[发明专利]一种测量泡沫钛孔隙率的方法

说明书

本发明涉及一种测量泡沫钛孔隙率的方法，采用添加造孔剂法进行泡沫钛的制备，造孔剂的体积分数为x，泡沫钛产品外观尺寸的设计值沿X、Y、Z三个方向分别是Lx、Ly和Lz；用游标卡尺测量烧结泡沫钛的沿X、Y、Z三个方向的尺寸，得到lx、ly和lz；将这三个数值分别除以它们的设计值Lx、Ly和Lz，这个比值用θ表示，得到θx=lx/Lx、θy=ly/Ly和θz=lz/Lz；将θx、θy和θz进行相乘，乘积用φ表示，得到φ=θxθyθz；将φ减去1得到δ，即δ=φ‑1；6）将δ分别代入方程a=1/(1+δ)和b=δ/(1+δ)，求出a和b，从而得到泡沫钛孔隙率的控制方程P=ax+b。本方法在不测量孔隙率的情况下，实现泡沫金属孔隙率的准确数值，解决了本领域内“孔隙率定量控制”难题。

技术领域

本发明涉及一种测量泡沫金属孔隙率的方法。

背景技术

泡沫钛是近年来快速发展起来的一类新型轻质钛制品材料。之所以使用“新型”一词，是因为它具有超轻金属材料的特性。在以往，人们也采用粉末松装烧结的方式来制备多孔钛。尽管比致密钛更轻，但多孔钛的孔隙率很难超过50%。而且，它的孔径也只能达到微米，难以达到毫米。目前，烧结金属多孔钛主要用作过滤芯。为了使多孔钛变得更轻，人们想到了泡沫铝。它的问世时间可以追溯至上世纪的1948年。当时，来自美国的科学家B.Sosnick在熔融的铝液中加入汞作为发泡剂制得泡沫铝。截至目前，世界上主要发达国家已经成功将泡沫铝应用到在建筑、交通运输、机械、电子等行业。但是，大量的实验结果表明泡沫铝的制备工艺-熔体发泡法并不适用于泡沫钛。因为钛的熔点接近1670℃，而钛在高温下又与空气中的氧气和氮气有着极端的化学亲和力。为了解决制备难题，有学者将视线转移到粉末冶金，因为它的烧结温度只需钛熔点的2/3。然而，直到2000年，德国学者M.Bram教授才首次用造孔剂法制得孔隙率介于60-80%、孔径介于0.1-2.5 mm的泡沫钛。造孔剂法，顾名思义就是在钛粉配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过加热或溶解将造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫钛。所以，造孔剂法也是建立在粉末冶金的基础上。相比较于传统松装烧结制得的多孔钛，造孔剂法泡沫钛具有更高的孔隙率和更大的孔径。这些结构特征不仅可以大大的减轻多孔钛的重量，还可以提升多孔钛的性能。和泡沫铝相比，泡沫钛的问世时间晚了将近50年。但是，由于钛的综合性能特别是它的耐腐蚀性、耐高温性、生物相容性优于铝，所以泡沫钛在航空航天、海洋工程和生物医疗等领域比泡沫铝更具应用前景。此外，泡沫钛经表面改性还可以用于电池集流体和光催化剂载体等新兴技术领域。由于应用前景非常诱人，世界各国都加大了泡沫钛的研究，相关的论文研究开始如雨后春笋般出现。

然而，令人遗憾的是，泡沫钛的研究依然还处在实验室阶段，尚未实现真正的产业化应用。究其原因，主要还是在于工艺-孔结构-性能三者之间难以形成稳定的关系，特别是工艺-孔结构之间的关系。工艺方面，造孔剂法是目前泡沫钛最主要的制备方法，而尿素、碳酸氢铵和氯化钠是三种最主要的造孔剂。其中，又以尿素为最。孔结构方面，孔隙率与造孔剂含量之间呈线性关系。造孔剂含量指的是原料中造孔剂的体积分数，而孔隙率指的是块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。这两个参数本来是被设计成相等的，但实际情况却并非如此，无论是改变造孔剂的含量还是粒径大小，孔隙率都小于造孔剂含量，还有部分出现了等于或大于的实验结果。孔隙率偏离期望值所带来的预测困难一度成为了悬在在泡沫钛研究学者头上的达摩克利斯之剑，如何在不测量孔隙率的情况下来获得泡沫金属孔隙率的准确数值，成了本领域内“孔隙率定量控制”的难题。

发明内容

本发明的目的是针对上面所述缺陷，提供一种测量泡沫钛孔隙率的方法，经过建立数学模型，得出如下理论：源于造孔剂脱除形成的宏观大孔在烧结过程发生体积收缩现象。当宏观大孔的体积收缩量大于骨架上微观小孔的体积时，理论上会出现孔隙率小于造孔剂含量的实验结果。同时明确了孔隙率与造孔剂含量之间的关系为线性，即P=ax+b。它的推导过程如下：

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