一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法
【專利摘要】本發明一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法，該方法是采用粉末冶金方法，將冰糖顆粒與電解銅粉以及添加劑無水乙醇混合均勻后壓制得生坯，將生坯置于沸水中沖洗將冰糖顆粒徹底溶除，并經清洗、烘干后，將所得物品置于惰性氣體氣氛中燒結，隨爐冷卻至室溫后即制得有由三維相互連通的空間網絡構成的孔隙率為50～85%和平均孔徑為0.2～2mm的開孔泡沫銅產品。本發明所得開孔泡沫銅的燒結質量較高，有著很好的力學性能及壓縮吸能特性。
【專利說明】—種孔隙率、孔徑可控開孔泡沬銅的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明的技術方案涉及有開或閉孔隙的金屬的制造，具體地說是一種開孔泡沫銅的制備方法。
【背景技術】
[0002]開孔泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連通孔洞的新型多功能材料，其比表面積高，同時具有吸音、滲透、過濾及能量吸收等特性，在催化、化工、能源、熱能、環保、機械、電子、航空、緩沖和減震降噪領域都具有巨大的市場應用潛力。
[0003]有關泡沫銅的制備方法，已經研發的現有工藝技術有:定向凝固方法、去合金化方法、電沉積或氣相沉積方法、熔融金屬滲流方法及粉末冶金方法。其中定向凝固方法可制備多種構型的泡沫金屬特別是珊瑚狀泡沫銅，但孔隙率和開孔率均比較低，因此不適宜制備高孔隙率和開孔型泡沫銅。去合金化方法一般用于制備具有納米孔隙的泡沫銅，其生產周期較長。電沉積或氣相沉積方法用塑料泡沫為前驅材料，但因為孔的形貌、尺寸及孔隙率等都很大程度上取決于前驅材料，因此所制得泡沫金屬材料的結構參數仍有限制。熔融金屬滲流方法是采用可溶或可熔的造孔劑燒結體為前驅體、待制備泡沫的金屬為滲流體，滲流后將造孔劑溶/熔除來獲得開孔泡沫金屬的制備方法。該方法操作難度很大，造孔劑選擇困難，且在壓力滲流過程中由于溫度過高往往存在界面反應。與上述方法相比，用粉末冶金方法可制備出構型更為靈活、基體更為多樣化的多孔金屬，采用該工藝所制備的多孔材料具有更為寬廣的結構及性能參數的可調范圍，因此所制得泡沫金屬材料有著更廣的應用范圍。CN101608271B公開了一種采用粉末冶金工藝制備開孔泡沫銅的方法，該方法以電解銅粉為原材料、NaCl顆粒為造孔劑，將兩者混合均勻并壓制成坯后進行燒結，之后將所得材料在循環熱水中將NaCl顆粒溶除，得開孔泡沫銅產品。該方法工藝及所使用設備簡單、生產成本低、易于實現規模化生產，且所制得的開孔泡沫銅產品的孔隙率及孔徑均可精確控制。然而，采用該工藝制備泡沫銅時，極少量殘留在銅基體中的NaCl可能會對銅基體造成腐蝕，從而影響材料的性能。CN103215470A亦公開了一種采用粉末冶金工藝制備開孔泡沫的方法。該方法系采用尿素顆粒為造孔劑，利用尿素在快速升溫過程中充分分解或揮發來獲得開孔泡沫銅。然而，該方法的主要問題在于對銅具有腐蝕性的尿素分解產物在較高溫度下經由銅基體排出時，可對銅基體造成影響，進而影響材料的性能及應用。同時，該方法中所設計的尾氣收集系統增加了制備設備的復雜性和建造成本。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法，它是用粉末冶金方法，特別是利用對銅基體無腐蝕且價格低廉的冰糖顆粒作為造孔劑來制備泡沫銅，制備工藝及所使用設備簡單，所得開孔泡沫銅的孔隙率及孔徑可控，燒結質量較高，力學性能優良。
[0005]本發明的技術方案為:[0006]一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法，包括以下步驟:
[0007]第一步，冰糖顆粒的預處理
[0008]對冰糖顆粒進行破碎處理及不同粒徑顆粒的篩分，選出得到平均粒徑為0.2~2mm的冰糖顆粒；
[0009]第二步，制備生坯
