孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法
2023-06-03 10:20:51 1
專利名稱：孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鎂泡沫材料及製法，尤其是孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法。
背景技術：
金屬鎂的晶體結構和核外電子排布的特殊性，使其具有較高的阻尼能力、防電磁性。而對於鎂泡沫來說，它不但有著特殊的結構，而且有著超輕質、消聲、滯震、電磁屏蔽和抗老化等功能，據此，鎂泡沫材料可用來製作消聲器、減震器、換熱器、太陽能吸收器、催化劑載體、電磁屏蔽罩以及製造重量輕、強度適當的金屬結構材料構件等，為解決許多重大技術難題提供了可能。例如，利用泡沫狀金屬材料良好的吸音性能可解決長期困擾環境的汽車、摩託車發動機的排氣消音問題，可作為飛機結構構件的夾心材料，高速公路的隔音牆板。同時，鎂泡沫還有著良好的生物相容性，對於開孔結構的鎂泡沫來說，可以使得新骨組織在其內部生長和體液在其內部傳輸，而且，可以控制鎂泡沫的孔隙率，使其強度和楊氏模量滿足自然骨的力學要求。所以說鎂泡沫也是一種頗具前景的生物材料。近年來，人們為了獲得鎂泡沫材料，作了一些嘗試和努力，如在2003年4月16日公開的中國發明專利申請公開說明書CN 1410393A中披露的一種「鎂合金專用泡沫陶瓷過濾器製備方法」。它意欲提供一種製備方法來生產出有著良好的高溫抗壓強度、耐高溫衝擊和抗熱性的鎂合金專用泡沫陶瓷過濾器。該方法是以軟質聚氨酯泡沫塑料為母體，用純氧化鎂為原料，以磷酸鋁或硫酸鋁為粘接劑，將氧化鎂和粘接劑製成漿料浸塗在泡沫塑料上，再經乾燥、高溫燒結而成。但是，無論是鎂合金專用泡沫陶瓷過濾器，還是其製備方法，都存在著不足之處，首先，泡沫陶瓷過濾器為陶瓷泡沫，而不是鎂泡沫；其次，製備方法不能制出鎂泡沫材料。
發明內容
本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處，提供一種實用，製備簡便的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法。
孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料包括金屬鎂，特別是所說金屬鎂為由三維相互連通的空間網絡構成的開孔鎂泡沫，所說鎂泡沫的孔隙率為50～80％、孔徑為0.2～5mm。
孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料的製備方法包括粉末冶金法，特別是它是按以下步驟完成的(1)、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的尿素顆粒以及添加劑混合均勻後，加壓300～400MPa獲得生坯；(2)、將生坯置於濃度為0.0005～0.0015摩爾/升的鹼性水溶液中浸泡0.5～5小時；(3)、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在240～260℃中至少3小時，再將其於610～630℃下至少2.5小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下在240～260℃中至少3小時，再將其於580～610℃下至少2.5小時，製得孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
作為孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料的製備方法的進一步改進，所述的鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，其中，V為鎂泡沫的體積，P為空隙率，1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度；所述的尿素顆粒的形狀為球狀或柱狀或條狀或板狀或無規則狀；所述的添加劑的加入量為≤鎂粉末和尿素總質量的5％；所述的添加劑為有機溶劑或固態石蠟粉；所述的有機溶劑為乙醇或丙醇或丙酮；所述的鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液或氫氧化鉀水溶液或碳酸鈉水溶液或碳酸氫鈉水溶液；所述的將混合料壓製成生坯為單向壓制；所述的將混合料壓製成生坯為置於所需形狀的模具中進行壓制。
相對於現有技術的有益效果是，其一，對多次製得的鎂泡沫材料分別使用數位相機和場發射掃描電子顯微鏡來進行形態和結構的表徵，從得到的數位相機照片和掃描電鏡照片並經計算可知，鎂泡沫材料為三維相互連通的空間開孔網絡結構，其孔徑為0.2～5mm、孔隙率為50～80％；其二，用萬能材料試驗機對多次製得的鎂泡沫材料進行測試，由測得的壓縮應力-應變曲線均可看出，鎂泡沫展示出了非常長的塑性平臺應力區，並且其應力值要小於上屈服點所對應的應力值，顯示了鎂泡沫有著極高的吸能性能；其三，使用多功能內耗儀對多次製得的鎂泡沫材料的阻尼特徵進行測試，由測試結果可知，在所測量的溫度範圍內，鎂泡沫的阻尼能力要遠遠高於緻密鎂的阻尼能力，同時和其它同類型的金屬泡沫相比，如鋁泡沫，鎂泡沫更是展示出了其獨特的高阻尼特性；其四，採用粉末冶金技術，利用可溶可分解顆粒尿素作為充填物，既使製備出的鎂泡沫材料的孔徑均勻，又可顯著地提高鎂泡沫材料的質量，大大地降低廢品率；其五，少量添加劑的使用，使鎂粉末與尿素顆粒間的粘結更充分，防止了相互間的分層；其六，根據不同孔隙率的要求而設定的浸泡時間，雖在體積和孔徑也有影響的情況下，仍能確保鎂泡沫材料的孔隙率在50～80％範圍的目標得以實現；其七，製備的工藝簡單，成本低廉；其八，製備出的鎂泡沫材料的孔隙率和孔徑均可人為地精確控制。
下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。
