CN112809004A - 多孔功能结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功能结构制备领域，具体而言，涉及多孔功能结构及其制备方法。本发明提供一种多孔功能结构的制备方法，包括：向模型内注入用于形成多孔功能结构的物料，而后烧结形成多孔功能结构，所述模型包含烧结时能被消除的预制模芯，且所述预制模芯上设置有能够形成所述多孔功能结构的微细结构单元。其可以有效实现多孔均匀可控分布或者与其他功能结构一体化制备，进而拓宽了多孔材料的应用领域。

Description

多孔功能结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能结构制备领域，具体而言，涉及多孔功能结构及其制备方法。
背景技术
多孔材料是一种应用较为广泛的结构功能材料，根据材料和多孔功能结构的不同进而表现出特殊的物理和化学性能。多孔材料结构与功能的双重特性使得该材料被广泛应用于化工，航空航天，生物医疗，工业制造等领域。多孔材料可以实现的功能包括易长入的医疗植入体，过滤，催化，消音，吸震，支撑，热交换等。目前多孔材料的传统制备方法包含泡沫浸渍法，化学发泡法，添加造孔剂法，粉末冶金法等。国内外学者针对不同孔洞大小，不同材料和结构，以及不同应用领域的多孔材料的制备和性能均开展了较为全面的研究。传统制备方法制备的多孔功能结构多为随机离散分布的球形连通或非连通形多孔功能结构。但随着各领域科学技术的飞速发展，科技的创新和进步对多孔材料结构的多样化要求更加苛刻。对于精确可控的均匀分布连通或半连通多孔功能结构，或者该多孔功能结构与其他特殊功能结构一体化的制备目前尚且存在较大困难。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供多孔功能结构及其制备方法。本发明实施例提供的多孔功能结构的制备方法，可以有效实现多孔均匀可控分布或者与其他功能结构一体化制备，进而拓宽了多孔材料的应用领域。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种多孔功能结构的制备方法，包括：向模型内注入用于形成多孔功能结构的物料，而后烧结形成多孔功能结构，所述模型包含烧结时能被消除的预制模芯，且所述预制模芯上设置有能够形成所述多孔功能结构的微细结构单元。
在可选的实施方式中，所述模型还包括模壳，所述模壳和所述预制模芯匹配；
优选地，所述模型的制备包括：将所述模壳与所述预制模芯匹配并固定；
优选地，注入所述物料后，且烧结前，对所述模型进行压制形成毛胚；
优选地，向所述模型内注入物料包括：从所述模壳和所述模芯的间隙处注入所述物料。
在可选的实施方式中，制备所述模壳采用的方法包括：精密机加工技术；
优选地，制备所述模壳的材料包括金属、无机非金属和高分子材料中的任意一种。
在可选的实施方式中，制备所述预制模芯采用的方法包括：增材制造、精密机加工技术或蚀刻中的任意一种；
优选地，增材制造包括SLA光固化3D打印技术、DLP数字光处理3D打印技术、FDM挤出式3D打印技术、SLS选区激光烧结技术、SLM选区激光熔化技术和喷墨打印技术中的任意一种。
在可选的实施方式中，制备所述预制模芯的原料包括熔点低于232℃的低熔点金属、高分子材料、脂类材料或有机物。
在可选的实施方式中，所述物料为金属材料、非金属材料、熔点高于形成所述预制模芯材料的高分子材料或者上述材料形成的浆料；
优选地，金属材料包括金属单质材料和合金材料；所述非金属材料包括：无机非金属材料和金属陶瓷复合材料。
在可选的实施方式中，预制模芯包括通道芯板，通道芯板上设置有多个孔道，每个所述孔道的外周设置多个所述微结构，多个所述孔道外周设置的所述微结构共同构成所述微细结构单元；
优选地，所述孔道为方形通孔，所述方形通孔的四个角上分别设置有一个所述微结构。
在可选的实施方式中，所述微结构呈树枝状延伸；
优选地，所述树枝的截面为圆形、三角形、多边形或不规则形状；
优选地，所述树枝的截面的尺寸为0.02-5毫米；此尺寸指的是边长或者直径或不规则截面中一点到另一点的最长距离。
优选地，所述微结构的树枝的枝干之间相互平行，且所述枝干呈螺旋状、S形或锯齿形。
在可选的实施方式中，烧结包括以1-5℃/min的升温速率升温至550℃-750℃保温30-60min，而后以1-5℃/min的升温速率升温至1000-1300℃保温2-5h；
优选地，所述模型的制备包括：利用软件设计所述模型。
第二方面，本发明提供一种多孔功能结构，其通过上述前述实施方式任一项所述的多孔功能结构的制备方法制备得到。
本发明具有以下有益效果：本发明实施例提供含有微细结构单元的预制模芯，使得添加的物料能够在烧结后形成多孔功能结构，同时，该预制模芯在烧结时被消除，继而能够制备结构复杂多样的多孔功能结构，且该多孔分布可控，且孔全部连通或半连通不存在孤立孔和内孔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的预制模芯的结构图示意图；
图2为本发明实施例1提供的通道芯板的结构式图；
图3为本发明实施例1提供的预制模芯的俯视图；
