專利名稱：一種Fe₃Al金屬間化合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明采用一種簡單并易行的方法制備了 Fe3Al金屬間化合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材 料。
背景技術(shù)：
Fe3Al金屬間化合物具有比強(qiáng)度高，抗氧化、抗腐蝕性能好，摩擦磨損性能優(yōu)良、價(jià) 格低廉等諸多有點(diǎn)。隨著近10多年對金屬間化合物更為廣泛和深入的研究，F(xiàn)e3Al基合金 的室溫脆性和超過60(TC時(shí)高溫強(qiáng)度急劇下降的問題得到了很大程度的解決。
目前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材料的制備工藝主要有
(1)有機(jī)泡沫浸漬工藝 有機(jī)浸漬泡沫工藝法是將制備好的漿料均勻的涂覆在具有開孔三維網(wǎng)狀骨架有 機(jī)泡沫體上，干燥后燒掉有機(jī)泡沫體而獲得一種網(wǎng)眼多孔材料。其尺寸主要取決于有機(jī)泡 沫體的孔尺寸，與涂覆厚度也有一定的關(guān)系。(2)發(fā)泡工藝 發(fā)泡工藝與傳統(tǒng)工藝相比，多了一個(gè)干燥前發(fā)泡過程，其成孔是通過發(fā)泡劑釋放
的氣體在漿料中的擴(kuò)散得以實(shí)現(xiàn)的。S印ulveda等人在發(fā)泡法的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)泡_有機(jī)
單體的原位聚合工藝。
(3)添加造孔劑工藝 該工藝的基本原理是在配料中加入易揮發(fā)物質(zhì)，高溫階段造孔劑離開基體而形成 多孔材料。
(4)溶膠-凝膠工藝 Sol-gel法主要用來制備nm級(jí)的微孔材料，特別是微孔薄膜材料。這種方法基本 過程是將金屬醇鹽溶于低級(jí)醇中，緩慢地滴入水進(jìn)行水解反應(yīng)，得到相應(yīng)金屬氧化物的溶 膠，調(diào)節(jié)該溶液的ra值，納米尺度的金屬氧化物微粒就會(huì)發(fā)生聚集，形成凝膠。將凝膠干 燥、熱處理，就可得到多孔材料。
(5)固態(tài)燒結(jié)工藝 該工藝也稱為顆粒堆積法，其原理是利用微細(xì)顆粒易于燒結(jié)的特點(diǎn)，在高溫狀況 下產(chǎn)生液相，使粉粒相互連接在一起形成多空材料。
(6)擠出成孔工藝 擠出成孔工藝是制備蜂窩陶瓷最普遍采用的制造方法之一。將制備好的泥條通過 一種具有蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模具擠出成型，經(jīng)過燒結(jié)就可以得到最典型的蜂窩陶瓷，可以根 據(jù)需要對孔形狀和孔大小進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。 多孔材料在十九世紀(jì)七十年代發(fā)展初期，僅僅作為細(xì)菌過濾材料使用。隨著制備
技術(shù)的發(fā)展，各種新材質(zhì)高性能多孔材料的不斷出現(xiàn)，極大拓寬了多孔材料的應(yīng)用范圍，其
應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下方面 (1)金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體
3
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料(IP匪Cs)是近年發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)形式的材 料，即增強(qiáng)體(金屬間化合物)在三維空間連續(xù)(連通)?；w(金屬)也在三維空間連 續(xù)(連通)，增強(qiáng)體與基體在空間呈交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于增強(qiáng)體在三維空間連續(xù)，有利于將 集中在點(diǎn)或面上的應(yīng)力迅速地在空間體范圍內(nèi)分散和傳遞，因而可以大幅度地提高復(fù)合材 料的承載能力或抗沖擊能力。由于基體在三維空間連續(xù)，使得對復(fù)合材料的整體增韌效果 大幅度增強(qiáng)，增強(qiáng)體與基體在空間呈交織的雙連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得增強(qiáng)體與基體的結(jié) 合得到很大改善，同時(shí)，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)形式既利用了增強(qiáng)相的高硬度、高模量、高強(qiáng)度、低密 度，又能更好地利用金屬的韌性和吸波作用。
