专利名称：一种表面多孔金属材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及多孔材料制备技术领域，特指一种以低能、强流、短脉冲电子束 为冲击源制备表面多孔金属材料的制备方法。
背景技术：
多孔材料是近年内发展起来的新材料，它具有结构材料和功能材料的特性。 相对于致密材料而言，多孔材料的显著特征是其内部具有大量的孔隙，它决定了 多孔材料诸多优异的特性，如比重小、比强度大、能量吸收性好、比表面积大、 制振效果好、渗透性和吸声性好、很好的电磁波吸收特性以及对气体敏感等特性。 这些特性使得多孔材料广泛地用于过滤器、催化剂载体、热交换器、发动机的排 气消声器、多孔金属电极、减震缓冲器、水下潜艇的消音器等，其需求量与日俱 增。
多孔薄膜由于在化学分离及过滤、燃料电池及催化等领域具有很大的应用前 景和潜力受到越来越多的关注。目前，实际应用中的多孔薄膜大部分为高分子或 有机多孔涂层，但其热稳定性和化学稳定性较差，因而在很大程度上限制了这些 材料的应用范围。相比之下，金属和无机过滤膜在这些方面显示出极大的优越性， 同时也为某些应用提供了更好的稳定性和更为广阔的选择余地。
传统的多孔金属材料制备方法主要有粉末冶金(PM)法、纤维冶金法、铸 造法、金属沉积法、自蔓延高温合成法和氧化物还原烧结法等等。但由于制备工 艺的不稳定性，尤其是对微孔尺寸、分布等方面指标的控制性较差，造成了其在 应用上的局限。因此，研制更稳定、更具可重复性和易控制性的工艺规范，从而 得到性能优良、微孔尺寸、数量及分布可控的多孔材料是推进多孔材料发展的技 术关键。
经过脉冲电子束表面改性的金属样品表面形成孔洞或熔坑形貌是一种较为 普遍的现象。这种形貌增加材料表面的粗糙度，降低材料的抗疲劳等性能，对材 料表面性能改善是不利的，在材料表面改性中需尽量避免。但却可以利用这种效 应制备表面多孔材料。一般情况下强流脉冲电子束诱发的表面孔洞优先出现在晶 界或位错等缺陷位置上，当强流脉冲电子束作用在靶材上时，靶材的晶粒尺寸以 及电子束的能量密度、辐照次数等因素都会影响到最终靶材上孔洞尺寸、密度和
分布情况。
经国内外检索，尚未发现采用强流脉冲电子束技术制备多孔材料的相关文献 和专利。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的制备多孔金属材料工艺的不稳定性，尤其是 微孔尺寸、密度和分布不易控制的问题。在本发明中利用强流脉冲电子束技术辐 照金属材料，得到微孔尺寸、密度和分布可控的表面多孔金属材料。
一种表面多孔金属材料的制备方法，其特征在于采用低能、强流、短脉冲 电子束对金属材料表面进行辐射轰击，制备表面多孔金属材料。
上述的表面多孔金属材料的制备方法，强流脉冲电子束辐照的工作参数为-
电子束能量为18-28KeV，脉冲时间为3.5ps，能量密度约为2-4 JcnT2，真空室气 压约为10—5Torr。
强流脉冲电子束具有多参数调控的特点，可以通过不同的组合形式得到适合 多种工艺要求的电子束源；同时还具有独特的运行机制，可以产生大面积、高能 量、强束流的脉冲型电子束。通过调整装置的阴极加速电压、脉冲持续时间及工 件加工距离之间的匹配关系，可以灵活地控制作用到被辐照材料(靶材)表面的 能量密度。
利用强流脉冲电子束照射不同晶粒尺寸的金属材料制备多孔金属材料，合理 选择电子束能量密度和冲击次数等工艺参数，可以得到各种孔洞尺寸及密度并且 分布均匀的表面多孔金属材料,根据实际需要控制孔洞的尺寸大小、分布及密度。
图1强流脉冲电子束处理前纳米纯铜的表面形态
(a)辐照前纳米纯铜的表面形态和颗粒结构 (b)处理前纳米纯铜的TEM 明场图象和电子衍射图象
图2 2J/cn^HCPEB处理后纳米纯铜的表面形态(c) 1次辐照，(d) 10
次辐照
图3 3 J/cn^HCPEB处理后纳米纯铜的表面形态 (e)5次辐照，(f) 10 次辐照
图4 4 J/ cm2HCPEB处理后纳米纯铜的表面形态 (g) 1次辐照，(h) 5