[0010]將從第一步處理并篩分得到的冰糖顆粒與40~80 μ m的純銅粉均勻混合，同時加入為上述純銅粉和冰糖顆粒總質量2~3%的添加劑無水乙醇，其中，冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的50~85%，將該均勻混合物裝入壓制模具，單向加壓至250~320MPa，獲得生坯；
[0011]第三步，冰糖顆粒的溶除
[0012]將第二步制得的生坯置于沸水中沖洗將冰糖顆粒溶除，沖洗過程直至該物品質量不再變化結束，然后將該物品置于超聲波無水乙醇浴中洗10~15分鐘，再于烘箱中在80°C烘干；
[0013]第四步，惰性氣體氣氛保護燒結
[0014]將第三步制得的物品置于處于室溫的管式氣氛燒結爐中，并充入氬氣，10分鐘后采用以下階梯升溫方式:首先以10°c /min的升溫速率升溫至750~780°C并保溫燒結I~2小時，然后再以3°C /min的升溫速率升溫至930~950°C并保溫燒結2~3小時，隨爐冷卻至室溫后即制得開孔泡沫銅產品。
[0015]所述的冰糖是市售的單晶或多晶冰糖顆粒。
[0016]在上述一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法中，所用的原材料純銅粉、冰糖顆粒和無水乙醇均為市售的普通化工商品；篩分、單向加壓、烘干和燒結均為公知的材料加工工藝；壓制模具、沸水沖洗裝置、超聲波清洗裝置和燒結爐均為公知的普通材料制備用設備。
[0017]本發明按上述方法可得到燒結質量高、外觀及性能均優異的開孔泡沫銅產品。該產品為由三維相互連通的空間網絡構成的開孔銅泡沫，其孔隙率、孔徑均可精確控制，范圍分別為50~85%、0.2~2mm。
[0018]本發明一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法的原理是:采用冰糖顆粒為造孔劑，將純銅粉與冰糖顆粒混合均勻并壓制成坯后，首先在沸水中將冰糖顆粒完全溶除，如此便可在銅基體中留下均勻分布的泡孔。待將多孔生坯在高溫進行燒結后，便可最終制得孔隙率、孔徑可控的開孔泡沫銅產品。
[0019]本發明的有益效果是:
[0020](I)本發明方法工藝及所使用設備條件簡單、生產成本低，廢品率低，易于實現規模化生產。
[0021](2)本發明方法與采用NaCl或尿素為造孔劑的方法相比，具有對基體無腐蝕的優點。
[0022](3)本發明方法制得的開孔泡沫銅產品的孔隙率及孔徑均可精確控制，其孔隙率范圍為50~85%，孔徑范圍為0.2~2mm。
[0023](4)本發明方法的獲取生坯的壓制過程中，使用少量有機溶劑添加劑，這使的純銅粉與冰糖顆粒更易混勻且粘接充分，從而可以保證最終所得產品中孔洞分布的均勻性。[0024](5)本發明方法在樣品燒結前即已將造孔劑完全溶除，因此燒結溫度不受限制。
[0025](6)本發明方法采用了階梯升溫的方式，避免了較高的熱應力，同時使得銅基體在較低溫時提前固化，從而使得最終所得產品的燒結質量高，形貌規則。(參見附圖1)
[0026](7)本發明方法在燒結過程中采用了惰性氣體保護，所得產品表面及孔洞內壁均不含銅的氧化物，從而保證了產品的質量和性能。 [0027](8)本發明方法制得的開孔泡沫銅均為三維相互貫通的空間開孔網絡結構。
[0028](9)用萬能材料試驗機對用本發明方法制得的開孔泡沫銅進行測試，所得開孔泡沫銅應力-應變曲線具有明顯的彈性、屈服及塑性變形階段，說明該開孔泡沫銅有著良好的力學性能。同時，該開孔泡沫銅應力-應變曲線展示出了很長的低應力值塑性平臺區，說明該開孔泡沫銅有著很好的壓縮吸能特性。(參見附圖2)
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0030]圖1是用數碼相機和S-4800型場發射掃描電鏡進行觀察本發明實施例4制得的孔隙率為70%開孔泡沫銅后所得的照片；其中，圖1a為所得的開孔泡沫銅的宏觀形貌；圖1b為所得的開孔泡沫銅的微觀形貌；
[0031 ] 圖2是用SHT5305型微機控制電液伺服萬能材料試驗機對本發明實施例2~6制得的開孔泡沫銅進行準靜態壓縮而得到的應力-應變曲線圖。
【具體實施方式】
[0032]實施例1
[0033]第一步，冰糖顆粒的預處理
