微孔泡沫铁及其制备方法与流程

本发明涉及多孔铁结构，尤其涉及一种微孔泡沫铁及其制备方法。

背景技术：

铁是地核中的主要物质，也是人们最为熟知的一种金属。多孔金属具有结构和功能双重属性，可应用于很多的工程领域（[1]刘培生.多孔材料引论[M].北京：清华大学 出版社，2004.)。作为多孔金属，多孔铁首先在减震减摩领域以及在含油轴承等方面都起 着重要的作用，而且在军事领域也受到很大重视（[2]张政，党新安.温压工艺制备多孔铁 基金属的探讨[J].火工品，2007,3:50-53.)。泡沫态多孔铁的性能优于泡沫铝等低熔点 泡沫金属的性能，较突出的优点如其比泡沫铝具有更高的强度、吸能缓冲性和耐高温性，因而在汽车制造业、船舶制造业、高层建筑业、桥梁及交通运输业有着更广阔的应用前景，但制备多孔铁的工艺也要比制备泡沫铝的工艺更为困难（[3]高芝，周芸，左孝青，潘晓亮，杨 林海.粉体致密化法（PCF)制备泡沫铁的研究[J].昆明理工大学学报（理工版），2006, 31 (6) :32-35.)。

多孔铁还是近来研究较多的用于汽车尾气净化的载体材料（[4]陈红辉，郝胜策，高原，张婷.超声波对泡沫铁结构的影响[J].电镀与环保，2009,29(3) _:15-17.)。早期所研究的汽车尾气净化一般均采用泡沫陶瓷芯体作为催化载体，利用活性物质对汽车尾气进行催化转化后排放（[5]陈红辉，朱爱平，夏健康，刘纯辉，高原.泡沫铁制备工艺的研究[J]. 电镀与环保，2007, 27(5) _:11-12.)。但陶瓷芯体存在机械强度低、脆性大、导热性能较差等 缺点。泡沫态多孔铁具有价格便宜、比表面积大、抗压强度高、热膨胀系数低、热稳定性好等特点，更适合用于汽车尾气净化领域（[5]陈红辉，朱爱平，夏健康，刘纯辉，高原.泡沫铁制 备工艺的研究[J].电镀与环保，2007,27(5) _:11-12.)。此外，适当选取不同初始密度的多孔铁样品，可使铁的实验冲击压缩点趋近地核 密度压缩线，这对于界定地核条件下铁相变等结构进化特征具有直接的应用意义（[6]张岱宇，刘福生，薛学东.用精密示波器测量多孔铁冲击高压实验[J].实验科学与技术， 2006,6 :25-27.)。从所阅文献来看，多孔铁的制备方法一般是采用粉末冶金温压工艺（[2]张政，党新安.温压工艺制备多孔铁基金属的探讨[J].火工品，2007,3:50-53.)、粉末致密化发 泡工艺（[3]高芝，周芸，左孝青，潘晓亮，杨林海.粉体致密化法（PCF)制备泡沫铁的研究 [J].昆明理工大学学报（理工版），2006, 31 (6) _:32-35.)和电沉积工艺（[4]陈红辉，郝 胜策，高原，张婷.超声波对泡沫铁结构的影响[J].电镀与环保，2009,29(3) _:15-17_;[5] 陈红辉，朱爱平，夏健康，刘纯辉，高原.泡沫铁制备工艺的研究[J].电镀与环保，2007, 27(5) _: 11-12.)。本发明则是采用有机泡沫灌浆干燥成型烧结工艺，制备出了具有微孔结构的泡沫铁材料，其孔隙组成主要是尺度在几个微米到几十个微米的微孔。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有微孔结构的泡沫铁材料（参见图1)及其制备方法。制备方法采用有机泡沫基体灌浆干燥成型烧结工艺，采用铁粉和无毒黏结剂配制料浆， 选用聚氨酯泡沫为有机基体。

本发明的微孔泡沫铁，其特征在于，通过有机泡沫灌浆干燥成型，在真空环境下热分解有机物并实现铁粉烧结，最后形成具有微孔结构的多孔体，多孔体的孔隙主要由尺度在几个微米到几十个微米的微孔所组成（参见图2和图3)，孔隙之间呈相互连通和半连通状态，整个材料可为流体所渗透。

