一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法，包括以下步骤：用第一金属材料制成长度均匀的纤维，通过模具预压形成具有预定不同孔隙率的至少二个纤维板；将由第二金属材料制成的中间层放置于不同孔隙率的纤维板之间形成叠层结构，置于模具中压制；将模具放入烧结炉进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，拆卸模具，获得多级孔金属纤维烧结板。本发明工艺简单，生产效率高，具有连接速度快、变形小、连接温度低、残余应力小、接头强度高等优点。
【专利说明】一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合金属领域，特别是涉及一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法。
【背景技术】
[0002]多孔金属材料是由金属材料及其内部孔隙结构组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能。多孔金属材料已经广泛应用在汽车工业、建筑节能、能源环保、化学化工、航空航天领域中的缓冲减震器、过滤净化器、热交换器、排气消声器、催化剂载体、电池电极、火箭鼻锥及尾翼冷却发汗材料、水下潜艇消音器等。目前，多孔金属纤维材料主要包括有泡沫金属材料和金属纤维多孔材料两种类型。泡沫金属一般采用发泡制造工艺制成，具有高孔隙率、重量轻、透气性好等优点，已经成功开发出的产品包括有泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁及其泡沫合金等泡沫金属材料。但是由于泡沫金属制造工艺过程复杂，生产成本高，从而限制了泡沫金属的大规模商业化使用。金属纤维多孔材料是以金属纤维为原料制造形成，由于其具有三维网状结构、全连通孔径和高孔隙率的特点，在传热节能、催化反应、过滤净化等领域具有广泛应用前景。
[0003]目前，金属纤维多孔材料主要是以金属纤维为原材料，利用烧结工艺等方法制造形成，通常是具有较为均匀的孔隙结构。最近研究结果表明，实现多孔金属材料孔隙结构的梯度化，可以实现流体的均匀分布，促进强化传热传质过程，成为当前的多孔金属材料领域中的研究热点课题。但是，现有的多孔金属材料制造方法包括粉末冶金法、纤维烧结法、激光快速成形法、溅射工艺技术法等都难以主动控制孔隙结构的按需形成，加工制造往往较为困难。随后，研究人员陆续开发出的离心喷涂技术、有机泡沫浸溃技术、重力沉降成形、离心与压滤成形、溶胶凝胶法等方法可以实现某些特定场合的多级孔隙结构的制造，却存在设备依赖性高、生产周期长，加工成本较高等问题。因此，针对金属纤维多孔材料，开发出高效低成本制造技术方法，实现孔隙结构梯度化的还迫切需要开展相应的研究工作。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对当前多孔金属材料加工制造过程中梯度孔隙结构难以形成的技术难题，提供一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法包括以下步骤:
[0006](I)用第一金属材料制成长度均匀的纤维，根据质量与孔隙率的关系称取一定质量的纤维通过一模具预压形成具有预定孔隙率的纤维板；
[0007](2)根据步骤(I)制作至少二个不同孔隙率的纤维板，将由第二金属材料制成的中间层放置于不同孔隙率的纤维板之间形成叠层结构，置于所述模具中压制，其中第二金属材料的熔点低于第一金属材料；
[0008](3)将模具放入烧结炉进行烧结，其中烧结温度介于第一金属和第二金属的熔点之间，保温时间为20-40min ；
[0009](4)烧结完成后随炉冷却至室温，拆卸模具，获得多级孔金属纤维烧结板。
[0010]优选的，所述纤维采用切削加工及裁剪制得，直径在50?100 μ m，长度为10?20mmo
[0011]优选的，所述模具包括底板、压板、多个不同厚度的垫片及螺栓，底板、垫片和压板依次套接于螺栓上，底板和压板之间形成内腔并通过垫片调节内腔的高度。
[0012]优选的，所述孔隙率与质量的关系为E = l_m/(P V)，其中E为孔隙率，m为纤维质量，P为第一金属的密度，V为所述纤维板体积。
[0013]优选的，所述纤维板的厚度范围是5-100mm，孔隙率为60%?98% ;所述中间层是厚度小于0.1mm的箔片。
[0014]优选的，所述烧结在真空或惰性气氛中进行。
[0015]优选的,其特征在于:所述第一金属为铜，第二金属为招，烧结温度为660_700°C。
[0016]优选的，步骤(2)中，所述纤维板包括孔隙率为80%的第一铜纤维板和90%的第二铜纤维板，所述中间层为铝箔片，所述叠层结构为第一铜纤维板-铝箔片-第二铜纤维板。