[0034]對冰糖顆粒進行破碎處理及不同粒徑顆粒的篩分，選出得到平均粒徑為0.2mm的冰糖顆粒；
[0035]第二步，制備生坯
[0036]將從第一步處理并篩分得到的冰糖顆粒與40 y m的純銅粉均勻混合，同時加入為上述純銅粉和冰糖顆粒總質量2%的添加劑無水乙醇，其中，冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的50%，將該均勻混合物裝入壓制模具，單向加壓至250MPa，獲得生坯；
[0037]第三步，冰糖顆粒的溶除
[0038]將第二步制得的生坯置于沸水中沖洗將冰糖顆粒溶除，沖洗過程直至該物品質量不再變化結束，然后將該物品置于超聲波無水乙醇浴中洗10分鐘，再于烘箱中在80°C烘干;
[0039]第四步，惰性氣體氣氛保護燒結
[0040]將第三步制得的物品置于處于室溫的管式氣氛燒結爐中，并充入氬氣，10分鐘后采用以下階梯升溫方式:首先以10°c /min的升溫速率升溫至750°C并保溫燒結2小時，然后再以3°C /min的升溫速率升溫至930°C并保溫燒結3小時，隨爐冷卻至室溫后即制得開孔泡沫銅產品。
[0041]本實施例所制得的泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為50%，平均孔徑為0.2mmo[0042]實施例2
[0043]第一步，冰糖顆粒的預處理
[0044]對冰糖顆粒進行破碎處理及不同粒徑顆粒的篩分，選出得到平均粒徑為0.4mm的冰糖顆粒；
[0045]第二步，制備生坯
[0046]將從第一步處理并篩分得到的冰糖顆粒與75 y m的純銅粉均勻混合，同時加入為上述純銅粉和冰糖顆粒總質量3%的添加劑無水乙醇，其中，冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的50%，將該均勻混合物裝入壓制模具，單向加壓至300MPa，獲得生坯；
[0047]第三步，冰糖顆粒的溶除
[0048]將第二步制得的生坯置于沸水中沖洗將冰糖顆粒溶除，沖洗過程直至該物品質量不再變化結束，然后將該物品置于超聲波無水乙醇浴中洗15分鐘，再于烘箱中在80°C烘干;
[0049]第四步，惰性氣體氣氛保護燒結
[0050]將第三步制得的物品置于處于室溫的管式氣氛燒結爐中，并充入氬氣，10分鐘后采用以下階梯升溫方式:首先以10°c /min的升溫速率升溫至780°C并保溫燒結I小時，然后再以3°C /min的升溫速 率升溫至940°C并保溫燒結2.5小時，隨爐冷卻至室溫后即制得開孔泡沫銅產品。
[0051]本實施例所制得的泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為50%，平均孔徑為
0.4mm。
[0052]實施例3
[0053]其它步驟同實施例2，不同之處為冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的60%，所得泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為60%，平均孔徑為0.4mm。
[0054]實施例4
[0055]其它步驟同實施例2，不同之處為冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的70%，所得泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為70%，平均孔徑為0.4mm。
[0056]圖1是用數碼相機和S-4800型場發射掃描電鏡進行觀察本實施例制得的孔隙率為70%開孔泡沫銅所得到的照片。其中圖1a為利用數碼相機所得的開孔泡沫銅的宏觀形貌，由照片可知，由本實施例制得的開孔泡沫銅為三維相互貫通的空間開孔網絡結構，其平均孔徑范圍為0.4mm，孔隙率為70% ;圖1b為利用S-4800型場發射掃描電鏡所得的開孔泡沫銅的微觀形貌，由照片可知由本實施例制得的開孔泡沫銅的燒結質量較高，泡沫銅基體致密，銅粉顆粒間已形成了良好的冶金結合。
[0057]實施例5
