專利名稱：多孔燒結(jié)體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多孔燒結(jié)體以及制造這樣一種多孔燒結(jié)體的方法，特別是涉及用于液體或氣體除臭或除污物的過濾器、或用做電容器的極化電極的一種多孔燒結(jié)體以及制造這樣一種多孔燒結(jié)體的方法。
近來，使用金屬的無紡織物的過濾器來作液體或氣體除臭或除雜質(zhì)的過濾器。這樣一種無紡金屬織物過濾器一般包括由諸如細長的不銹鋼絲之類的金屬絲組成的層壓結(jié)構(gòu)，將該層壓結(jié)構(gòu)加熱以使金屬線熔合。由于該金屬絲是抗腐蝕的，因此這種過濾器即使長時間暴露到空氣或液體中也不會被腐蝕。
還使用纖維狀的活性炭的無紡織物過濾器來進行液體除臭?；钚蕴坷w維在它們彼此保持接觸的區(qū)域不可能粘結(jié)在一起，因此，要通過某種工藝過程將活性炭纖維無紡織物的過濾器一直保持在一定的壓力下，故過濾器在整個使用期間受到壓力。
還使用由金屬或活性炭粘結(jié)的球形顆粒構(gòu)成的受壓的燒結(jié)過濾器。
由于金屬的無紡織物是被壓緊的和燒結(jié)的，所以它的孔隙率為60%或略大一些，并且其金屬絲間的孔不均勻。
纖維狀活性炭過濾器需要采取措施在使用期間一直將它們本身壓緊，因此結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。這種類型的過濾器的另一個缺點是纖維間的孔不均勻或不規(guī)則。
壓緊的燒結(jié)過濾器是通過把顆粒狀粘結(jié)劑與金屬或活性炭顆粒混合、壓緊并燒結(jié)而制造出來的。在燒結(jié)過濾器后，要除去顆粒狀粘結(jié)劑。如果顆粒狀粘結(jié)劑去除得不徹底，則制造出來的過濾器的過濾性能就很差。
上述這種類型的傳統(tǒng)過濾器還有一個缺點，即纖維或顆粒間的孔隙大小不一致。如果被壓緊的燒結(jié)過濾器是由使用直徑小于幾個μm的纖維或顆粒制造出來的，這些纖維或顆?；蛟S會被熔化，幾乎完全把孔堵塞，所以不可能使用直徑太小的纖維或顆粒。因此這種被壓緊的燒結(jié)過濾器不適用于排除尺寸為10μm左右的細菌，例如結(jié)腸炎菌。
由活性炭纖維或顆粒構(gòu)成的多孔燒結(jié)體，由于纖維的尺寸或顆粒的直徑較大，因此，單位體積的空間因子小，且單位體積的表面積也小。如果用多孔燒結(jié)體制造雙層電容器的極化電極，就不可能獲得大電容量的雙層電容器。再有，如果顆粒狀粘結(jié)劑排除得不充分，那么制造出來的雙層電容器也就不能完全達到預(yù)期的特性。
本發(fā)明的一個目的是提供一種僅由導(dǎo)電材料或半導(dǎo)電材料的微細顆粒構(gòu)成的多孔燒結(jié)體，其中不使用顆粒狀粘結(jié)劑，并且提供制造這樣一種多孔燒結(jié)體的方法。
按照本發(fā)明，提供一種多孔燒結(jié)體，包括導(dǎo)電材料和半導(dǎo)電材料其中之一的微粒，這些微粒的直徑等于或小于10μm，這些微粒在施加于它們間的電壓作用下在彼此接觸區(qū)域熔合在一起。
按照本發(fā)明，還提供一種多孔燒結(jié)體，它包括一種導(dǎo)電材料和一種半導(dǎo)電材料的微粒的均勻擴散的混合物，微粒直徑等于或小于10μm，這些微粒在施加于微粒間的電壓作用下在彼此接觸的區(qū)域熔合在一起。
按照本發(fā)明，進一步還提供一種制造多孔燒結(jié)體的方法，它包括如下步驟對導(dǎo)電材料和半導(dǎo)電材料中的一種材料的微粒粉末施加壓力;在保持在該壓力下的微粒之間加一脈沖電壓，在微粒之間引起放電;用放電產(chǎn)生的能量將微粒熔合在一起。
