專利名稱：一種高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬纖維多孔材料，特別是涉及高比表面積的不銹鋼基金屬纖維 多孔材料的制備方法。
背景技術(shù)：
多孔金屬材料因內(nèi)部具有三維孔隙結(jié)構(gòu)并保留了金屬材料的特性，從而成為集結(jié) 構(gòu)材料和功能材料的特點于一身的新型工程材料。作為多孔金屬材料的重要分支，金屬纖 維多孔材料(SMFM)具有機(jī)械強(qiáng)度高、比表面積大、孔隙率高及生產(chǎn)成本低等特點，這些優(yōu) 勢使其在吸聲、過濾與分離、催化載體、生物醫(yī)學(xué)材料、燃料電池、多孔金屬電極等領(lǐng)域得到 廣泛應(yīng)用。隨著SMFM應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對其要求已不再局限在機(jī)械、物理性能上。研 究發(fā)現(xiàn)，SMFM比表面積的大小直接影響材料在過濾、吸聲、毛細(xì)管功能以及催化劑附著等方 面的性能。然而，在SMFM制造過程中，金屬纖維經(jīng)過傳統(tǒng)工藝燒結(jié)成形后，纖維表面原有的 微結(jié)構(gòu)會明顯減少甚至消失，造成SMFM比表面積及相關(guān)性能的損失。實驗表明降低燒結(jié)溫 度是減少燒結(jié)過程對于纖維表面形貌破壞的有效途徑。
在German RM等人對于添加燒結(jié)助劑活化燒結(jié)技術(shù)取得的研究成果的基礎(chǔ)上， 通過添加活性物質(zhì)降低燒結(jié)溫度的強(qiáng)化燒結(jié)技術(shù)目前已在冶金領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 MARKAKI A E, GERGELY V, COCKBURN A, CLYNE T W. Production of a highly porous material by liquid phase sintering of short ferritic stainless steel fibres and a preliminary study of its mechanical behaviour[J]. Composites Science and Technology, 2003,63 (16) :2345-2351公開了將低溫?zé)Y(jié)技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼纖維的燒結(jié)， 采用電鍍技術(shù)在不銹鋼纖維表面均勻地鍍覆銅層，通過短時液相燒結(jié)實現(xiàn)不銹鋼纖維的冶 金結(jié)合。實現(xiàn)了不銹鋼材料的低溫?zé)Y(jié)成形并可以獲得機(jī)械強(qiáng)度性能優(yōu)異的SMFM材料，然 而其采用的液相燒結(jié)工藝會嚴(yán)重破壞纖維表面微結(jié)構(gòu)，不適用于高比表SMFM的制備。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種BET比表面積測試值達(dá)0. 2190m2/g，力學(xué)性能優(yōu)良的 不銹鋼基金屬纖維多孔材料的制備方法。
本發(fā)明另一目的在于提供上述方法制備的不銹鋼基金屬纖維多孔材料。
本發(fā)明通過在切削加工的不銹鋼纖維粗糙表面化學(xué)施鍍得到具有豐富微顆粒表 面結(jié)構(gòu)的高表面能、高比表的銅鍍層，并采用低溫固相燒結(jié)減少燒結(jié)過程對于纖維表面微 結(jié)構(gòu)的破壞，從而實現(xiàn)高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料的制備。
本發(fā)明第一目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
一種高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料的制備方法，包括如下步驟和工藝條件
(1)采用大刃傾角多齒刀具在車床上切削加工出連續(xù)不銹鋼纖維；
