專(zhuān)利名稱(chēng)：一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法。
背景技術(shù)：
泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型多功能材料。開(kāi)孔泡沫銅具有良好的力學(xué)性能、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，可用于制作過(guò)濾器、催化劑載體、隔音材料、能量吸收器、電池負(fù)極(載體)材料、換熱器、電磁屏蔽材料及電磁兼容器件，涉及冶金、化工、機(jī)械、環(huán)保、電子及航空等領(lǐng)域。關(guān)于泡沫銅的制備方法，已開(kāi)發(fā)的并具有實(shí)用價(jià)值的工藝技術(shù)有:去合金化法，模版法，定向凝固法以及粉末冶金方法。去合金化法一般用于制備具有納米孔隙的泡沫銅，其制備工藝費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)；模版法一般采用塑料泡沫為前驅(qū)材料，利用電沉積或氣相沉積獲得開(kāi)孔的泡沫銅，但所得的泡沫銅孔形貌、尺寸及孔隙率等都很大程度上受制于前驅(qū)材料，且生產(chǎn)成本較高；定向凝固方法所得的多孔銅強(qiáng)度較高，但其孔隙率均在50%以下，且孔一般均為閉孔；粉末冶金方法是工業(yè)生產(chǎn)多孔金屬的主要方法，但通過(guò)銅粉直接燒結(jié)所得的多孔銅孔隙率低，力學(xué)性能不佳，且燒結(jié)過(guò)程不易控制，而造孔劑的引入可以解決這些問(wèn)題。CN101608271A公開(kāi)了一種通孔泡沫銅的制備方法，該方法以電解銅粉為原材料，NaCl顆粒為造孔劑，先將兩者混合均勻后壓制成生坯，然后對(duì)生坯進(jìn)行燒結(jié)，所得的燒結(jié)體通過(guò)循環(huán)熱水裝置將NaCl顆粒溶解去除，最終得到開(kāi)孔、孔隙率為50-81 %、平均孔徑為0.2_4mm的通孔泡沫銅產(chǎn)品。但利用該技術(shù)難以燒結(jié)出高孔隙率(大于85%)的多孔銅，且制備工藝流程較復(fù)雜。其主要問(wèn)題在于在高于NaCl熔點(diǎn)燒結(jié)后，熔融的NaCl有可能殘留在銅基體中，在隨后的水溶過(guò)程中難以從燒結(jié)坯體中完全浸出，殘余NaCl也將影響多孔銅的性能及應(yīng)用，且浪費(fèi)大量淡水資源。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供一種開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，它是利用粉末冶金法，特別是利用價(jià)格低廉且易分解的尿素作為造孔劑來(lái)制備泡沫銅，制備工藝簡(jiǎn)單，所得的開(kāi)孔泡沫銅孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控 ，無(wú)尿素殘留，燒結(jié)質(zhì)量較高，力性性能優(yōu)良。本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，其特征在于:以純銅粉和尿素顆粒為原材料，采用自行設(shè)計(jì)帶收集系統(tǒng)的氣體保護(hù)燒結(jié)技術(shù)制備開(kāi)孔泡沫銅的方法，具體步驟和工藝條件是:(I)將不同形貌的尿素顆粒進(jìn)行不同粒徑顆粒的篩分，篩分后得到425-710 μ m及710-1000 μ m粒度的尿素顆粒；(2)純銅粉和尿素顆粒的均勻混合將平均粒度為50_100μπι的純銅粉與上述不同粒度的尿素顆粒分別混合，放入“V”型混料機(jī)中，加入適量有機(jī)溶劑，充分混合15-30分鐘后形成混合粉末；(3)壓制將步驟(2)所得混合粉末裝入壓制模具，在室溫下雙向加壓至200_300MPa制成得坯。(4)氣體保護(hù)燒結(jié)先將氣體保護(hù)燒結(jié)爐升溫至250-300°C，并通入惰性氣體，再將步驟(3)制得的生坯直接置于的氣體保護(hù)燒結(jié)爐中，保持惰性氣體流速大于0.15m/s，保溫30-60分鐘使尿素充分分解并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行收集；然后關(guān)閉惰性氣體并通入還原氣體，采用以下雙級(jí)燒結(jié)的方式進(jìn)行高溫?zé)Y(jié):先將溫度以10-20°C /min速率升至800°C，保溫I小時(shí)，然后以5-10°C的速率升溫至950°C，保溫2-4小時(shí)。