專利名稱：一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備多孔鈦濾芯材料的方法，具體地說，涉及一種較傳統(tǒng)的粉末電爐燒結(jié)工藝更為優(yōu)化的微波燒結(jié)方法。
背景技術(shù)：
燒結(jié)金屬過濾材料是用粉末冶金法生產(chǎn)的一種性能優(yōu)越的過濾材料，用于凈化含有固體雜質(zhì)的氣體或液體。鈦濾芯是以金屬鈦粉為原料，采用粉末冶金的方法制成的鈦金屬高效多孔過濾材料，其內(nèi)部孔隙彎曲配置、縱橫交錯，孔徑分布均勻，過濾機理為典型的深層過濾。鈦濾芯因其孔隙和過濾精度可以在相當寬的范圍內(nèi)進行調(diào)整，且具有過濾阻力小、耐腐蝕、耐高溫、強度大、過濾精度容易保證，易再生等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、水處理工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程、化學(xué)工業(yè)、石油化工、冶金工業(yè)及氣體凈化領(lǐng)域，是一種具有廣泛發(fā)展前景的新材料。 微波是頻率在300MHz-300GHz (對應(yīng)波長在1000-lmm)范圍內(nèi)的電磁波。微波燒結(jié)就是利用微波輻射來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外加熱源，材料通過自身對電磁場能量的吸收(介質(zhì)損耗)達到燒結(jié)溫度而實現(xiàn)致密化。相對于傳統(tǒng)認識，塊體金屬會將微波輻射反射掉，處于粉末狀態(tài)的金屬卻能有效吸收微波而實現(xiàn)加熱，從而能夠利用微波燒結(jié)制備金屬器件，為金屬粉末冶金工業(yè)發(fā)明了一種新的生產(chǎn)和制造工藝。微波燒結(jié)能顯著改進金屬制品的性能，能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜的器件，且生產(chǎn)成本較低，燒結(jié)周期短，粉末生坯在10-30min內(nèi)能夠基本燒結(jié)完成。與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)主要有整體加熱、低溫快燒、無加熱慣性、選擇性加熱等顯著特點。在傳統(tǒng)燒結(jié)過程中，材料表面、內(nèi)部和中心區(qū)域溫度存在較大梯度、容易導(dǎo)致晶粒不均勻、內(nèi)部存在較多缺陷。微波燒結(jié)依靠電磁場輻射透入材料內(nèi)部，材料整體發(fā)生介質(zhì)損耗而升溫，各部分溫差小、材料顯微結(jié)構(gòu)得到改善、性能更加優(yōu)異。微波燒結(jié)能耗低、效率高、比傳統(tǒng)燒結(jié)節(jié)能80%左右，而且清潔、安全、無污染。目前經(jīng)過幾十年的發(fā)展，多孔鈦的各種制備方法也已日漸成熟，主要有模板法、光刻蝕法、激光打孔法、發(fā)泡法、去合金化以及粉末冶金法等。由于粉末冶金法制備多孔材料的生產(chǎn)工藝簡單、成本相對低，能控制制品孔參數(shù)并且能夠得到組織結(jié)構(gòu)均勻的多孔材料，為多數(shù)研究者所采用。然而，目前鈦濾芯采用傳統(tǒng)粉末燒結(jié)方式，制備材料內(nèi)部存在較多缺陷，性能有待進一步提高，且由于燒結(jié)時間長、一般需要真空燒結(jié)，而導(dǎo)致成本較高。這些缺點使其在使用推廣中受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對多孔鈦濾芯傳統(tǒng)燒結(jié)方式的不足，在本發(fā)明中采用微波燒結(jié)的方式，制備出了孔隙率及孔徑大小可控的多孔鈦，并且其具有燒結(jié)時間短的優(yōu)點，大大縮短了生產(chǎn)周期，使用該方法制備的多孔鈦濾芯材料具有經(jīng)久耐用，設(shè)備維護費用低等優(yōu)勢。本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、生產(chǎn)周期短的制備多孔鈦濾芯材料的方法。實現(xiàn)該目的的技術(shù)方案特征是按照如下步驟實現(xiàn)(I)粉體制備選用顆粒粒度為微米級鈦粉(小于500 μ m)，以保證其可與微波對鈦金屬的穿透深度相比擬。選擇加熱揮發(fā)且不與鈦粉反應(yīng)的造孔劑(如碳酸氫銨)，造孔劑用量為體積百分數(shù)不大于50%，即0-50vol%，優(yōu)選為20— 50%，顆粒度為1-400 μ m。將鈦粉和造孔劑混合后放入混料機進一步均勻化，混料時間不少于lh/ (IOg ·50 μ m)，且粉料顆粒度每減少一個數(shù)量級混料時間延長一倍以上，以盡可能使粉料混合均勻。(2)壓坯成型將均勻混合后的粉料，采用適當?shù)膲褐茐毫?不大于400MPa，即0-400MPa，優(yōu)選100— 400MPa)將粉料壓制成型。對于松裝粉料需要選擇對微波透明、耐高溫的盛放容器材料,如Al2O3坩堝。(3)微波燒結(jié)采用微波爐進行微波燒結(jié)，其中微波頻率為2450MHz，根據(jù)壓制成型坯料尺寸大小不同，合理選擇微波功率O. 