高溫氧化和還原制備多孔金屬的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔金屬的制備方法。
【背景技術】
[0002]多孔金屬材料是20世紀40年代發(fā)展起來的一種新型材料，由金屬基體和大量孔隙組成，孔隙將金屬相分割成許多小單元，又稱為多孔泡沫金屬，具有與傳統(tǒng)材料不同的新型結(jié)構(gòu)。這種不同結(jié)構(gòu)賦予多孔金屬兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特點:作為結(jié)構(gòu)材料具有密度小(是原致密金屬的20%?60%)、比強度高等特點;作為功能材料具有比表面積大、能量吸收性好及特殊的傳熱和聲學等特點。近年來多孔金屬已經(jīng)得到了非常廣泛的應用。應用遍及汽車、建筑、化學、航空航天、軍事工業(yè)等可以被用作減震器、緩沖器、吸能器、過濾器、流體透過器、熱交換器、滅火器、發(fā)動機的排氣消聲器、催化劑載體、多孔金屬電極、火箭鼻錐及尾翼的冷卻發(fā)汗材料、水下潛艇的消音器等獨聯(lián)體已將多孔金屬用于過濾器、自潤滑軸承、火箭和噴氣發(fā)動機的支護材料、太陽能與核能發(fā)電用的電磁和中子吸收劑核反應堆的內(nèi)壁、艦舶制造及航空航天結(jié)構(gòu)所需層壓面板的填充材料、儲氫裝置等。
[0003]從20世紀中葉開始，世界各國競相投入到多孔金屬材料的研究與開發(fā)之中，并相繼提出了各種不同的制備工藝。根據(jù)制備過程中金屬所處的狀態(tài)可以將這些制備方法劃分為以下幾種:(I)液相法，(2)粉末燒結(jié)法，(3)金屬沉積法。液相法包括的種類比較多，其優(yōu)點是較易制備大塊的多孔金屬和產(chǎn)品易商業(yè)化，如熔融金屬發(fā)泡法、顆粒滲流鑄造法、精密鑄造法和金屬空心球鑄造法等幾種;粉末冶金法主要包括粉末燒結(jié)發(fā)泡法、燒結(jié)-脫溶法、松散粉末燒結(jié)法、中空球燒結(jié)法等;沉積法主要包括金屬氣相蒸發(fā)沉積法、原子濺射沉積法和電化學沉積法三種。但這些方法無一例外的，都是在材料的制備過程中利用物理、化學的方法實現(xiàn)了金屬材料上各種孔隙的形成，也存在著各種各樣的缺點。例如熔融金屬發(fā)泡法一般只適用于低熔點的金屬多孔材料的制備，且存在生產(chǎn)過程中氣泡分布不均勻?qū)е戮植繗馀莩叽邕^大，使最終材料出現(xiàn)加工性能差、脆性較大等缺陷;粉末燒結(jié)成本較高;沉淀法整個過程中操作條件要求嚴格，沉積速度慢、投資大等缺點。目前積極開發(fā)出新的高效、快速的制備技術，實現(xiàn)小孔徑、高空隙率的金屬材料的制備依然是目前多孔金屬材料發(fā)展的一個重要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有制備微納米多孔金屬工藝主要集中在金屬材料初始形成過程，方法復雜，嚴重依賴于模板，對生產(chǎn)設備要求較高的問題，而提供一種高溫條件下利用氣體的氧化-還原可在已制備好的金屬材料表面，原位制備多孔結(jié)構(gòu)的方法。
[0005]本發(fā)明高溫氧化和還原制備多孔金屬的方法按下列步驟實現(xiàn):
[0006]—、將金屬材料或泡沫金屬材料先用丙酮超聲清洗，然后依次使用無水乙醇和去離子水清洗干凈，晾干后得到清洗后的金屬；
[0007]二、將步驟一得到的清洗后的金屬放置在耐高溫承載體內(nèi)，在惰性氣體的保護下升溫到100?850°C，然后將氧化氣體通入到放置有金屬材料的承載體內(nèi)，使金屬暴露在氧化氣體中進行氧化處理，形成金屬氧化物；
[0008]三、使用惰性氣體吹掃排盡耐高溫承載體內(nèi)的氧化氣體，再在300?850°C的溫度下，將還原氣體通入到耐高溫承載體內(nèi)，使金屬氧化物暴露在還原氣體中進行還原處理，最后在惰性氣體的保護下降溫，得到多孔金屬；
[0009]其中步驟三所述的還原氣體為氫氣、一氧化碳、氨氣、硫化氫、C1-C4的碳氫化合物、沼氣、天然氣、液化石油氣、焦爐氣、水煤氣、石油氣中的一種或多種的混合氣體。
[0010]本發(fā)明首先利用氧化性氣體將金屬在高溫下進行快速氧化，形成金屬氧化物，接著利用高溫還原性氣體對形成的氧化物進行還原處理，一方面氧化物中的氧原子會被帶走，另一方面伴隨著還原過程，高溫條件下金屬原子按照自由能最小化的原則，會在材料的表面和內(nèi)部發(fā)生自發(fā)性的擴散和富集，最終形成了多孔金屬結(jié)構(gòu)。
[0011 ]本發(fā)明高溫氧化和還原制備多孔金屬的方法具有以下的優(yōu)點:
