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多孔(泡沫)材料制备方法综述


一、粉末冶金法
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5) 混合烧结法
将金属粉末混合到发泡树脂中,形成发泡柱。焙烧 热分解除去树脂,然后烧结并除去氧化物,即得多孔金 属泡沫,或将金属粉末填入多孔树脂中一起烧结,也可 将金属粉末和造孔剂混合均匀后烧结或熔化,最大空率 可达98%。
还有一种较新发展的粉末冶金技术,适合于制备高 空率金属材料。将铝或铝合金粉末按传统方式与发泡剂 混合,然后压实成具有一定密度的半成品,单向压或辊 压都可以。加热到熔点温度范围,膨胀成为高孔率结构。
四、金属沉积法
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2) 真空蒸镀
该法是用电子束、电阻加热等方式加热, 蒸发欲 蒸镀的物质, 并使其沉积在基材上。真空镀法的镀层一 般很薄。特别是对合成树脂作基体, 在真空中熔化。蒸 镀金属过程中, 由金属熔化时的辐射热, 加热了基材, 因此只能镀0.1-1.0μ m的薄膜。向真空镀室的冷却外套 通人-30℃ 的冷却介质, 使真空镀室中的气氛温度降低, 和冷却导辊的直接冷却, 使通过真空镀室的网带或多孔 材料带等有机基体的温度降低大约在50℃ 以下。因此, 不论何种基材, 何种蒸镀金属, 都能蒸镀成厚膜, 多孔 金属的孔也不易变形。蒸镀后在氢气气氛中除去多孔基 材, 烧结, 制成所需多孔金属材料。
四、金属沉积法
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5) 电沉积
目前在国内外普遍采用该法进行大规模制备高孔率 金属,其产品不但孔率高(达80%-99%), 而且孔结构分 布均匀, 孔隙相互连通。该法以高孔率开口结构为基体, 一般采用三维网状的有机泡沫, 常用的有聚氨基甲酸乙 酯(包括聚醚氨基甲酸乙酯泡沫和聚脂氨基甲酸乙酯泡 沫), 聚脂、烯聚合物(如聚丙烯或聚乙烯)、乙烯基 和苯乙烯聚合物及聚酰胺等。也可采用纤维毡等。主要 过程分基材预处理、导电化处理、电镀和还原烧结4步。 首先应将基体材料进行碱(或酸)溶液处理, 以除油、 表面粗化和消除闭孔, 然后清洗干净。
五、其它方法
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1) 自蔓延高温合成
该法又称燃烧合成法, 是近几十年来发展非常迅速 的材料制备新技术, 可用来制备金属间化合物和复合材 料等产品。它的原理是利用化学反应自身的生成热来维 持材料的合成。当反应被引发以后, 随着燃烧波的推进, 反应物转变成生成物。由于SHS(自蔓延高温合成)过 程中产生高的反应速度, 以及高的温度梯度, 造成生成 物的晶体点阵具有高密度的缺陷, 易生成多孔的骨架结 构, 使生成物具有很大的表面积。该法弥补了多孔体的 其它制造方法(如粉末冶金法和渗流铸造法等)生产周 期长、能耗大、工艺复杂等缺点, 可降低制备成本。
多孔(泡沫)材料制备方法
一.粉末冶金法ຫໍສະໝຸດ 二.纤维冶金法三.铸造法 四.金属沉积法 五.其它方法
一、粉末冶金法
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粉末冶金是用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的 混合物)作原料,经成型和烧结制造多孔金属材料、复 合材料及各种类型制品的工艺过程。 烧结:粉末在低于主要组分熔点温度下加热,使颗粒 间产生连接,把粉状物料转变为致密体,是一个传统的 工艺过程。
四、金属沉积法
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1) 溅射法
在一定惰性气体分压下, 采用阴极溅射的方法在 基体材料上沉积夹杂惰性气体原子的金属。加热至金属 熔点以上充分保温, 使夹杂的气体膨胀而形成孔隙, 冷 却后即得闭孔结构的多孔金属材料。该法所得产品的孔 率可通过控制沉积室中惰性气体的分压来控制, 范围可 从百分之几到80%。