(2)將不銹鋼纖維置于溫度為6(T70°C、質(zhì)量濃度為2(Γ30%氫氧化鈉溶液浸泡 10^20分鐘；然后將浸泡后的不銹鋼纖維置于溫度為6(T70°C、質(zhì)量濃度為1(Γ15%硫酸溶液浸泡1(Γ20分鐘；再采用化學(xué)鍍銅法在不銹鋼纖維表面鍍附銅層，以在鍍液中的濃度計， 鍍液組成為五水合硫酸銅8-12g/L、乙二胺四乙酸8-12g/L、酒石酸鉀鈉30-40g/L、氫氧化 鈉試劑8-14g/L、甲醛8-10g/L以及催化活性劑硫酸鎳2-3g/L ；鍍液溫度控制為4(T60°C，保溫至鍍液澄清；
(3)將鍍銅后的不銹鋼纖維壓合于模具中，置于氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中低溫?zé)Y(jié)，在 8500C 950°C溫度下，燒結(jié)30-90分鐘；
為進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述步驟(1)所述的大刃傾角多齒刀具材料為高速 鋼，利用線切割加工方式加工出多個S型小刀齒組成的主切削刃，齒距m = 0. 3mm，齒高h(yuǎn) = 0. 2mm。
所述步驟(3)中的模具包括不銹鋼模腔、剛玉保護(hù)板和不銹鋼壓板，在不銹鋼模 腔兩側(cè)都設(shè)有剛玉保護(hù)板和不銹鋼壓板。
本發(fā)明另一目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
一種高比表面積不銹鋼基金屬纖維多孔材料，由上述方法制備，該材料的BET比 表面積測試值> 0. 2m2/g ；剪切力測試值> 2500N。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下特點
1)采用化學(xué)鍍工藝在切削加工的不銹鋼纖維表面鍍銅；得到的銅鍍層具有豐富 胞體狀銅微顆粒表面形貌，極大提高了纖維的比表面積且使纖維處于高表面能狀態(tài)利于燒 結(jié)；
2)在850°C的燒結(jié)溫度下完成了鍍銅不銹鋼纖維樣本的低溫固相燒結(jié)成形，有效 降低燒結(jié)過程對纖維材料表面微結(jié)構(gòu)的破壞；
3)采用該工藝制備的不銹鋼基金屬纖維多孔材料具有較高的比表面積BET比表 面積測試值達(dá)0. 2190m2/g，而目前商業(yè)化不銹鋼纖維多孔材料< 0. 01m2/g ；
4)采用該工藝制備的不銹鋼基金屬纖維多孔材料具有良好的力學(xué)性能，在相同測 試條件下其剪切力是燒結(jié)銅纖維多孔材料的2倍以上。


圖1為多齒刀具結(jié)構(gòu)示意圖2為加工出的不銹鋼纖維的SEM照片；
圖3為鍍銅后不銹鋼纖維的SEM照片；
圖4為燒結(jié)后制得不銹鋼纖維氈SEM照片。具體實施方案
下面對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的實施方式不限于 此。
實施例1
第一步加工不銹鋼纖維。將Φ60 X 400mm長不銹鋼鋼棒裝夾于CM6140車床上，首 先采用普通外圓車刀切除不銹鋼棒表面粗糙部分。其次使用大刃傾角多齒刀具車削不銹鋼 纖維，刀具結(jié)構(gòu)如圖1所示(參見專利號為200610124078.x圖4以及實施例中的介紹)， 刀具材料為高速鋼，利用線切割加工方式加工出多個S型小刀齒組成的主切削刃，齒距m =0. 3mm，齒高h(yuǎn) = 0. 2mm。利用該大刃傾角多齒刀具制造不銹鋼纖維加工過程如下將刀具 安裝在刀架上，刀具安裝角度為45°，調(diào)整好刀具高度。切削參數(shù)如下進(jìn)給量f = 0. Imm/ r，背吃刀量、=0. 1mm，切削速度ν = 13. 19m/min，切削條件為干切削。切削加工出連續(xù) 的不銹鋼纖維，其當(dāng)量直徑為50 μ m。
第二步對纖維進(jìn)行預(yù)處理。將加工得到的不銹鋼纖維在剪斷機(jī)上剪成20mm長的 短纖維，收集后置于質(zhì)量濃度為20%的氫氧化鈉溶液中，水浴加熱至60°C并保溫20分鐘， 以除去纖維表面的油脂。除油結(jié)束后將纖維收集并用自來水沖洗，洗去殘留的堿液，再置于 質(zhì)量濃度10%硫酸溶液中，水浴加熱至60°C并保溫20分鐘，使纖維表面鈍化，鈍化結(jié)束后 將纖維收集并用自來水沖洗，洗去殘留的酸液；