[0012]1、本發(fā)明主要是直接利用氧化和還原氣體在金屬表面和內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，具有工藝簡單、制備方便、無污染的優(yōu)點；
[0013]2、利用高溫條件下氧化和還原氣體對金屬材料通過先氧化后還原制備多孔金屬工藝能夠在已制備好的復雜金屬材料器件上實現(xiàn)二次加工，因此能夠制備出復雜的多孔金屬器件；
[0014]3、利用高溫條件下氧化和還原氣體對金屬材料的先氧化后還原制備多孔金屬工藝能夠在高熔點的金屬上制備出分布均勻，成分單一的微納米孔洞；
[0015]4、利用高溫條件下氧化和還原氣體對金屬材料的先氧化后還原制備多孔金屬工藝不涉及特殊的技術工藝，對設備的要求低，成本低廉。
【附圖說明】
[0016]圖1是實施例一中步驟一清洗后的鎳片掃描電鏡(SEM)圖；
[0017]圖2是實施例一得到的多孔鎳片掃描電鏡(SEM)圖；
[0018]圖3是實施例二中步驟一清洗后的泡沫鎳掃描電鏡(SEM)圖；
[0019]圖4是實施例二得到的多孔泡沫鎳片掃描電鏡(SEM)圖；
[0020]圖5是實施例三中在常溫空氣中被氧化后的銀片掃描電鏡(SEM)圖；
[0021 ]圖6是實施例三得到的多孔銀片掃描電鏡(SEM)圖。
【具體實施方式】
[0022]【具體實施方式】一:本實施方式高溫氧化和還原制備多孔金屬的方法按下列步驟實施:
[0023]—、將金屬材料或(相應的)泡沫金屬材料先用丙酮超聲清洗，然后依次使用無水乙醇和去離子水清洗干凈，晾干后得到清洗后的金屬；
[0024]二、將步驟一得到的清洗后的金屬放置在耐高溫承載體內(nèi)，在惰性氣體的保護下升溫到100?850°C，然后將氧化氣體通入到放置有金屬的承載體內(nèi)，使金屬暴露在氧化氣體中進行氧化處理，形成金屬氧化物；
[0025]三、使用惰性氣體吹掃排盡耐高溫承載體內(nèi)的氧化氣體，再在300?850°C的溫度下，將還原氣體通入到耐高溫承載體內(nèi)，使金屬氧化物暴露在還原氣體中進行還原處理，最后在惰性氣體的保護下降溫，得到多孔金屬；
[0026]其中步驟三所述的還原氣體為氫氣、一氧化碳、氨氣、硫化氫、C1-C4的碳氫化合物、沼氣、天然氣、液化石油氣、焦爐氣、水煤氣、石油氣中的一種或多種的混合氣體。
[0027]本實施方式可對泡沫金屬材料進行多孔化制備，商品化的泡沫金屬是多孔的骨架結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積，高的催化性，在石油化工、航空航天、環(huán)保中用于制造凈化、過濾、催化支架、電極等裝置。在高溫條件下，利用氧化和還原氣體對泡沫金屬進行氧化和還原處理，可以在其多孔骨架的表面形成一系列的微納米孔洞，進一步增強了其應用價值和范圍。
[0028]本實施方式步驟二可以將氧化氣體與惰性氣體混合通入到放置有金屬材料的承載體內(nèi)，步驟三也可以將還原氣體與惰性氣體混合通入到放置有金屬材料的承載體內(nèi)。
[0029]本實施方式在高溫條件下利用氧化氣體對金屬材料先進行氧化處理，然后又通過還原氣體對金屬氧化物進行還原，通過氧化-還原過程中金屬原子表面的擴散和富集獲得多孔金屬材料。
[0030]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟一所述的金屬材料為招、鎵、銦、銘、鍺、錫、鉛、鋪、祕、卦、猛、鐵、鈷、鎳、銅、金、銀、舒、銘、鈀、鋨、銥、鈾、鐵、銅、
汞或鈦合金。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0031 ]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是步驟一所述的金屬材料的形態(tài)為粉體、金屬線、金屬片或金屬膜。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
[0032]本實施方式金屬材料還可以為已制備好的金屬器件，利用氧化-還原過程在復雜器件表面上實現(xiàn)原位多孔制備。
[0033]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟二和步驟三中所述的惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0034]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟二所述的氧化氣體為氧氣、空氣或氯氣。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0035]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟二所述的耐高溫承載體的材質(zhì)為不銹鋼或者陶瓷。其