一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料及其制备方法

摘要

本发明专利公开了一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料及其制备方法。该方法首先是用大刃倾角多齿刀具在不锈钢棒料上加工出连续型不锈钢纤维；经过对不锈钢纤维进行预处理后，包括清洗、除油、酸洗，再在不锈钢纤维表面采用化学镀铜法施镀，得到具有丰富表面铜微颗粒结构的铜镀层；将镀铜后的不锈钢纤维模压预成形后，置于还原气氛保护炉中低温固相烧结，经过30-90分钟850℃-950℃的烧结过程后随炉冷却，制得具有高比表面积的不锈钢基金属纤维多孔材料；其BET比表面积可达0.2m2/g以上，且在相同测试条件下其剪切力是烧结铜纤维多孔材料的2倍以上。

权利要求

1.一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：（1）采用大刃倾角多齿刀具在车床上切削加工出连续不锈钢纤维；

（2）将不锈钢纤维置于温度为60～70℃、质量浓度为20～30%氢氧化钠溶液浸泡10～

20分钟；然后将浸泡后的不锈钢纤维置于温度为60～70℃、质量浓度为10～15%硫酸溶液浸泡10～20分钟；再采用化学镀铜法在不锈钢纤维表面镀附铜层，以在镀液中的浓度计，镀液组成为：五水合硫酸铜8-12g/L、乙二胺四乙酸8-12g/L、酒石酸钾钠30-40g/L、氢氧化钠试剂8-14g/L、甲醛8-10g/L以及催化活性剂硫酸镍2-3g/L；镀液温度控制为40～

60℃，保温至镀液澄清；

（3）将镀铜后的不锈钢纤维压合于模具中，置于气氛保护烧结炉中低温烧结，在

850℃～950℃温度下，烧结30-90分钟。

2.根据权利要求1所述的高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料的制备方法，其特征在于所述步骤（1）所述的大刃倾角多齿刀具材料为高速钢，利用线切割加工方式加工出多个S型小刀齿组成的主切削刃，齿距m=0.3mm，齿高h=0.2mm。

3.根据权利要求1所述的高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料的制备方法，其特征在于所述步骤（3）中的模具包括不锈钢模腔、刚玉保护板和不锈钢压板，在不锈钢模腔两侧都设有刚玉保护板和不锈钢压板。

4.一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料，由权利要求1-3任一项所述方法制

2 2

备，0.2m/g≤该材料的BET比表面积测试值≤0.2190m/g；剪切力测试值≥2500N。

说明书

一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属纤维多孔材料，特别是涉及高比表面积的不锈钢基金属纤维多孔材料的制备方法。

背景技术

[0002] 多孔金属材料因内部具有三维孔隙结构并保留了金属材料的特性，从而成为集结构材料和功能材料的特点于一身的新型工程材料。作为多孔金属材料的重要分支，金属纤维多孔材料(SMFM)具有机械强度高、比表面积大、孔隙率高及生产成本低等特点，这些优势使其在吸声、过滤与分离、催化载体、生物医学材料、燃料电池、多孔金属电极等领域得到广泛应用。随着SMFM应用领域的不断扩大，对其要求已不再局限在机械、物理性能上。研究发现，SMFM比表面积的大小直接影响材料在过滤、吸声、毛细管功能以及催化剂附着等方面的性能。然而，在SMFM制造过程中，金属纤维经过传统工艺烧结成形后，纤维表面原有的微结构会明显减少甚至消失，造成SMFM比表面积及相关性能的损失。实验表明降低烧结温度是减少烧结过程对于纤维表面形貌破坏的有效途径。

[0003] 在German R M等人对于添加烧结助剂活化烧结技术取得的研究成果的基础上，通过添加活性物质降低烧结温度的强化烧结技术目前已在冶金领域得到广泛的应用。MARKAKI A E，GERGELY V，COCKBURN A，CLYNE T W.Production of a highly porous material by liquid phase sintering of short ferritic stainless steel fibres and a preliminary study of its mechanical behaviour[J].Composites Science and Technology，2003，63(16)：2345-2351公开了将低温烧结技术应用于不锈钢纤维的烧结，采用电镀技术在不锈钢纤维表面均匀地镀覆铜层，通过短时液相烧结实现不锈钢纤维的冶金结合。实现了不锈钢材料的低温烧结成形并可以获得机械强度性能优异的SMFM材料，然而其采用的液相烧结工艺会严重破坏纤维表面微结构，不适用于高比表SMFM的制备。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种BET比表面积测试值达0.2190m2/g，力学性能优良的不锈钢基金属纤维多孔材料的制备方法。

[0005] 本发明另一目的在于提供上述方法制备的不锈钢基金属纤维多孔材料。

[0006] 本发明通过在切削加工的不锈钢纤维粗糙表面化学施镀得到具有丰富微颗粒表面结构的高表面能、高比表面积的铜镀层，并采用低温固相烧结减少烧结过程对于纤维表面微结构的破坏，从而实现高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料的制备。

