CN111804917A

CN111804917A - 基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法

Info

Publication number: CN111804917A
Application number: CN202010474658.1A
Authority: CN
Inventors: 徐志刚; 梁金荣; 王传彬; 沈强
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-10-23

Abstract

本发明公开了一种基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法，包括有以下步骤：a.待造孔样品在制备过程中加入一定比例的一种或多种易升华金属造孔元素，制备完成后，将其放进高真空炉的炉膛内；b.在烧结室内安装蒸气吸收载物台，在蒸气吸收载物台上添加压制好的可与升华金属元素反应的反应物；c.在具有高真空度的烧结炉中对样品进行烧结，使样品内部和表面形成孔洞；升华出的金属蒸汽与蒸气吸收载物台上的反应物进行反应，加速反应进程，提高孔隙形成效率，获得高孔隙率的多孔材料。该方法具有工艺过程简单，成本低廉，通用性强等特点，可广泛应用于利用易升华金属元素造孔制备多孔材料领域。

Description

基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法

技术领域

本发明涉及多孔材料制备领域，具体涉及一种基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法。

背景技术

多孔材料发展迅速，随着科技进步和技术创新，相继出现泡沫铝、泡沫镍和泡沫钢等泡沫金属材料以及多孔陶瓷材料，这些材料以优异的物理化学性能被广泛应用于国民经济的各个重要领域。作为结构材料，多孔金属材料具有低密度、高比强度和高孔隙率等特点，广泛应用于汽车工业、船舶制造业以及建筑和桥梁的吸能与隔振等；作为功能材料，金属多孔材料具有吸波减震、散热、隔音降噪和电磁屏蔽等性能，广泛应用于民用和军事工业领域，如汽车的消声排气装置和枪械消音管、汽车发动机与宇宙飞船的外部散热面板、核废料的净化装置以及汽车的尾气净化装置等。

人们对多孔材料的研究从未停止，制备技术不断更新发展，目前多孔材料的制备方法大体可分为三大类：即固态烧结法、熔炼铸造法和原子离子态金属沉积法。其中，金属升华造孔法以其工艺简单、成本低，孔隙率易于控制等优点，广泛应用于金属多孔材料的制备。金属升华造孔法的基本原理是利用在原材料中加入易挥发金属元素的升华效应，当温度或者环境压力到达易挥发金属元素的升华点时，样品表面造孔元素(易挥发金属元素)形成的蒸汽压与炉膛的环境压力之间存在压力差，造孔元素从样品表面升华进入炉膛的真空环境中，促进造孔元素升华形成的金属蒸汽不断向炉膛空间中扩散迁移，从而在样品内部与表面不断形成孔洞，最终制备出高孔隙率的高性能多孔材料。但该方法也有一定的缺点，即在真空密闭环境中，压坯中易升华的金属蒸气不断升华，会增大炉膛气压，使得金属气体的气压不断接近饱和蒸气压，当两者相等时，金属升华与凝华达到动态平衡，抑制了样品中金属元素的升华，导致造孔效率严重降低。另外，金属气体扩散还会对炉膛及真空泵造成污染。甚至，活泼的金属蒸气还会与炉膛内壁及其发热体发生反应，降低炉膛的使用寿命。

发明内容

为解决现有技术中造孔方法带来的缺陷，本发明提供一种基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法，其利用元素反应/扩散原理，将从样品中升华出的金属蒸气吸收，从而提高多孔材料造孔效率以及达到减少金属蒸气对设备污染和损坏的目的。

本发明采用的技术方案是：一种基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法，包括有以下步骤：

a.待造孔样品在制备过程中加入一定比例的一种或多种易升华金属造孔元素，制备完成后，将其放进高真空炉的炉膛内；

b.在烧结室内安装蒸气吸收载物台，在蒸气吸收载物台上添加压制好的可与升华金属元素反应的反应物；

c.在具有高真空度的烧结炉中对样品进行烧结，利用待造孔样品中加入的易升华金属元素的升华效应，使样品内部和表面形成孔洞；升华出的金属蒸汽与蒸气吸收载物台上的反应物进行反应，加速反应进程，提高孔隙形成效率，获得高孔隙率的多孔材料。

