本發(fā)明涉及材料制備方法，尤其涉及一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法。

背景技術：
多孔金屬材料是近年來迅速發(fā)展起來的一種具有優(yōu)異物理特性和力學性能的新型復合材料。根據(jù)其孔洞的形態(tài),可以將多孔金屬材料分為獨立孔洞型的和連續(xù)孔洞型兩大類。因多孔金屬材料擁有比重小、剛度大、比表面積高、減震性好、消音降噪效果優(yōu)良、電磁屏蔽性能高等特點。作為功能材料，目前主要應用于催化劑載體、高溫液體過濾器、原子能、電化學、石油化工、冶金、醫(yī)藥、熱交換器等領域。作為結構材料，主要應用于航空、機械、建筑等領域。制造金屬多孔材料的方法主要包括金屬堆積燒結法、添加造孔劑法、漿料發(fā)泡燒結法、模板法、熔模鑄造法、燃燒合成法等。其中，金屬堆積燒結法是將堆積的空心球(或粉末)進行高溫燒結，通過高溫擴散形成冶金結合制備多孔金屬的方法。添加造孔劑技術是將造孔劑與金屬粉按一定比例混合，再燒結前或燒結后通過加熱(或溶解)等方法去除造孔劑，進而獲得多孔結構。漿料發(fā)泡法是以金屬粉末為原料，通過添加發(fā)泡劑等配成漿料，再加入模具中進行加熱，由于添加劑和發(fā)泡劑的作用產(chǎn)生氣體膨脹，經(jīng)燒結后可獲得多孔金屬。模板法是指以海綿為模板，將金屬漿料浸漬于模板中，待干燥后再加熱除去模板，最后經(jīng)高溫燒結獲得多孔金屬。熔模鑄造法是將高熔點液態(tài)材料充入海綿狀泡沫塑料孔隙中固化，整體加熱使塑料組分蒸發(fā)，進而獲得海綿孔隙結構，再將液態(tài)金屬澆入鑄型中冷卻和凝固，去除高熔點材料，最終獲得多孔金屬。燃燒合成法是利用化學反應自身釋放的熱量制備材料的新工藝。在上述方法中，通常所制備的材料多為獨立型多孔材料，即為閉孔材料?？障堵释ǔ?0％～50％，且孔隙分布難以精準控制。作為閉孔材料，其孔徑分布、孔徑尺寸等不可控因素將嚴重制約金屬多孔材料在工程應用的廣泛開展，如過濾材料、生物醫(yī)學材料以及催化劑材料等領域。因此如何開展貫通性開孔材料變得更有意義。目前，貫通性開孔金屬材料受到研究學者和制作商的急切關注，將是本世紀最具有研究意義和廣泛應用前景的復合材料之一。作為貫通性多孔材料的主要制造方法包括有機泡沫浸漬法和金屬纖維燒結法等。李眾利等利用有機泡沫浸漬法制備了類松質(zhì)骨結構的鈦合金多孔材料。其中聚氨酯泡沫孔徑為200～600μm，孔隙率50％～70％的三維連通多孔結構。利用鈦粉為原材料，經(jīng)過燒結后獲得的多孔鈦具有三維網(wǎng)絡結構，孔隙率50％～60％，其彈性模量為0.6～0.7GPa。但該方法獲得的存在著連通孔的閉塞率較高,整體強度不均勻等問題。而金屬纖維燒結法則是利用金屬纖維纏繞成型，冷壓致密化處理，再進行高溫燒結即可獲得金屬纖維多孔材料。此方法雖然獲得了氣孔率可控的多孔材料，但通常所使用的模具較為簡單，如要制備出不同氣孔率的金屬多孔材料，則需要反復燒結多次。這樣將造成材料制造成本明顯增加，能源消耗大，而且費時費力。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決現(xiàn)有金屬纖維多孔材料的制備方法，在制備不同氣孔率的金屬多孔材料時，要反復燒結多次，存在能源消耗大且浪費時間的問題，而提出一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法。本發(fā)明方法采用金屬纖維多孔材料燒結模具包括：外套2、上壓頭1、下壓頭6、內(nèi)套5以及壓柱塊組合構件，外套2為具有一定壁厚的圓筒；上壓頭1是一個與外套2內(nèi)徑相匹配的圓柱體；下壓頭6為同軸的三段圓柱體構成，上圓柱的直徑與外套2內(nèi)徑相匹配，中圓柱的直徑與外套2外徑相等，三段圓柱中下圓柱的直徑最?。