一种具有梯度孔径的Ni‑Cr‑Fe多孔材料及其制备方法与流程

日期:2019-05-27 08:43:31


本发明属于无机多孔材料领域,具体涉及一种具有梯度孔径的Ni-Cr-Fe多孔材料及其制备方法。



背景技术:

多孔材料的种类有很多,按化学成分可分为无机多孔材料和有机多孔材料,其中,无机多孔材料又可分为金属多孔材料和非金属多孔材料。在过滤分离领域,多孔有机高分子材料强度低且不耐高温,多孔陶瓷则质脆且不抗热震,因此金属多孔材料被广泛应用于石油化工、环保等各行业的分离、过滤工艺过程中。随着科学技术的发展及工业产品的升级,对于多孔材料应用领域中的过滤分离功能也提出了在保证高过滤精度的同时具备高的过滤效率的更高层次的要求。但是在工程应用中,为了获得较高的过滤效率即较大的透气度,往往会增大多孔材料的孔径大小,这样势必降低多孔材料的过滤精度而难以达到过滤的技术要求;在选择高的过滤精度即较小的材料孔径时,又势必大大的降低多孔材料的透气度,导致过滤效率下降而难以达到过滤的经济要求。因此,传统的均匀结构金属多孔材料在过滤效率和过滤精度两者之间有着不可调和的矛盾:即孔隙粗大且流通量大,其过滤效率高而过滤精度却难以满足需要;孔隙细小且流通量小,其过滤精度高而过滤效率却难以满足需要。这一矛盾是制约其广泛应用的关键问题,也是工业过滤领域的技术瓶颈,对其进行深入有效地研究具有十分重要的意义。

梯度孔径多孔材料是一种具有不对称孔结构,即孔径大小沿某一方向上呈现连续性变化的多孔材料。这种梯度性质赋予了梯度多孔材料可以确保在较小孔径的基础上保证较大的过滤通量,实现其它均匀结构多孔材料所不具备的结构和性能,并且在过滤与分离的过程中可以大大提高过滤精度和过滤效率,简化生产工艺,使生产效率大大提高。国内外首先研发了梯度多孔陶瓷材料,并在医药、化工、能源、环保等领域得到了广泛的应用,但陶瓷多孔材料有着质脆且不抗热震这一本身难以改变的固有缺点,因此,急需开发一种新型的梯度孔径金属多孔材料以提高企业生产效率及经济产能。

梯度孔径金属多孔材料具有在保证高过滤精度的同时拥有较大的过滤渗透通量,同时还具有金属多孔材料的一切优点,这是其他过滤材料无法比拟的。但是,通常不同的材料其热膨胀系数、导热系数、弹性模量、材料固有强度及断裂韧性是不同的,对于异质膜层,这些差异容易导致膜层开裂、甚至脱离膜层支撑体,使梯度材料在使用的过程中发生严重的失效。制备克服梯度多孔陶瓷材料固有的脆性及不可焊接性、异质膜层寿命低及多孔材料不同时具备高过滤精度及过滤通量等缺点的同质金属梯度多孔材料,对工业生产具有重要的理论指导及现实意义。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种同质Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料的制备方法,其优势在于克服梯度多孔陶瓷材料固有的脆性及不可焊接性、异质膜层寿命低及多孔材料不同时具备高过滤精度及过滤通量等缺点,且具有良好的力学性能,抗酸碱腐蚀和抗高温氧化性能。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的:该Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料的制备方法,包括如下步骤:

(1)粉料配比:将粗粒径和细粒径的Ni、Cr、Fe元素粉分别按质量百分比为60~75、18~25、7~15的配比进行称量;

(2)粉末混合:将步骤(1)中配制好的粉末分别放在V型混粉机上匀速混合8-14h后造粒、干燥。

(3)粗细组配:将步骤(2)制得的粗粒径混合料与细粒径混合料按不同质量百分比混合,并分别放在V型混粉机上匀速混合8-14h。

(4)冷压成型:将步骤(3)制得的混合粉料各取相同质量并按细粒径粉末比例依次减少的方式逐层平铺于模具中,冷压成型得到完整压坯。

(5)三段烧结:将步骤(4)制得的压坯在1.0×10-2~1.0×10-3Pa的真空条件下分三段烧结:第一阶段按3~10℃/min的升温速率从室温升至300~400℃,保温180~240分钟;第二阶段按5~10℃/min的升温速率升至500~650℃,保温120~180分钟;第三阶段按4~8℃/min升温速率升温至1300~1400℃,保温200~360分钟;然后随炉冷却即得到本发明具有梯度孔径结构的Ni-Cr-Fe金属多孔材料。

