專利名稱：開孔金屬泡沫體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開孔金屬泡沫體及其制備方法。本發(fā)明所述開孔金屬泡沫體可以有利地用于導(dǎo)致多種常規(guī)材料嚴(yán)重腐蝕、使得適當(dāng)部件的使用壽命縮短的環(huán)境條件。
因此，已知在上述領(lǐng)域條件下，鎳-銅合金可以獲得高耐蝕性，因而整個部件使用該合金制成。
但是，經(jīng)常需要這類部件具有低重量、而同時具有極高的比表面以及大體積。熱交換器就有這類需要，例如要安裝在化工廠中的熱交換器，海水淡化設(shè)備、不同的過濾器和催化用途也有所述需要。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供低重量、同時具有高比表面、并且在化學(xué)侵蝕環(huán)境具有高耐蝕性的部件。
根據(jù)本發(fā)明，這一目的通過權(quán)利要求1所限定的開孔金屬泡沫體而實現(xiàn)。該金屬泡沫體可以通過權(quán)利要求5所述的方法制備。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案和改進(jìn)可以通過從屬權(quán)利要求中的特征而實現(xiàn)。
本發(fā)明所述開孔金屬泡沫體由一種鎳-銅合金制成，該合金含有至少40wt％、優(yōu)選至少60wt％的鎳，所述泡沫體的孔隙率為至少90％。
除鎳和銅之外，還可以含有最高6wt％的其它合金元素以及雜質(zhì)。適宜的合金元素為例如錳、鐵、碳、硅、鋁和鈦。
由于本發(fā)明所述開孔金屬泡沫體具有較高的孔隙率、同時具有低重量和極大的比表面，因此其可用于多種用途，在所述用途中，該泡沫體在最高高于500℃的高溫下具有良好的機械性能和足夠高的強度。
所述泡沫體耐酸、鹽和鹽溶液，因而它們也可以在這類環(huán)境下使用并保持高使用壽命。除了上述腐蝕性物質(zhì)，還應(yīng)強調(diào)其對氟、氟化氫化合物、甚至氫氟酸的耐蝕性。
在制備過程中，使用的半成品為純鎳制成的開孔金屬泡沫體，可由市場購得，具有上述90％或以上的最小孔隙率。
在這種情況下，所述開孔金屬泡沫體的鎳泡沫結(jié)構(gòu)的表面上涂覆有純銅和/或氧化銅粉末。
隨后應(yīng)進(jìn)行涂覆，使得開孔內(nèi)和網(wǎng)格內(nèi)的鎳泡沫結(jié)構(gòu)的表面被覆蓋。
用該粉末或粉末混合物進(jìn)行涂覆后，在高于700℃的溫度進(jìn)行熱處理，以實現(xiàn)鎳和銅的合金化。
通過調(diào)整粉末的用量，可以在很寬的范圍內(nèi)控制最終所得合金的組成。
額外使用有機粘結(jié)劑可以影響所述粉末的涂覆，使得粉末微粒均勻地附著在該表面上。
使用近似液態(tài)的這類有機粘結(jié)劑是有利的，優(yōu)選為水溶液狀態(tài)，使得可以一次與所用的基粉形成乳濁液或懸浮液。
涂覆所述鎳泡沫體的鎳泡沫結(jié)構(gòu)的表面可以相對簡單地通過下述方式實現(xiàn)將金屬泡沫體分別浸入無粉末的純粘結(jié)劑、乳濁液/懸浮液中。浸沒后，通過優(yōu)選在吸收墊上進(jìn)行的壓制操作，可以獲得更為均勻的分布，并可根據(jù)情況去除多余的粘結(jié)劑，以及分別去除含有各自粉末的乳濁液/懸浮液。
浸沒和壓制后，制成的金屬泡沫體可以通過振動裝置進(jìn)行振動，其目的也是促進(jìn)涂層均勻。在這種情況下，該粉末可以隨后沉積。該粉末分布在被該粘結(jié)劑潤濕的移動的表面上，隨后附著在該表面。
如此制成的金屬泡沫體仍為開孔泡沫體。
對該泡沫體進(jìn)行熱處理，優(yōu)選在惰性氣體氛圍中進(jìn)行，特別優(yōu)選在氫氣氛圍中進(jìn)行。
同時，從約300℃直至600℃范圍的第一階段中，除去有機成分，進(jìn)行所謂的脫除。
隨著溫度從700℃進(jìn)一步升高，可以實現(xiàn)金屬鎳和銅的合金化，其中所述銅在上述條件下根據(jù)情況也從氧化銅被還原，可以毫無問題地擴(kuò)散至鎳中，從而以這種方式實現(xiàn)合金化。