燒結(jié)完成后將樣品拉至水冷區(qū)域進(jìn)行冷卻后獲得最終產(chǎn)品。上述一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，其步驟(2)中添加的有機(jī)溶劑為乙醇、丙酮或丙醇。上述一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，其步驟(4)步驟(4)中氣體保護(hù)燒結(jié)爐為自行設(shè)計(jì)的帶收集裝置的電加熱管式燒結(jié)爐，其惰性氣體為氬氣，還原氣體為氫氣。自行設(shè)計(jì)的管式燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖1。本發(fā)明按上述方法可以得到孔隙特征、力學(xué)性能及產(chǎn)品外觀均優(yōu)異的開(kāi)孔泡沫銅，孔隙率范圍為60-95%，孔徑和孔形根據(jù)不同種類(lèi)尿素的選取靈活多變，孔平均尺寸可在425-1000 μ m之間變化,孔形貌可為針狀或球狀。在上述的一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法中，所用的原材料純銅粉、尿素顆粒和有機(jī)溶劑均為市售的普通化工商品，篩分、雙向壓制、燒結(jié)均為公知的材料加工工藝；壓制模具為普通鑄鐵模具。本發(fā)明的基本原理是利用造孔劑(固態(tài)尿素顆粒)在快速升溫過(guò)程中充分分解或揮發(fā)來(lái)獲得開(kāi)孔泡沫銅。將爐溫控制在250-30(TC后再放入生坯，尿素可通過(guò)以下縮聚反應(yīng)快速分解:CO (NH2) 2— (HCNO) 3+NH3 尿素分解產(chǎn)物對(duì)銅具有腐蝕作用，同時(shí)對(duì)環(huán)境也有一定的污染。本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)的管式爐進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，加入了一套收集系統(tǒng)以消除尿素分解產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)品及環(huán)境的污染。改裝管式爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖1。在尿素分解階段，通入惰性氣體(氬氣)以有效的將分解產(chǎn)物排出爐體并收集起來(lái)，惰性氣體流速必須大于0.15m/s，此時(shí)閥門(mén)I和閥門(mén)2打開(kāi)，閥門(mén)3關(guān)閉；尿素分解生成的白色粉末(HCNO) 3在冷卻水區(qū)域利用不銹鋼網(wǎng)圈收集，該物質(zhì)是環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)涂料、粘合劑等的重要成分或原料；尿素分解產(chǎn)生的NH3用水收集；氬氣不溶于水，將直接在水中以氣泡的形式排出。在雙級(jí)高溫?zé)Y(jié)階段，通入還原性氣體(氫氣)進(jìn)行還原燒結(jié)，此時(shí)閥門(mén)I和閥門(mén)3打開(kāi)，閥門(mén)2關(guān)閉；還原性氣體(氫氣)將點(diǎn)燃生成H20。一定惰性氣體流量下，作為造孔劑的尿素分解后在泡沫銅中沒(méi)有檢測(cè)到殘留物，分解產(chǎn)物均被收集，整個(gè)過(guò)程也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。相比于已有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下:(1)本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，造孔劑直接在一定溫度下分解去除，而無(wú)需通過(guò)循環(huán)水浸出，省去了多余工序，節(jié)省了水資源。(2)本發(fā)明方法生產(chǎn)成本低，所需材料及設(shè)備條件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。(3)本發(fā)明通過(guò)自行設(shè)計(jì)的氣體保護(hù)燒結(jié)爐對(duì)造孔劑原料分解的產(chǎn)物進(jìn)行排出收集，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品和環(huán)境造成污染。