CN113333748B - 一种双级孔隙多孔钨及其制备方法 - Google Patents

一种双级孔隙多孔钨及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双级孔隙多孔钨及其制备方法，所述多孔钨具有双级孔隙结构，一级孔径为3～5μm，二级孔径为0.1～1μm，开口孔隙率60～85％，多孔钨的密度为2.90～7.74g/cm3，比表面积为0.324～0.386cm2/g，压缩强度为10.195～18.382MPa。本发明选择Fe和Ti作为造孔剂，充分利用了Ti和Fe的不同腐蚀特性，分两次分别精确去除Fe和Ti，在多孔W孔隙结构韧带上形成二级孔隙，提高并控制孔隙率，工艺简单，成本低，易于产业化。

Description

一种双级孔隙多孔钨及其制备方法
技术领域
本发明属于钨或钼基合金技术领域，具体涉及一种双级孔隙多孔钨及其制备方法。
背景技术
多孔金属具有相对密度低、比强度高、比表面积大、渗透性强、能量吸收性好等特点，是集机械性能、热学性能、声学性能、电学性能等于一体的多功能材料。在多孔钨材料的各个应用领域中，其孔隙率和孔径大小对材料本身的性能以及以其为载体而制作的元器件的使用性能均具有至关重要的影响。孔隙率可控、孔隙大小分布均匀、高强度的多孔钨材料是制备高发射电流密度、高稳定性和高使用寿命的电子发射元器件的关键。以阴极基体为例，钨粉的性能在很大程度上决定了基体的性能，选用球形度好，粒度分布窄的钨粉能更好地控制多孔阴极基体内部的开孔孔隙率、孔径大小、孔隙分布的均匀程度以及孔隙的连通度等，是阴极获得高发射电流和长寿命的关键。因为金属钨具有高自溅射阈值能量、低氚滞留性的特点，对X射线具有较高吸收效率，同时，金属钨密度大，通过调节孔隙率和孔隙尺寸，制备出孔隙率范围大、密度分布准确的多孔金属钨，对于研究开发高精度的闪光照相客体标准件参照物等关键材料具有十分重要的意义。
目前多孔钨主要以烧结方法制备。对于粉末冶金烧结多孔钨，通过控制烧结温度和保温时间，可控制其孔隙率与孔径。对于同一种粉末制备得到的多孔钨，随着烧结温度的提高，孔隙率降低，孔径减小，原因是钨颗粒在高温烧结过程中存在很强烈的生长过程，颗粒尺寸长大就意味着孔隙尺寸的变小和孔隙率的减小。该制备方法烧结温度高，颗粒显著生长，孔隙率较低，且孔隙结构难以控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种双级孔隙多孔钨及其制备方法，同时以Fe和Ti作为造孔剂，分别通过腐蚀和去合金化获得双级孔隙结构的多孔W，同时，通过热处理可以提高多孔W韧带强度，制备得到力学性能好，孔隙结构可控，孔隙率高的多孔钨。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种双级孔隙多孔钨，所述多孔钨具有双级孔隙结构，一级孔径为3～5μm，二级孔径为0.1～1μm，开口孔隙率60～85％，多孔钨的密度为2.90～7.74g/cm3，比表面积为0.324～0.386cm2/g，压缩强度为10.195～18.382MPa。
本发明还包括上述双级孔隙多孔钨的制备方法，具体步骤如下：
1)将钨粉(W)和钛粉(Ti)用球磨机高能球磨得到W-Ti复合粉体，然后将所得W-Ti复合粉体与铁粉以及碳源经过低能球磨得到均匀的混合粉末，将所得混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结得到前驱体；
2)将步骤1)所得前驱体放入过量的硫酸溶液中，在室温(15～30℃)下反应，待无气泡产生时取出剩余块体，并依次用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后干燥，得到具有微米孔径的多孔钨生坯，然后将所得多孔钨生坯进行热处理得到一级孔隙多孔钨复合材料；
