專利名稱：微孔泡沫鐵及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多孔鐵結構，尤其涉及一種微孔泡沫鐵材料，及其制備方法。
背景技術：
鐵是地核中的主要物質，也是人們最為熟知的一種金屬。多孔金屬具有結構和功 能雙重屬性，可應用于很多的工程領域([1]劉培生.多孔材料引論[M].北京清華大學 出版社，2004.)。作為多孔金屬，多孔鐵首先在減震減摩領域以及在含油軸承等方面都起 著重要的作用，而且在軍事領域也受到很大重視([2]張政，黨新安.溫壓工藝制備多孔鐵 基金屬的探討[J].火工品，2007，3:50-53.)。泡沫態(tài)多孔鐵的性能優(yōu)于泡沫鋁等低熔點 泡沫金屬的性能，較突出的優(yōu)點如其比泡沫鋁具有更高的強度、吸能緩沖性和耐高溫性，因 而在汽車制造業(yè)、船舶制造業(yè)、高層建筑業(yè)、橋梁及交通運輸業(yè)有著更廣闊的應用前景，但 制備多孔鐵的工藝也要比制備泡沫鋁的工藝更為困難([3]高芝，周蕓，左孝青，潘曉亮，楊 林海.粉體致密化法(PCF)制備泡沫鐵的研究[J].昆明理工大學學報(理工版)，2006， 31 (6) :32-35.)。多孔鐵還是近來研究較多的用于汽車尾氣凈化的載體材料([4]陳紅輝，郝勝策， 高原，張婷.超聲波對泡沫鐵結構的影響[J].電鍍與環(huán)保，2009，29 (3) :15-17.)。早期所研 究的汽車尾氣凈化一般均采用泡沫陶瓷芯體作為催化載體，利用活性物質對汽車尾氣進行 催化轉化后排放([5]陳紅輝，朱愛平，夏健康，劉純輝，高原.泡沫鐵制備工藝的研究[J]. 電鍍與環(huán)保，2007，27 (5) :11-12.)。但陶瓷芯體存在機械強度低、脆性大、導熱性能較差等 缺點。泡沫態(tài)多孔鐵具有價格便宜、比表面積大、抗壓強度高、熱膨脹系數低、熱穩(wěn)定性好等 特點，更適合用于汽車尾氣凈化領域([5]陳紅輝，朱愛平，夏健康，劉純輝，高原.泡沫鐵制 備工藝的研究[J].電鍍與環(huán)保，2007，27 (5) :11-12.)。此外，適當選取不同初始密度的多孔鐵樣品，可使鐵的實驗沖擊壓縮點趨近地核 密度壓縮線，這對于界定地核條件下鐵相變等結構進化特征具有直接的應用意義([6]張 岱宇，劉福生，薛學東.用精密示波器測量多孔鐵沖擊高壓實驗[J].實驗科學與技術， 2006,6 25-27.)。從所閱文獻來看，多孔鐵的制備方法一般是采用粉末冶金溫壓工藝([2]張政，黨 新安.溫壓工藝制備多孔鐵基金屬的探討[J].火工品，2007，3 :50-53.)、粉末致密化發(fā) 泡工藝([3]高芝，周蕓，左孝青，潘曉亮，楊林海.粉體致密化法(PCF)制備泡沫鐵的研究 [J].昆明理工大學學報(理工版)，2006，31 (6) =32-35.)和電沉積工藝([4]陳紅輝，郝 勝策，高原，張婷.超聲波對泡沫鐵結構的影響[J].電鍍與環(huán)保，2009，29 (3) 15-17；[5] 陳紅輝，朱愛平，夏健康，劉純輝，高原.泡沫鐵制備工藝的研究[J].電鍍與環(huán)保，2007， 27(5) :11_12.)。本發(fā)明則是采用有機泡沫灌漿干燥成型燒結工藝，制備出了具有微孔結構 的泡沫鐵材料，其孔隙組成主要是尺度在幾個微米到幾十個微米的微孔。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有微孔結構的泡沫鐵材料(參見圖1)及其制備方 法。制備方法采用有機泡沫基體灌漿干燥成型燒結工藝，采用鐵粉和無毒黏結劑配制料漿， 選用聚氨酯泡沫為有機基體。本發(fā)明的微孔泡沫鐵，其特征在于通過有機泡沫灌漿干燥成型，在真空環(huán)境下熱 分解有機物并實現鐵粉燒結，最后形成具有微孔結構的多孔體，多孔體的孔隙主要由尺度 在幾個微米到幾十個微米的微孔所組成(參見圖2和圖3)，孔隙之間呈相互連通和半連通 狀態(tài)，整個材料可為流體所滲透。本發(fā)明使用的無毒黏結劑由甲基纖維素與水配制，兩者的質量配比為1 5 1 15;本發(fā)明提供的有機基體浸漿后的干燥工藝條件，為干燥箱中100°C烘干2h以上，以 確保除去多孔坯體中絕大多數水份并使坯體全部硬化?？紤]到金屬鐵的高溫氧化，本工藝規(guī)定燒結爐應保持真空度不低于10_2Pa的水平。本發(fā)明制備的多孔鐵結構具有下述特征和優(yōu)點1)本發(fā)明的泡沫鐵具有微孔結構，孔隙之間呈相互連通和半連通狀態(tài)，整個材料 可為流體所滲透。2)本發(fā)明的多孔鐵結構，其孔隙主要由尺度在幾個微米到幾十個微米的微孔所組 成，而且這種結構的孔隙尺寸及其孔率還可通過燒結溫度和燒結時間進行調節(jié)。3)本發(fā)明的制備方法操作方便，設備簡單，實用性強。