粌?nèi)套5為帶有通孔的圓柱體，其外徑與外套2的內(nèi)徑相匹配；壓柱塊組合構件包括上壓柱塊3和下壓柱塊7兩組，每組壓柱塊均為圓柱體，上壓柱塊3、下壓柱塊7的個數(shù)與內(nèi)套5上通孔的個數(shù)的相同，其直徑與內(nèi)套5上通孔的直徑匹配，上壓柱塊3、下壓柱塊7的長度可因需要改變。所述模具的材質(zhì)為高強度石墨、連續(xù)編織碳纖維增強的氮化硅、碳化硅或氧化鋁；所述內(nèi)套5上的通孔按中心對稱分布，設計成5孔、9孔、17孔或33孔；所述內(nèi)套5上的通孔的軸線方向與內(nèi)套5軸線方向的夾角成1～2°；所述外套2與下壓頭6在裝配時，采用過盈配合方式；所述外套2的壁厚為30～40mm，內(nèi)套5上通孔的長度尺寸為10～50mm；所述下壓頭6的下圓柱直徑與加壓臺上卡槽的內(nèi)徑相匹配；所述外套2的外徑為170～180mm，外套2的內(nèi)徑為100～110mm；所述內(nèi)套5的高度為110～120mm，上壓柱塊3、下壓柱塊7的高度為5～30mm。一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法，按以下步驟進行：步驟一、將金屬纖維先進行螺旋纏繞處理后，再進行折疊編織冷壓處理，最終得到n個直徑與內(nèi)套上通孔的直徑相等的圓柱形多孔材料預制塊4，n的取值范圍：2≤n≤33；步驟二、將步驟一得到的n個圓柱形多孔材料預制塊4夾在上壓柱塊3、下壓柱塊7之間，豎直放置在內(nèi)套5上的通孔內(nèi)，所述上壓柱塊3、下壓柱塊7和多孔材料預制塊4的總高度超出內(nèi)套5高度的1/5～1/3；步驟三、同時向金屬纖維多孔材料燒結模具的上壓頭1、下壓頭6施加壓力，壓力范圍：0.1～10t；作用時間為0.5～1.2h；步驟四、對多孔材料預制塊4施加壓力后在氣體保護下加熱燒結0.5～2h；步驟五、降到室溫后，同時得到不同孔隙率的金屬纖維多孔材料。本發(fā)明包括以下有益效果：1、采用本發(fā)明所述方法在一次燒結過程中，可制備出不同孔隙率的金屬多孔材料，既能節(jié)約時間，又能節(jié)省能源；2、采用本發(fā)明所述方法可制造大直徑的金屬纖維多孔材料；3、采用本發(fā)明所述方法制備出金屬多孔材料，孔隙率可精確控制，孔隙率控制范圍為30～80％，通孔率可達到100％。附圖說明圖1為本方法所使用的金屬纖維多孔材料燒結用模具整體裝配結構圖；其中，1為上壓頭，2為外套，3為上壓柱塊，4為多孔材料預制件，5為內(nèi)套，6為下壓頭，7為下壓柱塊。圖2為內(nèi)套的俯視圖；圖3為內(nèi)套A-A面的剖面圖。具體實施方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合圖1至圖3和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。具體實施方式一、本實施方式所述的一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法，涉及的金屬纖維多孔材料燒結模具包括：外套2、上壓頭1、下壓頭6、內(nèi)套5以及壓柱塊組合構件，外套2為具有一定壁厚的圓筒；上壓頭1是一個與外套2內(nèi)徑相匹配的圓柱體；下壓頭6為同軸的三段圓柱體構成，上圓柱的直徑與外套2內(nèi)徑相匹配，中圓柱的直徑與外套2外徑相等，三段圓柱中下圓柱的直徑最??；內(nèi)套5為帶有通孔的圓柱體，其外徑與外套2的內(nèi)徑相匹配；壓柱塊組合構件包括上壓柱塊3和下壓柱塊7兩組，每組壓柱塊均為圓柱體，上壓柱塊3、下壓柱塊7的個數(shù)與內(nèi)套5上通孔的個數(shù)的相同，其直徑與內(nèi)套5上通孔的直徑匹配，上壓柱塊3、下壓柱塊7的長度可因需要改變。