CN115475942A - 一种多孔钛板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属多孔功能材料领域，具体涉及一种多孔钛板及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：粉末烧结：对钛粉进行烧结处理，得到多孔钛块；多线切割：对所述多孔钛块进行多线切割，得到多孔钛板。该制备方法制备的多孔钛板尺寸大、厚度薄。
Description
技术领域
本发明属于金属多孔功能材料领域，具体涉及一种多孔钛板及其制备方法。
背景技术
多孔钛材料因其良好的机械强度、延展性、电导率和耐腐蚀性等特点得到了广泛的应用，尤其是应用于氢能领域的电解水制氢和燃料电池的气体扩散层材料。
目前，粉末冶金法制备金属多孔钛板主要采用模压成型法和注射成型法，采用模压成型法制备的多孔钛板的厚度一般大于1mm，厚度较大，采用注射成型法制备的多孔钛板的尺寸受限。因此，迫切需要研究一种厚度薄且尺寸大(长和宽均较大)的多孔钛板的制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种多孔钛板及其制备方法，该制备方法制备的多孔钛板尺寸大、厚度薄。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种多孔钛板的制备方法，包括如下步骤：
粉末烧结：对钛粉进行烧结处理，得到多孔钛块；
多线切割：对所述多孔钛块进行多线切割，得到多孔钛板。
本发明提供的制备方法制备的多孔钛板尺寸大、厚度薄。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述钛粉的粒度范围为-100目～+500目，例如，粒度范围可以为-150目～+250目、-230目～+325目或-325目～+500目等。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述粉末烧结步骤中，在真空或保护气气氛中，对钛粉进行烧结处理。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述保护气为惰性气体。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述粉末烧结步骤中，烧结温度为1000℃～1400℃，例如烧结温度可以为1000℃、1080℃、1200℃、1300℃或1400℃等，优选为1000℃～1200℃。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述粉末烧结步骤中，所述对钛粉进行烧结处理，包括：将所述钛粉松装至烧舟内，在真空或保护气气氛中，对钛粉进行烧结处理。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述钛粉的松装密度为1.2-1.9g/cm3，例如，松装密度可以为1.2g/cm3、1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.7g/cm3或1.9g/cm3等。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述对所述多孔钛块进行多线切割，包括：切割线通过运动，使附着在所述切割线上的切割刃料与所述多孔钛块的表面发生连续振动摩擦，以实现对所述多孔钛块进行多线切割。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述切割刃料的硬度高于金属钛的硬度。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述切割刃料包括金刚石、碳化硅中的至少一种。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述多线切割步骤中，工件切割速度(即工作台下移速度)为7-30mm/h，例如切割速度可以为7mm/h、10mm/h、15mm/h、20mm/h、25mm/h或30mm/h等。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述多线切割步骤中，线速度为800-1100m/min，例如线速度可以为800m/min、900m/min、1000m/min或1100m/min等。上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述多线切割步骤中，线径为0.08-0.25mm，例如，线径可以为0.08mm、0.12mm、0.14mm、0.18mm、0.20mm、0.22mm或0.25mm等。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述多线切割步骤中，张力为10-45N，例如，张力可以为10N、12N、15N、20N、25N、30N、35N、40N或45N等。