圖1本發(fā)明燒結條件為1300°C保溫2h時所得多孔鐵結構形貌的掃描電子顯微照 片(放大100倍)，顯示了該結構的泡沫形態(tài)。圖2本發(fā)明燒結條件為1300°C保溫2h時所得多孔鐵結構形貌的掃描電子顯微照 片(放大200倍)，顯示了該結構中的孔隙主要是由尺度在幾個微米到幾十個微米的微孔所 組成圖3本發(fā)明燒結條件為1300°C保溫2h時所得多孔鐵結構形貌的掃描電子顯微照 片(放大500倍)，顯示了該結構的孔隙結構形態(tài)。圖4本發(fā)明燒結條件為1400°C保溫2h時所得多孔鐵結構形貌的掃描電子顯微照 片(放大200倍)，顯示了該結構中的孔隙比圖2不但數量要少得多，而且尺寸也要小一些。
具體實施例方式實施例稱取一定量的甲基纖維素，按“甲基纖維素去離子水=lg 8ml”的 比例加入常溫去離子水，攪拌下配制成漿糊狀的均勻乳狀黏結劑待用。選用粒度為D5(i = 2. 5 y m、純度為99. 5 %的鐵粉，將75g鐵粉與60ml的上述黏結劑配制成料漿，攪拌均勻。 然后用聚氨酯通孔泡沫塊體進行灌漿處理，將處理過的毛坯體置于干燥箱中，于100°C烘干 4h。烘干后的毛坯體變硬，再放到真空爐中，先在室溫下抽真空至小于5X10_2Pa的水平，再 用30min的時間升溫至120°C，保溫2h，持續(xù)抽真空最后達到最小壓力為5. 2X 10_2Pa。然后 以90min的時間將爐溫由120°C直接提高到1250°C，接著以25min的時間將爐溫由1250°C 提高到1300°C，在1300°C保溫2h，完成后關機使系統隨爐冷卻。整個過程保持真空狀態(tài)，待
4爐體冷卻至100°C以下才出爐取樣。所得產品的宏觀形貌呈肉眼可視的“致密”結構，經電 鏡分析實際為具有大量微孔的泡沫鐵結構(參見圖1)，孔隙尺度在幾個微米到幾十個微米 之間(參見圖2和圖3)，孔隙之間呈相互連通和半連通狀態(tài)，整個材料可為流體所滲透。
對比例稱取一定量的甲基纖維素，按“甲基纖維素去離子水=lg 8ml”的 比例加入常溫去離子水，攪拌下配制成漿糊狀的均勻乳狀黏結劑待用。選用粒度為D5(i = 2. 5 y m、純度為99. 5 %的鐵粉，將75g鐵粉與60ml的上述黏結劑配制成料漿，攪拌均勻。 然后用聚氨酯通孔泡沫塊體進行灌漿處理，將處理過的毛坯體置于干燥箱中，于100°C烘干 4h。烘干后的毛坯體變硬，再放到真空爐中，先在室溫下抽真空至小于5X10_2Pa的水平，再 用30min的時間升溫至120°C，保溫2h，持續(xù)抽真空最后達到最小壓力為5. OX 10_2Pa。然后 以lOOmin的時間將爐溫由120°C直接提高到1350°C，接著以25min的時間將爐溫由1350°C 提高到1400°C，在1400°C保溫2h，完成后關機使系統隨爐冷卻。整個過程保持真空狀態(tài)，待 爐體冷卻至100°C以下才出爐取樣。所得產品的宏觀形貌呈肉眼可視的“致密”結構，經電 鏡分析實際為具有少量微孔的泡沫鐵結構，孔隙尺度在幾個微米到幾十個微米之間，孔隙 數量遠少于上述1300°C保溫2h燒結條件的實施例所得產品，孔隙的尺寸也要對應地小一 些(參見圖4)。
權利要求
一種微孔泡沫鐵材料，其特征在于該材料結構中的孔隙主要由尺度在幾個微米到幾十個微米的微孔所組成，孔隙之間呈相互連通和半連通狀態(tài)，整個材料可為流體所滲透。
2.權利要求1所述的泡沫鐵結構的制備方法，采用有機泡沫灌漿干燥成型燒結法，其 特征在于所用有機泡沫為聚氨酯泡沫體，漿料由鐵粉、甲基纖維素和水組成，有機泡沫灌 漿后先經100 120°C烘干2h以上，獲得具有良好自支持硬質結構的毛坯，然后置于真空爐 中燒結。燒結條件為1100 1400°C保溫1 3h。
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于鐵粉無需預處理，料漿配制的甲基纖 維素與水的質量比為1 5 1 15之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微孔泡沫鐵材料，該材料結構中的孔隙主要由尺度在幾個微米到幾十個微米的微孔所組成。有些孔隙之間呈相互連通狀態(tài)，而有些孔隙之間則呈半連通狀態(tài)，整個材料可為流體所滲透。這種多孔鐵結構的制備方法是以通孔有機泡沫為載體，采用灌漿干燥的方式獲取毛坯，然后進行高溫真空燒結而成。其中料漿由鐵粉和無毒性有機黏結劑組成，黏度用去離子水調節(jié)。
文檔編號C22C38/00GK101876023SQ20091025966
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權日2009年12月22日
發(fā)明者劉培生, 崔光, 羅軍, 陳一鳴 申請人:北京師范大學