第三步在纖維上用化學(xué)法鍍銅。首先配置鍍液，根據(jù)配料在鍍液中的濃度計，鍍液 配方如下五水合硫酸銅(8g/L)、乙二胺四乙酸(8g/L)、酒石酸鉀鈉(30g/L)、氫氧化鈉試 劑(8g/L)、甲醛(8g/L)及催化活性劑硫酸鎳(2g/L)。以500ml鍍液鍍30g不銹鋼纖維為 例，鍍銅工序如下分別取五水合硫酸銅5g、乙二胺四乙酸5g、酒石酸鉀鈉20g、氫氧化鈉6g 及硫酸鎳Ig放入容器，后加入純凈水配制500ml溶液，將溶液水浴加熱至50°C，攪拌至所有 組分全部溶解，此時溶液為深藍(lán)色。再加入預(yù)處理后的纖維，同時滴入甲醛5g，保溫至鍍液 完全反應(yīng)，鍍液澄清，可見不銹鋼纖維上鍍附上一層紅色的銅層。鍍銅后的不銹鋼纖維表面 銅鍍層SEM圖如圖3所示，施鍍后不銹鋼纖維表面形成的銅鍍層實現(xiàn)了對不銹鋼基體較好 地包覆，且鍍層表面分布著大量微尺度的胞體狀銅顆粒；
第四步纖維的壓合燒結(jié)。將鍍銅后的不銹鋼纖維烘干，壓合于燒結(jié)模具的模腔中， 用螺釘縮緊。模具包括不銹鋼模腔、剛玉保護(hù)板和不銹鋼壓板，在不銹鋼模腔兩側(cè)都設(shè)有剛 玉保護(hù)板和不銹鋼壓板。模具最外層為兩塊不銹鋼壓板，最內(nèi)部為不銹鋼模腔，壓板與模腔 之間用剛玉保護(hù)板隔開。將模具整體置于氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中，通以氫氣，加熱至850°C溫度 下，燒結(jié)60分鐘，后隨爐冷卻至室溫。爐冷后可取樣，打開模具，即可得到燒結(jié)好的多孔纖 維氈，其結(jié)構(gòu)如圖3示，這是由于在燒結(jié)過程中鍍層表面尺度較小的銅微顆粒會率先被蒸 發(fā)或者熔化，這些離散而少量存在的液相銅可以在表面張力的作用下實現(xiàn)聚集與球狀化。
經(jīng)檢測，采用該方法制備的不銹鋼基金屬纖維多孔材料具有圖4所示的豐富胞體 的銅微顆粒表面形貌鍍層結(jié)構(gòu)，不僅比表面積高，可達(dá)0. 2190m2/g，并且在纖維接觸區(qū)域?qū)?現(xiàn)了良好的冶金連結(jié)，孔隙率達(dá)90%。
實施例2
第一步加工不銹鋼纖維。將Φ60 X 400mm長不銹鋼鋼棒裝夾于CM6140車床上，首 先采用普通外圓車刀切除不銹鋼棒表面粗糙部分。其次使用大刃傾角多齒刀具車削不銹鋼 纖維，刀具結(jié)構(gòu)如圖1所示，刀具材料為高速鋼，利用線切割加工方式加工出多個小刀齒組 成的主切削刃，齒距m = 0. 3mm，齒高h(yuǎn) = 0. 2mm。如圖2所示的多齒刀具制造不銹鋼纖維加 工過程，具體過程如下將刀具安裝在刀架上，刀具安裝角度為45°，調(diào)整好刀具高度。切 削參數(shù)如下進(jìn)給量f = 0. lmm/r,背吃刀量、=0. 2mm,切削速度ν = 13. 19m/min,切削條 件為干切削。切削加工出連續(xù)的不銹鋼纖維，其當(dāng)量直徑為50 μ m。
第二步對纖維進(jìn)行預(yù)處理。將加工得到的不銹鋼纖維在剪斷機(jī)上剪成25mm長的 短纖維，收集后置于質(zhì)量濃度為30%的氫氧化鈉溶液中，水浴加熱至70°C并保溫10分鐘， 以除去纖維表面的油脂。除油結(jié)束后將纖維收集并用自來水沖洗，洗去殘留的堿液，再置于質(zhì)量濃度15%硫酸溶液中，水浴加熱至70°C并保溫10分鐘，使纖維表面鈍化，鈍化結(jié)束后 將纖維收集并用自來水沖洗，洗去殘留的酸液；
第三步在纖維上用化學(xué)法鍍銅。首先配置鍍液，根據(jù)配料在鍍液中的濃度計，鍍液 配方如下五水合硫酸銅(12g/L)、乙二胺四乙酸(12g/L)、酒石酸鉀鈉G0g/L)、氫氧化鈉 試劑(14g/L)、甲醛(10g/L)及催化活性劑硫酸鎳(3g/L)。以500ml鍍液鍍30g不銹鋼纖 維為例，鍍銅工序如下分別取五水合硫酸銅5g、乙二胺四乙酸5g、酒石酸鉀鈉20g、氫氧化 鈉6g及硫酸鎳Ig放入容器，后加入純凈水配制500ml溶液，將溶液水浴加熱至50°C，攪拌 至所有組分全部溶解，此時溶液為深藍(lán)色。再加入預(yù)處理后的纖維，同時滴入甲醛5g，保溫 至鍍液完全反應(yīng)，鍍液澄清，可見不銹鋼纖維上鍍附上一層紅色的銅層。鍍銅后的不銹鋼纖 維表面銅鍍層SEM圖如圖4所示，施鍍后不銹鋼纖維表面形成的銅鍍層實現(xiàn)了對不銹鋼基 體較好地包覆，且鍍層表面分布著大量微尺度的胞體狀銅顆粒；