本发明通过同时限制工件切割速度、线速度、线径和张力，可以保证多孔钛板的表面粗糙度较低，成品率较高。
第二方面，本发明提供了一种多孔钛板，该多孔钛板由第一方面所述的多孔钛板的制备方法制得。
上述多孔钛板中，作为一种优选实施方式，所述多孔钛板的厚度小于或等于0.3mm，长大于或等于200mm，宽大于或等于100mm。
上述多孔钛板中，作为一种优选实施方式，所述多孔钛板的厚度为0.1～0.3mm(例如厚度可以为0.1mm、0.2mm或0.3mm等)，长为200～600mm(例如长可以为200mm、300mm、400mm、500mm或600mm等)，宽为100～400mm(例如宽可以为100mm、200mm、300mm或400mm等)。
上述多孔钛板中，作为一种优选实施方式，所述多孔钛板上孔径的范围为9-40μm，孔隙率为30％-50％。
上述多孔钛板中，作为一种优选实施方式，所述多孔钛板的厚度极差为0.01～0.03mm。
本发明的有益技术效果至少包括以下一种：
(1)本发明提供的制备方法操作简单，成本较低，制备的多孔钛板尺寸大(长和宽均较大)、厚度薄(厚度可以小于0.3mm)、孔隙率高。
(2)本发明改变了传统多孔钛板的制备方法，提供了一种新的大尺寸、厚度薄的多孔钛板的制备方法，可以一次加工将多孔钛块切割成数片薄钛板，表面粗糙度可以达到6μm以下。
(3)本发明提供的制备方法有效地提升了多孔钛板切割加工的效率，简化了加工过程，降低了成本，可以作为燃料电池、电解水制氢领域的气体扩散层材料。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的多孔钛板的微观形貌图(SEM照片)。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除另有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的实验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验试剂用量，如无特殊说明，均为常规实验操作中试剂用量；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例提供了一种多孔钛板的制备方法，包括如下步骤：
S1、粉末烧结：
将粒度范围为-100目～+500目的钛粉松装至烧舟内，在真空或保护气气氛中，对钛粉进行烧结处理，得到多孔钛块，所述钛粉的松装密度为1.2-1.9g/cm3，所述保护气为惰性气体，烧结温度为1000℃～1200℃。
S2、多线切割：
启动多线切割设备，多线切割设备中线径为0.08-0.25mm，切割线的张力为10-45N，调节设备工件切割速度为7-30mm/h，线速度为800-1100m/min，切割线通过运动，使附着在所述切割线上的切割刃料与所述多孔钛块的表面发生连续振动摩擦，以实现对所述多孔钛块进行多线切割，得到多孔钛板，切割刃料包括金刚石、碳化硅中的至少一种。
本发明实施例提供的多孔钛板的制备方法中，可根据实际量产需求调整多线切割设备的切割速度与一次切割数量，一次切割数量可达到100片，且成品率能做到90％，设备灵活度高，适应性强，能够实现提高产品质量和加工效率的目的。
本发明实施例提供了一种多孔钛板，所述多孔钛板由上述多孔钛板的制备方法制得，所述多孔钛板的厚度为0.1～0.3mm，长为200～600mm，宽为100～400mm，所述多孔钛板上孔径的范围为9-40μm，孔隙率为30％-50％，所述多孔钛板的厚度极差为0.01～0.03mm。
下述实施例和对比例中：按照GB/T3505-2000测定表面粗糙度。
实施例1
本实施例提供了一种多孔钛板的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、粉末烧结：