[0007] 本发明第一目的通过以下技术方案实现：

[0008] 一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

[0009] (1)采用大刃倾角多齿刀具在车床上切削加工出连续不锈钢纤维；

[0010] (2)将不锈钢纤维置于温度为60～70℃、质量浓度为20～30％氢氧化钠溶液浸泡10～20分钟；然后将浸泡后的不锈钢纤维置于温度为60～70℃、质量浓度为10～15％硫酸溶液浸泡10～20分钟；再采用化学镀铜法在不锈钢纤维表面镀附铜层，以在镀液中的浓度计，镀液组成为：五水合硫酸铜8-12g/L、乙二胺四乙酸8-12g/L、酒石酸钾钠30-40g/L、氢氧化钠试剂8-14g/L、甲醛8-10g/L以及催化活性剂硫酸镍2-3g/L；镀液温度控制为40～60℃，保温至镀液澄清；

[0011] (3)将镀铜后的不锈钢纤维压合于模具中，置于气氛保护烧结炉中低温烧结，在850℃～950℃温度下，烧结30-90分钟；

[0012] 为进一步实现本发明目的，所述步骤(1)所述的大刃倾角多齿刀具材料为高速钢，利用线切割加工方式加工出多个S型小刀齿组成的主切削刃，齿距m＝0.3mm，齿高h＝0.2mm。

[0013] 所述步骤(3)中的模具包括不锈钢模腔、刚玉保护板和不锈钢压板，在不锈钢模腔两侧都设有刚玉保护板和不锈钢压板。

[0014] 本发明另一目的通过如下技术方案实现：

[0015] 一种高比表面积不锈钢基金属纤维多孔材料，由上述方法制备，该材料的BET比2
表面积测试值≥0.2m/g；剪切力测试值≥2500N。

[0016] 相对于现有技术，本发明具有以下特点：

[0017] 1)采用化学镀工艺在切削加工的不锈钢纤维表面镀铜；得到的铜镀层具有丰富胞体状铜微颗粒表面形貌，极大提高了纤维的比表面积且使纤维处于高表面能状态利于烧结；

[0018] 2)在850℃的烧结温度下完成了镀铜不锈钢纤维样本的低温固相烧结成形，有效降低烧结过程对纤维材料表面微结构的破坏；

[0019] 3)采用该工艺制备的不锈钢基金属纤维多孔材料具有较高的比表面积：BET比表2 2
面积测试值达0.2190m/g，而目前商业化不锈钢纤维多孔材料＜0.01m/g；

[0020] 4)采用该工艺制备的不锈钢基金属纤维多孔材料具有良好的力学性能，在相同测试条件下其剪切力是烧结铜纤维多孔材料的2倍以上。

附图说明

[0021] 图1为多齿刀具结构示意图；

[0022] 图2为加工出的不锈钢纤维的SEM照片；

[0023] 图3为镀铜后不锈钢纤维的SEM照片；

[0024] 图4为烧结后制得不锈钢纤维毡SEM照片。具体实施方案

[0025] 下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0026] 实施例1

[0027] 第一步加工不锈钢纤维。将Φ60×400mm长不锈钢钢棒装夹于CM6140车床上，首先采用普通外圆车刀切除不锈钢棒表面粗糙部分。其次使用大刃倾角多齿刀具车削不锈钢纤维，刀具结构如图1所示(参见专利号为200610124078.x图4以及实施例中的介绍)，刀具材料为高速钢，利用线切割加工方式加工出多个S型小刀齿组成的主切削刃，齿距m＝0.3mm，齿高h＝0.2mm。利用该大刃倾角多齿刀具制造不锈钢纤维加工过程如下：将刀具安装在刀架上，刀具安装角度为45°，调整好刀具高度。切削参数如下：进给量f＝0.1mm/r，背吃刀量ap＝0.1mm，切削速度v＝13.19m/min，切削条件为干切削。切削加工出连续的不锈钢纤维，其当量直径为50μm。

[0028] 第二步对纤维进行预处理。将加工得到的不锈钢纤维在剪断机上剪成20mm长的短纤维，收集后置于质量浓度为20％的氢氧化钠溶液中，水浴加热至60℃并保温20分钟，以除去纤维表面的油脂。除油结束后将纤维收集并用自来水冲洗，洗去残留的碱液，再置于质量浓度10％硫酸溶液中，水浴加热至60℃并保温20分钟，使纤维表面钝化，钝化结束后将纤维收集并用自来水冲洗，洗去残留的酸液；