其結(jié)果是，所得金屬泡沫體的強度與純鎳制成的金屬泡沫體相比仍然有所提高。
以起始條件或詳細(xì)說來使用相同的粉末和純鎳制金屬泡沫體，具體而言可以計算出熱處理過程中各溫度的特定變化和影響控制對最終制成的本發(fā)明所述開孔金屬泡沫體的各自孔隙率和各自比表面的計算影響。
因此，例如在700℃-900℃進(jìn)行熱處理的過程中，與純鎳制金屬泡沫體的孔隙率相比，本發(fā)明所述泡沫體的孔隙率降低不明顯，而熱處理后該開孔金屬泡沫體的比表面則同時提高。
相反，在優(yōu)選1100℃-1300℃的較高溫度進(jìn)行的熱處理過程中，所述鎳泡沫結(jié)構(gòu)的初始孔隙率至少近似地保持不變，由于該泡沫結(jié)構(gòu)可獲得的網(wǎng)格和孔隙內(nèi)壁具有極光滑表面，因此與原來使用的純鎳制金屬泡沫體相比其比表面仍然幾乎保持恒定。
另一方面，如果要制備本發(fā)明所述的起催化作用的金屬泡沫體，可以向用于涂覆鎳泡沫結(jié)構(gòu)的初始粉末中加入粉狀催化活性物質(zhì)，該粉狀物質(zhì)不會在隨后進(jìn)行的熱處理中成為該合金的一部分。第二種可能是，在熱處理后，以類似的方式在鎳-銅合金制成的金屬泡沫體的表面上沉積一層前述涂層，隨后進(jìn)行特定的熱處理，該熱處理專用于各自的催化活性物質(zhì)，使其或多或少地?zé)Y(jié)在泡沫體上。
但是，特別是對于金屬催化活性物質(zhì)而言，熱處理之后也可以在其它已制成的本發(fā)明所述金屬泡沫體上實施電鍍。
下文中將根據(jù)具體實施方案更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。
實施方案1使用20g平均粒徑為20μm的濺射(spattered)狀態(tài)的粉末作為起始粉末。
將純鎳制開孔金屬泡沫體浸入50毫升1％的作為有機粘結(jié)劑的聚乙烯吡硌烷酮水溶液中，所述泡沫體的孔隙率為約94％，尺寸為300mm*150mm*1.7m。
浸沒后，對如此制備的所述純鎳制金屬泡沫體連同該粘結(jié)劑在吸收墊上壓制，以便從孔隙中去除多余的粘結(jié)劑，使得僅僅鎳泡沫結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和網(wǎng)格保持潤濕。
之后，將以上述方式涂覆的鎳泡沫結(jié)構(gòu)安裝在振動裝置中，實施振動。在振動過程中，從被粘結(jié)劑潤濕的金屬泡沫體上的兩側(cè)散落銅粉，使得粉末在該鎳泡沫結(jié)構(gòu)的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中均勻分布，并保持開放的多孔性。
如果需要的話，按照上述制備并且表面用粘結(jié)劑和銅粉涂覆的鎳泡沫結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行形變。例如它可以卷繞成空心圓筒狀。在變形過程中，銅微粒附著在表面上。
根據(jù)情況，經(jīng)涂覆和變形的鎳泡沫結(jié)構(gòu)隨后可以在氫氣氣氛中進(jìn)行熱處理。同時，熱處理的升溫速率為5K/min。在300℃-600℃溫度范圍內(nèi)有機成分排出，其中為此目的保溫時間優(yōu)選約30分鐘。
隨后，以相同的升溫速率將溫度升至1100℃-1300℃，保溫時間超過30分鐘。
熱處理后，制成的開孔金屬泡沫體再次具有約94％的孔隙率，這與純鎳制金屬泡沫體的初始孔隙率一致。
該金屬泡沫體的網(wǎng)格和內(nèi)壁是光滑的。
如此制成的開孔金屬泡沫體具有預(yù)期的高耐蝕性，并且與鎳泡沫結(jié)構(gòu)相比具有相當(dāng)高的強度，而且隨后其仍適于進(jìn)行進(jìn)一步加工。
該燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)由單相固溶銅-鎳合金構(gòu)成，鎳含量至少為40％。在該合金中還可以含有Mn、Fe、C、Si、Al、Ti、S。
實施方案2在本方案中，使用相同的純鎳制開孔金屬泡沫體、相同的初始銅粉以及1％的聚乙烯吡硌烷酮水溶液。
