一种微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法与流程

本发明公开一种微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法，属于多孔金属材料领域。

背景技术：

微-纳复合多孔材料是一种微米孔和纳米孔相复合的仿生多级孔结构，作为多孔材料的一种，它由固相骨架和孔隙组成，具有相对密度低比表面积高、渗透性好等特点。作为一种金属多孔材料，具有优异的耐热性能和能量吸收能力。作为一种纳米多孔材料，它的比表面积极高，具有优异的力学、热学、化学和光学等特点。微米孔的存在使微-纳复合多孔材料的比表面积更高，密度更低。

微-纳复合多孔材料的制备目前有模板法，如氢模板法，即是在电流的驱动下，以反应生成的氢气泡为模板电化学沉积出具有多孔级结构的材料，但得到的复合多孔结构的厚度在数微米范围，微米孔结构类似于泡沫结构，孔方向排列不具备方向性。脱合金与其他工艺方法结合也常用于制备微-纳复合多孔材料，但目前工艺方法制备前驱体过程复杂制备周期长，只适用于薄膜材料。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法；首先通过固-气共晶定向凝固工艺，获得孔隙结构（气孔率、气孔尺寸及气孔分布）可控且定向排布的微米级规则通孔材料；然后以该多孔材料为前驱体，通过化学腐蚀或电化学腐蚀对前驱体多孔材料进行脱合金处理，使定向微米孔壁间形成纳米孔而得以贯通，最终获得三维连续的微-纳双尺度复合多孔材料。该方法制备的微-纳双尺度复合多孔材料不但能克服传统脱合金纳米多孔材料尺寸极小且脆性极高的技术瓶颈，还保存甚而扩大了多孔材料的比表面积，这些结构特点无疑有利于流体和大分子的传输，有望应用于催化、传感、燃料电池、微流动控制等领域，具有重要的应用前景。

本发明方法包括以下步骤：

（1）将主材料和副材料混合均匀，其中主材料占混合物质量的20%~80%，副材料的活泼性高于主材料的活泼性；

（2）步骤（1）混合物在氢气或氮气条件下，通过固-气共晶定向凝固工艺制得微米级规则通孔材料；

（3）将微米级规则通孔材料通过化学腐蚀法或电化学腐蚀法，进行脱合金处理，制得微-纳双尺度复合多孔材料。

所述活泼性是指金属在化学反应中的活泼程度。

所述主材料为活泼性低于副材料的cu、zn、si、ag、ni、fe或ti。

所述副材料为活泼性高于主材料的mg、zn、al、pd、mn中一种或任意比几种。

所述主材料和副材料均为纯度在95~99.99%的粉末或者块状。

所述固-气共晶定向凝固工艺是在0.1~2mpa氢气或氮气条件下，将步骤（1）混合物加热，使混合物完全熔化并保温10~30min；然后将熔化的混合物倒入底部冷却的容器中进行冷却，得到微米级规则通孔材料，试样厚度大于等于80mm。

本发明有益效果为：

首先通过固-气共晶定向凝固工艺，获得孔隙结构（气孔率、气孔尺寸及气孔分布）可控且定向排布的微米级规则通孔材料；然后以该多孔材料为前驱体，通过化学腐蚀或电化学腐蚀对前驱体多孔材料进行脱合金处理，使定向微米孔壁间形成纳米孔而得以贯通，最终获得三维连续的微-纳双尺度复合多孔材料；该方法制备的微-纳双尺度复合多孔材料不但能克服传统脱合金纳米多孔材料尺寸极小且脆性极高的技术瓶颈，还保存甚而扩大了多孔材料的比表面积，这些结构特点无疑有利于流体和大分子的传输，有望应用于催化、传感、燃料电池、微流动控制等领域，具有重要的应用前景。

附图说明

图1是实施例2通过普通定向凝固得到mg-ag合金纵截面宏观形貌图；

图2是实施例2通过普通定向凝固得到mg-ag合金横截面宏观形貌图；

图3是实施例2通过普通定向凝固得到mg-ag合金横纵截面局部放大图，其中左图为纵截面放大图，右图为横截面放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：本微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将400g的mg和zn混合物（金属zn占混合物质量的70%）放入高压感应炉内的熔炼坩埚中，盖紧炉盖，锁紧炉体，抽真空至真空度为l0^-2pa；