圖1是對製得的鎂泡沫材料用數位相機和美國FEI Sirion 200型場發射掃描電子顯微鏡進行觀察後攝得的形貌照片和掃描電鏡照片，其中，圖1a和圖1b分別為垂直於壓力方向和平行於壓力方向的鎂泡沫材料的截面形貌，圖1c為平行於壓力方向的鎂泡沫材料的微結構掃描形貌；圖2是對製得的鎂泡沫材料使用Sans/CMT4204型萬能材料試驗機進行測試後得到的壓縮應力-應變曲線圖，測試所選用的鎂泡沫材料的孔隙率範圍是62.5～80％，孔徑約為1.5mm；圖3是分別對緻密鎂材料、製得的鎂泡沫材料以及鋁泡沫材料用倒扭擺型多功能內耗儀測試後得到的阻尼-溫度譜曲線，測試的方式為強迫振動，測試的條件為振動頻率為1.0Hz、應變振幅為30×10-6，測試時所選用的鎂泡沫材料和鋁泡沫材料的孔隙率為50％、孔徑約為1.5mm。
具體實施例方式
首先用常規方法製得或從市場購得鎂粉末、所需形狀與尺寸的毫米量級的尿素顆粒和添加劑以及鹼性水溶液；其中，添加劑為乙醇或丙醇或丙酮或固態石蠟粉，鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液或氫氧化鉀水溶液或碳酸鈉水溶液或碳酸氫鈉水溶液。
實施例11)、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的形狀為球狀的尿素顆粒以及添加劑乙醇混合均勻後，置於所需形狀的模具中進行單向加壓300MPa獲得生坯；其中，鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，式中的V為鎂泡沫的體積、P為空隙率(現選為50％)、1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度，添加劑乙醇的加入量為鎂粉末和尿素總質量的1％。2)、將生坯置於濃度為0.0005摩爾/升的氫氧化鈉水溶液中浸泡5小時。3)、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在240℃中5小時，再將其於610℃下4.5小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下(真空度為≤10-4Pa)在240℃中5小時，再將其於580℃下4.5小時，製得如圖1a、圖1b和圖1c以及圖2、圖3中的曲線所示的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
實施例21)、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的形狀為球狀的尿素顆粒以及添加劑乙醇混合均勻後，置於所需形狀的模具中進行單向加壓325MPa獲得生坯；其中，鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，式中的V為鎂泡沫的體積、P為空隙率(現選為60％)、1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度，添加劑乙醇的加入量為鎂粉末和尿素總質量的2％。2)、將生坯置於濃度為0.00075摩爾/升的氫氧化鈉水溶液中浸泡3小時。3)、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在245℃中4.5小時，再將其於615℃下4小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下(真空度為≤10-4Pa)在245℃中4.5小時，再將其於585℃下4小時，製得如圖1a、圖1b和圖1c以及圖2、圖3中的曲線所示的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
實施例31)、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的形狀為球狀的尿素顆粒以及添加劑乙醇混合均勻後，置於所需形狀的模具中進行單向加壓350MPa獲得生坯；其中，鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，式中的V為鎂泡沫的體積、P為空隙率(現選為70％)、1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度，添加劑乙醇的加入量為鎂粉末和尿素總質量的3％。2)、將生坯置於濃度為0.001摩爾/升的鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液中浸泡1.5小時。3)、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在250℃中4小時，再將其於620℃下3.5小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下(真空度為≤10-4Pa)在250℃中4小時，再將其於595℃下3.5小時，製得如圖1a、圖1b和圖1c以及圖2、圖3中的曲線所示的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
實施例41)、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的形狀為球狀的尿素顆粒以及添加劑乙醇混合均勻後，置於所需形狀的模具中進行單向加壓375MPa獲得生坯；其中，鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，式中的V為鎂泡沫的體積、P為空隙率(現選為80％)、1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度，添加劑乙醇的加入量為鎂粉末和尿素總質量的4％。2)、將生坯置於濃度為0.00125摩爾/升的鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液中浸泡0.5小時。3)、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在255℃中3.5小時，再將其於625℃下3小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下(真空度為≤10-4Pa)在255℃中3.5小時，再將其於608℃下3小時，製得如圖1a、圖1b和圖1c以及圖2、圖3中的曲線所示的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