[0017]优选的，其特征在于:所述第一金属为铝，所述第二金属为锡，所述烧结温度为235-280 O。
[0018]优选的，所述第一金属为不锈钢，所述第二金属为锰，所述烧结温度为1244-1295°C。
[0019]本发明采用以切削加工的金属纤维为原材料，将金属纤维在设计的模具内进行预压后，放置中间层材料，并通过控制烧结温度与时间使得中间层金属熔化后在连接界面上形成一定数量的液相，并迅速向纤维材料扩散，使结合界面化学成分改变，经过等温凝固、固相成分均匀化，最终实现具有多级孔隙结构组合特征的金属纤维烧结板的连接。本发明工艺过程简单，生产效率高，设备要求较低，同时具有连接速度快、变形小、连接温度低、残余应力小、接头强度高等优点。利用该种方法加工出的金属纤维烧结板具有多级孔隙结构特征，并可以实现不同孔隙(60%?98%)结构的任意组合。与现有的均匀孔隙率的纤维烧结板相比，由于其具有多级孔隙结构特征，可以改善流体分布特性，强化传热与传质过程，可以明显提高催化、换热、过滤等过程的工作效率。因此，该种纤维烧结板在催化反应、传热节能、过滤净化等领域具有非常广阔的应用前景。
[0020]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法不局限于实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明第一实施例的铜纤维模压示意图；
[0022]图2是本发明第一实施例多孔金属纤维烧结板的扫描电镜图；
[0023]图3是图2中连接处的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1
[0025]本实施例采用铜作为第一金属制作纤维，铝作为第二金属制作中间层铝箔。铜纤维的制造可以在普通车床上，采用专用多齿刀具车削铜棒的方式加工。该方法加工的金属纤维表面粗糙度适当，当量直径在50?100 μ m，特别的，本实施例采用50 μ m的铜纤维。接着，将铜纤维剪成适当的小段，长度约为10?20mm，特别的，本实施例采用10mm。将铜纤维压制成具有预定孔隙率的铜纤维板。
[0026]本发明设计和制造了一种金属纤维烧结板专用模具，其结构示意图如图1所示。模具由底板1、压板2、多个不同厚度的垫片3以及螺栓4等部分组成。底板1、垫片3和压板2依次套接于螺栓4上并通过螺母41紧固，底板I和压板2之间形成内腔并通过垫片3调节内腔的高度。压板时，根据孔隙率与质量的关系，用电子称称取相应质量的纤维段，孔隙率与质量的关系为:E= I_m/(PV)，其中E为孔隙率，m为铜纤维板质量，P为紫铜密度，P =8.9g/cm3，V为铜纤维板体积。压板的时候，具体操作是首先根据所需铜纤维板的厚度利用螺栓4将底板I与所需垫片3串好，将称得的所有铜纤维填充模具内腔里，填充过程需要一层层均匀平铺在模具腔中，而且每次平铺纤维量不能太大，当定量的纤维还未填充完而内腔已满时需要轻轻先往下压；铜纤维填充完毕，模具盖上压板2，然后利用台钳进行压制，压制后等上片刻，退出台钳，取出一层垫片，再盖上压板2板继续于台钳上压紧。如此反复，直至被压制的铜纤维厚度达到所需值时，取出预压好的铜纤维板。通过该方法可以压制60%?98%之间任意孔隙率的铜纤维板，特别的，本实施例采用80%孔隙率的铜纤维板5和90%孔隙率的铜纤维板6。铜纤维板的厚度范围是5-100mm。
[0027]将厚度小于0.1mm的铝箔剪成与铜纤维板相应的尺寸制成中间层7，并放置于铜纤维板5和铜纤维板6之间形成叠层结构，通过压模压制在一起，然后盖上压板2，锁紧螺栓4。
[0028]把上述模具放入烧结炉烧结，温度在660°C至700°C区间，保温时间为30min时，同时通有氮气作为保护气体。保温时间结束后，让其随炉冷却至室温，最后取出煅烧的模具并且拆开模具，得到多级孔结构铜纤维烧结板。
[0029]多级孔结构纤维烧结板之间连接处的扫描电镜图如图2所示。其中80%孔隙率铜纤维板5和90%孔隙率铜纤维板6之间为两者连接处8，连接处8的局部放大图如图3所示。从图中可以看到铝箔已经融化到铜纤维中并且实现了铜纤维的良好连接。
[0030]实施例2
[0031]本实施例采用铝作为第一金属，锡作为第二金属，模具结构与实施例1相同。用铝制成长度介于10?20mm的铝纤维，直径为75 μ m。根据质量与孔隙率的关系称取一定质量的铝纤维通过模具预压形成具有预定孔隙率的纤维板，厚度范围是5-100_。孔隙率与质量的关系为E = l_m/(P V),其中E为孔隙率，m为招纤维质量，P为招的密度,V为招纤维板体积。制作孔隙率分别为85%和98%的两个铝纤维板，将厚度小于0.1mm的锡箔裁成与铝纤维板相应尺寸的中间层放置于两个铝纤维板之间形成叠层结构，置于模具中压制。将模具放入烧结炉进行烧结，烧结在真空中进行，其中烧结温度在235-280°C之间，保温时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，拆卸模具，获得多级孔铝纤维烧结板。