（2）充入0.1mpa的氢气，加热熔炼坩埚内的金属混合物，熔化混合物至熔点以上20℃后保温30min，使氢气充分溶解在合金溶液中；

（3）将金属熔体倒入底部水制冷的坩埚内，得到定向排布的微米级规则通孔材料，厚度为90mm，微米级规则通孔材料的气孔率为34%；

（4）采用1mol/l的盐酸对多孔材料进行脱合金处理，直至试样表面没有明显气泡产生，制得微-纳双尺度复合多孔材料；微-纳双尺度复合多孔金属的气孔率为65%。

实施例2：本微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将500g的mg和ag混合物（金属ag占金属混合物质量的50%）放入高压感应炉内的熔炼坩埚中，盖紧炉盖，锁紧炉体，抽真空至真空度为l0^-2pa；

（2）充入0.5mpa的氢气，加热熔炼坩埚内的金属混合物，熔化混合物至熔点以上30℃后保温20min，使氢气完全溶入合金溶液中；

（3）将金属熔体倒入底部水制冷的坩埚内，得到定向排布的微米级规则通孔材料；mg-ag多孔合金纵截面宏观形貌见图1，横截面宏观形貌图见图2，以及横纵界面局部放大图3，从图中可以看出微米级的多孔规则定向且是通孔，厚度为100mm，微米级规则通孔材料的气孔率为42%；

（4）采用电化学腐蚀法对得到的多孔材料进行腐蚀，电解液为体积浓度5%的hbf4，腐蚀电流2a，电解时间3min；制得微-纳双尺度复合多孔材料；微-纳双尺度复合多孔金属的气孔率为75%。

实施例3：本微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将600g的mg、ag和pd混合物（金属ag占金属混合物质量的40%）放入高压感应炉内的熔炼坩埚中，盖紧炉盖，锁紧炉体，抽真空至真空度为l0^-2pa；

（2）充入1.5mpa的氢气，加热熔炼坩埚内的金属混合物，熔化混合物至熔点以上20℃后保温30min，使氢气充分溶解在合金溶液中；

（3）将金属熔体倒入底部水制冷的坩埚内，得到定向排布的微米级规则通孔材料，厚度为110mm，微米级规则通孔材料的气孔率为47%；

（4）采用电化学腐蚀法对得到的多孔材料进行腐蚀，电解液为体积浓度5%的hbf4，腐蚀电流1a，电解时间5min；制得微-纳双尺度复合多孔材料；微-纳双尺度复合多孔材料的气孔率为80%。

实施例4：本微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将400g的si和al混合物（si占混合物质量的20%）放入高压感应炉内的熔炼坩埚中，盖紧炉盖，锁紧炉体，抽真空至真空度为l0^-2pa；

（2）充入2.0mpa的氢气，加热熔炼坩埚内的混合物，熔化混合物至熔点以上10℃后保温30min，使氢气充分溶解在混合物溶液中；

（3）将熔体倒入底部水制冷的坩埚内，得到定向排布的微米级规则通孔材料，厚度为90mm，微米级规则通孔材料的气孔率为53%；

（4）采用0.5mol/l的盐酸对多孔材料进行脱合金处理，直至试样表面没有明显气泡产生，制得微-纳双尺度复合多孔材料；微-纳双尺度复合多孔材料的气孔率为86%。

实施例5：本微-纳双尺度复合多孔材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将300g的cu和zn混合物（金属cu占金属混合物质量的30%）放入高压感应炉内的熔炼坩埚中，盖紧炉盖，锁紧炉体，抽真空至真空度为l0^-2pa；

（2）充入0.5mpa的氢气，加热熔炼坩埚内的金属混合物，熔化混合物至熔点以上30℃后保温30min，使氢气充分溶解在合金溶液中；

（3）将金属熔体倒入底部水制冷的坩埚内，得到定向排布的微米级规则通孔材料，厚度为80mm，微米级规则通孔材料的气孔率为43%；

（4）采用0.3mol/l的盐酸对多孔材料进行脱合金处理，直至试样表面没有明显气泡产生，制得微-纳双尺度复合多孔材料，微-纳双尺度复合多孔材料的气孔率为83%。