實施例51)、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的形狀為球狀的尿素顆粒以及添加劑乙醇混合均勻後，置於所需形狀的模具中進行單向加壓400MPa獲得生坯；其中，鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，式中的V為鎂泡沫的體積、P為空隙率(現選為80％)、1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度，添加劑乙醇的加入量為鎂粉末和尿素總質量的5％。2)、將生坯置於濃度為0.0015摩爾/升的鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液中浸泡0.5小時。3)、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在260℃中至少3小時，再將其於630℃下至少2.5小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下(真空度為≤10-4Pa)在260℃中至少3小時，再將其於610℃下至少2.5小時，製得如圖1a、圖1b和圖1c以及圖2、圖3中的曲線所示的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
再分別選用形狀為柱狀或條狀或板狀或無規則狀的尿素顆粒、添加劑為丙醇或丙酮或固態石蠟粉、鹼性水溶液為氫氧化鉀水溶液或碳酸鈉水溶液或碳酸氫鈉水溶液，重複上述實施例1～5，同樣製得近似於圖1a、圖1b和圖1c以及如圖2、圖3中的曲線所示的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料，包括金屬鎂，其特徵在於所說金屬鎂為由三維相互連通的空間網絡構成的開孔鎂泡沫，所說鎂泡沫的孔隙率為50～80％、孔徑為0.2～5mm。
2.根據權利要求1所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料的製備方法，包括粉末冶金法，其特徵在於是按以下步驟完成的2.1、將鎂粉末和尺寸為毫米量級的尿素顆粒以及添加劑混合均勻後，加壓300～400MPa獲得生坯；2.2、將生坯置於濃度為0.0005～0.0015摩爾/升的鹼性水溶液中浸泡0.5～5小時；2.3、先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在240～260℃中至少3小時，再將其於610～630℃下至少2.5小時，或者，先將浸泡過的生坯置於真空下在240～260℃中至少3小時，再將其於580～610℃下至少2.5小時，製得孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。
3.根據權利要求2所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是鎂粉末和尿素顆粒的質量由公式m鎂＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335確定，其中，V為鎂泡沫的體積，P為空隙率，1.74和1.335分別為緻密狀態下鎂粉末和尿素的密度。
4.根據權利要求2所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是尿素顆粒的形狀為球狀或柱狀或條狀或板狀或無規則狀。
5.根據權利要求2所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是添加劑的加入量為≤鎂粉末和尿素總質量的5％。
6.根據權利要求2所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是添加劑為有機溶劑或固態石蠟粉。
7.根據權利要求6所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是有機溶劑為乙醇或丙醇或丙酮。
8.根據權利要求2所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液或氫氧化鉀水溶液或碳酸鈉水溶液或碳酸氫鈉水溶液。
9.根據權利要求2所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是將混合料壓製成生坯為單向壓制。
10.根據權利要求2或9所述的孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法，其特徵是將混合料壓製成生坯為置於所需形狀的模具中進行壓制。
全文摘要
本發明公開了一種孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料及其製備方法。材料為由三維相互連通的空間網絡構成的開孔鎂泡沫，其孔隙率為50～80％、孔徑為0.2～5mm；方法步驟為1)將鎂粉末和尺寸為毫米量級的尿素顆粒以及添加劑混合均勻後，加壓300～400MPa獲得生坯，2)將生坯置於濃度為0.0005～0.0015摩爾/升的鹼性水溶液中浸泡0.5～5小時，3)先將浸泡過的生坯置於氬氣氛下在240～260℃中至少3小時，再將其於610～630℃下至少2.5小時，或者先將浸泡過的生坯置於真空下在240～260℃中至少3小時，再將其於580～610℃下至少2.5小時，製得孔隙率、孔徑可控的鎂泡沫材料。它有著非常長的塑性平臺應力區和獨特的高阻尼能力，可廣泛用於吸能、防振、電磁屏蔽和生物材料等領域。
文檔編號C22C1/04GK101037734SQ200610039019
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月17日 優先權日2006年3月17日
發明者郝剛領, 韓福生, 王清周, 吳傑 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院