[0029] 第三步在纤维上用化学法镀铜。首先配置镀液，根据配料在镀液中的浓度计，镀液配方如下：五水合硫酸铜(8g/L)、乙二胺四乙酸(8g/L)、酒石酸钾钠(30g/L)、氢氧化钠试剂(8g/L)、甲醛(8g/L)及催化活性剂硫酸镍(2g/L)。以500ml镀液镀30g不锈钢纤维为例，镀铜工序如下：分别取五水合硫酸铜5g、乙二胺四乙酸5g、酒石酸钾钠20g、氢氧化钠6g及硫酸镍1g放入容器，后加入纯净水配制500ml溶液，将溶液水浴加热至50℃，搅拌至所有组分全部溶解，此时溶液为深蓝色。再加入预处理后的纤维，同时滴入甲醛5g，保温至镀液完全反应，镀液澄清，可见不锈钢纤维上镀附上一层红色的铜层。镀铜后的不锈钢纤维表面铜镀层SEM图如图3所示，施镀后不锈钢纤维表面形成的铜镀层实现了对不锈钢基体较好地包覆，且镀层表面分布着大量微尺度的胞体状铜颗粒；

[0030] 第四步纤维的压合烧结。将镀铜后的不锈钢纤维烘干，压合于烧结模具的模腔中，用螺钉缩紧。模具包括不锈钢模腔、刚玉保护板和不锈钢压板，在不锈钢模腔两侧都设有刚玉保护板和不锈钢压板。模具最外层为两块不锈钢压板，最内部为不锈钢模腔，压板与模腔之间用刚玉保护板隔开。将模具整体置于气氛保护烧结炉中，通以氢气，加热至850℃温度下，烧结60分钟，后随炉冷却至室温。炉冷后可取样，打开模具，即可得到烧结好的多孔纤维毡，其结构如图3示，这是由于在烧结过程中镀层表面尺度较小的铜微颗粒会率先被蒸发或者熔化，这些离散而少量存在的液相铜可以在表面张力的作用下实现聚集与球状化。

[0031] 经检测，采用该方法制备的不锈钢基金属纤维多孔材料具有图4所示的丰富胞体2
的铜微颗粒表面形貌镀层结构，不仅比表面积高，可达0.2190m/g，并且在纤维接触区域实现了良好的冶金连结，孔隙率达90％。

[0032] 实施例2

[0033] 第一步加工不锈钢纤维。将Φ60×400mm长不锈钢钢棒装夹于CM6140车床上，首先采用普通外圆车刀切除不锈钢棒表面粗糙部分。其次使用大刃倾角多齿刀具车削不锈钢纤维，刀具结构如图1所示，刀具材料为高速钢，利用线切割加工方式加工出多个小刀齿组成的主切削刃，齿距m＝0.3mm，齿高h＝0.2mm。如图2所示的多齿刀具制造不锈钢纤维加工过程，具体过程如下：将刀具安装在刀架上，刀具安装角度为45°，调整好刀具高度。切削参数如下：进给量f＝0.1mm/r，背吃刀量ap＝0.2mm，切削速度v＝13.19m/min，切削条件为干切削。切削加工出连续的不锈钢纤维，其当量直径为50μm。

[0034] 第二步对纤维进行预处理。将加工得到的不锈钢纤维在剪断机上剪成25mm长的短纤维，收集后置于质量浓度为30％的氢氧化钠溶液中，水浴加热至70℃并保温10分钟，以除去纤维表面的油脂。除油结束后将纤维收集并用自来水冲洗，洗去残留的碱液，再置于质量浓度15％硫酸溶液中，水浴加热至70℃并保温10分钟，使纤维表面钝化，钝化结束后将纤维收集并用自来水冲洗，洗去残留的酸液；

[0035] 第三步在纤维上用化学法镀铜。首先配置镀液，根据配料在镀液中的浓度计，镀液配方如下：五水合硫酸铜(12g/L)、乙二胺四乙酸(12g/L)、酒石酸钾钠(40g/L)、氢氧化钠试剂(14g/L)、甲醛(10g/L)及催化活性剂硫酸镍(3g/L)。以500ml镀液镀30g不锈钢纤维为例，镀铜工序如下：分别取五水合硫酸铜5g、乙二胺四乙酸5g、酒石酸钾钠20g、氢氧化钠6g及硫酸镍1g放入容器，后加入纯净水配制500ml溶液，将溶液水浴加热至50℃，搅拌至所有组分全部溶解，此时溶液为深蓝色。再加入预处理后的纤维，同时滴入甲醛5g，保温至镀液完全反应，镀液澄清，可见不锈钢纤维上镀附上一层红色的铜层。镀铜后的不锈钢纤维表面铜镀层SEM图如图4所示，施镀后不锈钢纤维表面形成的铜镀层实现了对不锈钢基体较好地包覆，且镀层表面分布着大量微尺度的胞体状铜颗粒；