3)室温下，将步骤2)所得一级孔隙多孔钨复合材料浸泡于过量氢氟酸溶液中，反应至无气泡产生，取出后清洗并干燥得到双级孔隙多孔钨。
按上述方案，步骤1)所述钨粉粒径为1～3μm，纯度为99.99％(质量百分比)以上；所述钛粉粒径为0.1～1μm，纯度为99.99％以上；所述铁粉粒径为3～5μm，纯度为99.99％以上。
按上述方案，步骤1)所述碳源为聚乙烯醇或石墨粉体，碳源质量为钨粉、铁粉和钛粉总质量的0.01～0.1％。
按上述方案，步骤1)所述钨粉与钛粉的摩尔百分比为：钨粉70～90％，钛粉10～30％，两者合计100％。
按上述方案，步骤1)所述W-Ti复合粉体与Fe粉的摩尔百分比为：W-Ti复合粉体20～50％，Fe粉50～80％，两者合计100％。
按上述方案，步骤1)所述高能球磨工艺条件为：在800～1000转/分钟的速率下球磨4～8h。
按上述方案，步骤1)所述低能球磨工艺条件为：在150～200转/分钟的速率下球磨8～12h。高能球磨使W和Ti之间产生机械合金化作用，增加W和Ti两相之间的元素扩散均匀性，保证后续放电等离子烧结过程中形成元素分布均匀的W-Ti合金。低能球磨将W-Ti复合粉体和Fe粉体进行均匀混合，便于后期的一级孔隙结构形成。
按上述方案，步骤1)所述放电等离子烧结工艺条件为：在10Pa以下的真空条件下，以80～120℃/min的升温速率升温至800～1000℃，保温2～4min，烧结压力为20～40MPa。
按上述方案，步骤2)所述硫酸溶液质量浓度为20～40％。
按上述方案，步骤2)所述热处理工艺条件为：在10Pa以下的真空条件下，以10～15℃/min的升温速率升温至900～1250℃，保温1～2小时。
按上述方案，步骤3)所述氢氟酸溶液质量浓度为5～10％。
钨的烧结温度超过1600℃，传统采用烧结制备多孔钨材料的方法会出现很大程度的W晶粒增长现象，以至于很难制备出孔隙结构可控、孔隙率高的多孔钨材料。本发明通过双级造孔、热处理和两次腐蚀处理实现双级孔隙结构多孔W的制备，并提高多孔W力学强度，利用Fe的溶解制备一级孔隙，再通过高能球磨和放电等离子烧结形成W-Ti固溶体相，以Ti的去合金化在多孔W韧带上制备二级孔隙，以此制备高孔隙率高强多孔W材料。
本发明以铁和钛作为造孔剂。W、Fe和添加的碳源可以在放电等离子烧结中发生原位的三元碳化反应，生成钨铁碳化物，钨铁碳化物会发挥粘接作用，连接相邻的W、Fe、Ti颗粒，形成稳定的前驱体。在第一次硫酸的腐蚀过程中，Fe会逐渐溶解于酸中，形成一级孔隙结构。而此时钛在硫酸溶液中极容易钝化，表面致密的钝化氧化膜会阻止Ti的进一步腐蚀，提高了钛耐酸性及耐水介质腐蚀的性能，所以Ti保持稳定。热处理后，W和Ti共同组成了多孔钨的韧带结构。在第二次氢氟酸腐蚀过程中，Ti与氢氟酸发生置换反应，快速的溶解于酸中，从而在多孔钨的韧带上形成二级孔隙结构。小尺寸的钛作为造孔剂具有多种优势：1.Ti与W为无限固溶体系，经高能球磨、放电等离子烧结和热处理后可形成稳定的连接，并可以形成固溶体，在去合金化时不会形成金属间化合物等无法彻底腐蚀的物相。2.Ti元素虽然具有很高的化学活性，但是具有与Fe完全不同的腐蚀特性，方便对二者的腐蚀过程进行设计，从而实现两级孔隙结构；3.Ti与Fe和碳源反应较弱，不会干扰前期的W、Fe和碳源之间的原位三元碳化反应；4.小尺寸的Ti在混料阶段会倾向于填充W颗粒之间的孔隙，所以Ti会与W颗粒保持良好的接触，从而共同组成韧带结构；5.Ti均匀固溶在W颗粒内部显著阻碍了热处理过程中W原子的扩散生长过程，提高了W晶粒的生长势垒，降低了W颗粒的生长速度，从而抑制了W晶粒的生长。采用此方法在一级孔隙结构形成且保持的基础上，再次腐蚀造孔，可以显著提高孔隙率同时保证孔隙结构的稳定性，解决了高孔隙率多孔钨难以制备的问题。本发明利用不同的金属活性实现了两级孔隙结构设计，显著提高了多孔W的孔隙率，增大了多孔钨比表面积。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的多孔钨具有双级孔隙结构，分别由Fe造孔形成的大孔和Ti造孔形成的小孔组成，一级孔隙3～5μm，二级孔隙0.1～1μm，孔隙结构可控，开口孔隙率60～85％，多孔钨的密度为2.90～7.74g/cm3，比表面积为0.324～0.386cm2/g，压缩强度为10.195～18.382MPa。
