金属多孔材料发展现状_汤慧萍

轻质纳米多孔材料—气凝胶是一种非晶固态材
料, 孔隙度可达 80% ～99. 8% , 孔隙尺寸在 1m m ～ 100mm 之间, 它的原子总数中有 40% 以上的原子处 于表面态, 因而它有巨大的比表面, 大的表面活性和 催化作用。近年来, 中国科学技术大学对轻质纳米多 孔材料 SnO 2、T iO 2、A l2O 3 、ZrO 2、及 Fe2 O3 等的结构 进行了研究, 同济大学将和德国维尔兹堡大学合作 开展气凝胶材料的系统研究。
金属多孔材料的孔隙度、孔径及渗透性主要取 决于原料粉末粒度、丝径或网目的大小, 其次受工艺 的影响。要达到某种应用要求的性能, 需进行材料选 择和工艺因素的严格控制。
60 年代, 随着应用领域的拓宽和应用环境的更 高要求, 出现了 Hastelloy 、Inco nel、钛、不锈 钢等抗 腐蚀、耐高温的粉末烧结多孔材料和特殊用途的多 孔钨、钽及难熔金属化合物多孔材料。到目前为止, 大量生产与应用的粉末烧结多孔材料主要是青铜、 不锈钢、镍及镍合金、钛等。表 1 是世界上几个多孔 材料主要生产厂家批量生产的产品的规格、牌号与 性能。
图 2 多孔金属材料渗 透性能 F ig . 2 Per meability of por ous metal mater ials ( a) Br onze ( b) P ow der sinter ed stainless st eel ( c) Fibre felt ( d) M ut ilayer mesh ( e) F oam metal
1期
汤慧萍等: 金属多孔材料发展现状
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维毡与丝网复合制作的复网毡已大量生产; 双层粉 末过滤器表面层用细粉保证过滤精度, 支撑层由粗 粉制作, 保证低的压力降。另一种设计是薄的不锈钢 纤维毡与粗粉末复合在一起, 该结构可以保证细的 过滤 精度 且能耐 较大的 反冲压 力, 已 用于 啤酒 中 2 m 酵母的过滤。最近, 美国一专利介绍了 3 层结构 多 孔材 料, 基 体由 高 孔 隙度 蜂 窝 状镍 制 成, 孔 径 0. 3mm ～2mm , 工作层由青铜制成, 中间层由这 2 种 粉末混合物制成。丝网与粉末复合制得的复合多孔
压法生产粉末压坯; 等静压法制造带多孔法兰、管底 或中空的无缝管, 一些致密螺纹的连接也可以通过 等静压法一次成型; 粉末轧制法做多孔带及焊接管; 对薄壁无缝管, 采用粉浆挤压法成型, 该法已可以挤 压出直径为 ( 100～120) mm ×( 500～700) mm 的 多孔管。
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稀有金属材料与工程
材料”。发展最早的是美国 MEM T EC 公司, 随后比 利时、日本、中国相继建立生产线进行规模生产。表 2 是一些国家生产的纤维毡规格、性能。
1 多孔金属材料的种类[ 1- 10]
多孔金属材料目前可分为粉末烧结多孔材料、 金属纤维毡、复合金属丝网材料及泡沫金属材料。图 1 为这几种材料的主要孔径分布。 1. 1 粉末烧结多孔材料
第 26 卷 第 1 期 1997 年 2 月
稀有金属材料与工程 RA RE M ET A L M AT ERIA L S A ND ENG IN EERIN G
V ol. 26, No . 1 F ebr uary 1997
金属多孔材料发展现状
汤慧萍 张正德
( 西北有色金属 研究院, 西安 710016) 摘 要 介绍了多孔金属材料的种类、制造工 艺、性能与 表征方法、应 用现状, 并 指出我 国的 多孔金属材料的开发应产业化、规模化, 产品的精度等级要系列化。 关键 词 多孔材料 烧结 粉末 纤维毡 多层网
MEM TEC
精度范围 Range o f precisio n
/m
尺寸 Di m en si on s
/ mm
2～100 600×1200×1. 7
20～500 250×1250
2. 5～300
5～2 40
Ger many
FI L
12
K rebsog e
3 ～10 0
NI N
BZ
6
( China)
联系人: 汤慧萍, 女, 31 岁, 硕士, 工程师, 西北有 色金属研究院粉末冶金研究所, 西安 51 信箱, 710016
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稀有金属材料与工程
26 卷
的种类繁多。美国不锈钢丝网约 600 多种, 前苏联约 有 400 多种。我国不锈钢丝网种类较少, 约 30 多种, 而且复合丝网的研究与生产也较少, 市场所需的复
精度范围 R ang e of pr ecisio
/m
X
11
3 ～80
XS
3
2 5～6 0
XL
4
1 0～2 5
XG
4
1 0～2 5
AL
10
3～58. 5
BL
6
5. 3～57
公司 Company
精度等级数 Gr ade o f pr ecision
USA 6
P or opla te U .K.
