CN111719062A - 一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法 - Google Patents

一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法。该复合多孔材料具有海绵状多孔结构，成分由TiC和不锈钢共同组成，孔径大小和孔隙率可控，具有优良的力学性能，且耐腐蚀、耐烧蚀、抗热振，可应用于高温腐蚀性气体、液体的减压过滤等领域。该材料通过以下技术方案实现：选用适当孔径的有机海绵为前驱体，将TiC粉与Ni粉、Fe粉混合配制成浆料，把海绵浸入浆料中进行挂浆，干燥后得到生坯，经气氛保护烧结得到多孔预制体，将预制体置于不锈钢块上，在惰性气体保护下升温使不锈钢熔化并渗入预制体骨架，冷却后即得到TiC/不锈钢复合多孔材料。

Description

一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及多孔材料及其制备方法领域，具体涉及一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法。
背景技术
多孔材料是指在材料基体中分布着一定量的孔或者空隙的材料，常见的多孔材料包括多孔塑料、多孔金属以及多孔陶瓷等。多孔材料中所含的孔通常被用于满足材料的某些使用性能，其孔隙结构依材料使用要求的差异而有所不同。开气孔多孔材料的孔隙之间相互贯通，多被用于过滤、散热、催化、吸音、降噪等场合。较高的孔隙率和比表面积是多孔材料的结构特征和重要特性，也是决定其应用性能的关键因素。
在多孔材料中，陶瓷或金属(合金)多孔材料已有着广泛的研究与应用，而骨架为陶瓷/金属复合结构的多孔材料则很少见。单一基体骨架的多孔材料在应用中往往会出现某些性能缺陷而限制其使用范围。例如，发明专利“一种多孔泡沫不锈钢材料”(申请号：CN201410591595.2)中制得的多孔金属材料的屈服强度较低，在使用中容易发生形变而导致使用故障；而多孔陶瓷材料通常脆性大，孔结构在使用中容易发生破损而丧失其功能。例如，发明专利“一种多孔陶瓷及其制备方法”(申请号：CN200910090067.8)中公布了一种多孔陶瓷的制备工艺，其脆性大，难以应用于许多对多孔材料性能有一定要求的场合。陶瓷/金属复合材料兼具两者的优良特性，例如，发明专利“新型金属/陶瓷复合材料”(申请号：CN201210282413.4)公布了一种金属/陶瓷复合材料的制备方法，通过复合使材料的性能得到了明显改善。由此可知，选用合适的金属与陶瓷进行复合，能够克服金属材料强度低和陶瓷材料脆性大的缺点。但目前关于金属/陶瓷复合材料的专利均为实体材料，并未涉及多孔材料。
基于此，如何提供一种具备高强度、高韧性以及优良的抗腐蚀、抗烧蚀、抗热振等性能的陶瓷/金属复合多孔材料，并开发出简单、便捷、低成本的制备工艺，以满足高温气体、高温液体、腐蚀性介质的减压过滤等领域的应用需求，是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法，在不改变多孔材料本身结构的前提下同时实现增强和增韧。
本发明采用的技术方案是提供一种TiC/不锈钢复合多孔材料，该复合多孔材料由TiC和不锈钢构成，为开气孔结构，孔径尺寸为20PPI～55PPI，孔隙率为65％～90％；同时提供该复合多孔材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将适量的TiC粉、Ni粉、Fe粉与溶剂及粘结剂混合配制成浆料；
2)选用适当孔径的有机海绵为模板，将模板浸入浆料中挂浆，干燥后得到复合多孔材料生坯；
3)将生坯放入气氛保护炉中进行烧结，得到复合多孔材料预制体；
4)将预制体置于不锈钢块上，放入气氛保护炉中加热，使不锈钢熔化并渗入预制体骨架中，冷却后即得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
优选地，步骤1)所述TiC粉、Ni粉、Fe粉的粒径为5μm～70μm，所述溶剂为去离子水或乙醇，所述粘结剂为聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，在粘结剂与溶剂所配置的溶液中，粘结剂浓度为1％～8％；所述混合方法为球磨，所述浆料的固相含量为40％～60％。
优选地，步骤2)所述模板为聚氨酯海绵，孔径尺寸为20PPI～55PPI；所述挂浆方法为：将海绵模板浸没于浆料中，取出并排出多余浆料，干燥后重复挂浆，控制海绵的增重为0.35g/cm3～0.65g/cm3；所述干燥方法为室温自然干燥或烘箱加热干燥。
优选地，步骤3)所述生坯的烧结工艺为：在氩气、氮气或真空环境下升温至1400℃～1600℃，保温0.5h～2h。
优选地，步骤4)所述不锈钢包括但不限于以下牌号：302、304、316、304L、316L；所述TiC/不锈钢复合多孔材料中TiC陶瓷相的质量含量为35％～75％；所述复合多孔材料的加热浸渗工艺为：在氩气、氮气或真空环境下升温至1400℃～1600℃，保温0.5h～2h。
采用本发明可以取得以下有益效果：
