梯密度通孔金屬泡沫及其制備方法
【專利摘要】一種納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】的梯密度通孔金屬泡沫及其制備方法，通過(guò)以結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫作為原始骨架制備，即通過(guò)將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫焊接于帶有密閉沸騰容器的紫銅加熱器的上表面后，開啟紫銅加熱器并將金屬納米溶液分批次倒入密閉沸騰容器中并在氬氣環(huán)境下烘干，制成梯密度通孔金屬泡沫。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)納米溶液的濃度和液位改變結(jié)構(gòu)均勻金屬泡沫的纖維直徑，然后對(duì)沉積后的金屬泡沫在氬氣氛下加熱烘干，即可制備不同規(guī)格的梯密度金屬泡沫。本發(fā)明降低了梯密度金屬泡沫的生產(chǎn)成本，促進(jìn)了梯密度通孔金屬泡沫的推廣應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】梯密度通孔金屬泡沬及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是指在不同濃度的納米溶液中沸騰后，將相同材質(zhì)的金屬納米顆粒沉積在泡沫纖維骨架上來(lái)改變孔密度。
【背景技術(shù)】
[0002]通孔金屬泡沫作為一種新型的多孔材料，它的換熱比表面積大，相對(duì)密度較小，具有消音、過(guò)濾和良好的傳熱和力學(xué)性能，在減震降噪、環(huán)保、化工催化和能源動(dòng)力領(lǐng)域有巨大的研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。通孔金屬泡沫由金屬骨架和蜿蜒的內(nèi)部連通通道組成。而梯密度通孔金屬泡沫由于其獨(dú)特的漸變的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)，可以提高相變換熱系數(shù)和燃燒效率，是一種性能優(yōu)良的多孔介質(zhì)。
[0003]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1179474A，公告日1998_04_22，記載了一種孔徑可調(diào)泡沫鋁的制備方法，其特征是先將待發(fā)泡金屬鋁及其合金熔化，再將增粘劑鋁或廢舊泡沫鋁覆蓋其上，保溫后攪拌，拌勻后加入發(fā)泡劑，再攪拌并在600~700°C保溫，從爐中取出后冷卻即得到孔結(jié)構(gòu)均勻的泡沫鋁；中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101037734A，公告日2007-09-19，記載了一種孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料的制備方法，其特征在于先將鎂粉末和尺寸為毫米量級(jí)的尿素顆粒以及添加劑混合均勻后，加壓獲得生坯，再將生坯至于堿性水溶液中浸泡，然后將浸泡過(guò)的生坯置于氬氣氛下在240~260°C至少3小時(shí)，接著將其于610~630°C至少2.5小時(shí)就可制得孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料；中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101445883A，公告日2009-06-03，記載了一種多孔泡沫金屬的制備方法，其特征在于將實(shí)體金屬預(yù)處理后浸沒(méi)在鍍液中，并在表面均勻排布塑料粒子，進(jìn)行電鍍至塑料粒子被完全覆蓋前取出，用溶劑將塑料粒子溶解，得到實(shí)體金屬和泡沫金屬層的結(jié)合體，將上述結(jié)合體再浸沒(méi)在鍍液中，如此反復(fù)進(jìn)行，至制得的泡沫金屬層體積達(dá)到所需要求止，最后將實(shí)體金屬和泡沫金屬的結(jié)合體進(jìn)行分離。然而，上述方法針對(duì)的是結(jié)構(gòu)均勻金屬泡沫的制備，并不適用于梯密度金屬泡沫，而且工藝較為復(fù)雜，制作成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種梯密度通孔金屬泡沫及其制備方法，通過(guò)調(diào)節(jié)納米溶液的濃度和液位改變結(jié)構(gòu)均勻金屬泡沫的纖維直徑，然后對(duì)沉積后的金屬泡沫在氬氣氛下加熱烘干，即可制備不同規(guī)格的梯密度金屬泡沫。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明涉及一種梯密度通孔金屬泡沫的制備方法，通過(guò)以結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫作為原始骨架制備，即通過(guò)將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫焊接于帶有密閉沸騰容器的紫銅加熱器的上表面后，開啟紫銅加熱器并將金屬納米溶液分批次倒入密閉沸騰容器中并在氬氣環(huán)境下烘干，制成梯密度通孔金屬泡沫。
[0007]所述的結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫通過(guò)熔模鑄造方式制備得到。
