金属结构制造技术

一种生产包含限定枝晶通道网络的多孔枝晶间基质的金属结构的方法，该方法包括以下步骤：制备包含金属元素和至少一种合金元素的合金熔体，将合金熔体冷却成固态合金，其中所述冷却促进在富含所述金属的枝晶间基质内形成富含所述至少一种合金元素的枝晶网络，使所述固态合金脱合金，以从枝晶和枝晶间基质中去除合金元素，以获得所述金属结构。以获得所述金属结构。以获得所述金属结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属结构


[0001]本专利技术总体上涉及获得金属结构的方法、所述金属结构和包含所述金属结构的抗微生物装置。所述金属结构可以具有多峰孔径分布。

技术介绍

[0002]多年来，大量的研究工作致力于开发用于特定工业需求的由多孔金属制成的结构。制造多孔金属的现有工艺包括固溶体合金的脱合金。本质上，脱合金是指从固溶体合金中选择性浸出一种或多种元素以产生剩余的多孔结构。该剩余的结构富含对浸出介质反应性较低(即较惰性)的元素，并呈现由被去除的较活泼(即较低惰性)的元素留下的三维空隙网络。脱合金过程通常用于制造多孔金属结构，其特征在于具有纳米尺度可调尺寸的互连孔网络。
[0003]在这种情况下，具有多峰孔径分布(即在多个长度尺度上在至少两个值处达到峰值的分布)的孔的金属结构被认为对各种应用特别有价值。
[0004]常规的脱合金过程已经适用于制造具有多峰尺寸分布的孔的金属结构。这通常通过多步过程实现，包括首先将牺牲性微米尺寸填料/模板引入固态合金，然后进行常规脱合金以去除牺牲性填料/模板和合金中较低惰性的元素。所得的金属结构具有对应于被去除的填料/模板的纳米尺寸的孔和微米尺寸的空隙。
[0005]然而，虽然这些多步脱合金过程提供了一些制造灵活性，但所得的金属结构固有地机械稳定性差。而且，这些结构的多孔网络的特征通常在于高弯曲度和低渗透度，有效地限制了通过该结构的流体流动。这有效地限制了这些结构在流体处理应用(例如过滤)中的实际适用性，由于这些结构在使用过程中产生显著的回流压力，这进一步暴露了这些结构的机械脆性。此外，常规填料/模板方法的多步骤性质使得它们固有地复杂，并限制了它们在大规模上的适用性。
[0006]因此，仍然有机会解决或改善常规方法和产品的一个或多个缺点或限制，或者至少提供有用的替代方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种生产金属结构的方法，该金属结构包含限定枝晶通道网络的多孔枝晶间基质，该方法包括以下步骤：(i)制备包含金属元素和至少一种合金元素的合金熔体，(ii)将所述合金熔体冷却成固态合金，其中所述冷却促进在富含所述金属的枝晶间基质内形成富含所述至少一种合金元素的枝晶网络，和(iii)使所述固态合金脱合金，以从(a)枝晶和(b)枝晶间基质中去除所述至少一种合金元素，以获得所述金属结构。
[0008]通过该固态合金中枝晶的特定几何性质和空间排列，脱合金后得到的枝晶通道网络的相应空间组织确保了多孔枝晶间基质的机械连续性。因此，相对于通过常规填料/模板路线或通过对均质固态合金(即没有枝晶)进行脱合金获得的多孔金属结构，所述金属结构可以固有地受益于优异的机械稳定性和耐久性。
[0009]而且，本专利技术方法中步骤的特定组合有利地允许制造具有多峰孔径分布的孔的金属结构。“多峰”孔径分布是指在两个或更多个不同的平均孔径值处达到峰值的孔径分布，其中每个平均孔径值可落入与其他平均孔径值不同的长度尺度内。表述“长度尺度”在本文中是指以一个数量级的精度确定的特定长度。相应地，“双峰”孔径分布将在两个平均值处达到峰值，“三峰”孔径分布将在三个平均值处达到峰值，等等。
[0010]因为枝晶富含合金元素，并且脱合金步骤随后去除合金元素，所以在脱合金后有效地从固态合金中去除枝晶，留下空的枝晶通道。因此，脱合金结构包含与枝晶通道相关联的至少一种孔隙率状态(regime)和与通过从枝晶间基质中去除合金元素而引起的孔隙率相关联的一种孔隙率状态，产生具有至少双峰孔径分布的孔。
[0011]另外，由于其高比表面积和互连性，枝晶通道网络的独特几何形状提供了相对于常规多孔金属结构优异的流体渗透性。由于其形成机制的特定性质，枝晶以晶格状构型形成。在脱合金后，枝晶被去除，留下高度定向的枝晶通道网络，其特征在于相对于常规多孔金属结构，弯曲度降低、渗透性改善、和/或机械稳定性增强。这些特征有利地赋予了本专利技术的结构优异的平稳传质能力和高机械稳定性。
[0012]此外，凭借合金冷却期间枝晶的自发形成，本专利技术的方法提供了一种制造具有复杂孔隙率的结构的工艺，该工艺相对于常规技术可以显著简化。
[0013]本专利技术还提供了一种由本文所述的方法获得的金属结构。
[0014]在其他方面，本专利技术提供了一种金属结构，该金属结构包含限定枝晶通道网络的多孔枝晶间基质。
[0015]在进一步的方面，本专利技术涉及一种包含本文所述类型的金属结构的抗微生物装置。
[0016]下文概述了本专利技术的其他方面和/或实施方案。
附图说明
[0017]现将参考以下非限制性附图描述本专利技术的实施方案，其中：
[0018]图1示出了(a)冷却后获得的前体合金固体盘，(b)脱合金盘，(c)脱合金过程期间样品的图像，和(d)固态合金微观结构的背散射电子显微照片，
[0019]图2示出了电弧熔化的Cu