本发明制备的复合多孔材料的骨架由TiC颗粒和不锈钢共同组成，孔隙率在65％～90％范围内可控，骨架中TiC的质量含量在35％～75％之间可控；本发明制备的TiC/不锈钢复合多孔材料兼具了多孔金属的韧性和多孔陶瓷的强度，并具有优良的抗腐蚀、抗烧蚀、抗热振性能，工艺简单，成本低廉，可应用于高温腐蚀性气体、液体的减压过滤等领域。
附图说明
图1为实施例一制备的多孔预制体实物图。
图2为实施例一制备的TiC/不锈钢复合多孔材料实物图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的技术方案做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例一
选用孔径尺寸为20PPI的海绵模板，将其剪裁成尺寸为30mm×30mm×10mm的方块形；称取平均粒度为15微米的TiC粉90克，平均粒度为35微米的Fe粉10克，质量浓度为3％的PVA水溶液82克，混合后，滚筒球磨12小时制得浆料；将海绵放入浆料中浸渍，去除残留在海绵孔筋之间多余的浆料，然后干燥，如此反复多次，直至海绵增重5.36克，得到生坯；将生坯放入氩气保护的高温炉中，在1400℃下保温2h，冷却后得到预制体；称取302不锈钢块6.49克，与预制体放置在一起，在氩气保护的高温炉中升温至1600℃，保温0.5h，进行浸渗，冷却后得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
上述制得的复合多孔材料，开气孔率为75.9％，表观密度为1.32g/cm3，抗压强度为3.1MPa。
实施例二
选用孔径尺寸为20PPI的海绵模板，将其剪裁成尺寸为30mm×30mm×10mm的方块形；称取平均粒度为5微米的TiC粉90克，平均粒度为25微米的Ni粉10克，质量浓度为4％的PVB乙醇溶液100克，混合后，滚筒球磨12小时制得浆料；将海绵放入浆料中浸渍，去除残留在海绵孔筋之间多余的浆料，然后干燥，如此反复多次，直至海绵增重4.08克，得到生坯；将生坯放入氩气保护的高温炉中，在1600℃下保温1小时，冷却后得到预制体；称取304不锈钢块5.61克，与预制体放置在一起，在氩气保护的高温炉中升温至1500℃，保温1h，进行浸渗，冷却后得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
上述制得的复合多孔材料，开气孔率为83.3％，表观密度为1.06g/cm3，抗压强度为2.5MPa。
实施例三
选用孔径尺寸为35PPI的海绵模板，将其剪裁成尺寸为30mm×30mm×10mm的方块形；称取平均粒度为15微米的TiC粉90克，平均粒度为35微米的Fe粉10克，质量浓度为2％的PVA水溶液67克，混合后，滚筒球磨12小时制得浆料；将海绵放入浆料中浸渍，去除残留在海绵孔筋之间多余的浆料，然后干燥，如此反复多次，直至海绵增重3.66克，得到生坯；将生坯放入氩气保护的高温炉中，在1550℃下保温1小时，冷却后得到预制体；称取304L不锈钢块1.32克，与预制体放置在一起，在氩气保护的高温炉中升温至1500℃，保温0.5h，进行浸渗，冷却后得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
上述制得的复合多孔材料，开气孔率为89.6％，表观密度为0.66g/cm3，抗压强度为1.2MPa。
实施例四
选用孔径尺寸为45PPI的海绵模板，将其剪裁成尺寸为30mm×30mm×10mm的方块形；称取平均粒度为25微米的TiC粉80克，平均粒度为25微米的Ni粉10克，平均粒度为35微米的Fe粉10克，质量浓度为8％的PVB乙醇溶液100克，混合后，滚筒球磨12小时制得浆料；将海绵放入浆料中浸渍，去除残留在海绵孔筋之间多余的浆料，然后干燥，如此反复多次，直至海绵增重3.98克，得到生坯；将生坯放入真空高温炉中，在1500℃下保温1小时，冷却后得到预制体；称取316不锈钢块3.98克，与预制体放置在一起，在氮气保护的高温炉中升温至1550℃，保温30分钟，进行浸渗，冷却后得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
上述制得的复合多孔材料，开气孔率为85.2％，表观密度为0.89g/cm3，抗压强度为1.8MPa。
实施例五
选用孔径尺寸为55PPI的海绵模板，将其剪裁成尺寸为30mm×30mm×10mm的方块形；称取平均粒度为15微米的TiC粉100克，质量浓度为1％的PVA水溶液100克，混合后，滚筒球磨12小时制得浆料；将海绵放入浆料中浸渍，去除残留在海绵孔筋之间多余的浆料，然后干燥，如此反复多次，直至海绵增重5.75克得到生坯；将生坯放入氮气保护的高温炉中，在1600℃下保温1.5小时，冷却后得到预制体；称取316L不锈钢块7.72克，与预制体放置在一起，在真空高温炉中升温至1450℃，保温2h，进行浸渗，冷却后得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
上述制得的复合多孔材料，开气孔率为68.2％，表观密度为1.51g/cm3，抗压强度为4.2MPa。

