[发明专利]一种多孔材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工、机械制造等领域，涉及多孔材料的制备方法，该方法尤其适合低成本快速制备孔隙率可调、孔隙尺寸可控、力学性能可控、表面状态可控的块体多孔材料或涂层多孔材料。

背景技术

多孔材料，具有结构、功能一体化的优异特性，是国民经济发展中的一种关键材料。结构上，多孔材料具有密度小、比表面积大等特点；功能上，多孔材料具有减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。由于丰富的孔隙形态、较大的孔隙范围，多孔材料应用遍及航空航天、军事工业、建筑、电子通信、交通运输、生物医学、电化学、机械、冶金、能源环保等各个领域，可以被用作减震器、缓冲器、吸能器、过滤器、流体透过器、热交换器、灭火器、发动机的排气消声器、催化剂载体、多孔金属电极、火箭鼻锥及尾翼的冷却发汗材料、水下潜艇的消音器等，在材料学领域具有不可取代的地位。

传统的多孔材料制备方法大体上可分为以下几大类：1、基于金属熔体的方法；2、基于金属粉末的方法；3、基于金属蒸气的方法；4、基于金属离子的方法。但是这些制备技术普遍都存在着工艺、成本等方面的不足。热喷涂作为一种表面强化技术，在工程应用上具有材料选择范围广、低成本、高效率、便于控制等诸多优点。热喷涂涂层是由扁平粒子部分连接并堆积构成的，涂层内部不可避免存在空隙，一般为0.5％～20％，为了增加孔隙率，可以往喷涂材料中添加造孔剂(比如能够后续去处的有机物或无机物)，然而，所得到的孔隙率仍难以显著提高。1985年美国专利US4542539采用火焰喷涂沉积表面微熔钛粉颗粒，钛粉颗粒粒径由基体向涂层表面逐渐减小的，以此思路来制备多孔梯度钛涂层，涂层结合强度低，仅7MPa，而且工艺复杂。日本的Kobe Steel公司采用真空等离子喷涂(VPS)，将钛粉末在等离子焰流中加热加速至半熔状态下进行沉积，从而制备出孔隙率40～60％、压缩强度为85MPa的多孔钛涂层。国际上也有一部分文献(如S.Endres et al.，Correlation of in vitro and in vivo results of vacuum plasmasprayed titanium implants with different surface topography，J Mater Sci：Mater Med(2008)19：1117-1125)对VPS制备Ti与Ti合金涂层进行报道，制备出的涂层孔隙均匀性和开孔连通性较差，孔隙率分布较窄，仅在人造骨骼方面有所应用。另外，真空等离子喷涂设备昂贵，我国四川大学的专利CN2005100211694.8尝试采用大气等离子喷涂和气氛保护的方法，西北工业大学申请的CN200810018199.5所采用的冷喷涂后热处理的方法，在保证涂层的性能前提下对真空冷喷涂制备Ti与Ti合金涂层进行取代，但都无法对原有真空等离子的方法进行超越。另外，也有少数专利对其他的材料进行了报道，CN200710137112.1描述了一种用高温粉体喷枪来产生均热板的毛细结构的制备方法，所用材料是铜粉，铝粉或其他粉末，通过高温粉体喷枪将粉末微粒加热至表面微熔状态在冷金属板上进行堆积。至今为止，国内外用此种表面微熔或半熔沉积方法成功制备多孔材料的报道并不多，而且绝大多数仅仅集中在制备钛及钛合金涂层上，究其原因是因为，喷涂粉末颗粒在半熔特别是表面微熔状态下沉积时，若熔化程度与沉积速度未形成匹配关系，则会大大降低沉积效率以致涂层难以形成。

发明内容

针对上述技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是：提供一种基于热喷涂制备多孔材料的方法，该方法制备出的多孔涂层或材料可选择的材料范围广、孔隙分布可控范围大、孔隙结构均匀、沉积效率高。

本发明的总体技术思路是：基于热喷涂方法，通过将基体加热至高温，并采用较低的颗粒速度，减小半熔颗粒沉积时反弹和侧滑的倾向，进而多孔材料的制备新方法。通过选择合适的工艺参数，控制喷涂粒子沉积时的飞行速度和熔化状态，使得粒子在表面微熔或部分熔化的条件下进行沉积累加，实现多孔材料制备的方法。此种多孔金属材料成型的核心是通过半熔粒子的黏性熔化部分实现颗粒间的桥接，半熔粒子的刚性部分形成多孔骨架，刚性粒子间未接触部分形成孔洞。特别是喷涂粒子在表面微熔状态下，由于喷涂粒子沉积具有单一方向性，已沉积粒子会对后续粒子造成空间上的“遮挡”效应，以期形成大的孔洞，从而大幅度提高涂层的孔隙率。通过调整粉末的特征(密实程度、粉末的粒径分布、粉末的形状等)来对孔隙率及孔隙结构进行调整。此种方法沿承热喷涂方法的特点，用来制备多孔材料工艺简单，效率高，能量消耗低，制备参数易控制，重复性好，易于实现不同孔隙率的开孔/闭孔组合结构的制备。