第四步纖維的壓合燒結(jié)。將鍍銅后的不銹鋼纖維烘干，稱取一定量壓合于燒結(jié)模 具的模腔中，用螺釘縮緊。燒結(jié)模具結(jié)構(gòu)如圖5示，燒結(jié)模具最外層為兩塊不銹鋼壓板，最 內(nèi)部為不銹鋼模腔，壓板與模腔之間用剛玉保護(hù)板隔開。將模具整體置于氣氛保護(hù)燒結(jié)爐 中，通以氫氣，加熱至950°C溫度下，燒結(jié)90分鐘，后隨爐冷卻至室溫。爐冷后可取樣，打開 模具，即可得到燒結(jié)好的多孔纖維氈，其結(jié)構(gòu)如圖6示，這是由于在燒結(jié)過程中鍍層表面尺 度較小的銅微顆粒會率先被蒸發(fā)或者熔化，這些離散而少量存在的液相銅可以在表面張力 的作用下實現(xiàn)聚集與球狀化；
采用該方法制備的不銹鋼基金屬纖維多孔材料具有圖6所示的豐富胞體的銅微 顆粒表面形貌鍍層結(jié)構(gòu)，不僅比表面積高，可達(dá)0. 2190m2/g，并且在纖維接觸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了良 好的冶金連結(jié)，孔隙率達(dá)80%。
實施例3
第一步加工不銹鋼纖維。將Φ60 X 400mm長不銹鋼鋼棒裝夾于CM6140車床上，首 先采用普通外圓車刀切除不銹鋼棒表面粗糙部分。其次使用大刃傾角多齒刀具車削不銹鋼 纖維，刀具結(jié)構(gòu)如圖1所示，刀具材料為高速鋼，利用線切割加工方式加工出多個小刀齒組 成的主切削刃，齒距m = 0. 3mm,齒高h(yuǎn) = 0. 2mm。如圖2所示的多齒刀具制造不銹鋼纖維加 工過程，具體過程如下將刀具安裝在刀架上，刀具安裝角度為45°，調(diào)整好刀具高度。切 削參數(shù)如下進(jìn)給量f = 0. 15mm/r，背吃刀量ειρ = 0. 1mm，切削速度ν = 13. 19m/min，切削 條件為干切削。切削加工出連續(xù)的不銹鋼纖維，其當(dāng)量直徑為50 μ m。
第二步對纖維進(jìn)行預(yù)處理。將加工得到的不銹鋼纖維在剪斷機(jī)上剪成22. 5mm長 的短纖維，收集后置于質(zhì)量濃度為25%的氫氧化鈉溶液中，水浴加熱至65°C并保溫15分 鐘，以除去纖維表面的油脂。除油結(jié)束后將纖維收集并用自來水沖洗，洗去殘留的堿液，再 置于質(zhì)量濃度12. 5%硫酸溶液中，水浴加熱至65°C并保溫15分鐘，使纖維表面鈍化，鈍化 結(jié)束后將纖維收集并用自來水沖洗，洗去殘留的酸液；
第三步在纖維上用化學(xué)法鍍銅。首先配置鍍液，根據(jù)配料在鍍液中的濃度計，鍍液 配方如下五水合硫酸銅(10g/L)、乙二胺四乙酸(10g/L)、酒石酸鉀鈉(35g/L)、氫氧化鈉 試劑(lllg/L)、甲醛(9g/L)及催化活性劑硫酸鎳(2. 5g/L)。以500ml鍍液鍍30g不銹鋼 纖維為例，鍍銅工序如下分別取五水合硫酸銅5g、乙二胺四乙酸5g、酒石酸鉀鈉20g、氫氧 化鈉6g及硫酸鎳Ig放入容器，后加入純凈水配制500ml溶液，將溶液水浴加熱至50°C，攪拌至所有組分全部溶解，此時溶液為深藍(lán)色。再加入預(yù)處理后的纖維，同時滴入甲醛5g，保 溫至鍍液完全反應(yīng)，鍍液澄清，可見不銹鋼纖維上鍍附上一層紅色的銅層。鍍銅后的不銹鋼 纖維表面銅鍍層SEM圖如圖4所示，施鍍后不銹鋼纖維表面形成的銅鍍層實現(xiàn)了對不銹鋼 基體較好地包覆，且鍍層表面分布著大量微尺度的胞體狀銅顆粒；
第四步纖維的壓合燒結(jié)。將鍍銅后的不銹鋼纖維烘干，稱取一定量壓合于燒結(jié)模 具的模腔中，用螺釘縮緊。燒結(jié)模具結(jié)構(gòu)如圖5示，燒結(jié)模具最外層為兩塊不銹鋼壓板，最 內(nèi)部為不銹鋼模腔，壓板與模腔之間用剛玉保護(hù)板隔開。將模具整體置于氣氛保護(hù)燒結(jié)爐 中，通以氫氣，加熱至900°C溫度下，燒結(jié)75分鐘，后隨爐冷卻至室溫。爐冷后可取樣，打開 模具，即可得到燒結(jié)好的多孔纖維氈，其結(jié)構(gòu)如圖6示，這是由于在燒結(jié)過程中鍍層表面尺 度較小的銅微顆粒會率先被蒸發(fā)或者熔化，這些離散而少量存在的液相銅可以在表面張力 的作用下實現(xiàn)聚集與球狀化；