一、粉末冶金法
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4) 有机海绵浸浆烧结法
该法已被用来生产孔率为70%-90%的多孔银。还 可将金属粉末调成悬胶体注入开口多孔结构(如泡沫塑 料),除去有机介质,将金属粉末粒子烧结在一起。这 种由对开口多孔基体灌浆烧结,再制出一个完全的开口 结构多孔金属的能力是有限的。因为随着注入金属量的 增加或有机基体孔体尺寸的减小,复制基体开口孔的能 力越来越小,内部很多孔道被堵塞。
三、铸造法
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2) 颗粒铸造法
该法是在预加颗粒周围铸上金属, 冷却后滤去预 加颗粒制得连通孔结构后海绵金属。所用颗粒是可溶性 耐热物质如NaCl等。过热金属熔体或过热颗粒均有利于 液态金属在孔中的流动。这种方法已用于Al(铝)、Mg (镁)、Zn(锌)、Pb(铅)、Sn(锡)和铸铁等。
三、铸造法
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一、粉末冶金法
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3) 浆料发泡法
将金属细粉和发泡剂与有机物一起制成混合料浆后, 加热、发泡得到固体多孔结构。该法常被用来制备Be (铍)、Fe(铁)、Ni(镍)、Cu(铜)、Al(铝)及 不锈钢和青铜等多孔材料 。
一、粉末冶金法
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4) 有机海绵浸浆烧结法
将海绵状有机材料切割成所需形状后浸泡含有所需 金属粉末的浆料(料浆载体可为水或有机溶剂),干燥 浸浆海绵除去溶剂后在某一温度下加热使有机海绵体分 解或热解,在更高的温度下进一步加热留下的金属体使 其烧结,冷却后即得到具有连通孔隙的高孔率结构金属。 也可用金属的化合物代替金属粉末。如金属的乳酸盐和 碳酸盐。通过加热到其分解温度,他它们能在支持结构 烧毁的同时转化成相应的金属。
一、粉末冶金法
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1) 成型粉末烧结法
将可烧结的金属粉末与发泡剂形成有金属粉末分散 其内的泡沫,还原气氛中加热使粒子扩散和结合,分解 泡沫并烧结金属粉末而得到金属多孔体。目前可以烧结 的粉未有:不锈钢、Ti(钛)、Fe(铁)、Ni(镍)、 Cu(铜)、蒙耐尔及高温合金等。 蒙耐尔(Monel)合金是Ni-Cu系耐蚀合金,具有高强 度、高耐蚀、耐磨损的优良的物理特性。
三、铸造法
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5) 精密铸造法
以三维网状结构的聚氨酯等有机泡沫作模型, 将熔 融金属如(熔融铝)流入模型孔内, 冷却凝固后加热或 溶剂法除去有机物即得多孔金属。
三、铸造法
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6) 气泡法
将惰性气体从熔融金属底部吹入, 在金属液中形成 大量气孔后冷却凝固。可在基体金属中分散固体稳定剂 微粒。将复合物加热到基体金属熔点以上后, 在底部充 气, 这些气泡漂浮到复合熔体上表面时生成闭孔泡沫。 冷却后即形成闭孔占多数的多孔材料, 稳定剂粒子弥散 于基体金属内部。稳定剂粒子可为氧化铝、碳化硅和氮 化硅等, 其尺寸大小和所占体积分数均应适中。若其尺 寸过小则混合困难, 过大则难于定置。其体积含量过低 则泡沫稳定性差, 而过高则粘度太大。基体金属可为铝、 锌、铅、镍、镁、铜、钢及其合金, 成泡气体可为空气、 CO2、水蒸汽和惰性气体等。通过调节气体流速可控制 所得泡沫的孔隙尺寸。还有人咖习将液态金属与纯净气 体混流, 并连续快速加压混合物, 进一步凝固, 制得高 孔率的泡沫铝。
四、金属沉积法
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3) 反应沉积
