[发明专利]烧结多孔结构及其制作方法

说明书

政府资助声明

本发明根据由美国能源部授予加利福尼亚大学董事会对于管理和操作劳伦斯-伯克利国家实验室的合同第DE-AC02-05CH 11231号，在政府的资助下做出。政府享有本发明的一定权利。

背景技术

多孔结构在从过滤到电化学装置的广泛范围的应用中使用。诸如固体氧化物燃料电池的固态电化学装置由多孔层和至少一个致密层制成。举例而言，电极层(阳极和阴极)是多孔的以允许流体流动进出多孔层，而电解质层则是防止气体从一侧穿过到另一侧的致密的离子导体。其它层可包括处在致密互连物(interconnect)与多孔电极之间的致密导电互连层和多孔电接触层。用于形成这些多层结构的一部分或全部的一种方式是通过共烧。共烧是各个层同时进行烧结。US6,605,316描述了共烧金属或金属陶瓷层与电解质层，使得在共烧之后金属或金属陶瓷层是多孔的且电解质层是致密的。在烧结之后多孔层的孔隙度的数量和类型会影响装置的性能和机械性质。作为备选，多孔层可与致密电解质层分开地进行烧结且随后组装这些层。通过烧结而形成高度多孔结构可能是耗时、昂贵的过程。

烧结是在低于材料熔点的温度或者在混合物的情况下是低于其主要成分的熔点的温度下对材料进行的热处理。这通常会增加材料强度和使材料致密化。烧结用来通过加热粉末低于其熔点直到其粒子相互结合而由该粉末制作物体。

烧结的多孔结构常规地由可烧结的金属、陶瓷或玻璃粉末通过添加呈聚合物、颗粒、液体和/或气体形式的造孔剂(pore former)来制成。造孔剂通过多种方法予以去除，且粉末经烧结而获得坚固的多孔结构。通常，这是使制造多孔结构成为昂贵的耗时过程的造孔手段。举例而言，采用溶解、分解或烧尽造孔剂是熟知的。烧尽造孔剂的难度在于所需的高孔隙度导致低的生坯(green)强度材料。当共烧诸如固体氧化物燃料电池多层结构时，例如具有低生坯强度材料使得处置和/或施加随后的层(如电极/电解质)变得困难。此外，所需大体积分率的造孔剂使得去除造孔剂耗时且潜在地成为污染源。

在多孔金属的加工中已使用可提取的颗粒如NaCl或KCl，且在烧结之前或之后去除这些颗粒。但是，去除盐可能很昂贵且因碱性元素造成的污染也是一顾虑。

多孔结构也可通过复型(replica)方法来制作，其中，多孔聚合物泡沫用陶瓷材料浸渍，从而形成多孔聚合物泡沫的负复型。然后使用干燥和煅烧步骤来去除聚合物且使陶瓷材料烧结。该种方法需要多个耗时的渗滤和干燥步骤。此外，聚合物的分解可导致有毒气体，且由于聚合物去除所致的缺陷而导致具有低密度和低强度的开孔海绵状泡沫。该种方法也限于细粉末，因为大的粒子将不会粘附到多孔泡沫上。

形成多孔结构的另一方法是气泡形成技术。该种技术是基于在液体质量内产生气泡并使其稳定。气泡由生成气体组分(包括蒸汽)的物理或化学过程产生。该种方法可能涉及危险的化学品且通常不能应用于高熔点陶瓷和金属。

还采用了冻结铸造。但是这种方法很慢且需要昂贵的加工设备。丝线和薄片(flake)可烧结结合以形成高度多孔的结构。在加工期间，丝线或薄片在接触点处结合，存在较小收缩。但是这种方法由于烧结方面的差异而并不适合于形成多层结构，如下文所述。

发明概述

本发明提供产生高度多孔结构的简单、低成本方法。本方法涉及利用元件来构筑多孔结构，该元件经成形以提供多孔结构的所希望的强度、孔隙度和孔隙结构，且然后将元件烧结在一起以形成该结构。本发明还提供由烧结非球形元件构成的新型烧结多孔结构。

本发明的一方面涉及制造多孔网状物的方法，其包括提供多个生坯非球形元件，其中的每一个由粒子(例如，粉末)构成；将非球形元件布置成多孔网状物的所希望的形状以形成生坯多孔体；以及同时将这些粒子烧结在一起以形成烧结非球形元件且将非球形元件烧结在一起以形成多孔网状物。非球形元件的实例包括星形元件，线性、折弯或盘绕股束元件，螺旋元件，砖形元件，图形元件，管状元件，圆环元件，鞍形元件，盘，片材，编织元件以及插孔形元件。在一些实施例中，所形成的生坯体具有低生坯密度，例如小于30％至45％(根据低烧结密度的需要)，同时仍具有充分的机械强度来支承其它层。

本发明还提供制造平坦薄片材多孔网状物的方法，其包括以下步骤：提供多个生坯非球形元件；将该多个非球形元件布置成具有第一主面与第二主面的平面以形成生坯多孔体；以及将多个非球形元件烧结在一起以制造平坦薄片材多孔网状物。在一些实施例中，非球形元件由粒子构成，该粒子可与生坯元件同时烧结。