具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料及其制备方法，通过扩散焊增材制造技术将异种金属叠放在一起，并通过热压处理进行互相扩散形成无限固溶体层，再结合脱合金脱除活泼金属，形成多孔结构，获得具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料；其中，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向外侧呈现出从小到大的单梯度变化，从而形成单梯度分级多孔结构

【技术实现步骤摘要】
具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属催化材料
，具体而言涉及一种具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]纳米金属多孔材料因其具有较大的比表面积
、
高孔隙率等特点，在催化
、
医疗等领域得到广泛应用
。
然而，传统多孔的孔径与韧带尺寸均一，无法满足高传质效率与高催化性能的实际工艺需求
。
由此，研究者们转而研究新型多孔材料，在传统多孔的基础上，赋予其韧带上也有多孔存在，使纳米金属材料中出现尺寸更为细小的二级孔，从而期望利用较大尺寸的孔进行流量交换控制，而较小的孔可暴露出更多的具有催化活性的位置，增加所需的催化表面积，最终提高催化性能
。
[0003]韧带上二级孔的存在确实使得材料比表面积有所增加，从而暴露出更多的活性位点，在一定程度上提高了催化性能
。
但是，在实际工厂催化过程中，部分有机废液介质的表面张力较大，而过小的孔径会导致实际表面张力过大，使得催化剂中的小孔无法接触到待催化介质，从而无法有效发挥二级孔的作用
。
另一方面，多孔金属由于结构尺寸较小和表面积较大，细微的表面应力变化会导致材料内部应力
、
应变的明显改变，导致其力学性能较差；同时由于前驱体中的晶体缺陷，位错等因素遗传到多孔结构中，使得传统多孔结构金属材料非常脆，从而使得使用金属多孔材料的寿命和维护无法满足目前的市场需求
。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料及其制备方法，通过扩散焊增材制造技术将异种金属叠放在一起，并通过热压处理进行互相扩散形成无限固溶体层，再结合脱合金脱除活泼金属原子，从而形成具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料，该金属叠层材料具有高效的传质速率和催化效率，且力学性能优秀，使用寿命长
。
[0005]本专利技术第一方面涉及一种具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1、
将第一金属和第二金属进行表面清洗，去除金属表面存在的加工油质及其它杂质；其中，第一金属和第二金属之间的化学活泼性和热力学稳定性均存在差异，并定义第一金属比第二金属活泼，第一金属比第二金属的扩散速度快；
[0007]S2、
将步骤
S1
清洗后的第一金属和第二金属依次相互叠加
N
次后，采用扩散焊增材制造工艺使第一金属和第二金属的物理界面消除，从而使得第一金属和第二金属紧密结合，得到第一中间体；其中，
N≥1
；
[0008]S3、
将所述第一中间体进行热处理，使第一金属和第二金属相互扩散形成无限固溶体，得到第二中间体；其中，第二中间体中包含第二金属层和无限固溶体层；
[0009]S4、
将所述第二中间体进行脱合金处理，脱除无限固溶体层中的第一金属原子，从
而形成多孔结构，得到金属叠层材料；
[0010]其中，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向外侧呈现出从小到大的单梯度变化，从而形成单梯度分级多孔结构
。
[0011]在可选的实施方式中，所需无限固溶体层的厚度
X
按如下方法取值：
[0012]W
＜
X
＜
2W
；
[0013]其中，
W
为第一金属的厚度和第二金属的厚度中相对较大的厚度值
。
[0014]在可选的实施方式中，第一金属的厚度
Y
为3μ
m
～
200
μ
m
，第二金属的厚度
Z
为3μ
m
～
200
μ
m。
[0015]在可选的实施方式中，第一金属和第二金属的元素种类为处于同一族元素的两种元素
。
[0016]在可选的实施方式中，当
N
＝1时，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向一侧呈现出从小到大的单梯度变化
。
[0017]在可选的实施方式中，当
N
＞1时，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向两侧呈现出从小到大的单梯度变化
。
[0018]在可选的实施方式中，扩散焊增材制造工艺的具体过程如下：
[0019]将步骤