2、本发明选择Fe和Ti作为造孔剂，充分利用了Ti和Fe的不同腐蚀特性，通过不同种类和不同浓度的酸溶液，先后分两次分别精确去除Fe和Ti，在多孔W孔隙结构韧带上形成二级孔隙，二次造孔可以提高并控制孔隙率，同时本发明充分利用了Ti元素对W颗粒生长的抑制作用，使得孔隙结构可控，不会因W颗粒长大而产生孔隙结构畸变和孔隙收缩，从而使得多孔钨达到理想的性能，本发明能够生产大尺寸的产品，工艺简单，成本低，易于产业化。
附图说明
图1为实施例2所制备的W-Ti复合粉体的SEM图；
图2为实施例2所制备的一级孔隙多孔钨复合材料的SEM图；
图3为实施例2所制备的双级孔隙多孔钨的SEM图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明采用高能球磨机将W粉和Ti粉充分球磨，形成W-Ti复合粉体。W-Ti复合粉体、铁粉以及碳源经过低能球磨得到均匀的混合粉末，将所得混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结得到前驱体。将所得的前驱体放入过量的硫酸溶液中进行腐蚀，去除Fe元素，待无气泡产生时取出前驱体块体，并用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后干燥，获得具有微米孔径的多孔钨生坯，将所得多孔钨生坯进行热处理得到一级孔隙多孔钨复合材料，采用过量氢氟酸对一级孔隙多孔钨复合材料进行浸泡，进行去合金化处理，除去Ti元素，从而获得双级孔隙多孔钨。
实施例1
一种双级孔隙多孔钨，其制备方法包括以下步骤：
将钨粉(纯度为99.99％，平均粒径1μm)和钛粉(纯度为99.99％，平均粒径0.1μm)按摩尔比为70：30称量，然后将混合粉末在高能球磨机上以1000转/分钟球磨4h，使钛元素填充钨颗粒的孔隙，然后将所得W-Ti复合粉体和铁粉(纯度为99.99％，平均粒径3μm)按摩尔比为20：80称量，然后添加W-Ti复合粉体和铁粉总质量的0.1％的聚乙烯醇，将所得混合粉末在轻型低能球磨机上以150转/分钟球磨12h，将所得混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结(在10Pa以下的真空条件下，以100℃/min的升温速率升温至800℃，保温2min，烧结压力为20MPa)得到前驱体，将前驱体放入过量硫酸溶液(20wt％)中，室温(25℃)下腐蚀15h后无气泡产生，随后取出，并依次用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后在真空干燥箱中60℃下干燥，再进行热处理(在10Pa以下的真空条件下，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温1小时)得到一级孔隙多孔钨复合材料，室温(25℃)下，将一级孔隙多孔钨复合材料浸泡于过量氢氟酸溶液(5wt％)中，反应15h后无气泡产生，取出，依次用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后在真空干燥箱中60℃下干燥，得到双级孔隙多孔钨。
本实施例所得双级孔隙多孔钨材料开口孔隙率为85％，密度为2.90g/cm3，比表面积为0.386cm2/g，压缩强度为10.195MPa。多孔钨包含两种孔隙结构，大孔尺寸为3μm左右，小孔孔隙在0.1μm左右，孔隙均为开孔结构。
实施例2
一种双级孔隙多孔钨，其制备方法包括以下步骤：