同樣，以相同方式進(jìn)行應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致脫除的熱處理的第一階段。熱處理的第二階段僅僅在明顯降低的溫度即700℃-900℃進(jìn)行，隨后保溫1小時以上。
熱處理后，由鎳-銅合金和這種方式制成的金屬泡沫體具有稍低的約91％的孔隙率，而純鎳制開孔金屬泡沫體的起始孔隙率為約94％。但是，本實施方案所述泡沫體的內(nèi)表面和網(wǎng)格也具有高韌性，這是由于銅微粒的不完全燒結(jié)，使得最終的該開孔金屬泡沫體的比表面明顯提高。
實際上，也能獲得上述預(yù)期的有利性能。
權(quán)利要求
1.一種由鎳-銅合金制成的開孔金屬泡沫體，具有至少40wt％的鎳，孔隙率至少為90％。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬泡沫體，其特征在于，除了所述鎳和所述銅外，還含有最高6wt％的其它合金元素。
3.如權(quán)利要求1或2所述的金屬泡沫體，其特征在于所述鎳的含量為至少60wt％。
4.如前述任一項權(quán)利要求所述的金屬泡沫體，其特征在于含有的其它合金元素選自錳、鐵、碳、硅、鋁、鈦。
5.一種制備權(quán)利要求1-4中至少一項所述開孔金屬泡沫體的方法，其特征在于，用銅粉和/或氧化銅粉末涂覆所述純鎳制開孔金屬泡沫體，使得所述粉末覆蓋在所述鎳泡沫結(jié)構(gòu)的表面和所述孔隙內(nèi)，隨后在700℃以上進(jìn)行熱處理，其中所述鎳和所述銅發(fā)生合金化。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述粉末與一種有機粘結(jié)劑一同沉積在所述鎳泡沫結(jié)構(gòu)的表面上。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于利用聚合物粘結(jié)劑的水溶液沉積所述銅粉和/或所述氧化銅粉末。
8.如權(quán)利要求5-7中任一項所述的方法，其特征在于所述熱處理在氫氣氛圍中進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求5-8中任一項所述的方法，其特征在于，在700℃-900℃進(jìn)行的所述熱處理過程中，孔隙率得以降低，比表面得以提高。
10.如權(quán)利要求5-9中任一項所述的方法，其特征在于，在1100℃-1300℃進(jìn)行的所述熱處理過程中，所述鎳泡沫結(jié)構(gòu)保持初始孔隙率。
11.如權(quán)利要求5-10中任一項所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行所述熱處理之前，向所述粉末中加入粉狀催化活性物質(zhì)。
12.如權(quán)利要求5-10中任一項所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行所述熱處理之后，通過電鍍或燒結(jié)將一種催化活性物質(zhì)沉積在所述表面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開孔金屬泡沫體及其制備方法。所述金屬泡沫體可以有利地用于導(dǎo)致多種常規(guī)材料嚴(yán)重腐蝕、并經(jīng)常使其使用壽命縮短的環(huán)境條件中。根據(jù)這一目的，所述金屬泡沫體應(yīng)當(dāng)具有低重量、同時具有高比表面、并且在化學(xué)侵蝕環(huán)境下具有高耐蝕性。隨后開發(fā)出了本發(fā)明所述開孔金屬泡沫體，該泡沫體由含有至少40wt％鎳的鎳－銅合金制成，其孔隙率為至少90％。
文檔編號B22F3/11GK1981062SQ200580021137
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者D·瑙曼, L·蒂姆伯格, A·貝姆, G·瓦爾特爾 申請人:英科有限公司, 弗勞恩霍弗實用研究促進(jìn)協(xié)會