具体的,步骤(1)所述粉料中,粗粒径Ni、Cr、Fe元素粉的平均粒径分别为100~200μm、48~100μm和5~48μm;细粒径Ni、Cr、Fe元素粉的平均粒径均为3~10μm。

具体的,步骤(2)所述造粒方法为加入硬脂酸混合、过筛、干燥。特别的,加入硬脂酸的含量为粉末总质量的2%~4%;

具体的,步骤(3)所述的Ni、Cr、Fe元素粉的粒径组合,根据需要,粗粒径的粉末的质量百分比可由100%逐渐减少到0,细粒径粉则反之。

具体的,步骤(4)所述分层方式为:底层为100%细粉,最上层为100%粗粉,中间层按细粉:粗粉的质量比由大到小依次排布。

具体的,步骤(4)所述冷压成型是在60~90MPa保压30~60秒钟的条件下进行。

本发明与现有技术相比,具有以下优点:

(1)本发明所制得的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料为单一固溶体相(Ni,Cr,Fe),表现出优异的强度,硬度及塑韧性,克服梯度多孔陶瓷材料固有的脆性及不可焊接性、异质膜层结合强度低、力学性能差、使用寿命低等缺点。

(2)本发明所制得的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料的制备方法简单,能耗低,几乎无污染,孔径过渡均匀且孔结构可自主控制。

(3)本发明所制得的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料具备高过滤精度及过滤通量,大孔径端的最大孔径为80~120μm,小孔径端的最大孔径为1~6μm,透气度达600~1000m3·m-2·s-1·KPa-1

附图说明

图1为本发明实例1制备的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料截面SEM形貌。

图2为本发明实例1制备的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料在2mol/LKOH溶液中开路电位随时间变化曲线。

图3为本发明实例1制备的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料在碱溶液中腐蚀后的表面SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步描述。

实施例1:

首先,采取以下制备工艺制备材料:(1)将商业用平均粒径均为3μm的Ni、Cr、Fe粉分别按质量百分比为70%、20%和10%的比例混合,粉末在V型混料机上混合8小时,混合好的粉末中加入总质量4%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(2)将商业用的平均粒径为100μm的Ni粉、100μm的Cr粉和5μm的Fe粉分别按质量百分比为70%、20%和10%的比例混合,粉末在V型混料机上混合8小时,混合好的粉末中加入总质量4%的硬脂酸造粒,过筛和干燥。(3)将步骤(1)和步骤(2)干燥后的粉末分别以9:1、7:3、5:5、3:7和1:9的质量比混合,粉末在V型混料机上混合12小时。(4)将步骤(1)干燥后的细粉平铺于Φ30的模具底层,第二层为细粉和粗粉质量比为9:1的混合混料,第三层为细粉和粗粉质量比为7:3的混合混料,第四层为细粉和粗粉质量比为5:5的混合混料,第五层为细粉和粗粉质量比为3:7的混合混料,第六层为细粉和粗粉质量比为1:9的混合混料,再将步骤(2)干燥后的粗粉平铺在最上层,各层用粉量均为15g,用70MPa的压力压成生坯。然后将样品放在真空度为1.0×10-3Pa的真空炉中采用分段式烧结。升温速率控制在3℃/min由室温升至300℃,保温时间180分钟;然后升温速率控制在5℃/min升至500℃,保温时间180分钟;再以8℃/min的升温速率升至1300℃,保温360分钟;随炉冷却,即得到本发明具有均匀孔隙变化的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料。