所述模具的材質(zhì)為高強度石墨、連續(xù)編織碳纖維增強的氮化硅、碳化硅或氧化鋁；所述內(nèi)套5上的通孔按中心對稱分布，設計成5孔、9孔、17孔或33孔；所述內(nèi)套5上的通孔的軸線方向與內(nèi)套5軸線方向的夾角成1～2°；所述外套2與下壓頭6在裝配時，采用過盈配合方式；所述外套2的壁厚為30～40mm，內(nèi)套5上通孔的長度尺寸為10～50mm；所述下壓頭6的下圓柱直徑與加壓臺上卡槽的內(nèi)徑相匹配；所述外套2的外徑為170～180mm，外套2的內(nèi)徑為100～110mm；所述內(nèi)套5的高度為110～120mm，上壓柱塊3、下壓柱塊7的高度為5～30mm，見圖1至圖3。一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法，按以下步驟進行：步驟一、將金屬纖維先進行螺旋纏繞處理后，再進行折疊編織冷壓處理，最終得到n個直徑與內(nèi)套上通孔的直徑相等的圓柱形多孔材料預制塊4，n的取值范圍：2≤n≤33；步驟二、將步驟一得到的n個圓柱形多孔材料預制塊4夾在上壓柱塊3、下壓柱塊7之間，豎直放置在內(nèi)套5上的通孔內(nèi)，所述上壓柱塊3、下壓柱塊7和多孔材料預制塊4的總高度超出內(nèi)套5高度的1/5～1/3；步驟三、同時向金屬纖維多孔材料燒結模具的上壓頭1、下壓頭6施加壓力，壓力范圍：0.1～10t；作用時間為0.5～1.2h；步驟四、對多孔材料預制塊4施加壓力后在氣體保護下加熱燒結0.5～2h；步驟五、降到室溫后，同時得到不同孔隙率的金屬纖維多孔材料。本實施方式包括以下有益效果：1、采用本實施方式所述方法在一次燒結過程中，可制備出不同孔隙率的金屬多孔材料，既能節(jié)約時間，又能節(jié)省能源；2、采用本實施方式所述方法可制造大直徑的金屬纖維多孔材料；3、采用本實施方式所述方法制備出金屬多孔材料，孔隙率可精確控制，孔隙率控制范圍為30～80％，通孔率可達到100％。具體實施方式二、本實施方式是對具體實施方式一所述的一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法的進一步說明，步驟一中所述的金屬纖維為鋁纖維、不銹鋼纖維、鐵鉻鋁合金纖維、鈦合金纖維、鉬纖維或銅纖維，n的取值范圍：2≤n≤33，冷壓處理時壓力范圍：0.1～1t。具體實施方式三、本實施方式是對具體實施方式一或二所述的一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法的進一步說明，步驟二中所述上壓柱塊3、下壓柱塊7和內(nèi)套5上通孔之間涂覆保護性涂料氮化硼或二硅化鉬。具體實施方式四、本實施方式是對具體實施方式一至三之一所述的一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法的進一步說明，步驟三中所述的向金屬纖維多孔材料燒結模具的上壓頭(1)、下壓頭(6)施加壓力時，下壓頭6位置固定，上壓頭1向下移動。具體實施方式五、本實施方式是對具體實施方式一至四之一所述的一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法的進一步說明，步驟四中所述氣體為氬氣、氫氣或氮氣。具體實施方式六、本實施方式是對具體實施方式一至五之一所述的一種貫通性且孔隙率可控的金屬纖維多孔材料燒結方法的進一步說明，步驟五中所述室溫為20～30℃。為驗證本發(fā)明的有益效果，作如下實驗：用鈦纖維作為原料，使用本實用新型所述的模具燒結鈦纖維多孔材料，同時制備出5組，每組3件，不同氣孔率的鈦纖維多孔材料，經(jīng)檢測實驗得到的鈦纖維多孔材料，孔隙尺寸為200～700μm，孔隙率為50％～60％，壓縮屈服強度為160～220MPa，彈性模量為3.8～4.2Gpa，具有獨特的三維貫通孔結構，開孔率為100％，貫通尺寸、孔隙尺寸和孔結構完全滿足作為生物醫(yī)學材料植入體的性能要求。