粉末冶金多孔材料简介

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2021-10-08  环球过滤分离技术网  nanopure8

“目前获得广泛应用的多孔材料大致有以下几种：天然或合成纤维所制成的纸和布是目前工业上过滤与分离用的主要材质。但它们只能用于温度与压力都不很高情况，而且过滤速度低，耐酸碱的腐蚀性能差，使用寿命短。多孔合成材料，如尼龙、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等，已经用它们的球形颗粒作各种过滤器（其中包括各种过滤膜），孔隙度通常为30-45%；密度为0.6-1.2克/厘米³；一般过滤器孔径为1-100微米；超细孔径过滤膜孔径可小至几十埃；工作温度为100-300℃，适用于中等温度与低负荷条件的过滤。这类材料在工作时，表面带静电荷，有利于形成表面过滤，再生容易，价格也较便宜，是发展较快的一种材料。缺点是强度低、不耐高温。多孔陶瓷，如刚玉、玻璃等，已普遍用于过滤、催化剂载体、绝热保温等。据报道，有一种用特种玻璃作粘结剂制作的陶瓷过滤器，密度约为1.95克/厘米³ ， 破断强度约为 2公斤/毫米²，除氢氟酸与热碱外，能耐各种酸碱的腐蚀，而且抗热震性较好，甚至加热到lOOO℃冷却也未出现裂缝，成本比不锈钢过滤器低一倍。但一般来说，多孔陶瓷的通病是质脆、强度低、不耐热震，除球形玻璃颗粒所作的过滤器以外，透过性能一般较差，作过滤器易于堵塞，再生困难。多孔炭素材料具有吸附能力强、耐高温、导电性良好等优点，大量用于过滤、隔绝和作电极材料。缺点是常温强度低、高温下易氧化、透过性能差、使用寿命短，用于过滤时，过滤速度低， 用作电极时，电压不稳定，耗电量大，劳动条件差。熔铸泡沫金属与合金，孔隙度可达50％以上，已用于隔音、绝热、消震，但熔铸法只宜于制取较低熔点的泡沫金属与合金，并且孔隙度与孔径都难以控制。将熔融金属或合金浇注在装满普通食盐的模子中，然后用水溶解冲洗掉食盐颗粒的方法通常用来制取低熔点金属或合金的多孔材料，如铝及其合金的多孔材料大多数都用这种方法生产，它可以有效地控制孔隙度与孔径，而且孔道都是贯通的。金属或合金编织网常用于筛分和粗滤，高精度的细筛网目前有可能过滤5-10微米的粒子，但成本特别高，甚至比普通筛网要高几个数量级，仅用于航空与火箭技术。即使是普通筛网，成本也较高，而且网孔易于变形，因而限制了它的应用。用粉末冶金方法制取金属及其合金的多孔材料成本比金属网低得多，而且在一定程度上克服了上述各种非金属多孔材料的缺点， 因而得到了迅速发展， 生产量正在增加，据估计，世界上每年约以10％的速度增长。应用面也在扩大，除了最用作过滤器以外，作为分布元件、电池电极、发散与发汗材料以及在声音衰减方面的应用也有明显的增长，而且在医学上的应用将引起更大的兴趣。由于粉末冶金多孔材料的用量不断增长， 应用领域不断扩大，对材料的性能提出许多新的和更高的要求，从而促进这一材料的研制工作向前发展。

         目前粉末冶金多孔材料的研制工作大致集中在以下几个方面：1.改进生产工艺，降低生产成本就目前的生产水平而言，粉末冶金多孔材料的成本仍然较高， 比普通非金属多孔材料都要高，其主要原因有两个：一是原料成本高，采用球状或土豆状粉末生产多孔材料时，粉末利用率较低，用雾化法生产的粉末只有30-40% ，其余的回炉再用，损耗较大；
二是产量少，缺乏完整的适于大规模连续生产的工艺。为了改善这种状况，开展了对各种不规则形状粉末制取多孔材料的工艺研究：研究了各种添加剂及其用量，以此来控制材料的孔隙度，孔径与孔径分布；采用非球形粉末时能将粉末全部利用，同时还改善了粉末的成形性与烧结性；采用廉价的铁粉和低碳钢粉进行镀覆或化学处理以代替镍、铬、铜等有色金属也取得了很大进展；同时还广泛开展了适于大规模连续生产的制粉、成形与烧结工艺及其设备的研究，如设计大型的高压水雾化制粉设备、循环氢气雾化装置；采用粉末轧制、粉浆挤压工艺并设计与之配合的大型连续烧结炉；对定型产品研制了连续自动操作的等静压成形设备等。