本发明使用的无毒黏结剂由甲基纤维素与水配制，两者的质量配比为1 : 5〜 1 : 15;本发明提供的有机基体浸浆后的干燥工艺条件，为干燥箱中100°C烘干2h以上，以确保除去多孔坯体中绝大多数水份并使坯体全部硬化。

考虑到金属铁的高温氧化，本工艺规定烧结炉应保持真空度不低于10^-2Pa的水平。

本发明制备的多孔铁结构具有下述特征和优点：

1)本发明的泡沫铁具有微孔结构，孔隙之间呈相互连通和半连通状态，整个材料 可为流体所渗透。

2)本发明的多孔铁结构，其孔隙主要由尺度在几个微米到几十个微米的微孔所组 成，而且这种结构的孔隙尺寸及其孔率还可通过烧结温度和烧结时间进行调节。

3)本发明的制备方法操作方便，设备简单，实用性强。

附图说明

图1是本发明烧结条件为1300℃保温2h时所得多孔铁结构形貌的扫描电子显微照 片（放大100倍），显示了该结构的泡沫形态。

图2是本发明烧结条件为1300℃保温2h时所得多孔铁结构形貌的扫描电子显微照片（放大200倍），显示了该结构中的孔隙主要是由尺度在几个微米到几十个微米的微孔所组成。

图3是本发明烧结条件为1300℃保温2h时所得多孔铁结构形貌的扫描电子显微照片（放大500倍），显示了该结构的孔隙结构形态。

图4是本发明烧结条件为1400℃保温2h时所得多孔铁结构形貌的扫描电子显微照片（放大200倍），显示了该结构中的孔隙比图2不但数量要少得多，而且尺寸也要小一些。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

实施例：称取一定量的甲基纤维素，按“甲基纤维素：去离子水=1g : 8ml”的比例加入常温去离子水，搅拌下配制成浆糊状的均匀乳状黏结剂待用。选用粒度为= 2.5 u m、纯度为99.5%的铁粉，将75g铁粉与60ml的上述黏结剂配制成料浆，搅拌均匀。 然后用聚氨酯通孔泡沫块体进行灌浆处理，将处理过的毛坯体置于干燥箱中，于100℃烘干 4h。烘干后的毛坯体变硬，再放到真空炉中，先在室温下抽真空至小于5X10^-2Pa的水平，再 用30min的时间升温至120℃，保温2h，持续抽真空最后达到最小压力为5.2X10^-2Pa。然后 以90min的时间将炉温由120℃直接提高到1250℃，接着以25min的时间将炉温由1250℃提高到1300℃，在1300℃保温2h，完成后关机使系统随炉冷却。整个过程保持真空状态，待炉体冷却至100°c以下才出炉取样。所得产品的宏观形貌呈肉眼可视的“致密”结构，经电 镜分析实际为具有大量微孔的泡沫铁结构（参见图1)，孔隙尺度在几个微米到几十个微米 之间（参见图2和图3)，孔隙之间呈相互连通和半连通状态，整个材料可为流体所渗透。

对比例：称取一定量的甲基纤维素，按“甲基纤维素：去离子水=1g : 8ml”的 比例加入常温去离子水，搅拌下配制成浆糊状的均匀乳状黏结剂待用。选用粒度为= 2.5 u m、纯度为99.5%的铁粉，将75g铁粉与60ml的上述黏结剂配制成料浆，搅拌均匀。 然后用聚氨酯通孔泡沫块体进行灌浆处理，将处理过的毛坯体置于干燥箱中，于100℃烘干 4h。烘干后的毛坯体变硬，再放到真空炉中，先在室温下抽真空至小于5X10^-2Pa的水平，再 用30min的时间升温至120℃，保温2h，持续抽真空最后达到最小压力为5.0X10^-2Pa。然后以100min的时间将炉温由120℃直接提高到1350℃，接着以25min的时间将炉温由1350℃提高到1400℃，在1400C保温2h，完成后关机使系统随炉冷却。整个过程保持真空状态，待炉体冷却至100℃以下才出炉取样。所得产品的宏观形貌呈肉眼可视的“致密”结构，经电镜分析实际为具有少量微孔的泡沫铁结构，孔隙尺度在几个微米到几十个微米之间，孔隙 数量远少于上述1300℃保温2h烧结条件的实施例所得产品，孔隙的尺寸也要对应地小一些（参见图4)。