按照本發(fā)明，還提供制造多孔燒結(jié)體的另一種方法，它包括如下步驟對一種導(dǎo)電材料和一種半導(dǎo)電材料的微粒的均勻擴散的混合物施加壓力，同時將該均勻擴散的混合物保持在一個模具內(nèi);在被保持在該壓力下的微粒之間施加一個脈沖電壓，引起微粒之間放電;用放電產(chǎn)生的能量將微粒熔合在一起。
本發(fā)明的上述目的以及其它的一些目的、以及本發(fā)明的特征和優(yōu)點將從下述結(jié)合附圖的描述中變得更加清楚，在這些附圖中借助于示例表示出本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。


圖1表示按照本發(fā)明制造多孔燒結(jié)體的實例;
圖2表示加到導(dǎo)電材料微粒上的壓力以及流過該微粒的平均電流隨時間變化的曲線;
圖3是通過按本發(fā)明的工藝過程形成的多孔燒結(jié)體的剖面圖;
圖4是表示按本發(fā)明制造多孔燒結(jié)體的設(shè)備的電路圖;以及圖5是表示放電狀態(tài)的時間關(guān)系圖。
在下述描述中的多孔燒結(jié)體是由導(dǎo)電材料制成的。但按本發(fā)明的多孔燒結(jié)體也可由半導(dǎo)電材料制成。
圖1示意地表示出按本發(fā)明制造多孔燒結(jié)體的一個實例。圖1中，標號1代表一個直徑等于或小于10μm的導(dǎo)電材料微粒，標號2、3也代表和微粒1的材料相同的微粒。導(dǎo)電微粒3和導(dǎo)電微粒2靠在一起。脈沖電源4產(chǎn)生陡峭的脈沖電壓。
當脈沖電源4把瞬時脈沖電壓加在導(dǎo)電的微粒1和導(dǎo)電的微粒2、3之間時，即在各導(dǎo)電的微粒之間的間隙6、7內(nèi)建立了電場，產(chǎn)生了電場強度。當該電場強度超過一預(yù)定電壓時，就會在導(dǎo)電的微粒1和導(dǎo)電的微粒2、3之間發(fā)生電介擊穿，穿過間隙6、7產(chǎn)生火花放電。這時，從導(dǎo)電微粒2、3上發(fā)射的電子以及在導(dǎo)電微粒1上的離子轟擊將能排除附著在這些導(dǎo)電微粒表面上的薄膜，諸如氧化物膜，從而充分凈化了導(dǎo)電微粒的表面。這種火花放電在這些導(dǎo)電微粒之間產(chǎn)生了很大的壓力，并且火花放電的沖擊壓力使微細導(dǎo)電顆粒發(fā)生形變。隨后的流動電流產(chǎn)生的焦耳熱從導(dǎo)電微粒彼此靠近的這些點處傳播開來，很容易使這些導(dǎo)電微粒發(fā)生塑性形變。因為壓力是沿著圖中的箭頭所示方向加在導(dǎo)電微粒1和導(dǎo)電微粒2、3之間的，所以這些導(dǎo)電微粒1和2、3相互移近，并通過上述那些小點實現(xiàn)接觸。因此，這些導(dǎo)電微粒的原子通過這些接觸點得以有效地擴散和移動。
首先，在導(dǎo)電微粒上發(fā)生了小的塑性形變，并且導(dǎo)電微粒相互移近。導(dǎo)電微粒的彼此接觸區(qū)域逐漸擴大。隨后，越來越多的導(dǎo)電微粒堆積入一個具有單位體積的空間。由于導(dǎo)電微粒相互接觸的區(qū)域擴大了，因此相互間的接觸電阻極大地減小，所以產(chǎn)生的熱量也極大地減少。因而，導(dǎo)電微粒的接觸區(qū)域得以冷卻，熔化部分固化，導(dǎo)電微粒相互牢固地粘結(jié)在一起。