将钨粉(纯度为99.99％，平均粒径3μm)和钛粉(纯度为99.99％，平均粒径1μm)按摩尔比为90：10称量，然后将混合粉末在高能球磨机上以800转/分钟球磨8h，使钛元素填充钨颗粒的孔隙，然后将所得W-Ti复合粉体和铁粉(纯度为99.99％，平均粒径5μm)按摩尔比为50：50称量，然后添加W-Ti复合粉体和铁粉总质量的0.01％的石墨粉体，将混合粉末在轻型低能球磨机上以200转/分钟球磨8h，使所得复合粉体混合均匀，将所得混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结(在10Pa以下的真空条件下，以80℃/min的升温速率升温至1000℃，保温4min，烧结压力为40MPa)得到前驱体，将前驱体放入过量硫酸溶液(40wt％)中，室温(25℃)下腐蚀15h后无气泡产生，随后取出，并依次用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后真空干燥箱中60℃下干燥，再进行热处理(在10Pa以下的真空条件下，以10℃/min的升温速率升温至1250℃，保温2小时)得到一级孔隙多孔钨复合材料，室温(25℃)下，将一级孔隙多孔钨复合材料浸泡于过量氢氟酸溶液(10wt％)中，反应15h后无气泡产生，取出，依次用无水酒精、去离子水反复冲洗再干燥，随后在真空干燥箱中60℃下干燥，得到双级孔隙多孔钨。
本实施例所得双级孔隙多孔钨开口孔隙率为60％，密度为7.74g/cm3，比表面积为0.324cm2/g，压缩强度为18.382MPa。多孔钨包含两种孔隙结构，大孔尺寸为5μm左右，小孔孔隙在1μm左右，孔隙均为开孔结构。
如图1所示为本实施例所制备的W-Ti复合粉体的SEM图，由图可知，颗粒存在一定的破碎情况，图中不仅有很多0.2μm的碎片，颗粒尺寸也基本没有超过2μm，说明高能球磨一定程度上细化了颗粒。
如图2所示为本实施例所制备的一级孔隙多孔钨复合材料的SEM图，由图可见，孔隙结构稳定，没有明显的变形和塌陷，孔隙尺寸与造孔剂Fe的尺寸相似，约5μm，孔壁由钨和钛合金组成。
如图3为本实施例所制备的双级孔隙多孔钨的SEM图，由图可见，经过HF溶液进一步腐蚀后所制备的多孔钨材料微观孔隙均匀，整体结构与HF溶液腐蚀前基本保持一致，孔隙结构由两部分组成，大孔由多孔钨制备方法中的造孔剂铁形成，孔径尺寸在5μm左右，小孔存在于大孔的孔壁之上，尺寸为1μm左右。
实施例3
一种双级孔隙多孔钨，其制备方法包括以下步骤：
将钨粉(纯度为99.99％，平均粒径2μm)和钛粉(纯度为99.99％，平均粒径0.5μm)按摩尔比为80：20称量，然后将混合粉末在高能球磨机上以900转/分钟球磨6h，使钛元素填充钨颗粒的孔隙，然后将所得W-Ti复合粉体和铁粉(纯度为99.99％，平均粒径4μm)按摩尔比为30：70称量，然后添加W-Ti复合粉体和铁粉总质量的0.05％的聚乙烯醇，将混合粉末在轻型低能球磨机上以180转/分钟球磨10h，使所得复合粉体混合均匀，将所得混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结(在10Pa以下的真空条件下，以120℃/min的升温速率升温至900℃，保温3min，烧结压力为30MPa)得到前驱体，将前驱体放入过量硫酸溶液(30wt％)中，室温(25℃)下腐蚀15h后无气泡产生，随后取出，并依次用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后真空干燥箱中60℃下干燥，再进行热处理(在10Pa以下的真空条件下，以15℃/min的升温速率升温至1000℃，保温1.5小时)得到一级孔隙多孔钨复合材料，室温(25℃)下，将一级孔隙多孔钨复合材料浸泡于过量氢氟酸溶液(8wt％)中，反应15h后无气泡产生，取出，依次用无水酒精、去离子水反复冲洗再干燥，随后在真空干燥箱中60℃下干燥，得到双级孔隙多孔钨。