[0008]所述的焊接采用無(wú)鉛焊錫；其具體步驟包括:先加熱紫銅加熱器的表面至無(wú)鉛焊錫的熔點(diǎn)，再將無(wú)鉛焊錫放至紫銅加熱器表面熔化，然后將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫壓到紫銅加熱器表面上，接著關(guān)掉紫銅加熱器電源并自然冷卻，實(shí)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫焊接至紫銅加熱器上。
[0009]所述的金屬納米溶液是指:采用與結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫相同材質(zhì)的納米顆粒倒入去離子水中，通過(guò)使用超聲波攪拌器制備成納米溶液。
[0010]所述的開啟紫銅加熱器是指:使得紫銅加熱器的上表面加熱至熱流密度達(dá)到IO6~1.5 X IO6W.m-2，并持續(xù)加熱5~10個(gè)小時(shí)后自然冷卻。
[0011]所述的分批次倒入是指:在紫銅加熱器開啟后首先將金屬納米顆粒沉積至金屬泡沫下部骨架上，然后分步提升金屬納米溶液的液位，每次重新開啟紫銅加熱器，直至納米顆粒沉積到結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫的上部骨架上，此時(shí)結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫的下部骨架纖維的直徑明顯高于上部骨架纖維，形成了梯密度通孔金屬泡沫。
[0012]所述的分布提升金屬納米溶液的液位的技術(shù)要求或最小/大限制為:3mm~20_。
[0013]所述的紫銅加熱器在制備結(jié)束后通過(guò)焊接方式摘除，具體步驟為:將金屬納米溶液倒出并開啟紫銅加熱器，使其上表面溫度升高至焊錫熔點(diǎn)，將梯密度金屬泡沫取下，并放至氬氣保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱烘干，保留原始泡沫骨架，即可得到所需的梯密度金屬泡沫。
[0014]所述的金屬納米顆粒的材質(zhì)為鋁、銅或鎳。
[0015]所述的金屬納米顆粒粒徑范圍為IOnm~50nm。
[0016]所述的納米溶液的體積濃度范圍為0.1%~5%。
[0017]本發(fā)明涉及上述方法制備得到的梯密度通孔金屬泡沫，該金屬泡沫的孔密度呈梯度變化，即孔隙率相同，孔密度沿某一方向增大或減小。
[0018]所述的孔密度的變化范圍為5PPI~130PPI，優(yōu)選為30~40~50~60~70~80PPI的梯度變化。
[0019]所述的孔隙率的范圍為0.88~0.98。
技術(shù)效果
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)納米溶液沸騰沉積法制備梯密度通孔金屬泡沫，降低了生產(chǎn)成本，擴(kuò)大了年孔密度梯度可調(diào)范圍，促進(jìn)了梯密度通孔金屬泡沫的推廣應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0022]本實(shí)施例通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0023]第一步、通過(guò)熔模鑄造法制備孔密度為60PP1、孔隙率為0.9的結(jié)構(gòu)均勻通孔銅泡沫。
[0024]第二步、打開紫銅加熱器，使其加熱表面的溫度上升到至無(wú)鉛焊錫的熔點(diǎn)(186°C )，然后熔化無(wú)鉛焊錫至紫銅加熱器表面，接著將相同尺寸的孔密度為60PP1、孔隙率為0.9通孔銅泡沫壓到紫銅加熱器表面上，關(guān)掉紫銅加熱器電源，冷卻，銅泡沫被焊接至紫銅加熱器上。[0025]第二步、將和平均粒徑為20nm的納米銅顆粒倒入去離子水中，通過(guò)使用超聲波攪拌器制備濃度為5%的銅納米溶液，然后將納米溶液倒入沸騰容器中，使其液位位于三分之一銅泡沫高度處。
[0026]第三步、打開紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到IO6W.m-2，持續(xù)加熱8個(gè)小時(shí)，銅泡沫纖維骨架上覆蓋一層銅納米顆粒層，三分之一銅泡沫部分的孔密度增大至70ΡΡΙ。
[0027]第四步、繼續(xù)倒入濃度為5%的銅納米溶液，使其液位位于三分之二銅泡沫高度處。打開紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到IO6W.m_2，持續(xù)加熱8個(gè)小時(shí)，銅泡沫纖維骨架上又覆蓋一層銅納米顆粒層，銅泡沫下部三分之一部分的孔密度增大至80PPI，三分之一至三分之二部分孔密度增大至70PPI。
[0028]第五步、將納米溶液倒出，打開紫銅加熱器，使其上表面溫度升高至焊錫熔點(diǎn)(1860C )，將梯密度銅泡沫取下，并放至氬氣保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱烘干，即可得到孔隙率為0.92、孔密度按60P PI~70PPI~80PPI變化的梯密度銅泡沫。
實(shí)施例2
[0029]本實(shí)施例通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0030]第一步、通過(guò)熔模鑄造法制備孔密度為30PP1、孔隙率為0.95的結(jié)構(gòu)均勻通孔鋁泡沫。