(4)本發(fā)明方法選用細(xì)銅粉和大顆粒造孔劑(尿素)混合，并在壓制過(guò)程中使用少量有機(jī)溶劑，這使得純銅粉能均勻粘結(jié)在每一顆尿素顆粒上，兩者混合得更均勻。(5)本發(fā)明方法在雙級(jí)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，使用氫氣還原保護(hù)燒結(jié)，所制備的泡沫銅產(chǎn)品表面質(zhì)量及色澤好，有別于其他燒結(jié)方法制備的產(chǎn)品中含有銅的氧化物而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。(6)本發(fā)明方法制備的泡沫銅孔結(jié)構(gòu)參數(shù)靈活可變且容易掌控，其孔隙率范圍為60% -95%,孔徑范圍為425-1000 μ m,孔形貌為針狀或球形狀。(7)本發(fā)明采用雙級(jí)溫度燒結(jié)，有效避免了高孔隙率泡沫銅坯體直接在高溫下燒結(jié)所產(chǎn)生的局部坍塌或凹陷現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品的宏觀形貌(參見(jiàn)附圖2，附圖3)。(8)本發(fā)明方法所制備的泡沫銅均為三維相互貫通的空間開(kāi)孔結(jié)構(gòu)。(9)本發(fā)明方法所制備的泡沫銅比表面積大,用Micromeritics ASAP2020型物理吸附儀對(duì)本發(fā)明方法制得孔隙率為60-95%的泡沫銅比表面積均高于100000mm2/g。(10)用InstrOn8019萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)本發(fā)明方法制得的開(kāi)孔泡沫銅進(jìn)行拉伸測(cè)試，應(yīng)力-應(yīng)變曲線展示出明顯的屈服過(guò)程，說(shuō)明銅粉顆粒之間結(jié)合力好，泡沫銅具有良好的力學(xué)性能(參加附圖4)。


圖1是本發(fā)明自行改裝的氫氣保護(hù)燒結(jié)爐。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制得的通孔泡沫銅的數(shù)碼照片(孔形貌為針狀)。圖3是本發(fā)明實(shí)施例2制得的通孔泡沫銅的數(shù)碼照片(孔形貌為球狀)。圖4是本發(fā)明實(shí)施例3制得的開(kāi)孔泡沫銅的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式為更好理解本發(fā)明，下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表示的范圍。下列實(shí)施例中所用的原材料，包括純銅粉、尿素顆粒以及有機(jī)溶劑均為市場(chǎng)購(gòu)得。實(shí)施例1:取平均尺寸為100 μ m的純銅粉和篩分好的尺寸為710-1000 μ m的針狀尿素顆粒按5: 3的質(zhì)量比混合在一起，添加3wt%的丙醇添加劑，在“V”型混料機(jī)中攪拌15分鐘后得到混合粉末。將混合粉末倒入壓制模具中進(jìn)行雙向壓制，壓力為250MPa，保壓10秒后獲得生坯。將生坯置于爐溫為250°C的氣體保護(hù)燒結(jié)爐中，保溫30分鐘，保護(hù)氣體為氬氣，流速為0.15m/s ;然后將保護(hù)氣體改為氫氣，并按20°C/min的升溫速度將溫度升至800°C，保溫I小時(shí)，再以10°C /min的升溫速度將爐溫升至950°C燒結(jié)2小時(shí)。燒結(jié)完成后將樣品推至燒結(jié)爐的水冷區(qū)冷卻10分鐘獲得表面質(zhì)量?jī)?yōu)異、三維相互連通的具有針狀孔隙特征的泡沫銅產(chǎn)品。該本實(shí)施例樣品的宏觀形貌見(jiàn)圖1，其性能數(shù)據(jù)如表I所示。表I本實(shí)施例開(kāi)孔泡沫銅孔結(jié)構(gòu)及性能數(shù)據(jù)
