專利名稱：一種用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種泡沫鎂的制備工藝，特別是一種用于生物仿生研究領域的清潔高純、無異相殘余的通孔泡沫鎂的制備方法。
背景技術：
泡沫金屬是一種在金屬基體內分布著許多孔洞的材料，與對應的實體金屬相比，具有密度小、比表面積大、能量吸收率好等特點，是一種結構與功能一體化的新型材料。作為結構材料，它具有輕質和高強的特點；作為功能材料，同時具有吸聲、隔熱、防震、耐沖擊、高阻尼、電磁屏蔽等特性，在很多領域具有廣泛的應用前景。比如它可用于飛船的起落架、減震器、緩沖器、過濾器、消音器，以及多孔金屬電極、信號艙等。金屬鎂的密度是鋁的2/3，比強度和比剛度比鋁高，具有六方晶體結構，這將有利于提高其阻尼性能，所以泡沫鎂的制備具有較泡沫鋁更大的意義，尤其是泡沫鎂具有良好的生物相容性以及生物可降解性，對于開孔結構的泡沫鎂來說，可以使新骨組織在其內部生長、體液在其內部傳輸，而且，可以通過控制鎂泡沫的孔隙率，使其強度和楊氏模量滿足自然骨的力學要求。所以說泡沫鎂在生物仿生領域具有巨大的應用潛力和發展前景。但是，目前泡沫金屬的研究以泡沫鋁為主，關于泡沫鎂的文章和專利較少，尤其是高純度、無異相殘余的泡沫鎂，鮮見報道，這主要是由于鎂金屬化學活性強，易氧化，易腐蝕，在制備研發上具有一定的難度，因而探索新的簡單易行的制備方法有著重要的意義。目前，常用的制備泡沫金屬的方法主要有以下幾種
I.熔體發泡法
將發泡劑加入到液態金屬中，發泡劑受熱分解釋放出氣體，氣體膨脹使液態金屬發泡，在金屬冷卻凝固過程中氣泡保留在金屬中，從而形成閉孔泡沫金屬材料。熔體發泡法的優點是獲得的泡沫金屬孔隙率高、制作成本低、適合制備大件，其結構為閉孔結構；缺點是工藝控制比較困難。2.顆粒滲流法
首先將顆粒在模具內壓實，烘干，形成預制塊。然后施加氣壓將金屬液滲入到顆粒預制塊的間隙中，最后將顆粒溶去即可得到開孔結構的泡沫金屬材料。對于填料顆粒的選擇應滿足下列要求1)顆粒材料必須具有一定的強度和耐溫性能，以保證預熱過程、高溫金屬液滲流過程及滲流壓力的作用下不軟化變形，更不能熔化；2)當滲流冷卻后，顆粒應易溶于水或易用其它方式去除掉，以獲得孔洞連通的泡沫金屬網絡結構；3)顆粒表面應該光滑，以保證顆粒間良好的接觸，顆粒表面凹凸不平使顆粒彼此間接觸不良，從而使孔洞間連通性變差；4)顆粒材料還應滿足對環境無污染、來源廣泛和便于成型等特點。顆粒滲流法的優點是孔隙率高，為通孔結構；缺點是對顆粒預制塊的制備要求很高，內部的顆粒難以在短時間內完全去除，從而對鎂基體造成嚴重腐蝕。3.粉末冶金法
包括粘結劑發泡法、松散粉末燒結法、滲入海綿粘合劑燒結法和粉末壓制燒結發泡法。
I)粘結劑發泡法是將粘結發泡劑的混合物與金屬粉末混合物攪拌發泡，烘干成一多孔固體，然后燒結成泡沫金屬材料。2)松散粉末燒結法根據燒結的機制，粉末顆粒要相互接觸，在加熱時由于熱運動和表面張力作用，使粉末之間的接觸增大，燒結時不外加壓力，可以直接把金屬粉末裝滿整個模子進行燒結。此方法主要是用于生產多孔金屬電極和燃料電池。3)滲入海綿粘合劑燒結法將一種海綿相的有機材料，如天然的或合成的塑料海綿切割成所需的形狀，然后浸泡在粘合劑中，這種粘合劑是由所需的金屬粉末和粘合劑媒介物所組成，之后把浸泡過的海綿干燥除去媒介物，最后把得到的干燥海綿在高溫加熱燒結，同時除去分解的有機材料，冷卻后得到一種相互連通的高孔隙率的泡沫金屬材料。4)粉末壓制燒結發泡法首先將金屬粉末和相應的發泡劑按一定的比例均勻混合，發泡劑可以是金屬氫化物、水化物等；然后將混合粉末通過擠壓或熱等靜壓制成致密的半成品，這種半成品的外表面與普通金屬一樣，但在其內部包含了發泡劑。熱擠壓時選擇的溫度使金屬粉末粒子之間通過擴散連接在一起，選擇的壓力使發泡劑不發生分解。最后將擠壓的可發泡半成品加熱到母體金屬熔點溫度以上，使發泡劑產生氣體分解，從而在金屬內部產生氣泡，形成泡沫金屬材料。粉末冶金法的特點是適合于制備孔隙率高、孔分布均勻的、結構較復雜的部件；缺點是工藝控制復雜，殘余物難以清除。4.空心球鑄造法
