多元金属孔化材料及其制备工艺制造技术

本发明专利技术属材料技术领域，是一种多元金属孔化材料及其制备工艺。该材料以过渡金属中２种以上金属元素为基础材料，在高温高压下熔化制成坯料，渗入有关金属元素粉末，在反应气体保护下进行激光辐射或真空溅射，形成孔化材料，其孔化率可达９５％。本发明专利技术选择合适的基础材料和相应工艺，可获得各种不同功能的孔化材料，例如，用于制作镍氢电池极板的材料，消声吸音、防电磁波的建筑材料；隔热、阻燃的消防材料，无土作物栽培的基板材料等。本发明专利技术提出材料性能优良、质量稳定，工艺简单，具有广泛应用前景。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属材料
，是一种多元金属孔化材料及其制备工艺。所谓金属孔化就是把金属材料泡沫化，从而改变原金属材料的物理、化学性能，为材料开辟新的用途，并节省原材料。九十年代初，国际上研制开发出单元素金属孔化材料，例如，将镍、锂等纯单元金属孔化成型，该材料可作为电池极板，制作镍氢电池和锂电池。但是，其成本高且制备工艺复杂。该电池也没有能广泛替代铅酸电池、锌锰电池等。作为金属孔化材料技术上也没有实现多元金属孔化成型。本专利技术的目的在于提供一种成本低、工艺简单实用的多元金属孔化材料及其制备工艺。本专利技术提供的多元金属孔化材料，选择化学元素中过渡金属作为配伍的基础材料。过渡金属元素很广泛，例如Fe,Ni,Al,Ti,Ta,Mn,Li,Zn,Sn,……等等，选择其中2种以上(包括2种)单质金属元素，在高温高压下将其熔化，制备孔化坯料。这里的所谓高温是指达到所选单质金属元素的液化温度，所谓高压是指在2-10个大气压范围。这里的制坯过程，一般包括通常的坯态渗流步骤、液态渗氢发泡步骤、固态颗粒在真空中的烧结步骤，以及常温氮气炉中的粉末冶金步骤以及激光辐射、真空溅射步骤等。在常温常压下，选取醇类溶液，掺入Nb,Ti,Cr,Cr2O3,SiC,SiN4,Co,Zr,La稀土等部分金属元素的粉末，调匀，涂覆在未成型的孔化坯料物上，使之渗入。上述的孔化坯料物可以是方形体，也可以是柱形体。为了使之适合不同的实际需要，可将其切割成预先设计的形状，即将孔化坯料物切割成型。然后，在反应气体保护下，对这些孔化型材，进行激光辐射，使其表面形成多元金属孔化薄膜，或者，在550-600℃高温下，对孔化型材真空溅射钛钯或锂钯，通体实现多元金属化合，形成多孔(泡沫)化的型材。这里的保护气体可以为氩气或氮气等。本专利技术提出的这种材料的孔化率可达到95％。对于上述的多元金属孔化材料，选择适合的基础材料，进行相关的工艺处理，可以得到适合于不同用途的多元金属孔化材料1．选择过渡金属中能与氢反应的活跃金属，如Fe,Ni,Al,Ti,La等作为基础材料，再对多孔坯料进行激光辐射或者真空溅射，形成多元素浅层的贮氢金属膜。该多元金属孔化材料可用作镍氢电极的极板，以替代纯镍、纯锂材料制作高性能大容量电池系列产品，使用这种材料的电池，降低了产品成本，并能替代对环境有严重污染的铅酸电池产品。2．选择过渡金属中Al,Mg,Zn,Sb等金属元素作为基础材料，经混合熔化制备多孔坯料，再对经过经过激光辐射的型材进行酸化处理和真空溅射，使多元金属材料表面形成亚声元素的复合金属膜层。该多元金属孔化材料可以用作消声、吸音、防电磁波的新型建材。3．再在(2)的基础上进行氧化处理，使多元金属表层形成陶瓷膜层，这种孔化材料可以用于制造隔热、阻燃的消防产品。4．再在(3)的基础上进行微量元素的渗流处理，即将微量元素Fe,Mn,Ca,Ge,Se,La,Cl,Pr,Nd,Sm,B,C,N,K中的部分元素渗入型材，使之形成含有多元微量元素的孔化材料。该孔化材料可用于制作能重复使用的大棚作物无土栽培的基板，以及能种植食用菌类作物、名贵药材的基板。由上述多元金属元素作为基础原料，由上述工艺制备获得的多元金属孔化材料，制作工艺先进，程序简单，材料的性能优良，可节省大量原材料，具有广泛的应用前景。在本专利技术的上述制备工艺步骤中，根据选用的基础元素及其相关理化性能的要求，对有关过程进行必要的控制，以确保产品的质量指标。1．在多元金属熔化制坯和激光辐射过程中，可通过热动态算法，控制成孔熔化制坯的铸模表层的各元素化学能量积聚的热导平衡关系。图1为成孔涂层表面反应前后的加热曲线，给出了加热温度与加热深度在受激光辐射反应由多元金属制坯铸模成孔熔化表面的热能动态算法。