图4为本发明实施例1提供的模壳的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的用于固体氧化物燃料电池金属支撑体的多孔功能结构的结构示意图。
图标：100-预制模芯；110-通道芯板；120-微细结构单元；112-孔道；122-微结构；130-模壳。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本实施例提供一种多孔功能结构的制备方法，包括：
利用设计软件(例如CAD)将所要制备的多孔功能结构，以及相应的预制模芯和模壳进行图纸设计；
而后分别制备模壳和预制模芯，其中，采用精密机加工技术制备模壳，采用增材制造、精密机加工技术或蚀刻中的任意一种制备预制模芯；且增材制造包括SLA光固化3D打印技术、DLP数字光处理3D打印技术、FDM挤出式3D打印技术、SLS选区激光烧结技术、SLM选区激光熔化技术和喷墨打印技术中的任意一种。采用增材制造和精密机加工技术可以实现多样化多孔功能结构的制备。
需要说明的是，本发明实施例涉及的精密机加工技术、增材制造以及刻蚀等制造方法为现有常规的制造方法，本发明实施例不再进行详述。
进一步地，制备所述模壳的材料包括金属、无机非金属和高分子材料中的任意一种。具体地，制备模壳的金属可以为不锈钢，铝合金和镍基高温合金等，无机非金属为玻璃，水泥和陶瓷等，高分子材料为尼龙和聚乙烯等。上述提供的可以采用的物质仅仅是部分列举，现有技术中其他金属、无机非金属和高分子材料也可以。
进一步地，制备所述预制模芯的原料包括熔点低于232℃的低熔点金属、高分子材料、脂类材料或有机物。具体地，制备预制模芯的低熔点金属可以为铜和银等单质金属，高分子材料为尼龙，聚乙烯，橡胶等，脂类材料为甲基丙烯酸甲酯，聚酯树脂等，低熔点有机物为石蜡。上述提供的可以采用的物质仅仅是部分列举，现有技术中其他在烧结时可以发生熔化或者升华的原料均可。
该预制模芯可以在后续烧结时被消除，此处的被消除是预制模芯在阿基热烧结时可以发生升华或者熔化，继而使得预制模芯流出模型。
该制备预制模芯包括通道芯板，通道芯板上设置有多个孔道，每个所述孔道的外周设置多个所述微结构，多个所述孔道外周设置的所述微结构共同构成所述微细结构单元，继而使得预制模芯上设置有用于形成所述多孔功能结构的微细结构单元，且微细结构单元和通道芯板呈类似层叠状结构。
具体地，微细结构单元包括多个微结构，相邻两个微结构之间存在间隙，继而形成多孔功能结构的物料可以填充该间隙，继而当烧结时，物料则被加热紧实，预制模芯被加热去除，继而形成多孔功能结构。
进一步地，微结构呈树枝状延伸；所述树枝的截面为圆形、三角形、多边形或不规则形状，例如五角星或其他几何形状；且所述树枝的截面的尺寸为0.02-5毫米；所述微结构的树枝的枝干之间相互平行，该枝干呈螺旋状、S形或锯齿形。
每个所述孔道的外周设置多个所述微结构；此时，微结构位于通道芯板上，但是并未处于孔道内，而是处于孔道的端部的通道芯板的实体上，而后物料可以填充在孔道内，继而烧结时，物料则被加热紧实，而通道芯板被加热去除，继而形成支撑多孔功能结构的支持结构，且该孔道与孔道之间形成气体或者液体流动的通道。
进一步地，孔道为方形通孔，所述方形通孔的四个角上分别设置有一个所述微结构。
而后将模壳与所述预制模芯匹配并固定形成模型；并向模壳和所述模芯的间隙处注入用于形成多孔功能结构的所述物料，使得相邻两个微结构之间以及孔道内填充有物料，继而使得烧结后能够形成多孔功能结构以及支撑多孔功能结构和气体流通的通道结构，而多孔功能结构位于通道结构的上方。
其中，形成多孔功能结构的物料为金属材料、非金属材料、熔点高于形成所述预制模芯材料的高分子材料或者上述材料形成的浆料；优选地，金属材料包括金属单质材料和合金材料；所述非金属材料包括：无机非金属材料和金属陶瓷复合材料。具体地，形成多孔功能结构的金属材料为不锈钢、铁基、镍基合金，钛合金和铝合金等，无机非金属材料为水泥、玻璃，陶瓷，耐火材料和碳素材料等，金属陶瓷复合材料为不锈钢，铁基、镍基合金，钛合金，铝合金等和陶瓷材料的混合材料，其中，陶瓷材料包括碳化钛，碳化硅和氮化硅等。且形成浆料是利用上述材料与分散剂、催化剂或水解液等组合形成的浆料。
而后对模型进行压制形成毛胚；而后进行烧结，具体地，烧结包括以1-5℃/min(例如为1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min以及5℃/min等任意数值)的升温速率升温至550℃-750℃(例如为550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、630℃、650℃、670℃、690℃、700℃、715℃、730℃以及750℃等任意数值)保温30-60min(例如为30min、35min、40min、45min、50min、55min以及60min等任意数值)，而后以1-5℃/min的升温速率升温至1000-1300℃(例如为1000℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃以及1300℃等任意数值)保温2-5h(例如为2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、以及5h)；采用上述烧结能够使得预制模芯被去除，同时形成多孔功能结构。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池金属支撑体的多孔功能结构的制备方法，包括：
