[发明专利]具有微观定向孔结构的泡沫金属及其制备方法

权利要求书

1.一种具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，其特征在于，该泡沫金属微观上具有定向孔结构，表现为金属骨架和气孔均以片层形式沿制备过程的冷冻方向定向排列，其孔隙率为52%~80%，孔径为6μm~350μm；该泡沫金属的金属骨架通过添加纳米碳材料进行增强，在泡沫金属中，以质量百分数计，纳米碳材料含量为0.2%~5%，其余为金属，添加的纳米碳材料在金属骨架基体中沿金属骨架的排列方向择优取向；

所述的具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，包括以下步骤：

（A）配制水基浆料：称取金属粉体、纳米碳材料粉体、水和添加剂，将其混合均匀，得到含有金属粉体的水基浆料；

（B）冷冻铸造：将水基浆料倒入模具中，通过定向冷冻使其中的水沿冷冻方向发生定向凝固，从而将金属粉体、纳米碳材料粉体和添加剂排挤到定向生长的冰层之间，使其微观上定向排列；

（C）真空冷冻干燥：将凝固的水基浆料脱模后，进行真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；

（D）去有机质和烧结：对多孔坯体进行高温处理去除其含有的有机质，然后对去除有机质后的多孔坯体进行高温烧结，得到具有微观定向孔结构的泡沫金属；

步骤（A）中，所述的金属粉体、纳米碳材料粉体、添加剂和水的质量比例范围为1：（0~0.12）：（0.001~0.5）：（0.05~10）；所述的添加剂包括分散剂和有机粘结剂，该分散剂是十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠或Darvan C-N中的一种或一种以上，分散剂的添加量为金属粉体质量的2~12%，该有机粘结剂是聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖、羟丙基甲基纤维素或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为去离子水质量的2~15%；水基浆料的混合工艺是超声、搅拌、振动、球磨的一种或任意的结合；

步骤（B）中，所述的冷冻铸造的工艺为：将混合均匀的水基浆料倒入聚甲基丙烯酸甲酯模具中，模具下端以倾角为25°的聚二甲基硅氧烷底座密封，将模具放置于铜板上，将铜板的一侧与一端浸没在液氮中的铜棒相连接，使得水基浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将水基浆料中的金属粉体、纳米碳材料粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现其微观上的定向排列。

2.根据权利要求1所述的具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，其特征在于，所述的金属为镍、铝、钯、银、铜金属单质或以上述金属为基体的合金，所述的纳米碳材料为石墨烯、碳纳米管或两者的组合。

3.根据权利要求1所述的具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤（C）中，所述的真空冷冻干燥的工艺为：将凝固的水基浆料脱模后，置于冷阱温度低于-30℃、真空度不超过10Pa的真空环境下，放置时间大于10h。

4.根据权利要求1所述的具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤（D）中，所述的对多孔坯体进行高温处理去除其含有的有机质为：在真空或保护气氛中对多孔坯体进行高温处理，处理温度为350℃~800℃，其中保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体；所述的对去除有机质后的多孔坯体进行高温烧结，在真空、保护气氛或还原气氛中完成，该保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体；金属为镍或镍基合金时，烧结温度为900~1400℃，金属为铝或铝基合金时，烧结温度为450~650℃，金属为钯或钯基合金时，烧结温度为1000~1500℃，金属为银或银基合金时，烧结温度为750~930℃，金属为铜或铜基合金时，烧结温度为700~1000℃。