先用商用酚醛塑料小球在惰性氣體環境中加熱直至塑料炭化，形成中空的小球。然后將這些空心小球加入到金屬液中，并強烈攪拌使空心小球均勻分散，最后得到空心球與金屬基體形成的泡沫金屬材料。空心球鑄造法的特點是孔徑和孔隙率易于控制，適宜于制備小件試樣，并對進行理論分析有較重要的價值。5.精密鑄造法
首先用耐火材料漿料填滿海綿狀的泡沫塑料的空隙，待耐火材料固化后，加熱除去塑料，即形成一個多孔預制塊體。然后把液態金屬液澆入到該預制塊上，最后再除去耐火物質，就形成了與原來海綿狀塑料結構相同的泡沫金屬材料。精密鑄造法的特點是能制備出分布均勻的孔洞連通結構，但力學性能往往較低。6.氣體-共晶轉變法
工藝的核心是在高壓下使氣體溶入金屬并達到共晶成分，然后通過控制氣體“晶體”的結晶熱力學和生長動力學條件，使泡沫金屬材料中的孔洞可以在較大程度上人為地進行控制。高壓氣體噴嘴可在一定范圍內擺動，以避免在熔液中產生大的氣泡，在氣體吹入處有一攪拌裝置，其作用是盡量使氣體均勻分布在熔液中。氣泡氣體可以為空氣、二氧化碳、氧氣、氫氣、水蒸汽或者惰性氣體等。氣體-共晶轉變法的特點是孔洞的大小和孔隙率基本可控，但成本很高。7.金屬沉積法
以聚氨基甲酸乙酯發泡材料為骨架，進行電解沉積，然后加熱除去有機聚合物骨架，得到泡沫金屬材料。 金屬沉積法的特點是不但孔隙率高、孔分布均勻，而且孔互相連通呈三維網狀結構，但制備成本較高，對環境有一定影響。8.濺射沉積法
在惰性氣體的壓力下，金屬原子在飛濺路程中與高壓惰性氣體原子碰撞，金屬原子一方面捕獲了惰性氣體原子，另一方面凝聚成金屬液滴，然后到達襯底。因此在襯底上獲得均勻包裹惰性氣體原子的金屬體。最后在高于金屬熔點的溫度下把金屬加熱足夠長的時間使捕獲的氣體膨脹，形成泡沫金屬材料。濺射沉積法的特點是孔結構特征非常理想，但成本昂貴，不易制備大件。
發明內容
為了緩解現有技術的不足和缺陷，本發明的目的在于提供一種用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，本發明與粉末冶金法以及傳統的顆粒滲流法相比，這種方法的創新之處在于滲流顆粒為二次顆粒，它具有較一次顆粒更優的溶解能力，滲流后極易去除，不會對鎂泡沫基體造成腐蝕和損害，在生物仿生領域將有巨大的應用前景。為了實現上述目的本發明采用如下技術方案
用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于包括以下步驟
Cl)首先將一次NaCl顆粒烘干后球磨成粉體，過200目篩網，將NaCl粉體通過造粒步驟制備出粒度在O. 1-5_的二次顆粒，將所得顆粒依次通過一定規格的篩網，篩分出不同尺寸范圍的二次顆粒；
(2)將步驟(I)分級得到的顆粒原料，置入馬弗爐中進行預燒結，于600-700°C保溫10-120min，取出后自然冷卻；
(3)滲流將金屬鎂于660-700°C熔化，金屬液上方鋪展覆蓋劑，再將步驟(2)預燒結后的顆粒壓成預制塊，控制壓力在10-100MPa，并于600-650°C進行預熱，然后采用惰性氣體加壓滲流，調節壓力至O. Ι-latm，將金屬鎂液滲入到預制塊顆粒間隙中，冷卻后去除NaCl，得到泡沫鎂。所述的用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于所述的泡沫鎂的孔隙率在50-80%之間，為三維相互連通的空間網絡結構，孔徑在O. I-5mm之間。所述的用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于所述的一定規格的篩網為8目、12目、16目、30目、60目和100目。本發明的有益效果
本發明所用的預制塊成型材料為NaCl 二次顆粒，它采用粉體成型技術加工而成，極易溶解，解決了一次顆粒難以清除而造成鎂泡沫腐蝕嚴重的問題，相對于粉末冶金技術，也解決了常規造孔劑難以完全除去而存在異相殘余的問題；本發明成本低廉，所制備的泡沫鎂可以通過選擇不同大小及形狀的二次顆粒而使其孔徑、孔隙率得到有效調整，滿足生物仿生研究方面的需求，具有極為廣闊的應用前景。
圖I本發明的工藝流程圖。圖2本發明生產的泡沫鎂，孔隙率從左到右依次為60%、64%、67%的形貌照片其中(a)俯視圖；(b)側視圖。