然后,对制备的材料进行横截面孔结构和抗腐蚀性能测试。制得的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料截面SEM形貌见图1,其透气度达800m3·m-2·s-1·KPa-1,最外层细孔Ni-Cr-Fe多孔材料最大孔径为5μm。制得的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料在2mol/LKOH溶液中开路电位随时间变化曲线见图2,多孔材料随着时间的延长开路电位向正方向转变,并且在较短的时间内达到了一个相对稳定值。Ni-Cr-Fe多孔材料开路电位从开始的-0.355V浸泡约84小时后达到稳定,其开路电位稳定在-0.175V。在碱溶液中腐蚀后的表面SEM图见图3,材料腐蚀后主要孔结构基本保持稳定。二者均表明制得的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料具有优良的抗碱腐蚀能力。

实施例2:

首先,采取以下制备工艺制备材料:(1)将商业用平均粒径均为10μm的Ni、Cr、Fe粉分别按质量百分比为75%、18%和7%的比例混合,粉末在V型混料机上混合10小时,混合好的粉末中加入总质量2%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(2)将商业用的平均粒径为200μm的Ni粉、48μm的Cr粉和48μm的Fe粉分别按质量百分比为75%、18%和7%的比例混合,粉末在V型混料机上混合10小时,混合好的粉末中加入总质量2%的硬脂酸造粒,过筛和干燥。(3)将步骤(1)和步骤(2)干燥后的粉末分别以8:2、5:5和2:8的质量比混合,粉末在V型混料机上混合14小时。(4)将步骤(1)干燥后的细粉平铺于Φ30的模具底层,第二层为细粉和粗粉质量比为8:2的混合混料,第三层为细粉和粗粉质量比为5:5的混合混料,第四层为细粉和粗粉质量比为2:8的混合混料,再将步骤(2)干燥后的粗粉平铺在最上层,各层用粉量均为20g,用90MPa的压力压成生坯。然后将样品放在真空度为1.0×10-2Pa的真空炉中采用分段式烧结。升温速率控制在10℃/min由室温升至400℃,保温时间240分钟;然后升温速率控制在10℃/min升至650℃,保温时间120分钟;再以4℃/min的升温速率升至1400℃,保温200分钟;随炉冷却,即得到本发明具有均匀孔隙变化的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料。

所得Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料呈现出与实例1相似的组织和梯度孔结构,并表现出与实例1相近的抗碱腐蚀性能。

实施例3:

首先,采取以下制备工艺制备材料:(1)将商业用平均粒径均为5μm的Ni、Cr、Fe粉分别按质量百分比为60%、25%和15%的比例混合,粉末在V型混料机上混合12小时,混合好的粉末中加入总质量3.5%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(2)将商业用的平均粒径为150μm的Ni粉、80μm的Cr粉和10μm的Fe粉分别按质量百分比为65%、25%和15%的比例混合,粉末在V型混料机上混合12小时,混合好的粉末中加入总质量3.5%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(3)将步骤(1)和步骤(2)干燥后的粉末分别以8:2、6:4、4:6和2:8的质量比混合,粉末在V型混料机上混合14小时。(4)将步骤(1)干燥后的细粉平铺于Φ30的模具底层,第二层为细粉和粗粉质量比为8:2的混合混料,第三层为细粉和粗粉质量比为6:4的混合混料,第四层为细粉和粗粉质量比为4:6的混合混料,第五层为细粉和粗粉质量比为2:8的混合混料,再将步骤(2)干燥后的粗粉平铺在最上层,各层用粉量均为10g,用60MPa的压力压成生坯。然后将样品放在真空度为5.0×10-3Pa的真空炉中采用分段式烧结。升温速率控制在5℃/min由室温升至360℃,保温时间200分钟;然后升温速率控制在8℃/min升至600℃,保温时间160分钟;再以5℃/min的升温速率升至1400℃,保温200分钟;随炉冷却,即得到本发明具有均匀孔隙变化的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料。

所得Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料呈现出与实例1相似的组织和梯度孔结构,并表现出与实例1相近的抗碱腐蚀性能。

实施例4:

