[发明专利]一种孔结构参数可控的开孔泡沫铜的制备方法

说明书

技术领域本发明涉及一种孔结构参数可控的开孔泡沫铜的制备方法。

背景技术泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料。开孔泡沫铜具有良好的力学性能、导电、导热等性能，可用于制作过滤器、催化剂载体、隔音材料、能量吸收器、电池负极(载体)材料、换热器、电磁屏蔽材料及电磁兼容器件，涉及冶金、化工、机械、环保、电子及航空等领域。

关于泡沫铜的制备方法，已开发的并具有实用价值的工艺技术有：去合金化法，模版法，定向凝固法以及粉末冶金方法。去合金化法一般用于制备具有纳米孔隙的泡沫铜，其制备工艺费时较长；模版法一般采用塑料泡沫为前驱材料，利用电沉积或气相沉积获得开孔的泡沫铜，但所得的泡沫铜孔形貌、尺寸及孔隙率等都很大程度上受制于前驱材料，且生产成本较高；定向凝固方法所得的多孔铜强度较高，但其孔隙率均在50％以下，且孔一般均为闭孔；粉末冶金方法是工业生产多孔金属的主要方法，但通过铜粉直接烧结所得的多孔铜孔隙率低，力学性能不佳，且烧结过程不易控制，而造孔剂的引入可以解决这些问题。CN101608271A公开了一种通孔泡沫铜的制备方法，该方法以电解铜粉为原材料，NaCl颗粒为造孔剂，先将两者混合均匀后压制成生坯，然后对生坯进行烧结，所得的烧结体通过循环热水装置将NaCl颗粒溶解去除，最终得到开孔、孔隙率为50-81％、平均孔径为0.2-4mm的通孔泡沫铜产品。但利用该技术难以烧结出高孔隙率(大于85％)的多孔铜，且制备工艺流程较复杂。其主要问题在于在高于NaCl熔点烧结后，熔融的NaCl有可能残留在铜基体中，在随后的水溶过程中难以从烧结坯体中完全浸出，残余NaCl也将影响多孔铜的性能及应用，且浪费大量淡水资源。

发明内容本发明的目的提供一种开孔泡沫铜的制备方法，它是利用粉末冶金法，特别是利用价格低廉且易分解的尿素作为造孔剂来制备泡沫铜，制备工艺简单，所得的开孔泡沫铜孔结构参数可控，无尿素残留，烧结质量较高，力性性能优良。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种孔结构参数可控的开孔泡沫铜的制备方法，其特征在于：以纯铜粉和尿素颗粒为原材料，采用自行设计带收集系统的气体保护烧结技术制备开孔泡沫铜的方法，具体步骤和工艺条件是：

(1)将不同形貌的尿素颗粒进行不同粒径颗粒的筛分，筛分后得到425-710μm及710-1000μm粒度的尿素颗粒；

(2)纯铜粉和尿素颗粒的均匀混合

将平均粒度为50-100μm的纯铜粉与上述不同粒度的尿素颗粒分别混合，放入“V”型混料机中，加入适量有机溶剂，充分混合15-30分钟后形成混合粉末；

(3)压制

将步骤(2)所得混合粉末装入压制模具，在室温下双向加压至200-300MPa制成得坯。

(4)气体保护烧结

先将气体保护烧结炉升温至250-300℃，并通入惰性气体，再将步骤(3)制得的生坯直接置于的气体保护烧结炉中，保持惰性气体流速大于0.15m/s，保温30-60分钟使尿素充分分解并对分解产物进行收集；然后关闭惰性气体并通入还原气体，采用以下双级烧结的方式进行高温烧结：先将温度以10-20℃/min速率升至800℃，保温1小时，然后以5-10℃的速率升温至950℃，保温2-4小时。烧结完成后将样品拉至水冷区域进行冷却后获得最终产品。

上述一种孔结构参数可控的开孔泡沫铜的制备方法，其步骤(2)中添加的有机溶剂为乙醇、丙酮或丙醇。

上述一种孔结构参数可控的开孔泡沫铜的制备方法，其步骤(4)步骤(4)中气体保护烧结炉为自行设计的带收集装置的电加热管式烧结炉，其惰性气体为氩气，还原气体为氢气。自行设计的管式烧结炉结构见附图1。

本发明按上述方法可以得到孔隙特征、力学性能及产品外观均优异的开孔泡沫铜，孔隙率范围为60-95％，孔径和孔形根据不同种类尿素的选取灵活多变，孔平均尺寸可在425-1000μm之间变化，孔形貌可为针状或球状。

在上述的一种孔结构参数可控的开孔泡沫铜的制备方法中，所用的原材料纯铜粉、尿素颗粒和有机溶剂均为市售的普通化工商品，筛分、双向压制、烧结均为公知的材料加工工艺；压制模具为普通铸铁模具。

本发明的基本原理是利用造孔剂(固态尿素颗粒)在快速升温过程中充分分解或挥发来获得开孔泡沫铜。将炉温控制在250-300℃后再放入生坯，尿素可通过以下缩聚反应快速分解：

CO(NH₂)₂→(HCNO)₃+NH₃↑