上述過程并非是同時地連續(xù)實現(xiàn)的。具體地說，加在導(dǎo)電微粒之間的脈沖電壓的持續(xù)時間極短，因此在導(dǎo)電微粒彼此移近時要中斷脈沖電壓的施加。因此在微粒之間穿過間隙6、7產(chǎn)生的火花放電也要被中斷。熱量的產(chǎn)生也被中斷，并且靠近這些間隙處的溫度沒有增加到熔化并毀壞導(dǎo)電微粒(即使它們的直徑等于或小于10μm)的溫度，該溫度始終保持在再結(jié)晶溫度之下。當下一個脈沖電壓加在間隙6、7上時，上述作用再次發(fā)生。重復(fù)上述性質(zhì)的放電直至導(dǎo)電粒子1和2、3相互實現(xiàn)接觸和粘結(jié)為止。重復(fù)施加脈沖電壓使導(dǎo)電微粒彼此充分地結(jié)合在一起，得到了多孔燒結(jié)體，在此之后進一步增加加到該多孔燒結(jié)體上的壓力，使粘結(jié)尚不充分的任何區(qū)域都牢固地粘結(jié)在一起。
圖2表示加在導(dǎo)電微粒上的壓力以及流過導(dǎo)電微粒的平均電流隨時間的變化關(guān)系。
如果在直徑等于或小于10μm的導(dǎo)電微粒之間只加直流電壓，那么火花放電就可能會繼續(xù)很長時間，直至導(dǎo)電微粒彼此接觸并且火花放電演變成輝光放電，其結(jié)果是間隙6、7附近的溫度可能會升高到完全熔化導(dǎo)電微粒的程度，使導(dǎo)電微粒被熔化并被壓成大塊的導(dǎo)電材料，根本不會形成多孔燒結(jié)體。
在按圖1和2所示上述過程后，通過對該多孔燒結(jié)體施加連續(xù)的直流電壓并對其施加較高的壓力來實現(xiàn)固化過程，從而增加了導(dǎo)電微粒間的粘結(jié)區(qū)域的機械強度。
圖3以剖面的形式表示出一種按上述順序形成的多孔燒結(jié)體。如圖3所示，包括導(dǎo)電微粒1、2、3在內(nèi)的許多導(dǎo)電微粒彼此牢固地粘結(jié)在一起，在導(dǎo)電微粒之間確確實實地形成了許多間隙8。
圖4示意地表示出按本發(fā)明制造多孔燒結(jié)體的一種設(shè)備。將導(dǎo)電材料微粒的粉末置于一個燒結(jié)模具10內(nèi)。燒結(jié)模具10由諸如鎢鋼之類的高強度冶金材料制成，其中間有一個堆放導(dǎo)電微粒的中心孔。該孔的內(nèi)壁通過先有工藝如蒸鍍法涂以一種絕緣材料，例如氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，形成了一絕緣層11。上、下電極12、13分別使下端和上端插入燒結(jié)模具10的孔內(nèi)。該上、下電極12、13由耐熱金屬制成，例如鎢、鉬等。導(dǎo)電材料微粒14密封在該上、下電極12、13之間。盡管圖4中沒有示出，但可通過沿圖中箭頭所示方向的液壓來可控地壓緊該上、下電極12、13，從而就可以對導(dǎo)電微粒14施加予期的壓力。將導(dǎo)電微粒14和燒結(jié)模具10放置在期望的氣氛之下。將該上、下端12、13和由開關(guān)SW以及電容器C組成的串連電路進行電氣連接，將由電位器R和可變電壓電源EA組成的串連電路和電容器C并連起來。開關(guān)SW的通、斷的時間由開關(guān)控制電路15控制。
燒結(jié)模具10可由陶瓷材料制成，如氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、等等。
下面將要描述如圖4所示的設(shè)備的工作情況。在電容器C完全充足電的同時，將開關(guān)SW接通。這時，電容器C兩端的電壓為Ec。對開關(guān)SW的接通時間ton進行控制，使ton大于電容器C的電荷在上、下電極12、13之間放電的放電時間td。對開關(guān)SW的斷開時間toff進行控制，使該斷開時間toff基本上等于對電容器C進行充電的充電時間tc。因而流經(jīng)上、下電極12、13之間的電流i具有一最大值。然后，驅(qū)動上、下電極12、13相互靠近，逐漸增加到導(dǎo)電微粒14上的壓力?，F(xiàn)在，流過上、下電極12、13之間的平均電流是逐步增加的。