1.采用三维设计软件进行建模，模型包括预制模芯100和模壳130，其中，预制模芯100的结构参见图1-图3，模壳的结构参见图4。
预制模芯100包括通道芯板110和微细结构单元120，微细结构单元120位于通道芯板110上。其中，通道芯板110上设有多个孔道112，该孔道112为方形孔，且该方形孔的截面为3mm*4mm的长方形。微细结构单元120包括多个微结构122，该微结构122为圆柱形，且该微结构122的横截面的直径为0.5mm。该方形孔的四个角分别放置一个微结构122。其中，预制模芯100通过3D打印技术进行制造，且材料为石蜡。模壳130通过精密机加工技术进行制造，且材料为常规的不锈钢或铁基镍基合金等金属。
而后将预制模芯100和模壳130匹配并固定，而后再模壳130与预制模芯100的缝隙中填充混有增塑剂的430不锈钢金属粉末进行压制成型，成型后的模型为毛胚件。
而后将上述压制成型的430不锈钢毛胚件放入高温炉中进行烧制，以5℃/min的升温速率升温至550℃保温60min，而后以5℃/min的升温速率升温至1000℃保温5h；最终制备出所需要的固体氧化物燃料电池金属支撑体(参见图5)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多孔功能结构的制备方法，其特征在于，包括：向模型内注入用于形成多孔功能结构的物料，而后烧结形成多孔功能结构，所述模型包含烧结时能被消除的预制模芯，且所述预制模芯上设置有用于形成所述多孔功能结构的微细结构单元。
2.根据权利要求1所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，所述模型还包括模壳，所述模壳和所述预制模芯匹配；
优选地，所述模型的制备包括：将所述模壳与所述预制模芯匹配并固定；
优选地，注入所述物料后，且烧结前，对所述模型进行压制形成毛胚；
优选地，向所述模型内注入物料包括：从所述模壳和所述模芯的间隙处注入所述物料。
3.根据权利要求2所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，制备所述模壳采用的方法包括：精密机加工技术；
优选地，制备所述模壳的材料包括金属、无机非金属和高分子材料中的任意一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，制备所述预制模芯采用的方法包括：增材制造、精密机加工技术或蚀刻中的任意一种；
优选地，增材制造包括SLA光固化3D打印技术、DLP数字光处理3D打印技术、FDM挤出式3D打印技术、SLS选区激光烧结技术、SLM选区激光熔化技术和喷墨打印技术中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，制备所述预制模芯的原料包括熔点低于232℃的低熔点金属、高分子材料、脂类材料或有机物。
6.根据权利要求1-3任一项所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，所述物料为金属材料、非金属材料、熔点高于形成所述预制模芯材料的高分子材料或者上述材料形成的浆料；
优选地，金属材料包括金属单质材料和合金材料；所述非金属材料包括：无机非金属材料和金属陶瓷复合材料。
7.根据权利要求1-3任一项所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，所述预制模芯包括通道芯板，通道芯板上设置有多个孔道，每个所述孔道的外周设置多个微结构，多个所述孔道外周设置的所述微结构共同构成所述微细结构单元；
优选地，所述孔道为方形通孔，所述方形通孔的四个角上分别设置有一个所述微结构。
8.根据权利要求7所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，所述微结构呈树枝状延伸；
优选地，所述树枝的截面为圆形、三角形、多边形或不规则形状；
优选地，所述树枝的截面的尺寸为0.02-5毫米；
优选地，所述微结构的树枝的枝干之间相互平行，且所述枝干呈螺旋状、S形或锯齿形。
9.根据权利要求1所述的多孔功能结构的制备方法，其特征在于，烧结包括以1-5℃/min的升温速率升温至550℃-750℃保温30-60min，而后以1-5℃/min的升温速率升温至1000-1300℃保温2-5h；
优选地，所述模型的制备包括：利用软件设计所述模型。
10.一种多孔功能结构，其特征在于，其通过上述权利要求1-9任一项所述的多孔功能结构的制备方法制备得到。
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