专利名称：孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镁泡沫材料及制法，尤其是孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法。
背景技术：
金属镁的晶体结构和核外电子排布的特殊性，使其具有较高的阻尼能力、防电磁性。而对于镁泡沫来说，它不但有着特殊的结构，而且有着超轻质、消声、滞震、电磁屏蔽和抗老化等功能，据此，镁泡沫材料可用来制作消声器、减震器、换热器、太阳能吸收器、催化剂载体、电磁屏蔽罩以及制造重量轻、强度适当的金属结构材料构件等，为解决许多重大技术难题提供了可能。例如，利用泡沫状金属材料良好的吸音性能可解决长期困扰环境的汽车、摩托车发动机的排气消音问题，可作为飞机结构构件的夹心材料，高速公路的隔音墙板。同时，镁泡沫还有着良好的生物相容性，对于开孔结构的镁泡沫来说，可以使得新骨组织在其内部生长和体液在其内部传输，而且，可以控制镁泡沫的孔隙率，使其强度和杨氏模量满足自然骨的力学要求。所以说镁泡沫也是一种颇具前景的生物材料。近年来，人们为了获得镁泡沫材料，作了一些尝试和努力，如在2003年4月16日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 1410393A中披露的一种“镁合金专用泡沫陶瓷过滤器制备方法”。它意欲提供一种制备方法来生产出有着良好的高温抗压强度、耐高温冲击和抗热性的镁合金专用泡沫陶瓷过滤器。该方法是以软质聚氨酯泡沫塑料为母体，用纯氧化镁为原料，以磷酸铝或硫酸铝为粘接剂，将氧化镁和粘接剂制成浆料浸涂在泡沫塑料上，再经干燥、高温烧结而成。但是，无论是镁合金专用泡沫陶瓷过滤器，还是其制备方法，都存在着不足之处，首先，泡沫陶瓷过滤器为陶瓷泡沫，而不是镁泡沫；其次，制备方法不能制出镁泡沫材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种实用，制备简便的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法。
孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料包括金属镁，特别是所说金属镁为由三维相互连通的空间网络构成的开孔镁泡沫，所说镁泡沫的孔隙率为50～80％、孔径为0.2～5mm。
孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料的制备方法包括粉末冶金法，特别是它是按以下步骤完成的(1)、将镁粉末和尺寸为毫米量级的尿素颗粒以及添加剂混合均匀后，加压300～400MPa获得生坯；(2)、将生坯置于浓度为0.0005～0.0015摩尔/升的碱性水溶液中浸泡0.5～5小时；(3)、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在240～260℃中至少3小时，再将其于610～630℃下至少2.5小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下在240～260℃中至少3小时，再将其于580～610℃下至少2.5小时，制得孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
作为孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料的制备方法的进一步改进，所述的镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，其中，V为镁泡沫的体积，P为空隙率，1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度；所述的尿素颗粒的形状为球状或柱状或条状或板状或无规则状；所述的添加剂的加入量为≤镁粉末和尿素总质量的5％；所述的添加剂为有机溶剂或固态石蜡粉；所述的有机溶剂为乙醇或丙醇或丙酮；所述的碱性水溶液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液或碳酸钠水溶液或碳酸氢钠水溶液；所述的将混合料压制成生坯为单向压制；所述的将混合料压制成生坯为置于所需形状的模具中进行压制。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对多次制得的镁泡沫材料分别使用数码相机和场发射扫描电子显微镜来进行形态和结构的表征，从得到的数码相机照片和扫描电镜照片并经计算可知，镁泡沫材料为三维相互连通的空间开孔网络结构，其孔径为0.2～5mm、孔隙率为50～80％；其二，用万能材料试验机对多次制得的镁泡沫材料进行测试，由测得的压缩应力-应变曲线均可看出，镁泡沫展示出了非常长的塑性平台应力区，并且其应力值要小于上屈服点所对应的应力值，显示了镁泡沫有着极高的吸能性能；其三，使用多功能内耗仪对多次制得的镁泡沫材料的阻尼特征进行测试，由测试结果可知，在所测量的温度范围内，镁泡沫的阻尼能力要远远高于致密镁的阻尼能力，同时和其它同类型的金属泡沫相比，如铝泡沫，镁泡沫更是展示出了其独特的高阻尼特性；其四，采用粉末冶金技术，利用可溶可分解颗粒尿素作为充填物，既使制备出的镁泡沫材料的孔径均匀，又可显著地提高镁泡沫材料的质量，大大地降低废品率；其五，少量添加剂的使用，使镁粉末与尿素颗粒间的粘结更充分，防止了相互间的分层；其六，根据不同孔隙率的要求而设定的浸泡时间，虽在体积和孔径也有影响的情况下，仍能确保镁泡沫材料的孔隙率在50～80％范围的目标得以实现；其七，制备的工艺简单，成本低廉；其八，制备出的镁泡沫材料的孔隙率和孔径均可人为地精确控制。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对制得的镁泡沫材料用数码相机和美国FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜进行观察后摄得的形貌照片和扫描电镜照片，其中，图1a和图1b分别为垂直于压力方向和平行于压力方向的镁泡沫材料的截面形貌，图1c为平行于压力方向的镁泡沫材料的微结构扫描形貌；图2是对制得的镁泡沫材料使用Sans/CMT4204型万能材料试验机进行测试后得到的压缩应力-应变曲线图，测试所选用的镁泡沫材料的孔隙率范围是62.5～80％，孔径约为1.5mm；图3是分别对致密镁材料、制得的镁泡沫材料以及铝泡沫材料用倒扭摆型多功能内耗仪测试后得到的阻尼-温度谱曲线，测试的方式为强迫振动，测试的条件为振动频率为1.0Hz、应变振幅为30×10-6，测试时所选用的镁泡沫材料和铝泡沫材料的孔隙率为50％、孔径约为1.5mm。