按上述方案，步骤a中，所述的易升华金属造孔元素应为具有较高蒸气压的锰、锌、镁中的一种或多种。

按上述方案，步骤b中，当所述的易升华金属造孔元素为锰，所述的可与升华金属元素反应的反应物为硅、铁、铝、镍、铬、钛、铁的氧化物、铜的氧化物或镍的氧化物；当所述的易升华金属造孔元素为锌，所述的可与升华金属元素反应的反应物为铁、钛、铜、镍、铝、锰、锆、铁的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、钴的氧化物或锰的氧化物；当所述的易升华金属造孔元素为镁，所述的可与升华金属元素反应的反应物为硅、铝、钙、铜、镍、锰、铁的氧化物、镍的氧化物、铜的氧化物、钴的氧化物、氧化铝、锰的氧化物、五氧化二钽、二氧化硅或五氧化二铌。

本发明应根据待造孔样品的金属造孔原料选择合适的反应物，在蒸气吸收载物台上安装的反应物应能够与升华的金属蒸气高效反应，反应生成物为稳定且不易分解的固态物质。

按上述方案，步骤b中的蒸气吸收载物台为多层式结构，包括有装载待造孔样品的样品台，所述的样品台为薄板结构，上下设有多层抽屉式结构的用于装载反应物的反应物载物台，所述的反应物载物台为网状结构。

按上述方案，步骤b中蒸气吸收载物台上所添加的反应物厚度为0.1～10mm，易升华金属元素与反应物质量比介于1:2～1:20之间。

按上述方案，所述的烧结温度区间为500℃～1200℃，保温时间区间为30min～600min。所述的烧结温度应根据待造孔样品需求来设定，该温度应保证造孔元素能够升华，且该温度下升华出来的金属蒸气能与反应物反应生成稳定的固态物质。

本发明的基本原理是利用元素反应/扩散原理，将待造孔样品中升华出的金属蒸气与本发明所提供的相应的反应物进行反应，使升华至炉膛内的金属蒸气不断被消耗，减少样品表面-炉膛环境处的界面蒸气分压，使造孔元素周围的金属蒸气分压低于其饱和蒸气压，挥发速率大于冷凝速率，从而促使金属造孔元素持续升华，提高造孔效率，加速形成多孔材料。同时，金属蒸气被反应物吸收，无法扩散到炉膛，可防止炉膛与真空泵被金属蒸气污染以及金属蒸气对炉膛发热体的损害。

本发明的优点在于：

本发明通过吸收升华的金属造孔元素蒸气，降低样品周围的金属蒸气分压，从而促进造孔元素加速升华，达到提高造孔效率和孔隙率的目的。

通过在真空炉烧结室内部安装蒸气吸收载物台，利用布置在载物台内的反应物迅速吸收金属造孔元素升华出的蒸气，最大限度地减少易升华金属蒸气在炉膛内的扩散，防止炉膛被金属蒸气污染；同时，较好地阻隔金属蒸气进入真空泵中，防止其对泵体及管壁造成污染。

升华的金属蒸气被反应物吸收，形成新物质，还可使金属元素得到二次利用。如单质铁吸收锰蒸气形成铁锰合金，氧化铁与锰蒸气反应可提炼出铁；铜吸收锌蒸气形成黄铜合金；五氧化二铌被镁蒸气还原提取铌，五氧化二钽被镁蒸气还原提取钽。

附图说明

图1是本发明用于吸收升华的金属蒸气的蒸气吸收载物台结构示意图。

具体实施方式

下面将以实施例对本发明的技术方案予以进一步说明。

蒸气吸收载物台的材质应具有耐高温、不易与其他物质反应等性能，该装置结构示意图如图1所示，有如下特点：一是多层式结构，第0层样品台1(材质为钼板)上装载待造孔样品，四周为反应物载物台2，0层上方是1至N层，下方为-1至-N层，可根据待造孔材料中易升华金属元素的含量来布置添加反应物的层数；二是抽屉式结构，各层载物台通过抽屉结构原理更换反应物与收集生成物，方便快捷；三是每层的反应物载物台为网状结构，该结构特点是蒸气流动空间大，有利于反应物与从待造孔样品中升华的金属蒸气充分反应。