[0032]实施例3
[0033]本实施例采用不锈钢作为第一金属，锰作为第二金属，模具结构与实施例1相同。用不锈钢制成长度介于10?20mm的不锈钢纤维，直径为100 μ m。根据质量与孔隙率的关系称取一定质量的不锈钢纤维通过模具预压形成具有预定孔隙率的纤维板，厚度范围是5-100mm。孔隙率与质量的关系为E = l_m/( P V)，其中E为孔隙率，m为不锈钢纤维质量，P不锈钢铝的密度，V为不锈钢纤维板体积。制作孔隙率分别为60%和70%的两个不锈钢纤维板，将厚度小于0.1mm的锰箔片裁成与不锈钢纤维板相应尺寸的中间层放置于两个不锈钢纤维板之间形成叠层结构，置于模具中压制。将模具放入烧结炉进行烧结，烧结在真空中进行，其中烧结温度在1244-1295?之间，保温时间为40min。烧结完成后随炉冷却至室温，拆卸模具，获得多级孔不锈钢纤维烧结板。
[0034]上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法，但本发明并不局限于实施例，第一金属和第二金属亦可以是其他纯金属及合金。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于包括以下步骤: (1)用第一金属材料制成长度均匀的纤维，根据质量与孔隙率的关系称取一定质量的纤维通过一模具预压形成具有预定孔隙率的纤维板； (2)根据步骤(I)制作至少二个不同孔隙率的纤维板，将由第二金属材料制成的中间层放置于不同孔隙率的纤维板之间形成叠层结构，置于所述模具中压制，其中第二金属材料的熔点低于第一金属材料； (3)将模具放入烧结炉进行烧结，其中烧结温度介于第一金属和第二金属的熔点之间，保温时间为20-40min ； (4)烧结完成后随炉冷却至室温，拆卸模具，获得多级孔金属纤维烧结板。
2.根据权利要求1所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述纤维采用切削加工及裁剪制得，直径在50?100 μ m，长度为10?20mm。
3.根据权利要求1所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述模具包括底板、压板、多个不同厚度的垫片及螺栓，底板、垫片和压板依次套接于螺栓上，底板和压板之间形成内腔并通过垫片调节内腔的高度。
4.根据权利要求1所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述孔隙率与质量的关系为E = Ι-m/ ( P V)，其中E为孔隙率，m为纤维质量，P为第一金属的密度，V为所述纤维板体积。
5.根据权利要求1所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述纤维板的厚度范围是5-100mm，孔隙率为60%?98% ;所述中间层是厚度小于0.1mm的箔片。
6.根据权利要求1所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述烧结在真空或惰性气氛中进行。
7.根据权利要求1-6任一项所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述第一金属为铜，第二金属为招，烧结温度为660-700°C。
8.根据权利要求7所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:步骤(2)中，所述纤维板包括孔隙率为80%的第一铜纤维板和90%的第二铜纤维板，所述中间层为铝箔片，所述叠层结构为第一铜纤维板-铝箔片-第二铜纤维板。
9.根据权利要求1-6任一项所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述第一金属为铝，所述第二金属为锡，所述烧结温度为235-280°C。
10.根据权利要求1-6任一项所述的多级孔金属纤维烧结板的制作方法，其特征在于:所述第一金属为不锈钢，所述第二金属为锰，所述烧结温度为1244-1295?。
【文档编号】B22F7/02GK104289717SQ201410620999
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】周伟, 凌伟淞, 张国彪, 林永杰, 段炼, 衷天宇, 赵李萍 申请人:厦门大学