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Mn合金脱合金后所得的铜结构的用扫描电子显微镜(SEM)获得的表面二次电子显微照片，标尺为(a)200μm、(b)50μm、(c)
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(d)10μm，
[0020]图3示出了电弧熔化的Cu
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Mn合金脱合金后所得的铜结构的用扫描电子显微镜(SEM)获得的表面二次电子显微照片，标尺为(a)100μm、(b)20μm、(c)5μm和(d)3μm，
[0021]图4示出了电弧熔化的Cu
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Mn合金脱合金后所得的铜结构的用扫描电子显微镜(SEM)获得的表面二次电子显微照片，标尺为(a)1μm和(b)200μm，
[0022]图5示出了电弧熔化的Cu
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Mn合金脱合金后所得的金结构的用扫描电子显微镜(SEM)获得的表面二次电子显微照片，标尺为(a)40μm、(b)100μm、(c)30μm和(d)20μm，
[0023]图6示出了在(a)致密铜表面和(b)实施方案的多孔铜结构上进行的接触角测量，
[0024]图7示出了在暴露于(a)不锈钢、(b)致密铜和(c)实施方案的多孔铜结构培养2分钟后，金黄色葡萄球菌在胰蛋白酶大豆琼脂(TSA)板上的系列稀释和铺板，
[0025]图8示出了在暴露于不锈钢、致密铜和实施方案的多孔铜结构培养2、20、60、240和
1440分钟后，铺板的金黄色葡萄球菌的定量菌落计数、菌落形成单位(CFU)的数据，和
[0026]图9示出了固定的金黄色葡萄球菌在暴露于(a)不锈钢表面、(b)致密铜表面和(c)
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(f)实施方案的多孔铜结构两分钟后的二次电子显微照片。
具体实施方式
[0027]本专利技术的方法包括制备合金熔体的步骤，该合金熔体包含金属元素和至少一种合金元素。当单独使用时，术语“合金”在本文中根据其最广泛的含义使用，是指由两种或多种元素在原子水平上混合而得到的材料，其中至少一种元素是金属元素。相应地，术语“合金熔体”将理解为表示处于熔融状态的合金。为了本专利技术的目的，可以根据本领域技术人员已知的任何方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生产金属结构的方法，所述金属结构包含限定枝晶通道网络的多孔枝晶间基质，所述方法包括以下步骤：制备包含金属元素和至少一种合金元素的合金熔体，将所述合金熔体冷却成固态合金，其中所述冷却促进在富含所述金属的枝晶间基质内形成富含所述至少一种合金元素的枝晶网络，使所述固态合金脱合金，以从(i)枝晶和(ii)枝晶间基质中去除合金元素，以获得所述金属结构。2.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却以小于1000℃/s的冷却速率进行。3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述冷却通过铸造所述合金熔体进行。4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述合金熔体通过电阻熔化、电弧熔化或感应熔化来制备。5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述脱合金通过化学或电化学蚀刻进行。6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述脱合金通过将所述固体合金浸入选自盐酸、硝酸、硫酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸、氯酸及它们的组合的酸的水溶液中进行。7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述脱合金在约20℃至约300℃的脱合金温度下进行。8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述金属元素选自铜、金、银、铝、铂、钯、镍、铅及它们的组合。9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述至少一种合金元素选自锰、锌、钴、铁、镍、铝、铟及它们的组合。10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述合金熔体的金属元素的原子含量为约20％至约60％。11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述冷却促进所述至少一种合金元素的原子含量为约60％至约100％的枝晶网络的形成。12.如权利要求1至9中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰克逊，
申请(专利权)人：皇家墨尔本理工大学，
类型：发明
国别省市：