实施例1

高纯铁粉作为原材料，选取具有高升华特性的高纯锰粉为造孔元素，将高纯铁粉和锰粉以50:50的质量比进行混料，所选铁粉、锰粉的颗粒尺寸均约为35μm。利用模压成型将混合均匀的上述粉末在300MPa的压力下压制成坯，获得一批直径为20mm、高度为0.5mm的待造孔样品。将待造孔样品放入真空烧结炉的烧结室中，然后在烧结室内安装金属蒸气吸收载物台，在其样品台1上添加铁粉锰粉压制成的待造孔样品，在其反应物载物台2上添加多块压好的直径为20mm、厚度为0.2mm的纯硅粉末压坯，作为与锰蒸气反应的反应物。其中造孔元素锰与纯硅反应物的质量比为1:10，真空烧结室内的真空度为5x10^-3Pa左右。将烧结体以5℃/min的升温速率加热至1100℃左右，并保温1h。烧结完成后在炉内对压坯进行冷却，从而获得孔隙率为50％以上的多孔铁。待冷却完成后，取出多孔样品与蒸气吸收载物台上的反应产物，对反应物载物台2上的反应产物进行称重，通过对比烧结前后载物台上反应产物的质量，发现硅压坯的质量增加了4％以上，说明硅吸收了大部分从待造孔样品中升华出的锰蒸气，加速了锰的升华效应，提高了造孔效率，且能够有效的防止造孔过程中锰蒸气对炉膛和真空泵的污染和损坏。

实施例2

高纯铁粉作为原材料，选取具有高升华特性的高纯锌粉为造孔元素，将高纯铁粉和锌粉以60:40的质量比进行混料，所选铁粉、锌粉的颗粒尺寸均约为40μm。混合均匀后经真空熔炼后浇注成直径为20mm圆柱体形试样。在均匀化退火处理后，将Fe-Zn合金采用电火花线切割设备切成厚度为0.2mm的薄片，将切好的锌铁合金片取出2片，放入真空气淬炉的烧结室中。然后在烧结室内安装金属蒸气吸收载物台，在其样品台1上添加切好的片状锌铁合金，在其反应物载物台2上添加多块压好的直径为20mm、厚度为0.2mm的纯铜粉末压坯，作为与锌蒸气反应的反应物。其中待造孔样品中的锌与纯铜反应物的质量比为1:8，真空烧结室内的真空度为5x10^-3Pa左右。将烧结体以5℃/min的升温速率加热至650℃左右，并保温1h。烧结完成后在炉内对压坯进行冷却，从而获得高孔隙率的多孔铁。待冷却完成后，取出多孔样品与蒸气吸收载物台上的反应产物，对反应物载物台2上的反应产物进行称重。通过对比烧结前后载物台上反应产物的质量，发现铜压坯的质量增加了7％以上，说明铜吸收了大部分从待造孔样品中升华出的锌蒸气，加速了锌的升华效应，提高了造孔效率，同时能够有效的防止造孔过程中锌蒸气对炉膛和真空泵的污染和损坏。

实施例3

高纯铁粉作为原材料，选取具有高升华特性的高纯镁粉为造孔元素，将高纯铁粉和镁粉以50:50的质量比进行混料，所选铁粉、镁粉的颗粒尺寸均约为35μm。利用模压成型将混合均匀的上述粉末在300MPa的压力下压制成坯，获得一批直径为20mm、高度为0.5mm的待造孔样品。将待造孔样品放入真空烧结炉的烧结室中，然后在烧结室内安装金属蒸气吸收载物台，在其样品台1上添加铁粉镁粉压制成的待造孔样品，在其反应物载物台2上添加多块压好的直径为20mm、厚度为0.2mm的五氧化二铌压坯，作为与镁蒸气反应的反应物。其中待造孔样品的中的镁与五氧化二铌反应物的质量比为1:10，真空烧结室内的真空度为5x10^-3Pa左右。将烧结体以5℃/min的升温速率加热至700℃左右，并保温1h。烧结完成后在炉内对压坯进行冷却，从而获得高孔隙率的多孔铁。待冷却完成后，取出多孔样品与蒸气吸收载物台上的反应产物，对反应物载物台2上的反应产物进行称重。通过对比烧结前后载物台上反应产物的质量，发现五氧化二铌压坯的质量增加了5％以上，说明五氧化二妮与大部分从待造孔样品中升华出的镁蒸气反应，加速了镁的升华效应，能够有效提高造孔效率，且防止造孔过程中镁蒸气对炉膛和真空泵的污染和损坏。