5-5KW，燒結(jié)時間5-60min。燒結(jié)完成后隨爐自 然冷卻至室溫。根據(jù)樣品生產(chǎn)及尺寸要求，為保證材料燒結(jié)溫度，可對樣品進行保溫處理，選擇對微波透明、耐高溫、保溫效果好的保溫材料，如Al2O3坩堝。微波燒結(jié)技術(shù)是基于物質(zhì)與電磁場相互作用中產(chǎn)生熱效應(yīng)的原理。當材料的基本細微結(jié)構(gòu)與特定頻率的電磁場耦合時，內(nèi)部微觀粒子響應(yīng)電磁振蕩，熱運動加劇，材料因介質(zhì)損耗吸收微波能轉(zhuǎn)化熱能。將微波加熱原理應(yīng)用于燒結(jié)工藝即微波燒結(jié)。金屬粉末壓坯吸收微波能并轉(zhuǎn)化為熱能的過程中，介電損耗、渦流損耗以及粉末顆粒對微波的多次散射具有不可忽略的貢獻。同時，因微波交變電場與磁場對電荷運動狀態(tài)固有的影響，渦流損耗成為其促進金屬粉末壓坯燒結(jié)的重要機理。隨著燒結(jié)過程的進行，顆粒球化、重排，形成燒結(jié)頸并長大；孔隙球化、收縮、消失；內(nèi)表面積降低，晶界逐漸消失，致密度提高。在燒結(jié)頸區(qū)域，電場被聚焦，極大地促進了物質(zhì)的遷移。在致密化的同時，金屬粉末壓坯具有的特點逐漸消失，與塊體金屬導(dǎo)體的差異也隨之不存在。燒結(jié)坯反射率升高，吸收率下降，與微波的耦合作用也被削弱，致密化進程停滯。此時，金屬粉末微波燒結(jié)過程即基本結(jié)束。與現(xiàn)有傳統(tǒng)電爐燒技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于，微波燒結(jié)對樣品整體、均勻、快速燒結(jié)，保持粉末粒度。具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、無需真空環(huán)境、能源利用率和加熱效率高、燒結(jié)產(chǎn)品性能好、粗燒結(jié)方法衛(wèi)生無污染的優(yōu)點，在保證質(zhì)量的前提下，縮短生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)成本，是一種節(jié)能高效的制備多孔材料的方法，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。


圖I是摻20vol%碳酸氫銨作為造孔劑，混料時間15h，壓坯壓力350MPa，燒結(jié)時間15min，燒結(jié)功率IKW下制得的多孔鈦掃描電鏡顯微形貌圖(Philips公司XL-30型環(huán)境掃描電子顯微鏡)圖2燒結(jié)后能譜多孔鈦材料能譜分析(圖I樣品的能譜分析)圖3吸附(A)與脫附(D)體積與相對壓力的等溫關(guān)系曲線圖4多點BET5不同燒結(jié)時間的試樣平均孔徑
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地描述。本發(fā)明使用的DH48型微波燒結(jié)爐(市售，微波頻率2450MHZ ;微波功率500W 5000W連續(xù)可調(diào)；微波功率穩(wěn)定度±1% (輸出功率為5000W時)。市售工業(yè)純鈦粉(純度大于98-100%)中添加碳酸氫銨(分析純)作為造孔劑，放入混料機后均勻混合。將混合后粉料采用靜壓機壓制成型，放入微波爐內(nèi)進行燒結(jié)，隨爐冷卻后即得所需多孔鈦濾芯材料。實施例I :分析天平分別稱取顆粒度為350目鈦粉，并加入20vol%碳酸氫銨造孔劑。將稱好的粉末裝入瓶中密封，并將其放入混料機中進行混粉，混料時間為7h，獲得均勻混合的原始粉料。將混合均勻后的粉料，采用350MPa的壓力壓制成型。將壓坯放入微爐中，微波頻率為2450MHz，輸出功率為1KW，燒結(jié)時間為15min ;燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，將其取出即 得到所需的多孔鈦濾芯材料。如圖I所示為鈦濾芯材料顯微形貌照片。能譜分析結(jié)果如圖2所示，可見濾芯材料主要成分元素為鈦，沒有明顯氧化現(xiàn)象產(chǎn)生。實施例2:分析天平分別稱取顆粒度為300目鈦粉，并加入20vol%碳酸氫銨造孔劑。將稱好的粉末裝入瓶中密封，并將其放入混料機中進行混粉，混料時間為6h，獲得均勻混合的原始粉料。將混合均勻后的粉料，采用400MPa的壓力壓制成型。將壓坯放入微爐中，微波頻率為2450MHz，輸出功率為1KW，燒結(jié)時間為5min ;燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，將其取出即得到所需的多孔鈦濾芯材料。實施例3 分析天平分別稱取顆粒度為400目鈦粉，并加入20vol%碳酸氫銨造孔劑。將稱好的粉末裝入瓶中密封，并將其放入混料機中進行混粉，混料時間為8h，獲得均勻混合的原始粉料。將混合均勻后的粉料，采用300MPa的壓力壓制成型。將壓坯放入微爐中，微波頻率為2450MHz，輸出功率為O. 5KW，燒結(jié)時間為25min ;燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，將其取出即得到所需的多孔鈦濾芯材料。