[0031]第二步、打開紫銅加熱器，使其加熱表面的溫度上升到至無(wú)鉛焊錫的熔點(diǎn)(186°C )，然后熔化無(wú)鉛焊錫至紫銅加熱器表面，接著將相同尺寸的孔密度為30PP1、孔隙率為0.95通孔鋁泡沫壓到紫銅加熱器表面上，關(guān)掉紫銅加熱器電源，冷卻，鋁泡沫被焊接至紫銅加熱器上。
[0032]第二步、將和平均粒徑為40nm的納米鋁顆粒倒入去離子水中，通過(guò)使用超聲波攪拌器制備濃度為5%的鋁納米溶液，然后將納米溶液倒入沸騰容器中，使其液位位于三分之一鋁泡沫高度處。
[0033]第三步、打開紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到1.2 X IO6W.m-2，持續(xù)加熱10個(gè)小時(shí)，銅泡沫纖維骨架上覆蓋一層鋁納米顆粒層，三分之一鋁泡沫部分的孔密度增大至40ΡΡΙ。
[0034]第四步、繼續(xù)倒入濃度為5%的鋁納米溶液，使其液位位于三分之二鋁泡沫高度處。打開紫銅加熱器，使上表面熱流密度達(dá)到1.2 X IO6W.m_2，持續(xù)加熱10個(gè)小時(shí)，鋁泡沫纖維骨架上又被覆蓋一層鋁納米顆粒層，三分之一鋁泡沫部分的孔密度增大至50PPI，三分之一至三分之二部分孔密度增大至40PPI。
[0035]第五步、將納米溶液倒出，打開紫銅加熱器，使其上表面溫度升高至焊錫熔點(diǎn)(186°C )，將梯密度鋁泡沫取下，并放至氬氣保護(hù)下的加熱爐內(nèi)加熱烘干，即可得到孔隙率為0.96、孔密度按30PPI~40PPI~50PPI變化的梯密度鋁泡沫。
【權(quán)利要求】
1.一種梯密度通孔金屬泡沫的制備方法，其特征在于，通過(guò)以結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫作為原始骨架制備，即通過(guò)將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫焊接于帶有密閉沸騰容器的紫銅加熱器的上表面后，開啟紫銅加熱器并將金屬納米溶液分批次倒入密閉沸騰容器中并在氬氣環(huán)境下烘干，制成梯密度通孔金屬泡沫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的焊接采用無(wú)鉛焊錫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的焊接具體步驟包括:先加熱紫銅加熱器的表面至無(wú)鉛焊錫的熔點(diǎn)，再將無(wú)鉛焊錫放至紫銅加熱器表面熔化，然后將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫壓到紫銅加熱器表面上，接著關(guān)掉紫銅加熱器電源并自然冷卻，實(shí)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫焊接至紫銅加熱器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的金屬納米溶液是指:采用與結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫相同材質(zhì)的納米顆粒倒入去離子水中，通過(guò)使用超聲波攪拌器制備成納米溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的開啟紫銅加熱器是指:使得紫銅加熱器的上表面加熱至熱流密度達(dá)到IO6~1.5 X 106W*nT2，并持續(xù)加熱5~10個(gè)小時(shí)后自然冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的分批次倒入是指:在紫銅加熱器開啟后首先將金屬納米顆粒沉積至金屬泡沫下部骨架上，然后分步提升金屬納米溶液的液位，每次重新開啟紫銅加熱器，直至納米顆粒沉積到結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫的上部骨架上，此時(shí)結(jié)構(gòu)均勻通孔金屬泡沫的下部骨架纖維的直徑明顯高于上部骨架纖維，形成了梯密度通孔金屬泡沫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的金屬納米顆粒粒徑范圍為IOnm~50nmo
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的納米溶液的體積濃度范圍為0.1%~5% ο
9.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到的梯密度通孔金屬泡沫，其特征在于，該金屬泡沫的孔密度呈梯度變化，即孔隙率相同，孔密度沿某一方向增大或減?。豢酌芏鹊淖兓秶鸀?PPI~130PPI，孔隙率的范圍為0.88~0.98。
10.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的的梯密度通孔金屬泡沫，其特征是，所述的金屬納米顆粒的材質(zhì)為招、銅或鎳。
【文檔編號(hào)】C22C1/08GK103555984SQ201310499157
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】徐治國(guó), 趙長(zhǎng)穎, 王美琴 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)