本实施例所得双级孔隙多孔钨材料开口孔隙率为78％，密度为4.26g/cm3，比表面积为0.345cm2/g，压缩强度为12.562MPa。多孔钨包含两种孔隙结构，大孔尺寸为4μm左右，小孔孔隙在0.5μm左右，孔隙均为开孔结构。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为详尽，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种双级孔隙多孔钨的制备方法，所述多孔钨具有双级孔隙结构，一级孔径为3～5μm，二级孔径为0.1～1μm，开口孔隙率60～85％，多孔钨的密度为2.90～7.74g/cm3，比表面积为0.324～0.386cm2/g，压缩强度为10.195～18.382MPa，其特征在于，具体步骤如下：
1)将钨粉和钛粉用球磨机高能球磨得到W-Ti复合粉体，然后将所得W-Ti复合粉体与铁粉以及碳源经过低能球磨得到均匀的混合粉末，将所得混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结得到前驱体；
2)将步骤1)所得前驱体放入过量的硫酸溶液中，在室温下反应，待无气泡产生时取出剩余块体，并依次用无水酒精、去离子水反复冲洗，随后干燥，得到具有微米孔径的多孔钨生坯，然后将所得多孔钨生坯进行热处理得到一级孔隙多孔钨复合材料；
3)室温下，将步骤2)所得一级孔隙多孔钨复合材料浸泡于过量氢氟酸溶液中，反应至无气泡产生，取出后清洗并干燥得到双级孔隙多孔钨。
2.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤1)所述钨粉粒径为1～3μm，纯度为99.99％以上；所述钛粉粒径为0.1～1μm，纯度为99.99％以上；所述铁粉粒径为3～5μm，纯度为99.99％以上。
3.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤1)所述碳源为聚乙烯醇或石墨粉体，碳源质量为钨粉、铁粉和钛粉总质量的0.01～0.1％。
4.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤1)所述钨粉与钛粉的摩尔百分比为：钨粉70～90％，钛粉10～30％，两者合计100％；步骤1)所述W-Ti复合粉体与Fe粉的摩尔百分比为：W-Ti复合粉体20～50％，Fe粉50～80％，两者合计100％。
5.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤1)所述高能球磨工艺条件为：在800～1000转/分钟的速率下球磨4～8h；步骤1)所述低能球磨工艺条件为：在150～200转/分钟的速率下球磨8～12h。
6.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤1)所述放电等离子烧结工艺条件为：在10Pa以下的真空条件下，以80～120℃/min的升温速率升温至800～1000℃，保温2～4min，烧结压力为20～40MPa。
7.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤2)所述硫酸溶液质量浓度为20～40％。
8.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤2)所述热处理工艺条件为：在10Pa以下的真空条件下，以10～15℃/min的升温速率升温至900～1250℃，保温1～2小时。
9.根据权利要求1所述的双级孔隙多孔钨的制备方法，其特征在于，步骤3)所述氢氟酸溶液质量浓度为5～10％。
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