次辐照
图5 4 J/cn^HCPEB处理后轧制纯铝的表面形态 (i) 5次辐照，(j) 10 次辐照
图6 4 J/ cm2HCPEB照射轧制304不锈钢后的表面形态(k) 5次辐照， (1) IO次辐照
具体实施例方式
采用具有纳米晶粒(平均晶粒尺寸为26nm)的多晶纯铜体材料作为靶材(见 图l)，采用Nadezhda-2型低能、强流、短脉冲电子束装置进行照射，强流脉冲 电子束辐照的工作参数为电子束能量在18-28KeV之间进行调整，脉冲时间为 3.5(is，真空室气压约为l(T5Torr，通过调整工件到阴极之间的距离，分别将脉冲 电子束能量密度控制在2 J/ cm2， 3 J/ cm2和4 J/ cm2情况下对样品进行辐照。通过 试验研究，得到形成表面微孔纯铜的条件为-
脉冲电子束能量密度为2 J/ cm2时，10次辐照可得到尺寸约为50nm且分布 相当均匀的孔洞，孔洞之间处于相互分离的状态，孔洞密度为3.42xl(P个/m2， 见图2;
脉冲电子束能量密度为3 J/ cm2时，5次辐照可得到孔洞尺寸为0.1 jam -l|_im 的孔洞分布，孔洞分布不均匀，孔洞密度为8.96xl()H个/m、 IO次辐照后，孔洞 呈均匀分布，孔洞的平均尺寸为2pm，孔洞密度为2.15xl()W个/m2，如图3所示；
脉冲电子束能量密度为4 J/ cm2时，1次辐照可得到平均尺寸为4 pm孔洞， 且分布均匀，孔洞密度为3.59xl0"个/m、 5次辐照后，孔洞的尺寸分布很不均 匀，为10pm-100nm，平均孔洞尺寸约为20nm，孔洞密度为1.10 x1011个/m2， 如图4所示。
图5为能量密度为4 J/cm2，脉冲时间为3.5ps时，经变形量为50%的冷轧铝 金属5次和10次脉冲电子束照射后表面形成的微孔结构；图6为304奥氏体不 锈钢冷轧后经能量密度为4 J/ cm2，脉冲次数为5次和10次脉冲电子束照射后表 面形成的微孔结构。
上述强流脉冲电子束辐照后几种材料表面形成的孔洞的深度均小于10 pm。 强流脉冲电子束照射金属表面后，会在金属材料表层附近形成浓度极大的非 平衡空位，空位密度可达到10—3，由于强流脉冲电子束照射总是伴随着表面的热 作用，因此这些非平衡空位会沿晶界、位错等晶体缺陷快速向表面扩散，造成空 位崩塌，从而在照射表面形成微孔结构。因此对于一般金属材料而言，只要采取 适当的工艺使其表面产生大量的晶界、位错等晶体缺陷，再经适当工艺的强流脉 冲电子束照射，都能够在照射表面形成表面多孔的金属材料，因此可以说本专利 提供的方法是一种制备表面多孔材料的普适性方法。
权利要求
1、一种表面多孔金属材料的制备方法，其特征在于采用低能、强流、短脉冲电子束对金属材料表面进行辐射轰击，制备表面多孔金属材料。
2、 根据权利要求1所述的一种表面多孔金属材料的制备方法，其特征在于: 强流脉冲电子束辐照的工作参数为电子束能量为18-28KeV，脉冲时间为3.5ps， 能量密度约为2-4Jcm气真空室气压约为10—5Torr。
全文摘要
本发明公开了一种制备多孔金属材料的方法，是为了解决当前多孔金属材料制备工艺的不稳定性和微孔尺寸及密度难以得到有效控制的问题。其制备特征是利用强流脉冲电子束(HCPEB)照射金属材料，强流脉冲电子束辐照的工作参数为电子束能量为18-28KeV，脉冲时间为3.5μs，能量密度约为2-4Jcm<sup>-2</sup>，真空室气压约为10<sup>-5</sup> Torr。根据所需要的孔洞尺寸、分布密度等要求，合理选择被辐照材料的晶粒尺寸以及脉冲电子束能量和辐照次数等工艺参数，以满足不同的指标要求。本发明所公开的制备工艺稳定，可以得到微孔数量及分布可控的表面多孔金属材料。
文档编号B23K15/08GK101168213SQ200710190658
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者关庆丰, 程笃庆 申请人:江苏大学