Haver &Boecker U .K. 40 Wh i ls t USA 9
青铜
7
( China )
不锈钢
9
西北有色金属研究院
镍及镍合金
10
N IN ( China)
钛
5
2- 90
5 ～10 0* 3 ～10 0* 1 5～1 60*
N ote : * M ax imum apertur e 表 2 世界几个主要公司的不锈 钢纤维毡系列与性能 Table 2 Series and properties of f ibre felt of main
材料具有精细过滤作用, 又具有较大的延伸性, 适于 做成大表面积的折叠过滤元件。
同时, 为了适应使用要求, 一些新型合金材料被 制成多孔制品。如: T i- Nb- 5Zr 合金丝, 有优良的
冷加工性能, 低燃点, 用其制成的网状材料用于热管 管心, 与不锈钢网心相比, 寿命明显延长。该材料也 被用于真空部件与过滤器。日本研制了用卷曲的金 属短纤维压制烧结制成多孔材料, 孔隙度高, 隔热及 加工性好。
纤维和复合丝网多孔材料的制造工艺不同于粉 末烧结材料。通常纤维毡的制造有 2 种方法: 甘油水 溶液沉积法和铺毡法。前者尺寸较小, 而用铺毡法可 以生产大面积纤维毡。复合丝网常用轧制复合或扩 散焊法制造。
泡沫多孔材料主要用铸造法生产。对粉末冶金 法、金属喷涂法也有研究, 但尚处于实验室阶段。
3 多孔材料的性能与表征方法[ 15]
图 1 几种材料的主要孔径分布范围 F ig . 1 P or e size dist ributio n cur ves fo r sever al sintered mater ials fro m fibres ( cur ve l) , po w der s( cur v e 2) , w ov en
表 3 复合丝网 的规格与性能 Table 3 Sizes and properties of mutilayer mesh
公司 Co mpany
U SA M EM T EC
Belgium Bekeart
companies in the world
系列 Series
精度等级数 G rade of precisio n
目前, 我国已具有烧结金属多孔材料的规模生 产能力。据不完全统计, 我国年产青铜过滤元件 90 万件, 不锈钢元件达 3. 6 万件, 镍及镍合金过滤元件 0. 7 万件, 烧结钛过滤元件达 1. 6 万件。 1. 2 金属纤维毡
金属纤维毡材料的孔隙度可达 90% 以上, 全部 为贯通孔, 塑性和冲击韧性好, 容尘量大, 用于许多 过滤条件苛刻的行业, 被称为“第二代多孔金属过滤
25. 4mm ) , 比表面( 500～850) m2/ m3, 板厚 1. 5mm ～ 15m m, 外形尺寸 900mm ×1800m m。我国也已研制 出泡沫铝、铜、镍等, 并在材料的制备方法和阻尼特 征等物理性能方面取得了若干进展。
以上 4 类多孔材料的渗透性能如图 2 所示。 除上述多孔金属材料外, 复合结构多孔材料是 近年来多孔金属材料技术上的创新。如用不锈钢纤
金属多孔材料是一种具有渗透性好、孔径和孔 隙可控、形状稳定、耐高温、抗热震、能再生、可加工 等特殊性能的功能材料。广泛应用于航空、航天、原 子能、石化、冶金、机械、医药、环保等行业的过滤、分 离、消音、布气、催化、热交换等工艺中。近年来, 各领 域对绿色材料的需求大大促进了金属多孔材料的发 展。
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除此之外, 还对一些特殊的制造方法进行了研 究。如腐蚀法造孔, 它是先制得一固溶体预合金坯, 腐蚀掉其中一相, 剩下多孔体。平行孔过滤器的生产 工艺是将低熔点金属置于基体中, 烧结时使低熔点 金属熔化, 形成孔隙。英国专利介绍了用离心法制无 缝烧结管, 它以一定速度旋转装有金属颗粒悬浮物 的坩锅, 使颗粒从悬浮物中分离, 均匀分布于坩锅内 壁上, 然后干燥、烧结。英国人 Kearns M W 用 HIP 法制取多孔材料, 其孔隙度达 30% 以上。80 年代初, 美国 Kubo 利用铝在钛中的偏扩散获得了高孔隙度 T i - Al 材料。我国于 80 年代末采用该法制取了孔 隙度为 21% ～61% 的 T i- Al 系多孔材料。90 年代, 前苏联用自蔓延法制取了直径 400m m, 高 600mm, 壁厚 30m m, 重 80kg 的大型过滤管, 孔隙度 25% ～ 70% ( 体) 。它是用 M g 粉与 T i、不锈钢粉 混合, 压 制, 然后在 10- 2Pa 真空烧结, 1375K 时 M g 挥发后 留下空隙。西北有色金属研究院用等静压与喷涂相 结合的方法制取了 50mm ×180mm 的不锈钢过滤 管, 其渗透系数比通常工艺制取的过滤管提高了近 10 倍, 而且强度非常高。为了制得高孔隙度材料, 用 Ni 或 Ni 合金粉末与聚合物纤维混合压制后烧结, 聚合物在烧结时挥发, 该材料孔隙度大于 90% 。