(2)過濾材料 多孔材料作為過濾材料有以下優(yōu)點(diǎn)①化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿及有機(jī)溶劑；②極 好的耐急熱急冷，工作溫度可高達(dá)1200°C ;③抗菌性能好，不易被細(xì)菌降解，不易堵塞且易 生；④較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，孔徑分布狹窄，滲透率高。
(3)催化劑載體 多孔材料由于其發(fā)達(dá)的比表面積本身具有催化功能，而涂覆特定的催化劑后，則 可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)反應(yīng)的選擇性催化，大幅度的提高通過其孔道流體的轉(zhuǎn)換效率和反應(yīng)速率。 同時(shí)結(jié)合陶瓷與金屬件化合物較高的化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性能，多孔材料(金屬間化合物 與陶瓷)被廣泛的用于化工廠、印刷廠、食品廠及有毒、惡臭等有害氣體處理。特別值得一 提的是多孔陶瓷在處理汽車尾氣方面的優(yōu)異性能，目前人們一致認(rèn)為用多孔陶瓷制造的汽 車凈化器和微粒捕捉器是控制汽車尾氣排放的最有效方法。
(4)吸音隔熱材料 多孔材料的吸聲性能是通過內(nèi)部大量連通微小空隙和孔洞實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)聲波沿著微 孔或間隙進(jìn)入材料后，由于空氣的粘滯性及材料的熱傳導(dǎo)，使聲能不斷衰減，起到了吸聲作 用。為達(dá)到較好的吸音效果，多孔陶瓷要求有結(jié)構(gòu)細(xì)密、相互連通的孔徑結(jié)構(gòu)。而同樣利用 其高氣孔率、較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，多孔材料作為隔熱材料可有效解決熱浪費(fèi)、熱污染、熱回 收難等問題。 我們首次探索采用Fe3Al金屬間化合物制備了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材料。但是，采用現(xiàn) 有的Fe3Al金屬間化合物制成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材料的強(qiáng)度較低，另外，由于Fe3Al粉體末與 聚乙烯醇材料預(yù)制體的化學(xué)親合性較差而潤濕性不好，因此多孔材料的成形性不好，制成 的多孔材料容易出現(xiàn)外形殘缺等缺陷，材料強(qiáng)度也偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Fe3Al金屬間化合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材料的制備方法，
可以有效提高多孔材料的成形質(zhì)量，提高多孔材料的韌性和強(qiáng)度。 本發(fā)明是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的 —種多孔Fe3Al金屬間化合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料制備方法，包括以下步驟
(1)將鐵粉、鋁紛、鈦粉和稀土合金粉進(jìn)行稱量，置于高能行星式球磨機(jī)中球磨，球 磨40h，球磨時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣體，并加入適量的硬脂酸；所述原料的原子百分比為 鋁粉26 30，鈦粉2 8，稀土元素為0. 2 0. 8，其余為鐵粉，粒度100 200目；所述的 稀土元素為鑭或者鈰；
(2)將球磨后的原料放在真空管式爐中退火，退火過程中始終通入氬氣形成保護(hù) 氣氛，退火時(shí)間為2小時(shí)，退火溫度為800 1200°C ; (3)將粘結(jié)劑PVA溶于蒸餾水中，攪拌均勻，配成粘結(jié)劑PVA溶液，將退火之后所得 的粉體與粘結(jié)劑PVA溶液混合，形成均勻的懸浮液；粉體與粘結(jié)劑PVA溶液的重量比為5
7 : i; (4)將已經(jīng)剪切好的聚氨酯海綿完全浸泡于配置好的懸浮液中，然后迅速提拉出
來，吹干；重復(fù)以上步驟3 5次，海綿表面上漿料涂覆的厚度為0. 3 0. 8mm ;，通過控制
重復(fù)次數(shù)可以得到不同的漿料涂覆厚度，從而獲得不同直徑實(shí)體的多孔材料。 (5)將涂覆上漿料的海綿放置在真空管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)過程中始終通入氬氣作