称量1674g粒度范围为-150目～+250目的金属钛粉，将金属钛粉松装至方形石墨烧舟内，所述钛粉的松装密度为1.7g/cm3，均匀平铺在烧舟内并振实；将装有金属钛粉的石墨烧舟放入真空烧结炉烧结，烧结温度为1080℃，保温3h，随炉冷却后取出，制得多孔钛块，尺寸为200*150*20mm(长为200mm，宽为150mm，高为20mm)。
S2、多线切割：
将步骤S1制备的多孔钛块放置在多线切割设备操作台上，多线切割设备中线径为0.12mm，切割线的张力为25N，调节多线切割设备切割速度为7mm/h，线速度为1000m/min，启动多线切割设备，使附着在所述切割线上的切割刃料与多孔钛块表面发生连续振动摩擦，切割线沿多孔钛块厚度方向行进，以实现对所述多孔钛块进行多线切割，切割后可以通过一次加工获得100片厚度为0.15mm左右的多孔钛板(长为200mm，宽为150mm)，成品率为95％，其中，切割线为金刚线，金刚线上附着有切割刃料，切割刃料为金刚石。传统模压成型、注射成型和线切割等制备方式难以达到本实施例制备的多孔钛板的尺寸范围和厚度。
本实施例制备的多孔钛板的孔隙率为38-40％，多孔钛板的孔径范围为28-32μm，由此可知，不同片多孔钛板之间的孔隙率和孔径差距较小，孔隙性能一致性好。
本实施例制备的多孔钛板的微观形貌图如图1所示，由图1可知，同一片多孔钛板的不同位置的孔径一致性好，孔隙率一致性好。截取同一片多孔钛板中心位置和四周位置区域，并进行孔隙率和孔径的测定，同一片多孔钛板的孔径范围为28-32μm，同一片多孔钛板不同位置区域的孔隙率为38-40％，由此可知，同一片多孔钛板不同位置区域的孔隙率和孔径差距较小，孔隙性能一致性好。
使用千分尺测量得到的多孔钛板厚度均匀，同一片多孔钛板的厚度极差最大为0.02mm，表面粗糙度为4-6μm，能够满足现有钛板的工程应用领域，尤其是应用于对表面粗糙度要求高的燃料电池和电解水制氢的气体扩散层。
实施例2
本实施例提供了一种多孔钛板的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、粉末烧结：
称量27135g粒度范围为-150目～+250目的金属钛粉，将金属钛粉松装至方形石墨烧舟内，所述钛粉的松装密度为1.5g/cm3，均匀平铺在方形石墨烧舟内并振实；将装有金属钛粉的石墨烧舟放入气氛烧结炉，在Ar气惰性气氛作用下进行烧结，烧结温度为1150℃，保温3h，随炉冷却后取出，制得多孔钛块，尺寸为600*300*50mm(长为600mm，宽为300mm，高为50mm)。
S2、多线切割：
将步骤S1制备的多孔钛块放置在多线切割设备操作台上，多线切割设备中线径为0.16mm，切割线的张力为28N，调节多线切割设备切割速度为14mm/h，线速度为900m/min，启动多线切割设备，使附着在所述切割线上的切割刃料与多孔钛块表面发生连续振动摩擦，切割线沿多孔钛块厚度方向行进，以实现对所述多孔钛块进行多线切割，切割后可以通过一次加工获得100片厚度为0.28mm左右的多孔钛板(长为600mm，宽为300mm)，成品率为93％，其中，切割线为金刚线，金刚线上附着有切割刃料，切割刃料为碳化硅。传统模压成型、注射成型和线切割等制备方式难以达到本实施例制备的多孔钛板的尺寸范围和厚度。
本实施例制备的多孔钛板的孔隙率为33-35％，多孔钛板的孔径范围为25-27μm，由此可知，不同片多孔钛板之间的孔隙率和平均孔径差距较小，孔隙性能一致性好。
截取同一片多孔钛板中心位置和四周位置区域，并进行孔隙率和孔径的测定，同一片多孔钛板的孔径范围为25-27μm，同一片多孔钛板不同位置区域的孔隙率为33-35％，此可知，同一片多孔钛板不同位置区域的孔隙率和平均孔径差距较小，孔隙性能一致性好。
使用千分尺测量得到的多孔钛板厚度均匀，同一片多孔钛板的厚度极差最大为0.02mm，表面粗糙度为4-6μm，能够满足现有钛板的工程应用领域，尤其是应用于对表面粗糙度要求高的燃料电池和电解水制氢的气体扩散层。
实施例3
本实施例提供了一种多孔钛板的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、粉末烧结：
称量25326g粒度范围为-230目～+325目的金属钛粉，将金属钛粉松装至方形石墨烧舟内，所述钛粉的松装密度为1.9g/cm3，均匀平铺在方形石墨烧舟内并振实；将装有金属钛粉的石墨烧舟放入气氛烧结炉，在Ar气惰性气氛作用下进行烧结，烧结温度为1080℃，保温3h，随炉冷却后取出，制得多孔钛块，尺寸为560*300*50mm(长为560mm，宽为300mm，高为50mm)。