實施例4 分析天平分別稱取顆粒度為450目鈦粉，并加入40vol%碳酸氫銨造孔劑。將稱好的粉末裝入瓶中密封，并將其放入混料機中進行混粉，混料時間為9h，獲得均勻混合的原始粉料。將混合均勻后的粉料，采用Al2O3坩堝松裝盛放。將坩堝和粉料放入微波爐中，微波頻率為2450MHz，輸出功率為3KW，燒結(jié)時間為35min ;燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，將其取出即得到所需的多孔鈦濾芯材料。實施例5 分析天平分別稱取顆粒度為500目鈦粉，并加入10vol%碳酸氫銨造孔劑。將稱好的粉末裝入瓶中密封，并將其放入混料機中進行混粉，混料時間為10h，獲得均勻混合的原始粉料。將混合均勻后的粉料，采用IOOMPa的壓力壓制成型。將壓坯放入微爐中，微波頻率為2450MHz，輸出功率為5KW，燒結(jié)時間為5min ;燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，將其取出即得到所需的多孔鈦濾芯材料。利用氮吸附測量樣品的比表面積及孔隙率，所用設(shè)備為美國康塔公司的比表面和孔隙度分析儀。圖3是吸附(A)與脫附(D)體積與相對壓力的等溫關(guān)系曲線，圖4為多點多分子層吸附(BET)圖。根據(jù)BET理論可得試樣的比表面積；根據(jù)BJH理論可的試樣的累積吸附與脫附孔體積。圖5為不同燒結(jié)時間的試樣平均孔徑，此分布是通過imag印r0plus5軟件分析所得。根據(jù)比表面積與平均孔徑和孔率的關(guān)系，可得試樣(摻20vol%碳酸氫銨作為造孔劑，混料時間8h，壓坯壓力300MPa，燒結(jié)時間15min，燒結(jié)功率IKW下制得的多孔鈦)的的孔隙率為63. 43%。使用本發(fā)明方案制備的濾芯材料，測得的2_厚的試樣的水的平均滲透率為 7. 3X 10_4mL/min · Pa · cm2。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，按照下述步驟實現(xiàn)，粉體制備、壓坯成型、微波燒結(jié)，其中 所述粉體制備中鈦粉中活性鈦含量為9 8 -10 O %，顆粒粒度為微米級鈦粉；添加10-50vol%可揮發(fā)且無反應(yīng)性造孔劑，混料時間不少于lh/(IOg 50 u m) 所述壓坯成型中采用適當?shù)膲褐茐毫⒎哿蠅褐瞥尚?，對于松裝燒結(jié)需要選擇對微波透明、耐高溫的盛放容器 所述微波燒結(jié)中微波頻率為2450MHz，根據(jù)壓制成型坯料尺寸大小不同，合理選擇微波功率0. 5-5KW，燒結(jié)時間5-60min ;燒結(jié)完成后泥塑隨爐自然冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述粉體制備中，微米級鈦粉顆粒粒度為小于500 u m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述粉體制備中，粉料粒度每減少一個數(shù)量級混料時間延長一倍以上，以盡可能使粉料混合均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述粉體制備中，所述造孔劑為碳酸氫銨，顆粒度為1-400 u m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述壓坯成型中，壓制壓力為100-400MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述壓坯成型中，盛放容器為Al2O3坩堝。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦濾芯材料的微波燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述微波燒結(jié)中，選擇對微波透明、耐高溫、保溫效果好的保溫材料，如Al2O3坩堝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用微波燒結(jié)制備鈦濾芯材料的方法，所制備多孔鈦材料孔徑在納米和微米級可控，孔隙率最高達60%。將微米級鈦粉及造孔劑按比例混合后，經(jīng)壓坯成型后放入微波燒結(jié)爐中進行微波燒結(jié)。本發(fā)明的優(yōu)點在于，具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、無需真空環(huán)境、能源利用率和加熱效率高、燒結(jié)產(chǎn)品性能好、粗燒結(jié)方法衛(wèi)生無污染的優(yōu)點，在保證質(zhì)量的前提下，縮短生產(chǎn)時間，實施費用低，操作簡單，降低了生產(chǎn)成本，是一種節(jié)能高效的制備多孔材料的方法，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
文檔編號B01D39/20GK102808102SQ20121032592
公開日2012年12月5日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者魏強, 平瑞婷, 王偉莉, 劉愛峰, 馬劍雄 申請人:天津大學(xué)