首先,采取以下制备工艺制备材料:(1)将商业用平均粒径均为8μm的Ni、Cr、Fe粉分别按质量百分比为65%、25%和10%的比例混合,粉末在V型混料机上混合14小时,混合好的粉末中加入总质量2.5%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(2)将商业用的平均粒径为120μm的Ni粉、60μm的Cr粉和20μm的Fe粉分别按质量百分比为65%、25%和10%的比例混合,粉末在V型混料机上混合14小时,混合好的粉末中加入总质量2.5%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(3)将步骤(1)和步骤(2)干燥后的粉末分别以7:3、5:5和3:7的质量比混合的质量比混合,粉末在V型混料机上混合14小时。(4)将步骤(1)干燥后的细粉平铺于Φ30的模具底层,第二层为细粉和粗粉质量比为7:3的混合混料,第三层为细粉和粗粉质量比为5:5的混合混料,第四层为细粉和粗粉质量比为3:7的混合混料,再将步骤(2)干燥后的粗粉平铺在最上层,各层用粉量均为15g,用80MPa的压力压成生坯。然后将样品放在真空度为2.0×10-3Pa的真空炉中采用分段式烧结。升温速率控制在3℃/min由室温升至330℃,保温时间220分钟;然后升温速率控制在5℃/min升至550℃,保温时间140分钟;再以8℃/min的升温速率升至1380℃,保温300分钟;随炉冷却,即得到本发明具有均匀孔隙变化的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料。

所得Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料呈现出与实例1相似的组织和梯度孔结构,并表现出与实例1相近的抗碱腐蚀性能。

实施例5:

首先,采取以下制备工艺制备材料:(1)将商业用平均粒径均为10μm的Ni、Cr、Fe粉分别按质量百分比为65%、20%和15%的比例混合,粉末在V型混料机上混合12小时,混合好的粉末中加入总质量3%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(2)将商业用的平均粒径为180μm的Ni粉、48μm的Cr粉和30μm的Fe粉分别按质量百分比为65%、20%和15%的比例混合,粉末在V型混料机上混合14小时,混合好的粉末中加入总质量3%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(3)将步骤(1)和步骤(2)干燥后的粉末分别以6:4和4:6的质量比混合,粉末在V型混料机上混合14小时。(4)将步骤(1)干燥后的细粉平铺于Φ30的模具底层,第二层为细粉和粗粉质量比为6:4的混合混料,第三层为细粉和粗粉质量比为4:6的混合混料,再将步骤(2)干燥后的粗粉平铺在最上层,各层用粉量均为15g,用70MPa的压力压成生坯。然后将样品放在真空度为1.0×10-3Pa的真空炉中采用分段式烧结。升温速率控制在5℃/min由室温升至320℃,保温时间240分钟;然后升温速率控制在5℃/min升至580℃,保温时间150分钟;再以5℃/min的升温速率升至1300℃,保温280分钟;随炉冷却,即得到本发明具有均匀孔隙变化的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料。

所得Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料呈现出与实例1相似的组织和梯度孔结构,并表现出与实例1相近的抗碱腐蚀性能。

实施例6:

首先,采取以下制备工艺制备材料:(1)将商业用平均粒径均为5μm的Ni、Cr、Fe粉分别按质量百分比为68%、25%和7%的比例混合,粉末在V型混料机上混合10小时,混合好的粉末中加入总质量4%的硬脂酸造粒,过筛,干燥。(2)将商业用的平均粒径为180μm的Ni粉、80μm的Cr粉和20μm的Fe粉分别按质量百分比为68%、25%和7%的比例混合,粉末在V型混料机上混合10小时,混合好的粉末中加入总质量4%的硬脂酸造粒,过筛和干燥。(3)将步骤(1)干燥后的细粉平铺于Φ30的模具底层,再将步骤(2)干燥后的粗粉平铺在最上层,各层用粉量均为15g,用70MPa的压力压成生坯。然后将样品放在真空度为3.0×10-3Pa的真空炉中采用分段式烧结。升温速率控制在8℃/min由室温升至380℃,保温时间180分钟;然后升温速率控制在8℃/min升至550℃,保温时间120分钟;再以6℃/min的升温速率升至1300℃,保温300分钟;随炉冷却,即得到本发明具有均匀孔隙变化的Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料。

所得Ni-Cr-Fe梯度孔径金属多孔材料呈现出与实例1相似的组织和梯度孔结构,并表现出与实例1相近的抗碱腐蚀性能。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。



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