具体实施例方式
首先用常规方法制得或从市场购得镁粉末、所需形状与尺寸的毫米量级的尿素颗粒和添加剂以及碱性水溶液；其中，添加剂为乙醇或丙醇或丙酮或固态石蜡粉，碱性水溶液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液或碳酸钠水溶液或碳酸氢钠水溶液。
实施例11)、将镁粉末和尺寸为毫米量级的形状为球状的尿素颗粒以及添加剂乙醇混合均匀后，置于所需形状的模具中进行单向加压300MPa获得生坯；其中，镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，式中的V为镁泡沫的体积、P为空隙率(现选为50％)、1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度，添加剂乙醇的加入量为镁粉末和尿素总质量的1％。2)、将生坯置于浓度为0.0005摩尔/升的氢氧化钠水溶液中浸泡5小时。3)、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在240℃中5小时，再将其于610℃下4.5小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下(真空度为≤10-4Pa)在240℃中5小时，再将其于580℃下4.5小时，制得如图1a、图1b和图1c以及图2、图3中的曲线所示的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
实施例21)、将镁粉末和尺寸为毫米量级的形状为球状的尿素颗粒以及添加剂乙醇混合均匀后，置于所需形状的模具中进行单向加压325MPa获得生坯；其中，镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，式中的V为镁泡沫的体积、P为空隙率(现选为60％)、1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度，添加剂乙醇的加入量为镁粉末和尿素总质量的2％。2)、将生坯置于浓度为0.00075摩尔/升的氢氧化钠水溶液中浸泡3小时。3)、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在245℃中4.5小时，再将其于615℃下4小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下(真空度为≤10-4Pa)在245℃中4.5小时，再将其于585℃下4小时，制得如图1a、图1b和图1c以及图2、图3中的曲线所示的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
实施例31)、将镁粉末和尺寸为毫米量级的形状为球状的尿素颗粒以及添加剂乙醇混合均匀后，置于所需形状的模具中进行单向加压350MPa获得生坯；其中，镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，式中的V为镁泡沫的体积、P为空隙率(现选为70％)、1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度，添加剂乙醇的加入量为镁粉末和尿素总质量的3％。2)、将生坯置于浓度为0.001摩尔/升的碱性水溶液为氢氧化钠水溶液中浸泡1.5小时。3)、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在250℃中4小时，再将其于620℃下3.5小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下(真空度为≤10-4Pa)在250℃中4小时，再将其于595℃下3.5小时，制得如图1a、图1b和图1c以及图2、图3中的曲线所示的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
实施例41)、将镁粉末和尺寸为毫米量级的形状为球状的尿素颗粒以及添加剂乙醇混合均匀后，置于所需形状的模具中进行单向加压375MPa获得生坯；其中，镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，式中的V为镁泡沫的体积、P为空隙率(现选为80％)、1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度，添加剂乙醇的加入量为镁粉末和尿素总质量的4％。2)、将生坯置于浓度为0.00125摩尔/升的碱性水溶液为氢氧化钠水溶液中浸泡0.5小时。3)、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在255℃中3.5小时，再将其于625℃下3小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下(真空度为≤10-4Pa)在255℃中3.5小时，再将其于608℃下3小时，制得如图1a、图1b和图1c以及图2、图3中的曲线所示的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