孔隙尺寸開(kāi)孔/閉孔孔隙形狀拉伸強(qiáng)度彈性模量比表面積 80%710-1000μιη JRi4.87 Mpa 0.22 Gpa 114277 mm2/g實(shí)施例2:取平均尺寸為100 μ m的純銅粉和篩分好的尺寸為710-1000 μ m的球形尿素顆粒按5: 3的質(zhì)量比混合在一起，添加3wt%的丙醇添加劑，在“V”型混料機(jī)中攪拌15分鐘后得到混合粉末。將混合粉末倒入壓制模具中進(jìn)行雙向壓制，壓力為250MPa，保壓10秒后獲得生坯。將生坯置于爐溫為250°C的氣體保護(hù)燒結(jié)爐中，保溫30分鐘，保護(hù)氣體為氬氣，流速為0.15m/s ;然后將保護(hù)氣體改為氫氣，并按20°C/min的升溫速度將溫度升至800°C，保溫I小時(shí)，再以10°C /min的升溫速度將爐溫升至950°C燒結(jié)2小時(shí)。燒結(jié)完成后將樣品推至燒結(jié)爐的水冷區(qū)冷卻10分鐘獲得表面質(zhì)量?jī)?yōu)異、三維相互連通的具有球形孔隙的泡沫銅產(chǎn)品。本實(shí)施例樣品的宏觀形貌見(jiàn)圖2，其性能數(shù)據(jù)如表2所示。表2本實(shí)施例開(kāi)孔泡沫銅孔結(jié)構(gòu)及性能數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，其特征在于:以純銅粉和尿素顆粒為原材料，采用氫氣保護(hù)焙燒脫溶-燒結(jié)技術(shù)制備開(kāi)孔泡沫銅的方法，具體步驟和工藝條件是: (1)將不同形貌的尿素顆粒進(jìn)行不同粒徑顆粒的篩分，篩分后得到425-710μπι及710-1000 μ m粒度的尿素顆粒； (2)純銅粉和尿素顆粒的均勻混合 將粒度為50-100 μ m的純銅粉與上述不同粒度的尿素顆粒分別混合，放入“V”型混料機(jī)中，加入適量有機(jī)溶劑，充分混合15-30分鐘后形成混合粉末； (3)壓制 將步驟(2)所得混合粉末裝入壓制模具，在室溫下雙向加壓至200-300MPa制成生坯。
(4)氣體保護(hù)燒結(jié) 先將氣體保護(hù)燒結(jié)爐升溫至250-300°C，并通入惰性氣體，再將步驟(3)制得的生坯直接置于的氣體保護(hù)燒結(jié)爐中，保持惰性氣體流速大于0.15m/s，保溫30-60分鐘使尿素充分分解并對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行收集；然后關(guān)閉惰性氣體并通入還原氣體，采用以下雙級(jí)燒結(jié)的方式進(jìn)行高溫?zé)Y(jié):先將溫度以10-20°C /min速率升至800°C，保溫I小時(shí)，然后以5_10°C的速率升溫至950°C，保溫2-4小時(shí)。燒結(jié)完成后將樣品拉至水冷區(qū)域進(jìn)行冷卻后獲得最終產(chǎn)品O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，其特征在于步驟(2)中添加的有機(jī)溶劑為乙醇、丙酮或丙醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法，其特征在與所述步驟(4)中氣體保護(hù)燒結(jié)爐為自行設(shè)計(jì)的帶收集裝置的電加熱管式燒結(jié)爐，其惰性氣體為氬氣，還原氣體為氫氣。自行設(shè)計(jì)的管式燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的開(kāi)孔泡沫銅的制備方法。該方法包括(1)將純銅粉與造孔劑顆粒(尿素)按一定比例混合均勻；(2)將步驟(1)所得的混合粉末壓制成孔隙分布均勻的樣品坯料；(3)將坯料置入一定溫度的自行設(shè)計(jì)的帶收集系統(tǒng)的氣體保護(hù)燒結(jié)爐中，使造孔劑充分分解；(4)利用自行設(shè)計(jì)的帶收集系統(tǒng)的氣體保護(hù)燒結(jié)爐對(duì)步驟(3)所得的樣品進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，制得具有孔形貌規(guī)則、孔隙分布均勻的開(kāi)孔泡沫銅。本發(fā)明適用于制備高孔隙率(60％-95％)的開(kāi)孔泡沫銅。其制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，所制備的產(chǎn)品為開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，孔參數(shù)可控，比表面積大，燒結(jié)質(zhì)量好，力學(xué)性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于電池電極、熱導(dǎo)管、熱沉、熱交換器部件的制造。
文檔編號(hào)C22C9/00GK103215470SQ20131015884
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月3日
發(fā)明者李周, 肖柱, 方梅 申請(qǐng)人:中南大學(xué)