[0036] 第四步纤维的压合烧结。将镀铜后的不锈钢纤维烘干，称取一定量压合于烧结模具的模腔中，用螺钉缩紧。烧结模具结构如图5示，烧结模具最外层为两块不锈钢压板，最内部为不锈钢模腔，压板与模腔之间用刚玉保护板隔开。将模具整体置于气氛保护烧结炉中，通以氢气，加热至950℃温度下，烧结90分钟，后随炉冷却至室温。炉冷后可取样，打开模具，即可得到烧结好的多孔纤维毡，其结构如图6示，这是由于在烧结过程中镀层表面尺度较小的铜微颗粒会率先被蒸发或者熔化，这些离散而少量存在的液相铜可以在表面张力的作用下实现聚集与球状化；

[0037] 采用该方法制备的不锈钢基金属纤维多孔材料具有图6所示的丰富胞体的铜微2
颗粒表面形貌镀层结构，不仅比表面积高，可达0.2190m/g，并且在纤维接触区域实现了良好的冶金连结，孔隙率达80％。

[0038] 实施例3

[0039] 第一步加工不锈钢纤维。将Φ60×400mm长不锈钢钢棒装夹于CM6140车床上，首先采用普通外圆车刀切除不锈钢棒表面粗糙部分。其次使用大刃倾角多齿刀具车削不锈钢纤维，刀具结构如图1所示，刀具材料为高速钢，利用线切割加工方式加工出多个小刀齿组成的主切削刃，齿距m＝0.3mm，齿高h＝0.2mm。如图2所示的多齿刀具制造不锈钢纤维加工过程，具体过程如下：将刀具安装在刀架上，刀具安装角度为45°，调整好刀具高度。切削参数如下：进给量f＝0.15mm/r，背吃刀量ap＝0.1mm，切削速度v＝13.19m/min，切削条件为干切削。切削加工出连续的不锈钢纤维，其当量直径为50μm。

[0040] 第二步对纤维进行预处理。将加工得到的不锈钢纤维在剪断机上剪成22.5mm长的短纤维，收集后置于质量浓度为25％的氢氧化钠溶液中，水浴加热至65℃并保温15分钟，以除去纤维表面的油脂。除油结束后将纤维收集并用自来水冲洗，洗去残留的碱液，再置于质量浓度12.5％硫酸溶液中，水浴加热至65℃并保温15分钟，使纤维表面钝化，钝化结束后将纤维收集并用自来水冲洗，洗去残留的酸液；

[0041] 第三步在纤维上用化学法镀铜。首先配置镀液，根据配料在镀液中的浓度计，镀液配方如下：五水合硫酸铜(10g/L)、乙二胺四乙酸(10g/L)、酒石酸钾钠(35g/L)、氢氧化钠试剂(111g/L)、甲醛(9g/L)及催化活性剂硫酸镍(2.5g/L)。以500ml镀液镀30g不锈钢纤维为例，镀铜工序如下：分别取五水合硫酸铜5g、乙二胺四乙酸5g、酒石酸钾钠20g、氢氧化钠6g及硫酸镍1g放入容器，后加入纯净水配制500ml溶液，将溶液水浴加热至50℃，搅拌至所有组分全部溶解，此时溶液为深蓝色。再加入预处理后的纤维，同时滴入甲醛5g，保温至镀液完全反应，镀液澄清，可见不锈钢纤维上镀附上一层红色的铜层。镀铜后的不锈钢纤维表面铜镀层SEM图如图4所示，施镀后不锈钢纤维表面形成的铜镀层实现了对不锈钢基体较好地包覆，且镀层表面分布着大量微尺度的胞体状铜颗粒；

[0042] 第四步纤维的压合烧结。将镀铜后的不锈钢纤维烘干，称取一定量压合于烧结模具的模腔中，用螺钉缩紧。烧结模具结构如图5示，烧结模具最外层为两块不锈钢压板，最内部为不锈钢模腔，压板与模腔之间用刚玉保护板隔开。将模具整体置于气氛保护烧结炉中，通以氢气，加热至900℃温度下，烧结75分钟，后随炉冷却至室温。炉冷后可取样，打开模具，即可得到烧结好的多孔纤维毡，其结构如图6示，这是由于在烧结过程中镀层表面尺度较小的铜微颗粒会率先被蒸发或者熔化，这些离散而少量存在的液相铜可以在表面张力的作用下实现聚集与球状化；

[0043] 采用该方法制备的不锈钢基金属纤维多孔材料具有图6所示的丰富胞体的铜微2
颗粒表面形貌镀层结构，不仅比表面积高，可达0.2190m/g，并且在纤维接触区域实现了良好的冶金连结，孔隙率达70％。

[0044] 以上所述，仅是本发明专利的较佳实施方案而已，并非对本发明做任何形式的限制，任何熟悉本专业的方法人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施方案，但是凡是未脱离本发明的技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。