S2、多线切割：
将步骤S1制备的多孔钛块放置在多线切割设备操作台上，多线切割设备中线径为0.18mm，切割线的张力为30N，调节多线切割设备切割速度为20mm/h，线速度为1000m/min，启动多线切割设备，使附着在所述切割线上的切割刃料与多孔钛块表面发生连续振动摩擦，切割线沿多孔钛块厚度方向行进，以实现对所述多孔钛块进行多线切割，切割后可以通过一次加工获得100片厚度为0.30mm左右的多孔钛板(长为560mm，宽为300mm)，成品率为90％，其中，切割线为金刚线，金刚线上附着有切割刃料，切割刃料为金刚石。传统模压成型、注射成型和线切割等制备方式难以达到本实施例制备的多孔钛板的尺寸范围和厚度。
本实施例制备的多孔钛板的孔隙率为33-35％，多孔钛板的孔径范围为18-22μm，由此可知，不同片多孔钛板之间的孔隙率和平均孔径差距较小，孔隙性能一致性好。
截取同一片多孔钛板中心位置和四周位置区域，并进行孔隙率和孔径的测定，同一片多孔钛板的孔径范围为18-22μm，同一片多孔钛板不同位置区域的孔隙率为33-35％，由此可知，同一片多孔钛板不同位置区域的孔隙率和平均孔径差距较小，孔隙性能一致性好。
使用千分尺测量得到的多孔钛板厚度均匀，同一片多孔钛板的厚度极差最大为0.03mm，表面粗糙度为3-5μm，能够满足现有钛板的工程应用领域，尤其是应用于对表面粗糙度要求高的燃料电池和电解水制氢的气体扩散层。
对比例1
本对比例提供了一种多孔钛板的制备方法，该制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于切割方式不同，具体包括如下步骤：
S1、粉末烧结：与实施例2相同。
S2、传统电火花线切割：
采用传统电火花线切割对所述多孔钛块进行切割，切割后获得厚度为0.5mm多孔钛板(长为560mm，宽为280mm)，成品率为82％，但效率是相当低，无法量产。
本对比例制备的多孔钛板的表面粗糙度为13-15μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多孔钛板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
粉末烧结：对钛粉进行烧结处理，得到多孔钛块；
多线切割：对所述多孔钛块进行多线切割，得到多孔钛板。
2.根据权利要求1所述的多孔钛板的制备方法，其特征在于，所述钛粉的粒度范围为-100目～+500目。
3.根据权利要求1所述的多孔钛板的制备方法，其特征在于，在所述粉末烧结步骤中，
烧结温度为1000℃～1400℃；
所述对钛粉进行烧结处理，包括：将所述钛粉松装至烧舟内，在真空或保护气气氛中，对钛粉进行烧结处理。
4.根据权利要求3所述的多孔钛板的制备方法，其特征在于，所述钛粉的松装密度为1.2-1.9g/cm3。
5.根据权利要求1所述的多孔钛板的制备方法，其特征在于，所述对所述多孔钛块进行多线切割，包括：切割线通过运动，使附着在所述切割线上的切割刃料与所述多孔钛块的表面发生连续振动摩擦，以实现对所述多孔钛块进行多线切割。
6.根据权利要求5所述的多孔钛板的制备方法，其特征在于，所述切割刃料的硬度高于金属钛的硬度；所述切割刃料包括金刚石、碳化硅中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的多孔钛板的制备方法，其特征在于，在所述多线切割步骤中，工件切割速度为7-30mm/h；线速度为800-1100m/min；线径为0.08-0.25mm；张力为10-45N。
8.一种多孔钛板，其特征在于，所述多孔钛板由权利要求1-7任一项所述的多孔钛板的制备方法制得。
9.根据权利要求8所述的多孔钛板，其特征在于，所述多孔钛板的厚度小于或等于0.30mm，长大于或等于200mm，宽大于或等于100mm。
10.根据权利要求8所述的多孔钛板，其特征在于，所述多孔钛板的厚度为0.1～0.3mm，长为200～600mm，宽为100～400mm；所述多孔钛板上孔径的范围为9-40μm，孔隙率为30％-50％；所述多孔钛板的厚度极差为0.01～0.03mm。
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