圖3本發明生產的泡沫鎂形貌照片其中(a)微結構掃描形貌；(b) EDX能譜圖。
具體實施例方式實施例1 :用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于包括以下步驟 Cl)首先將一次NaCl顆粒烘干后球磨成粉體，過200目篩網，將NaCl粉體通過造粒步
驟制備出粒度在O. l_5mm的二次顆粒，將所得顆粒依次通過8目、12目、16目、30目、60目和100目的篩網，篩分出不同尺寸范圍的二次顆粒；
(2)將步驟(1)分級得到的顆粒原料，置入馬弗爐中進行預燒結，于600-700°C保溫10-120min，取出后自然冷卻；
(3)滲流將金屬鎂于660-700°C熔化，金屬液上方鋪展SY-LFl覆蓋劑，再將步驟(2)預燒結后的顆粒(可以是同一目數級別的顆粒或多種不同目數的顆粒混合)壓成預制塊，控制壓力在lO-lOOMPa，并于600-650°C進行預熱，然后采用惰性氣體加壓滲流，調節壓力至O. Ι-latm，將金屬鎂液滲入到預制塊顆粒間隙中，冷卻后去除NaCl，得到泡沫鎂。所述的泡沫鎂的孔隙率在50-80%之間，為三維相互連通的空間網絡結構，孔徑在O. 1-5mm 之間。實施例2 :將平均直徑為Imm的二次NaCl球形顆粒置入直徑為105mm，高度為90mm的金屬模具內，振動，壓實，放入電阻爐內進行預熱；升溫到650°C并保溫Ih;隨后在O. 5atm下將680°C的金屬鎂液在氬氣保護下滲流澆鑄到650°C預熱的預制塊中；冷卻后水洗除去球形鹽顆粒，得到孔隙率為60%的球形孔清潔泡沫鎂。
權利要求
1.一種用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)首先將一次NaCl顆粒烘干后球磨成粉體，過200目篩網，將NaCl粉體通過造粒步驟制備出粒度在0. 1-5_的二次顆粒，將所得顆粒依次通過一定規格的篩網，篩分出不同尺寸范圍的二次顆粒； (2)將步驟(I)分級得到的顆粒原料，置入馬弗爐中進行預燒結，于600-700°C保溫10-120min，取出后自然冷卻； (3)滲流將金屬鎂于660-700°C熔化，金屬液上方鋪展覆蓋劑，再將步驟(2)預燒結后的顆粒壓成預制塊，控制壓力在10-100MPa，并于600-650°C進行預熱，然后采用惰性氣體加壓滲流，調節壓力至0. 1-latm，將金屬鎂液滲入到預制塊顆粒間隙中，冷卻后去除NaCl，得到泡沫鎂。
2.根據權利要求I所述的用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于所述的泡沫鎂的孔隙率在50-80%之間，為三維相互連通的空間網絡結構，孔徑在0. l-5mm之間。
3.根據權利要求I所述的用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，其特征在于所述的一定規格的篩網為8目、12目、16目、30目、60目和100目。
全文摘要
本發明公開了一種用于仿生領域的清潔泡沫鎂的制備方法，首先將一次NaCl顆粒烘干后球磨成粉體，然后將NaCl粉體通過造粒步驟制備出二次顆粒，將所得顆粒通過篩網篩分出不同的顆粒尺寸；然后預燒結NaCl顆粒，最后將金屬鎂熔化，金屬液上方鋪展SY-LF1覆蓋劑，并通過惰性氣體加壓滲流，將金屬鎂液滲入到預制塊顆粒間隙中，冷卻后去除NaCl，得到泡沫鎂。本發明與粉末冶金法以及傳統的顆粒滲流法相比，這種方法的創新之處在于滲流顆粒為二次顆粒，它具有較一次顆粒更優的溶解能力，滲流后極易去除，不會對鎂泡沫基體造成腐蝕和損害，在生物仿生領域將有巨大的應用前景。
文檔編號C22C23/00GK102618744SQ20121004793
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者任月路, 厲運杰, 曹箭波, 王幸福, 王新福, 韓福生 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院