份或更大、约140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，并且可以为约450重量份或更小、约400重量份或更小、或者约350重量份或更小。

此外，在浆料中，相对于100重量份的粘合剂，分散剂可以以约100重量份至2,000重量份的比率，或约500重量份至2,000重量份的比率包含在内。在另一个实例中，该比率可以为约200重量份或更大、约300重量份或更大、约400重量份或更大、约500重量份或更大、约550重量份或更大、约600重量份或更大、或者约650重量份或更大，并且可以为约1,800重量份或更小、约1,600重量份或更小、约1,400重量份或更小、约1,200重量份或更小、或者约1,000重量份或更小。

在本说明书中，除非另有说明，否则单位重量份意指各组分之间的重量比。

如果需要，浆料还可以包含溶剂。作为溶剂，可以考虑浆料组分(例如金属组分或粘合剂等)的溶解性使用合适的溶剂。例如，作为溶剂，可以使用介电常数在约10至120范围内的溶剂。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(例如乙醇、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，但不限于此。

当应用溶剂时，相对于100重量份的粘合剂，其可以以约50重量份至400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。

使用如上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，用于形成生坯结构的各种方法是已知的，并且在本申请中，可以应用所有这些方法。例如，生坯结构可以通过将浆料保持在合适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，当该结构呈膜或片的形式时，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，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。

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5μm或更大、10μm或更大、或者约15μm或更大。

金属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。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1000A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。

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10分钟或更长、约20分钟或更长、或者约30分钟或更长。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。

例如，烧结也可以通过向生坯结构施加外部热源连同施加电磁场来进行或者单独通过向生坯结构施加外部热源来进行。

在这种情况下，热源的温度可以在100℃至1200℃的范围内。

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。

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，以及具有上述特征的金属泡沫。此外，本申请可以提供能够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。

附图说明

图1和2为实施例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℃下电导率为约14.5MS/m、相对磁导率为约600且平均粒径为约10μm至20μm的镍(Ni)作为金属组分。将镍与其中作为分散剂的乙二醇(EG)、作为粘合剂的乙基纤维素(EC)和作为溶剂的二氯甲烷(MC)以7:1:2(EG:EC:MC)的重量比混合的混合物混合，使得粘合剂和镍的重量比(Ni:EC)为约1:3，从而制备浆料。使浆料以膜的形式涂覆以形成生坯结构。随后，使生坯结构在约120℃的温度下干燥约60分钟。然后在用氢气/氩气吹扫以形成还原气氛的同时用线圈型感应加热器向生坯结构施加电磁场。通过以约380kHz的频率施加约350A的电流来形成电磁场，并施加电磁场持续约3分钟。在施加电磁场之后，清洁经烧结的生坯结构以制造膜形式的厚度为约20μm的片。所制造的片的孔隙率为约61％且拉伸强度为约5.5MPa。图1为实施例1中制造的片的SEM照片。

实施例2

以与实施例1中相同的方式制造厚度为约15μm的片，不同之处在于使用己醇代替乙二醇作为分散剂。所制造的片的孔隙率为约52％且拉伸强度为约6.7MPa。

实施例3

以与实施例1中相同的方式制造厚度为约25μm的片，不同之处在于使用1,6-己二醇代替乙二醇作为分散剂。所制造的片的孔隙率为约70％且拉伸强度为约4.5MPa。

实施例4

以与实施例1中相同的方式制造厚度为约30μm的片，不同之处在于使用酯醇代替乙二醇作为分散剂。所制造的片的孔隙率为约75％且拉伸强度为约4.5MPa。

实施例5

以与实施例1中相同的方式制造厚度为约30μm的片，不同之处在于使用酯醇代替乙二醇作为分散剂，不使用溶剂，并且使用通过将镍与其中酯醇和作为粘合剂的乙基纤维素(EC)以约9:1的重量比(酯醇:EC)混合的混合物混合使得粘合剂和镍的重量比(Ni:EC)为约1:3而制备的浆料。所制造的片的孔隙率为约77％且拉伸强度为约4.2MPa。图2为实施例5中制造的片的SEM照片。

实施例6

以与实施例1中相同的方式制造厚度为约30μm的片，不同之处在于使用丙二醇代替乙二醇作为分散剂。

比较例1

以与实施例1中相同的制造生产片，不同之处在于不使用分散剂，并且使用通过将镍与其中作为粘合剂的乙基纤维素(EC)和作为溶剂的二氯甲烷(MC)以15:85的重量比(EC:MC)混合的混合物混合使得粘合剂和镍的重量比(Ni:EC)为约1:3而制备的浆料。所制造的片非常脆并且容易破碎，因此无法测量拉伸强度。

Claims (16)

1.一种用于制造金属泡沫的方法，包括以下步骤：使用包含金属组分、分散剂和粘合剂的浆料形成生坯结构，所述金属组分具有相对磁导率为90或更大的导电金属或含有所述导电金属的合金；以及烧结所述生坯结构；

其中所述生坯结构的所述烧结通过向所述生坯结构施加电磁场来进行；

其中所述生坯结构仅通过使用所述浆料来形成。

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％或更多的所述导电金属。

4.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述导电金属的平均粒径在1μm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，其中所述浆料中的所述金属组分的比率为10重量％至70重量％。

6.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述分散剂为醇。

7.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述粘合剂为烷基纤维素、聚碳酸亚烃酯或聚乙烯醇化合物。

8.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，所述浆料包含5重量份至500重量份的所述粘合剂。

9.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重量份的所述粘合剂，所述浆料包含100重量份至2,000重量份的所述分散剂。

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溶剂。

11.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述金属泡沫呈膜或片的形式。

12.根据权利要求11所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述膜或片的厚度为2,000μm或更小。

13.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述电磁场通过施加在100A至1,000A范围内的电流来形成。

14.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中所述电磁场通过以在100kHz至1,000kHz范围内的频率施加电流来形成。

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

16.根据权利要求1所述的用于制造金属泡沫的方法，其中施加所述电磁场持续在30分钟至10小时范围内的时间。

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