為保護(hù)氣，所述的燒結(jié)溫度范圍為1400°C 150(TC，保溫時(shí)間為2小時(shí)。 上述本發(fā)明的制備方法，所述步驟(1)中，硬脂酸加入量為原料質(zhì)量的1 3%。 上述本發(fā)明的制備方法，所述步驟(3)中，粘結(jié)劑PVA溶液中PVA的質(zhì)量百分比
2 8%。 根據(jù)Fe^1金屬間化合物的性能，利用機(jī)械合金化法制備出純度較高的Fe3Al金屬 間化合物超細(xì)高純粉末，基于Fe3Al金屬間化合物優(yōu)異的性能，將制備好的Fe3Al金屬間化 合物采用有機(jī)前驅(qū)體燒蝕法(PIA)制備出孔隙率較高的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料。通過在材料中加入 一定量的稀土組分，并通過配套的加工工藝，改善了 Fe3Al粉體末與聚乙烯醇材料預(yù)制體的 潤濕性，從而提高了多孔材料的成形質(zhì)量。通過鈦和稀土元素的微合金化作用，可以有效提 高Fe3Al金屬間化合物塊體材料的韌性和強(qiáng)度，從而提高了其多孔材料的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)該多 孔材料的空隙率達(dá)到75%、材料實(shí)體直徑在5mm時(shí)，多孔材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到1. 05MPa。本 材料適用于做結(jié)構(gòu)復(fù)合、過濾等用途使用。


圖1為實(shí)施例1燒結(jié)后試樣的SEM測試結(jié)果圖
圖2為實(shí)施例1燒結(jié)后試樣的SEM測試結(jié)果圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實(shí)施例1 : 按照(原子百分比)A128、其余為Fe的成分比例稱取粒度為150目所需原料，進(jìn)行 球磨40h，對球磨后的粉體退火2h，退火溫度為900°C 。 按照PVA 5g加蒸餾水95g，攪拌均勻，配成粘結(jié)劑PVA溶液。再將670g退火后的 Fe3Al金屬間化合物粉料加入上述的粘結(jié)劑PVA溶液中，攪拌均勻，形成均勻的懸浮液。
將剪切好的聚氨酯海綿完全浸泡于配置好的懸浮液中，然后迅速提拉出來，吹干， 重復(fù)以上步驟3次，控制海綿表面上粉體涂覆的厚度為0. 5mm。由于缺少La元素的活化作 用，F(xiàn)e3Al金屬間化合物漿料與聚氨酯海綿的潤濕性差，所以制得試樣出現(xiàn)涂掛不均勻，造 成部分孔洞的塌陷(見圖l)，從而影響了多孔材料的外形完整。將涂覆好的海綿放置在真 空管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)過程中始終通入氬氣作為保護(hù)氣，在146(TC燒結(jié)并保溫2個(gè)小時(shí)。燒 結(jié)后試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到0. 5MPa。
實(shí)施例2 : 按照(原子百分比)A128、Ti3、La0. 2、其余為Fe的成分比例稱取粒度為150目所 需原料，再加入占上述原料2wt^的硬脂酸，球磨40h，對球磨后的粉體退火2h，退火溫度為 900°C。 按照PVA 5g加蒸餾水95g，攪拌均勻，配成粘結(jié)劑PVA溶液。再將670g退火后的 Fe3Al金屬間化合物粉料加入上述的粘結(jié)劑PVA溶液中，攪拌均勻，形成均勻的懸浮液。
將剪切好的聚氨酯海綿完全浸泡于配置好的懸浮液中，然后迅速提拉出來，吹干， 重復(fù)以上步驟3次，控制海綿表面上粉體涂覆的厚度為0. 5mm。通過添加的La元素的活化 作用，改善了 Fe3Al金屬間化合物漿料與聚氨酯海綿的潤濕性，所以制得試樣外形完整，涂 掛均勻，多孔材料的外形較完整(見圖2)。將涂覆好的海綿放置在真空管式爐中燒結(jié)，燒結(jié) 過程中始終通入氬氣作為保護(hù)氣，防止粉體在燒結(jié)過程中被氧氣氧化。燒結(jié)溫度為146(TC， 保溫2個(gè)小時(shí)。Ti、 La的加入提高了燒結(jié)試樣的抗壓性能，為0. 85MPa。
實(shí)施例3 : 按照(原子百分比)A127、 Ti5、 LaO. 35、其余為Fe的成分比例稱取粒度為150目 所需原料，再加入占上述原料2wt^的硬脂酸，進(jìn)行球磨40h，對球磨后的粉體在溫度900°C 下退火2h。 按照PVA 5g加蒸餾水95g，攪拌均勻，配成粘結(jié)劑PVA溶液。再將560g退火后的 Fe3Al金屬間化合物粉料加入上述的粘結(jié)劑PVA溶液中，攪拌均勻，形成均勻的懸浮液。