S1
清洗后的第一金属和第二金属依次相互叠加后置于真空热压炉中，施加压力至5～
20MPa
，并控制温度为
T1，在氮气气氛保护的条件下进行第一次保温处理直至第一金属和第二金属的物理界面消除；其中，温度
T1的控制范围为
0.5T
m
≤T1＜
T
软
，当第一金属的熔点大于第二金属的熔点时，
T
m
为第二金属的熔点，
T
软
为第二金属的软化温度；当第一金属的熔点小于第二金属的熔点时，
T
m
为第一金属的熔点，
T
软
为第一金属的软化温度
。
[0020]在可选的实施方式中，热处理的过程如下：
[0021]将第一中间体通过真空石英管封管，并采用氮气气氛保护，置于马弗炉中，在
T2的温度下进行第二次保温处理；其中，温度
T2根据满足第一金属和第二金属的原子能够打破物理界面，并形成无限固溶体层的要求进行设置；第二次保温处理的时间根据所需无限固溶体层的厚度
X
进行设置
。
[0022]在可选的实施方式中，温度
T2的控制范围为
0.5T
m
≤T2＜
T
软
，当第一金属的熔点大于第二金属的熔点时，
T
m
为第二金属的熔点，
T
软
为第二金属的软化温度；当第一金属的熔点小于第二金属的熔点时，
T
m
为第一金属的熔点，
T
软
为第一金属的软化温度
。
[0023]在可选的实施方式中，第二次保温处理的时间按照如下方法确定：
[0024]根据式
(1)
得到热量不损耗情况下的第二次保温处理的时间
t
：
[0025][0026]其中，
X
为所需无限固溶体层的厚度，
m
；
X1为第一金属在第二金属中扩散的扩散厚度，
m
；
X2为第二金属在第一金属中扩散的扩散厚度，
m
；
t
为热量不损耗情况下的第二次保温处理的时间，
s
；
D1为第一金属在第二金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将第一金属和第二金属进行表面清洗，去除金属表面存在的加工油质及其它杂质；其中，第一金属和第二金属之间的化学活泼性和热力学稳定性均存在差异，并定义第一金属比第二金属活泼，第一金属比第二金属的扩散速度快；
S2、
将步骤
S1
清洗后的第一金属和第二金属依次相互叠加
N
次后，采用扩散焊增材制造工艺使第一金属和第二金属的物理界面消除，从而使得第一金属和第二金属紧密结合，得到第一中间体；其中，
N≥1
；
S3、
将所述第一中间体进行热处理，使第一金属和第二金属相互扩散形成无限固溶体，得到第二中间体；其中，第二中间体中包含第二金属层和无限固溶体层；
S4、
将所述第二中间体进行脱合金处理，脱除无限固溶体层中的第一金属原子，从而形成多孔结构，得到金属叠层材料；其中，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向外侧呈现出从小到大的单梯度变化，从而形成单梯度分级多孔结构
。2.
根据权利要求1所述的具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，所需无限固溶体层的厚度
X
的取值如下：
W
＜
X
＜
2W
；其中，
W
为第一金属的厚度和第二金属的厚度中相对较大的厚度值
。3.
根据权利要求1所述的具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，第一金属的厚度
Y
为3μ
m
～
200
μ
m
，第二金属的厚度
Z
为3μ
m
～
200
μ
m。4.
根据权利要求1所述的具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，第一金属和第二金属为处于同一族元素的两种金属
。5.
根据权利要求1所述的具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，当
N
＝1时，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向一侧呈现出从小到大的单梯度变化
。6.
根据权利要求1所述的具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，当
N
＞1时，所述多孔结构中，孔径沿第二金属层向两侧呈现出从小到大的单梯度变化
。7.
根据权利要求1所述的具有单梯度分级多孔结构的金属叠层材料的制备方法，其特征在于，扩散焊增材制造工艺的具体过程如下：将步骤
S1
清洗后的第一金属和第二金属依次相互叠加后置于真空热压炉中，施加压力至5～
20MPa
，并控制温度为
T1，在氮气气氛保护的条件下进行第一次保温处理直至第一金属和第二金属的物理界面消除；其中，温度
T1的控制范围为
0.5T
m
≤T1＜
T

【专利技术属性】
技术研发人员：淡振华，许朱旭，黄皓，常辉，秦凤香，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：