采用該方法制備的不銹鋼基金屬纖維多孔材料具有圖6所示的豐富胞體的銅微 顆粒表面形貌鍍層結(jié)構(gòu)，不僅比表面積高，可達(dá)0. 2190m2/g，并且在纖維接觸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了良 好的冶金連結(jié)，孔隙率達(dá)70%。
以上所述，僅是本發(fā)明專利的較佳實施方案而已，并非對本發(fā)明做任何形式的限 制，任何熟悉本專業(yè)的方法人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化 的等效實施方案，但是凡是未脫離本發(fā)明的技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上 實施方案所作的任何簡單修改，等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.一種高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟和工 藝條件(1)采用大刃傾角多齒刀具在車床上切削加工出連續(xù)不銹鋼纖維；(2)將不銹鋼纖維置于溫度為6(T70°C、質(zhì)量濃度為2(Γ30%氫氧化鈉溶液浸泡1(Γ20 分鐘；然后將浸泡后的不銹鋼纖維置于溫度為6(T70°C、質(zhì)量濃度為1(Γ15%硫酸溶液浸泡 10^20分鐘；再采用化學(xué)鍍銅法在不銹鋼纖維表面鍍附銅層，以在鍍液中的濃度計，鍍液組 成為五水合硫酸銅8-12g/L、乙二胺四乙酸8-12g/L、酒石酸鉀鈉30-40g/L、氫氧化鈉試劑 8_14g/L、甲醛8-10g/L以及催化活性劑硫酸鎳2-3g/L ；鍍液溫度控制為4(T60°C，保溫至鍍 液澄清；(3)將鍍銅后的不銹鋼纖維壓合于模具中，置于氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中低溫?zé)Y(jié)，在 8500C 950°C溫度下，燒結(jié)30-90分鐘；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料的制備方法，其特征在于 所述步驟(1)所述的大刃傾角多齒刀具材料為高速鋼，利用線切割加工方式加工出多個S 型小刀齒組成的主切削刃，齒距m = 0. 3_，齒高h(yuǎn) = 0. 2_。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料的制備方法，其特征在于 所述步驟(3)中的模具包括不銹鋼模腔、剛玉保護(hù)板和不銹鋼壓板，在不銹鋼模腔兩側(cè)都 設(shè)有剛玉保護(hù)板和不銹鋼壓板。
4.一種高比表面積不銹鋼基金屬纖維多孔材料，由權(quán)利要求1-3任一項所述方法制 備，該材料的BET比表面積測試值> 0. 2m2/g ；剪切力測試值> 2500N。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高比表不銹鋼基金屬纖維多孔材料及其制備方法。該方法首先是用大刃傾角多齒刀具在不銹鋼棒料上加工出連續(xù)型不銹鋼纖維；經(jīng)過對不銹鋼纖維進(jìn)行預(yù)處理后，包括清洗、除油、酸洗，再在不銹鋼纖維表面采用化學(xué)鍍銅法施鍍，得到具有豐富表面銅微顆粒結(jié)構(gòu)的銅鍍層；將鍍銅后的不銹鋼纖維模壓預(yù)成形后，置于還原氣氛保護(hù)爐中低溫固相燒結(jié)，經(jīng)過30-90分鐘850℃-950℃的燒結(jié)過程后隨爐冷卻，制得具有高比表面積的不銹鋼基金屬纖維多孔材料；其BET比表面積可達(dá)0.2m2/g以上，且在相同測試條件下其剪切力是燒結(jié)銅纖維多孔材料的2倍以上。
文檔編號B22F3/11GK102029391SQ20101052264
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者丁鑫銳, 劉彬, 周蕤, 唐彪, 湯勇 申請人:華南理工大學(xué)