2.高透过性与高孔隙度材料的研究为得到高透过性能的材料，必须使材料中的孔道全部为贯通孔道，通常于粉未中加入各种造孔剂，防止烧结时孔道堵塞。造孔剂包括各种有机和无机化合物，如尿素、甲基纤维素、碳酸铵等以及在烧结时可被氢还原或可以分解的金属盐类。这种金属盐中非金属组分以气体形式挥发，而金属组分与基体金属形成低熔化合物或这种金属组分本身的熔点就较低，烧结时形成少量液相， 强化烧结过程同时使孔隙球化，使制件在维持高孔隙度的同时维持较高的强度。如在制取难熔金属或化合物多孔材料时，于粉末中以液相沉积或气相沉积方法添加氯化钻，烧结件的孔隙度可达40-50%；对于用鳞片状粉末制取的细孔径材料，可加入能形成惰性化合物（如氧化物）质点的添加剂，惰性质点呈弥散状态均匀分布于粉末颗粒之间，使多孔体形成贯通孔道；为制取具有平行通孔的材料，可于粉末中插人低熔点金属丝，如在铁粉中插入铜丝，在高于金属丝熔点的温度下烧结，低熔点金属熔化流出或扩散渗入基体金属而形成通孔；把金属纤维烧结成毛毡状多孔体或发展具有海绵状结构的发泡金属多孔体，这种海绵状金属的孔隙度最大可达98%，孔径可在0.1至数毫米之间任变化，且全部孔均为连续贯通，用石蜡空心球发泡方法做成的泡沫铍，孔隙度可达96%；将天然纤维体浸泡在一种或多种易于产生热分解的金属盐溶液中，于还原气氛中加热，除去天然纤维材料，一种或多种盐由于热分解而形成金属并烧结成多孔体，其孔隙度可达95% 以上。总之，目前对高透过性与高孔隙度材料进行了大量的研究，创建了许多有效的工艺和新材料。


3.提高多扎材料的强度材料的孔隙度和强度是互相矛盾的因素，要维持材料的孔隙度又要提高材料的强度必须采取各种措施。比较有效的方法有两种：
一是使孔道球化，以减少缺口效应。在粉末中混入少最低熔点组分，如铜、磷，硼，银等，它们使孔道球化，烧结时并形成少量液相，对提高材料的强度有显著效果；


二，采用活性添加剂， 烧结时这种添加剂被还原或发生分解，一方面能阻止孔隙的填充，另一方面又由于它们的活化作用而增加颗粒间的接触强度，如在铁或镍粉中添加氯化铁、氯化镍、氯化铜等，烧结不锈钢时在填料中掺氢化钛；


三，是对多孔制件进行化学热处理，如用亚磷酸铵对镍过滤器进行硬化处理；




四，是采用金属丝网补强或以金属丝网作骨架做成丝网－粉末复合材料，混入金属丝既可提高透过性，又可增加材料的强度，前述的平行孔过滤器就是一种过滤性能好而强度高的材料。丝网－粉末复合材料可以得到极薄的多孔片，适于做成波纹板或波纹管；五是研制各种金属与合金的纤维多孔材料。


4.微细孔径材料的研究目前已经能用粉末冶金方法制取孔径为 500 埃以下的微细孔径材料，而且可以控制得到热力学上稳定的贯通孔道。随着气体分离技术的发展，要求有更细孔径的多孔材料，目前正在研究用粉末冶金方法制取50埃左右的超细孔径材料。


5.耐腐蚀多孔材料的研制不锈钢、钛等耐蚀性多孔材料已在石油化工、航空、食品、环境保护等部门获得广泛的应用，但许多腐蚀条件十分苛刻的环境它们还是不能使用，必须寻找新的耐蚀多孔材料，因此近年来出现了镍钼、钛钼合金、难熔金属碳化物、硼化物、硅化物、氮化物等多孔材料，并且还在继续对这些材料进行研究。


6.多孔体性能及其测试方法的研究发展多孔材料，对科学工作者提出了大量有待解决的问题， 例如流体在孔道中的流动、过滤理论、孔结构及其有关现象等， 对这些问题的研究通常从两个方面着手，一是根据假定的多孔体模型，一是模拟使用条件。材料的使用者当然需要知道与使用条件相模拟的各种性能，因此各种测试方法都尽可能与使用条件相模拟，但要完全做到这一点在技术上是困难的。对工业生产来说，需要建立快速而简便的性能检测方法，并且要稳定、通用。目前对孔结构来说，主要研究吸附方法测定孔径分布，透过方法测其平均孔径，这也是研究细孔径材料孔结构的主要方法。”
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