當加到導(dǎo)電微粒14上的壓力達到一個預(yù)先值時，停止該增加壓力的過程，并且通過增加開關(guān)SW的斷開時間toff，或者通過縮短開關(guān)SW的接通時間ton，就可以把電容器C放電所產(chǎn)生的平均放電電流保持在一個規(guī)定的水平上。這種情況繼續(xù)某個時間，直到幾乎所有導(dǎo)電微粒實現(xiàn)彼此接觸和熔合為止。此后，將加到導(dǎo)電微粒14上壓力在一個預(yù)定的時間內(nèi)增加到幾倍高的一個水平。由于到這時幾乎所有導(dǎo)電微粒都已被熔合成一個多孔燒結(jié)體，所以流動的放電電流的增加已不很明顯。保持壓力，并將加在上、下電極12、13之間的放電電壓切斷。在該多孔燒結(jié)體的溫度降到常溫時，把加到該多孔燒結(jié)體上的壓力去掉，并且把該多孔燒結(jié)體從燒結(jié)模具10上拿下來。
任何導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的材料都可用做在本發(fā)明中使用的微粒材料。特別合適的材料是高熔點導(dǎo)電材料，包括銦、鋨、錸、鉭、鈦、鋯和碳，以及高熔點的半導(dǎo)體材料，包括硅和硼。
通過噴丸的辦法可使微粒彼此反復(fù)碰撞，因此這些微粒的球狀體是非常圓的。由這樣的一些微粒構(gòu)成的多孔燒結(jié)體在微粒之間的孔也是均勻的。
〔發(fā)明實例1〕按照上述的工藝過程處理直徑為幾個μm的0.345克炭微粒(即比表面積為1600cm2/克的活性炭微粒)，由此即產(chǎn)生薄圓盤形的炭微粒多孔燒結(jié)體。為檢查這樣形成的多孔燒結(jié)體的孔隙率，使用這樣的圓盤形多孔燒結(jié)體作極化電極來產(chǎn)生一個雙層電容器，然后對其靜態(tài)電容進行測量。測得的靜態(tài)電容為32法拉。按照對照例還要產(chǎn)生另一個雙層電容器，它具有糊狀電極，該電極由直徑為幾個μm的0.345克炭微粒(即比表面積為1600cm2/克的活性炭微粒)的糊制造并且和稀釋的硫酸溶液混合。對照例的雙層電容器的靜態(tài)電容為26.5法拉。對發(fā)明實例和對照例多孔燒結(jié)體之間進行比較，結(jié)果表明在僅由炭微粒構(gòu)成的薄圓盤形多孔燒結(jié)體中的炭微粒之間產(chǎn)生了許多孔隙。
〔發(fā)明實例2〕按照上述工藝過程處理1.9克鎢微粒，從而產(chǎn)生由鎢微粒組成的薄圓盤形多孔燒結(jié)體。為檢查這樣產(chǎn)生的多孔燒結(jié)體的孔隙率，將0.3cc的水滴向該圓盤形多孔燒結(jié)體。水完全被該圓盤形多孔燒結(jié)體吸收。當把更多的水滴進一步滴到該圓盤形多孔燒結(jié)體時，水就要穿過該圓盤形多孔燒結(jié)體并且在該燒結(jié)體的下表面形成水滴。
通過以上詳細描述的本發(fā)明，僅使直徑等于或小于10μm的導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料的微粒、或者僅使直徑等于或小于10μm的導(dǎo)電材料微粒與直徑等于或小于10μm的半導(dǎo)電材料微粒的均勻擴散混合物粘結(jié)在一起從而形成一種多孔燒結(jié)體，其中根本沒有使用任何一點顆粒狀的粘結(jié)劑。由于直徑等于或小于10μm的微粒牢靠地粘結(jié)在一起，所以可以產(chǎn)生出具有均勻孔隙的和良好過濾特性的過濾器。