Claims (5)

1.一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法，其特征在于：所述复合多孔材料由TiC和不锈钢构成，为开气孔结构，孔径尺寸为20PPI～55PPI(Pores Per Inch)，孔隙率为65％～90％；所述制备方法包括以下步骤：
1)将适量的TiC粉、Ni粉、Fe粉与溶剂及粘结剂混合配制成浆料；
2)选用适当孔径的有机海绵为模板，将模板浸入浆料中挂浆，干燥后得到复合多孔材料生坯；
3)将生坯放入气氛保护炉中进行烧结，得到复合多孔材料预制体；
4)将预制体置于不锈钢块上，放入气氛保护炉中加热，使不锈钢熔化并渗入预制体骨架中，冷却后即得到TiC/不锈钢复合多孔材料。
2.根据权利要求1所述的一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法，其特征在于：步骤1)所述TiC粉、Ni粉、Fe粉的粒径为5μm～70μm，所述溶剂为去离子水或乙醇，所述粘结剂为聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，在粘结剂与溶剂所配置的溶液中，粘结剂浓度为1％～8％；所述混合方法为球磨，所述浆料的固相含量为40％～60％。
3.根据权利要求1所述的一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法，其特征在于：步骤2)所述模板为聚氨酯海绵，孔径尺寸为20PPI～55PPI；所述挂浆方法为：将海绵模板浸没于浆料中，取出并排出多余浆料，干燥后重复挂浆，控制海绵的增重为0.35g/cm3～0.65g/cm3；所述干燥方法为室温自然干燥或烘箱加热干燥。
4.根据权利要求1所述的一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法，其特征在于：步骤3)所述生坯的烧结工艺为：在氩气、氮气或真空环境下升温至1400℃～1600℃，保温0.5h～2h。
5.根据权利要求1所述的一种TiC/不锈钢复合多孔材料及其制备方法，其特征在于：步骤4)所述不锈钢包括但不限于以下牌号：302、304、316、304L、316L；所述TiC/不锈钢复合多孔材料中TiC陶瓷相的质量含量为35％～75％；所述复合多孔材料的加热浸渗工艺为：在氩气、氮气或真空环境下升温至1400℃～1600℃，保温0.5h～2h。
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