阐明了多元金属元素的密度ρ:与成孔坯状时物体的容积V:热能积分方程，考虑到多元金属共熔时态的比热C:、多元金属的混合热量Q:和成孔熔化表层的温度θ:，有如下关系∫ρVCdθ=QL-Qε-QQ-Qλ+QR等式左边的积分描述了受激光束影响多元金属容积的热容内能，等式右边的不同能量对容积产生热动态影响。能量由通过放热处理的热能量和化学能量两大部组成，它们在激光束处理过程中和熔化过程中相融合。热能量由激光能量QL和来自激光能量反射的能量损失、温度辐射Qε以及由于对流QQ和热导Qλ的损失部分组成。化学能量QR如同激光能量一样进入，有利于热平衡。并因此促进成孔熔化过程，使受激光辐射后的多元金属的受激原子周围的不同种类的电子在散射中的影响趋向相同，且原子的芯能级吸收能量后被激发，经过俄歇(Auger)退激发过程发射出的Auger电子波在传播过程中被周围的电子散射而吸收，由此形成热平衡状态，达到成孔熔化过程完成。2．多元金属经过热能动态平衡以后，本专利技术还通过多元金属的熔化算法，控制熔化速度，以达到多元金属成孔中脱坯分离。熔化反应算法一般由下式给出 式中H°mR是标准反应热含量，C是金属比热。说明熔化反应过程中材料损失的热含量，是由于多层孔化金属表面被激光辐射时，表面涂覆的金属粉末层离子溅射现象出现所致。考虑到溅射是由激光强度引起的，所以控制的熔化速度从非反应熔化的200±20mm/分钟，逐步提高到500±50mm/分钟，以达到反应熔化，从而能确保反应速度与激光熔化速度完全一致，不易产生溅射。图2给出了某二元金属粉末熔融时间表面温度关系，它取决于金属表面温度T与双元素金属反应时间V。图2中给出了二元金属最佳的熔化(融)曲线，说明在反应熔化时反应速度是决定孔化成型工艺的一个基本要素。控制多元金属熔化反应速度取决于温度的控制，当温度高到一定程度时，所增原子的边缘扩散速率大于表面扩散，出现紧密岛的结构。这个紧密岛是通过俘获多元金属表面上二元金属粉末扩散的单个增原子而长大的。由于原子团簇的迁移率作用，达到二元金属趋于最佳的熔融状态，完成脱坯分离。3．本专利技术还通过熔化传导算法，控制多元金属成孔过程中孔径大小与成孔形状。图3给出了某二元金属熔融时光谱的吸收率与光束波长入射角度关系曲线。金属熔融时热传导算法为ρC∂θ∂Z2+φe]]>式中ρ:表示多元金属密度，C:多元金属比热，θ:温度，λ:热导率，Z:长度，φe:与金属容积有关的膨胀强度。当多元金属成孔熔化的反应时间与激光辐射时间等同时，孔化成型表层深度0.55mm的涂覆层熔化温度达到1500℃才能成型。当多元金属成孔熔化的反应时间与激光辐射时间不一致时，不易达到孔化成型表层深度指标和涂覆层的熔化温度，就会出现表层粉化，在应用中会产生脱离本体或者完全脱落，不能达到孔化成型光洁度和牢固度。多元金属熔融化合的温度分布则是以一维傅里叶不稳定方程式获得多元金属热物理过程的热传导。在加热过程中，将会把热量传递到基材的内核，为了判断多元金属成孔熔化涂覆层和基材的热作用影响的单量度不稳定的傅里叶导热关系，可通过一个差分算法来近似地微分得到各元素金属孔化熔融基准点在时间K上的温度分布情况。例如，取Ti和Si二元金属，观察其在激光辐射下对基材(Ni:12.06、Mn:0.16、Co:0.08、Mg:16.95、Al:70.85本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元金属孔化材料，其特征在于以过渡金属中２种以上单质金属元素为基础材料，通过下述工艺步骤制备获得：（１）在单质金属元素液化温度和２－１０个大气压的条件下将基础材料熔化，制成孔化坯料物；（２）把Ｎｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［ ３］，ＳｉＣ，ＳｉＮ↓［４］，Ｚ↓［ｒ］，Ｌａ稀土中部分金属元素粉未溶入醇类溶液，然后将其涂覆在孔化坯料物上，使之渗入；（３）将坯料物切割成型材；（４）在反应气体保护下，对型材进行激光辐射，使其表面成孔化簿膜，或者在５５０－６００℃ 高温下，对型材真空溅射钛钯或锂钯，实现多元金属化合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：俞月明，
申请(专利权)人：俞月明，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]