实施例4

高纯铁粉作为原材料，选取具有高升华特性的高纯镁粉、高纯锌粉作为造孔元素，将高纯铁粉、镁粉和锌粉以40:30:30的质量比进行混料，所选铁粉、镁粉和锌粉的颗粒尺寸均约为45μm。利用模压成型将混合均匀的上述粉末在300MPa的压力下压制成坯，获得一批直径为20mm、厚度为1mm的待造孔样品。将待造孔样品放入真空烧结炉的烧结室中，然后在烧结室内安装金属蒸气吸收载物台，在其样品台1上添加铁粉、镁粉和锌粉压制成的待造孔样品，在其反应物载物台2上添加多块压好的直径为20mm、厚度为0.5mm的纯铜粉末压坯，作为与镁蒸气、锌蒸气反应的反应物。其中待造孔样品的中的镁和锌与纯铜反应物的质量比为1:1:10，真空烧结室内的真空度为5x10^-3Pa左右。将烧结体以5℃/min的升温速率加热至700℃左右，并保温1h。烧结完成后在炉内对压坯进行冷却，从而获得高孔隙率的多孔铁。待冷却完成后，取出多孔样品与蒸气吸收载物台上的产物，对反应物载物台2上的反应产物进行称重。通过对比烧结前后载物台上反应物的质量，发现纯铜压坯的质量增加了8％以上，说明纯铜与大部分从待造孔样品中升华出的镁蒸气、锌蒸气反应，加速了镁、锌的升华效应，提高了造孔效率，且防止造孔过程中镁蒸气对炉膛和真空泵的污染和损坏。

实施例5

高纯铝粉作为原材料，选取具有高升华特性的高纯镁粉为造孔元素，将高纯铝粉和镁粉以60:40的质量比进行混料，所选铝粉、镁粉的颗粒尺寸均约为40μm。利用模压成型将混合均匀的上述粉末在300MPa的压力下压制成坯，获得一批直径为20mm、高度为0.5mm的待造孔样品。将待造孔样品放入真空烧结炉的烧结室中，然后在烧结室内安装金属蒸气吸收载物台，在其样品台1上添加铝粉镁粉压制成的待造孔样品，在其反应物载物台2上添加多块压好的直径为20mm、厚度为0.4mm的二氧化硅压坯，作为与镁蒸气反应的反应物。其中待造孔样品的中的镁与二氧化硅反应物的质量比为1:12，真空烧结室内的真空度为5x10^- ³Pa左右。将烧结体以5℃/min的升温速率加热至700℃左右，并保温1h。烧结完成后在炉内对样品进行冷却，从而获得高孔隙率的泡沫铝。待冷却完成后，分别取出泡沫铝与蒸气吸收载物台上的产物，对反应物载物台2上的反应产物进行称重。通过对比烧结前后载物台上反应产物的质量，发现二氧化硅的质量增加了4％以上，说明二氧化硅与大部分从待造孔样品中升华出的镁蒸气反应，加速了镁的升华效应，提高了造孔效率，且防止造孔过程中镁蒸气对炉膛和真空泵的污染和损坏。

Claims

1.一种基于元素反应/扩散原理的提升“金属升华造孔法”造孔效率的方法，包括有以下步骤：

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a中，所述的易升华金属造孔元素应为具有较高蒸气压的锰、锌、镁中的一种或多种。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b中，当所述的易升华金属造孔元素为锰，所述的可与升华金属元素反应的反应物为硅、铁、铝、镍、铬、钛、铁的氧化物、铜的氧化物或镍的氧化物；当所述的易升华金属造孔元素为锌，所述的可与升华金属元素反应的反应物为铁、钛、铜、镍、铝、锰、锆、铁的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、钴的氧化物或锰的氧化物；当所述的易升华金属造孔元素为镁，所述的可与升华金属元素反应的反应物为硅、铝、钙、铜、镍、锰、铁的氧化物、镍的氧化物、铜的氧化物、钴的氧化物、氧化铝、锰的氧化物、五氧化二钽、二氧化硅或五氧化二铌。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b中的蒸气吸收载物台为多层式结构，包括有装载待造孔样品的样品台，所述的样品台为薄板结构，上下设有多层抽屉式结构的用于装载反应物的反应物载物台，所述的反应物载物台为网状结构。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b中蒸气吸收载物台上所添加的反应物厚度为0.1～10mm，易升华金属元素与反应物质量比介于1:2～1:20之间。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的烧结温度区间为500℃～1200℃，保温时间区间为30min～600min。