由于直徑等于或小于10μm的微粒粘結(jié)在一起，因此微粒間的孔隙或間隙很小，約幾個μm。如果將按本發(fā)明的多孔燒結(jié)體用做過濾器，則該過濾器就能可靠地濾除溶液中的細菌，例如結(jié)腸炎菌。
因為直徑等于或小10μm的許多微?？杀欢逊e在一個體積內(nèi)，因此就增加了最終的多孔燒結(jié)體的表面積。如果用按本發(fā)明的多孔燒結(jié)體作雙層電容器的極化電極，則該雙層電容器的靜電電容就非常大。
按照本發(fā)明的制造方法，就可用較傳統(tǒng)的燒結(jié)方法小的壓力、以及較短的燒結(jié)時間來制造出多孔燒結(jié)體。
盡管已經(jīng)示出并描述了某個優(yōu)選實施例，但應(yīng)該明白，在不脫離所附的權(quán)利要求的范圍的情況下還能夠做出許多變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種多孔燒結(jié)體，由導(dǎo)電材料和半導(dǎo)電材料中的一種材料組成，所說微粒的直徑等于或小于10μm，所說微粒在加在所說微粒間的電壓的作用下、在彼此接觸的那些區(qū)域熔合在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔燒結(jié)體，其中所說導(dǎo)電材料選自碳、銦、鋨、錸、鉭、鈦、鋯的材料組，所說的半導(dǎo)電材料選自硅、硼材料組。
3.如權(quán)利要求1所述的多孔燒結(jié)體，其中所說的微粒形狀大致呈球形。
4.一種多孔燒結(jié)體，由導(dǎo)電材料和半導(dǎo)電材料的微粒的均勻擴散混合物組成，所說微粒的直徑等于或小于10μm，所說微粒在加在所說微粒間的電壓作用下在彼此接觸的那些區(qū)域熔合在一起。
5.如權(quán)利要求4所述的多孔燒結(jié)體，其中所說導(dǎo)電材料選自碳、銦、鋨、錸、鉭、鈦、鋯的材料組，所說的半導(dǎo)電材料選自硅、硼材料組。
6.如權(quán)利要求4所述的多孔燒結(jié)體，其中所說的微粒的形狀大致呈球形。
7.一種制造多孔燒結(jié)體的方法，包括如下步驟對導(dǎo)電材料和半導(dǎo)電材料中的一種材料的微粒粉末施加一個壓力;在被保持在該壓力下的微粒之間加一脈沖電壓，使在微粒之間引起放電;以及借助于放電產(chǎn)生的能量將這些微粒熔合在一起。
8.一種制造多孔燒結(jié)體的方法，它包括如下步驟對導(dǎo)電材料和半導(dǎo)電材料的微粒的均勻擴散混合物施加一個壓力，同時所說的均勻擴散混合物被放在一個模具內(nèi);在被保持在該壓力下的微粒之間加一脈沖電壓，以便由此在微粒之間引起放電;以及借助于放電產(chǎn)生的能量將這些微粒熔合在一起。
全文摘要
對導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料的直徑等于或小于10μm的微粒粉末加壓，同時在微粒之間加一脈沖電壓，從而在微料之間產(chǎn)生放電，這些微粒在彼此接觸的區(qū)域熔合在一起，從而產(chǎn)生一種多孔燒結(jié)體。該多孔燒結(jié)體僅由導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料構(gòu)成，其中根本沒有使用任何顆粒狀粘結(jié)劑。
文檔編號B01J19/08GK1049623SQ9010713
公開日1991年3月6日 申請日期1990年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月22日
發(fā)明者土屋善信, 一林研, 諸星博芳, 吉田彰夫, 西谷忠邦, 仁井田賴明 申請人:五十鈴汽車有限公司