将开孔泡沫结构体置于含有金属化合物气体的容器 中, 加热至金属化合物的分解温度, 金属元素则从其化 合物中分解出来沉积到泡沫基体上形成镀金属的泡沫结 构, 然后烧结成开孔金属网络即得泡沫金属。如制取泡 沫镍时的金属化合物可为羰基镍, 所得产品由具备均一 横截面的中空镍丝构成。
三、铸造法
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4) 颗粒渗流法
该法是将熔融金属压入颗粒载体模, 冷却凝固后除 去复合体中原颗粒载体, 从而得到多孔金属材料。如将 NaCl或KCl等粒子放入坚固的容器中预热至临界温度以 上, 把熔融金属倾入其上加压, 浸入粒子的缝隙中, 形 成金属和粒子的复合体。除去粒子(多用水浸除去), 则得多孔金属。由于金属熔体和粒子的热交换, 压入粒 子层时有可能引起凝固, 使操作无法进行。为防止此现 象的发生, 必须对粒子层进行预热。该法所得产品的孔 率在50%-70%以上, 孔结构与所用粒子形状有关。
四、金属沉积法
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5) 电沉积
利用电沉积法改变不同镀液组成可镀制很多高孔 率金属材料。如镀镍、铬、锌、铜、锡、铅、铁、金、 银、铂、把、铭、铝、锡、钴、铟、汞、钒、铊、镓等。 也可电镀合金如黄铜、青铜、钴-镍合金、铜一锌合金 和其它合金。一些不适宜用水溶液电解的金属,可用特 殊镀液, 如铝和锗最通常使用的方法是由有机镀液中电 解或溶盐电解。
四、金属沉积法
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5) 电沉积
导电化处理可用蒸镀(如真空蒸镀)、离子镀 (如电弧离子镀)、溅射(如磁控溅射)、化学镀(如 镀Cu、Ni、Co、Pd、Sn等)、涂覆导电胶(如石墨胶体、 碳黑胶体)、涂覆导电树脂(如聚吡咯、聚噻吩等)和 涂覆金属粉末(如铜粉、银粉等)。其中常用的方法是 化学镀和涂布导电胶。另外,还可由化学氧化聚合, 在 多孔基体孔隙表面形成导电性高分子层, 或由化学氧化 聚合形成导电性高分子层后, 再在此导电性高分子层上 用电解聚合方法形成导电性高分子层, 然后电镀。作为 化学氧化聚合的单体, 有吡咯、噻吩、呋喃等杂五环化 合物和它们的衍生物。
一、粉末冶金法
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2) 松装粉末烧结法
将金属封末松装于模具内进行无压烧结,在烧结过 程中粉末颗粒互相粘结,从而形成多孔烧结体。该法所 得产品孔隙为40%-60%。为提高空隙,常加入疏松剂, 它可在烧结时分解或挥发,也可通过升华或溶解而得以 去除。如在生产Fe(铁)、Ni(镍)、Cu(铜)或其 合金多孔体时,常加入甲基纤维素作疏松剂,孔率可提 高到70%-90%。
3) 包铸法
在泡沫塑料的孔隙中充入液态的盐类(如NaCl), 使其固化, 加热复合体使有机物气化除去, 得到海绵状 铸模。将熔融金属注入该模并冷却凝固, 除去盐类即得 和原泡沫塑料结构相同的多孔金属。这种方法适于熔点 相对较低的金属, 如Cu(铜)、Al(铝)、Pb(铅)、 Zn(锌)、Sn(锡)及其合金。产品孔径为100-200μ m, 孔率约为60%-80%。
三、铸造法
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1) 金属熔体发泡法
该法是在熔融金属中加发泡剂, 搅拌均匀后加热使 发泡剂分解产生气体, 气体膨胀使金属液体发泡, 冷却 后即得泡沫固体。所用发泡剂通常为金属氢化物, 如 TiH2(二氢化钛)或ZrH2(二氢化锆)等。 此法可制备多种泡沫金属, 缺点是难于控制气泡大 小, 故难以获得均匀的多孔材料。解决的办法一是高速 搅拌使发泡剂颗粒迅速而均匀地分散于熔融金属中, 二 是增大金属熔体的粘度以防止发泡过程中气体的逸出和 气泡的结合长大。另一问题是加人发泡剂与形成泡沫的 时间间隔相对较短, 使得铸造操作困难。解决办法一是 加厚铸层以保持发泡金属温度和延长流动时间, 二是采 用连续铸造液态材料。
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