实施例51)、将镁粉末和尺寸为毫米量级的形状为球状的尿素颗粒以及添加剂乙醇混合均匀后，置于所需形状的模具中进行单向加压400MPa获得生坯；其中，镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，式中的V为镁泡沫的体积、P为空隙率(现选为80％)、1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度，添加剂乙醇的加入量为镁粉末和尿素总质量的5％。2)、将生坯置于浓度为0.0015摩尔/升的碱性水溶液为氢氧化钠水溶液中浸泡0.5小时。3)、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在260℃中至少3小时，再将其于630℃下至少2.5小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下(真空度为≤10-4Pa)在260℃中至少3小时，再将其于610℃下至少2.5小时，制得如图1a、图1b和图1c以及图2、图3中的曲线所示的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
再分别选用形状为柱状或条状或板状或无规则状的尿素颗粒、添加剂为丙醇或丙酮或固态石蜡粉、碱性水溶液为氢氧化钾水溶液或碳酸钠水溶液或碳酸氢钠水溶液，重复上述实施例1～5，同样制得近似于图1a、图1b和图1c以及如图2、图3中的曲线所示的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料，包括金属镁，其特征在于所说金属镁为由三维相互连通的空间网络构成的开孔镁泡沫，所说镁泡沫的孔隙率为50～80％、孔径为0.2～5mm。
2.根据权利要求1所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料的制备方法，包括粉末冶金法，其特征在于是按以下步骤完成的2.1、将镁粉末和尺寸为毫米量级的尿素颗粒以及添加剂混合均匀后，加压300～400MPa获得生坯；2.2、将生坯置于浓度为0.0005～0.0015摩尔/升的碱性水溶液中浸泡0.5～5小时；2.3、先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在240～260℃中至少3小时，再将其于610～630℃下至少2.5小时，或者，先将浸泡过的生坯置于真空下在240～260℃中至少3小时，再将其于580～610℃下至少2.5小时，制得孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。
3.根据权利要求2所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是镁粉末和尿素颗粒的质量由公式m镁＝V×(1-P)×1.74、m尿素＝V×P×1.335确定，其中，V为镁泡沫的体积，P为空隙率，1.74和1.335分别为致密状态下镁粉末和尿素的密度。
4.根据权利要求2所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是尿素颗粒的形状为球状或柱状或条状或板状或无规则状。
5.根据权利要求2所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是添加剂的加入量为≤镁粉末和尿素总质量的5％。
6.根据权利要求2所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是添加剂为有机溶剂或固态石蜡粉。
7.根据权利要求6所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是有机溶剂为乙醇或丙醇或丙酮。
8.根据权利要求2所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是碱性水溶液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液或碳酸钠水溶液或碳酸氢钠水溶液。
9.根据权利要求2所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是将混合料压制成生坯为单向压制。
10.根据权利要求2或9所述的孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法，其特征是将混合料压制成生坯为置于所需形状的模具中进行压制。
全文摘要
本发明公开了一种孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料及其制备方法。材料为由三维相互连通的空间网络构成的开孔镁泡沫，其孔隙率为50～80％、孔径为0.2～5mm；方法步骤为1)将镁粉末和尺寸为毫米量级的尿素颗粒以及添加剂混合均匀后，加压300～400MPa获得生坯，2)将生坯置于浓度为0.0005～0.0015摩尔/升的碱性水溶液中浸泡0.5～5小时，3)先将浸泡过的生坯置于氩气氛下在240～260℃中至少3小时，再将其于610～630℃下至少2.5小时，或者先将浸泡过的生坯置于真空下在240～260℃中至少3小时，再将其于580～610℃下至少2.5小时，制得孔隙率、孔径可控的镁泡沫材料。它有着非常长的塑性平台应力区和独特的高阻尼能力，可广泛用于吸能、防振、电磁屏蔽和生物材料等领域。
文档编号C22C1/04GK101037734SQ200610039019
公开日2007年9月19日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者郝刚领, 韩福生, 王清周, 吴杰 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院