將剪切好的聚氨酯海綿完全浸泡于配置好的懸浮液中，然后迅速提拉出來，吹干， 重復(fù)以上步驟3次，控制海綿表面上粉體涂覆的厚度為0. 5mm。將涂覆好的海綿放置在真空 管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)過程中始終通入氬氣作為保護(hù)氣。燒結(jié)溫度為145(TC，保溫2個(gè)小時(shí)。 Ti、La的加入明顯提高了燒結(jié)試樣的抗壓性能，達(dá)到0. 95MPa，材料的外形完整。
實(shí)施例4 : 按照(原子百分比)A127、 Ti5、 CeO. 35、其余為Fe的成分比例稱取粒度為150目 所需原料，再加入占上述原料2wt^的硬脂酸，球磨40h，球磨時(shí)間為40h，對球磨后的粉體 在溫度90(TC下退火2h。 按照5g加蒸餾水95g，攪拌均勻，配成粘結(jié)劑PVA溶液。再將600g退火后的Fe3Al 金屬間化合物粉料加入上述的粘結(jié)劑PVA溶液中，攪拌均勻，形成均勻的懸浮液。
將剪切好的聚氨酯海綿完全浸泡于配置好的懸浮液中，然后迅速提拉出來，吹干， 重復(fù)以上步驟4次，控制海綿表面上粉體涂覆的厚度為0. 6mm。將涂覆好的海綿放置在真空 管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)過程中始終通入氬氣作為保護(hù)氣。燒結(jié)溫度在149(TC，保溫2個(gè)小時(shí)。 Ti、 La的加入提高了燒結(jié)試樣的抗壓性能，但是，比在146(TC溫度下燒結(jié)試樣的強(qiáng)度有所 下降，抗壓性能達(dá)到0. 85MPa，材料的外形完整。
權(quán)利要求
一種多孔Fe3Al金屬間化合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將鐵粉、鋁紛、鈦粉和稀土合金粉進(jìn)行稱量，置于高能行星式球磨機(jī)中球磨，球磨40h，球磨時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣體，并加入適量的硬脂酸；所述原料的原子百分比為鋁粉26～30，鈦粉2～8，稀土元素為0.2～0.8，其余為鐵粉，粒度100～200目；所述的稀土元素為鑭或者鈰；(2)將球磨后的原料放在真空管式爐中退火，退火過程中始終通入氬氣形成保護(hù)氣氛，退火時(shí)間為2小時(shí)，退火溫度為800～1200℃；(3)將粘結(jié)劑PVA溶于蒸餾水中，攪拌均勻，配成粘結(jié)劑PVA溶液，將退火之后所得的粉體與粘結(jié)劑PVA溶液混合，形成均勻的懸浮液；粉體與粘結(jié)劑PVA溶液的重量比為5～7∶1；(4)將已經(jīng)剪切好的聚氨酯海綿完全浸泡于配置好的懸浮液中，然后迅速提拉出來，吹干；重復(fù)以上步驟3～5次，海綿表面上漿料涂覆的厚度為0.3～0.8mm；(5)將涂覆上漿料的海綿放置在真空管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)過程中始終通入氬氣作為保護(hù)氣，所述的燒結(jié)溫度范圍為1400℃～1500℃，保溫時(shí)間為2小時(shí)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中，硬脂酸加入量為 原料質(zhì)量的1 3%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中，粘結(jié)劑PVA溶液 中PVA的質(zhì)量百分比2 8%。
全文摘要
本發(fā)明采用一種簡單并易行的方法制備了Fe3Al金屬間化合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔材料。包括以下步驟(1)將鐵粉、鋁紛、鈦粉和稀土合金粉進(jìn)行稱量，置于高能行星式球磨機(jī)中球磨，球磨40h，所述原料的原子百分比為鋁粉26～30，鈦粉2～8，稀土元素為0.2～0.8，其余為鐵粉；所述的稀土元素為鑭或者鈰；(2)退火；(3)粉體與粘結(jié)劑PVA溶液混合，形成均勻的懸浮液；(4)涂覆；(5)燒結(jié)。通過鈦和稀土元素的微合金化作用，可以有效提高Fe3Al金屬間化合物塊體材料的韌性和強(qiáng)度，從而提高了其多孔材料的抗壓強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C22C1/08GK101775516SQ20091023071
公開日2010年7月14日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者王守仁, 王艷, 續(xù)晶華, 耿浩然 申請人:濟(jì)南大學(xué)