[0058]其它步驟同實施例2，不同之處為冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的80%，所得泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為80%，平均孔徑為0.4mm。
[0059]實施例6
[0060]其它步驟同實施例2，不同之處為冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的85%，所得泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為85%，平均孔徑為0.4mm。
[0061 ] 圖2是用SHT5305 型微機控制電液伺服萬能材料試驗機對實施例2~6制得的開孔泡沫銅進行準靜態壓縮而得到的應力-應變曲線圖。由圖可見，由實施例2~6制得的開孔泡沫銅的應力-應變曲線具有明顯的彈性、屈服及塑性變形階段，說明所得開孔泡沫銅有著良好的力學性能。同時，由實施例2~6制得的開孔泡沫銅應力-應變曲線展示出了很長的低應力值塑性平臺區，說明所得開孔泡沫銅有著很好的壓縮吸能特性。
[0062]實施例7
[0063]第一步，冰糖顆粒的預處理
[0064]對冰糖顆粒進行破碎處理及不同粒徑顆粒的篩分，選出得到平均粒徑為2_的冰糖顆粒；
[0065]第二步，制備生坯
[0066]將從第一步處理并篩分得到的冰糖顆粒與80 y m的純銅粉均勻混合，同時加入為上述純銅粉和冰糖顆粒總質量3%的添加劑無水乙醇，其中，冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的70%，將該均勻混合物裝入壓制模具，單向加壓至320MPa，獲得生坯；
[0067]第三步，冰糖顆粒的溶除
[0068]將第二步制得的生坯置于沸水中沖洗將冰糖顆粒溶除，沖洗過程直至該物品質量不再變化結束，然后將該物品置于超聲波無水乙醇浴中洗15分鐘，再于烘箱中在80°C烘干;
[0069]第四步，惰性氣體氣氛保護燒結
[0070]將第三步制得的物品置于處于室溫的管式氣氛燒結爐中，并充入氬氣，10分鐘后采用以下階梯升溫方式:首先以10°c /min的升溫速率升溫至780°C并保溫燒結I小時，然后再以3°C /min的升溫速率升溫至950°C并保溫燒結2小時，隨爐冷卻至室溫后即制得開孔泡沫銅產品。
[0071]本實施例所制得的泡沫銅產品具有開孔結構，平均孔隙率為70%，平均孔徑為2mm o
[0072]本發明未盡事宜為公知技術。
【權利要求】
1.一種孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法，其特征為包括以下步驟: 第一步，冰糖顆粒的預處理 對冰糖顆粒進行破碎處理及不同粒徑顆粒的篩分，選出得到平均粒徑為0.2~2 _的冰糖顆粒； 第二步，制備生坯 將從第一步處理并篩分得到的冰糖顆粒與40~80 y m的純銅粉均勻混合，同時加入為上述純銅粉和冰糖顆粒總質量2~3%的添加劑無水乙醇，其中，冰糖顆粒的體積為冰糖顆粒與純銅粉體積之和的50~85%，將該均勻混合物裝入壓制模具，單向加壓至250~320MPa，獲得生坯； 第三步,冰糖顆粒的溶除 將第二步制得的生坯置于沸水中沖洗將冰糖顆粒溶除，沖洗過程直至該物品質量不再變化結束，然后將該物品置于超聲波無水乙醇浴中洗10~15分鐘，再于烘箱中在80 °(:烘干; 第四步，惰性氣體氣氛保護燒結 將第三步制得的物品置于處于室溫的管式氣氛燒結爐中，并充入氬氣，10分鐘后采用以下階梯升溫方式:首先以10 °c/min的升溫速率升溫至750~780 0C并保溫燒結I~2小時，然后再以3 °C/min的升溫速率升溫至930~950 °C并保溫燒結2~3小時，隨爐冷卻至室溫后即制得開孔泡沫銅產品。
2.如權利要求1所述的孔隙率、孔徑可控開孔泡沫銅的制備方法，其特征為所述的冰糖是市售的單晶或多晶冰糖顆粒。
【文檔編號】C22C9/00GK103602845SQ201310643228
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】王清周, 劉惟均, 崔春翔, 陸東梅, 徐萌, 張明坤 申請人:河北工業大學