一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法技術

本發(fā)明專利技術提供的一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，采用粉末包覆固相燒結(jié)法制得，包括以下步驟：以金屬鎂或鎂合金粉末作為脫合金介質(zhì)材料，將母合金塊體包覆入脫合金介質(zhì)材料中，保溫燒結(jié)；溶解表面包覆的脫合金介質(zhì)材料，即得三維塊體結(jié)構(gòu)的納米多孔純α鈦或納米多孔β型鈦合金。本發(fā)明專利技術采用粉末冶金鎂粉包覆鈦合金燒結(jié)脫合金法，以鎂基粉末作為脫合金的介質(zhì)的固相脫合金化法制備納米多孔純α鈦和β型鈦合金，鎂粉的用量可以根據(jù)鈦合金樣品的質(zhì)量進行化學計量控制，制得的納米α鈦和β鈦合金的氣孔率在60％以上，孔徑尺寸在1-100納米之間。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法
本專利技術涉及一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，屬于納米金屬材料

技術介紹
多孔材料是上個世紀發(fā)展起來的嶄新材料體系，是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成的網(wǎng)狀材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。納米多孔材料是多孔材料的重要組成部分，它是指具有顯著表面效應、孔徑介于0.1～100nm、孔隙率大于40％、具有高比表面積的多孔固體材料；它包括無機納米多孔材料，例如硅分子篩，陶瓷納米多孔材料，以及金屬納米多孔材料。納米多孔金屬是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的金屬材料,由處于納米尺度的金屬骨架和其孔隙構(gòu)成。與致密金屬材料相比,納米多孔金屬是一種納米結(jié)構(gòu)化的宏觀材料,而其特殊的結(jié)構(gòu)導致其擁有一些特別的物理、化學性能，如比重小、比表面積大、高孔隙率和較均勻的納米孔，具有表面效應和尺寸效應，而且還具有金屬材料的高導熱率、高導電率、抗腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異性能。因而納米多孔金屬材料在催化、過濾、傳感器、熱交換、藥物輸運等領域有廣闊的應用前景。鈦及鈦合金具有良好的生物相容性、優(yōu)良的力學性能及耐蝕性，在許多領域具有廣泛的應用。納米多孔鈦及其合金由于雙連續(xù)開放性孔的存在具有很多功能特性。在氣體傳感器、超級電容器的電極、高催化活性體系、生物醫(yī)學器件等領域具有巨大的潛在應用價值。通常，制備納米多孔金屬的方法有金屬粉末燒結(jié)法、脫合金法、斜入射沉積法、膠體晶模板法，其中脫合金法的研究最為廣泛。但是納米多孔鈦采用傳統(tǒng)的脫合金法制備非常困難，因為鈦在多數(shù)酸或堿溶液中在表面會形成二氧化鈦氧化保護層或者鈦由于其極低的電極電位被選擇性電化學腐蝕掉。在2011年,日本東北大學的HidemiKato課題組報道了采用熔融狀態(tài)的純鎂作為鈦合金去合金的介質(zhì)。這種去合金的機理是利用元素成分之間的吸引力和排斥力大小通過物質(zhì)遷移完成的。例如對于鈦銅合金，鈦和鎂元素之間具有正混合焓呈現(xiàn)排斥力很難形成合金，鎂和銅之間具有負混合焓結(jié)強，鈦銅合金中的銅元素就會在較高的溫度下遷移到熔融態(tài)的鎂中。然而，由于鎂的熔點低，加熱時氧化快，易燃燒。因此在選用鎂作為脫合金介質(zhì)時，在熔鑄過程中必須始終在熔劑或保護氣氛中進行。且鎂遇水則會急劇地分解而引起爆炸，還能與氮形成氮化鎂夾雜。熔融狀態(tài)的純鎂作為脫合金的介質(zhì)，需要特殊設備，工藝復雜，安全性要求高，在熔融狀態(tài)下放入鈦銅合金，容易引入其它氣體甚至爆炸。
技術實現(xiàn)思路
專利技術目的：為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法。技術方案：本專利技術提供的一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，采用粉末包覆固相燒結(jié)法制得，包括以下步驟：以金屬鎂或鎂合金粉末作為脫合金介質(zhì)材料，將母合金塊體包覆入脫合金介質(zhì)材料中，保溫燒結(jié)；溶解表面包覆的脫合金介質(zhì)材料，即得三維塊體結(jié)構(gòu)的納米多孔純α鈦或納米多孔β型鈦合金。本專利技術還提供了上述三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，包括以下步驟：(1)采用粉末冶金工藝或鑄造工藝制備鈦基母合金塊體；(2)將制得的鈦基母合金塊體切割成厚度為0.02-1.0mm的小薄片，50-80℃真空干燥4-6h；(3)以金屬鎂或鎂合金粉末作為脫合金介質(zhì)材料，將小薄片包覆入脫合金介質(zhì)材料中，在真空或惰性氣氛中保溫燒結(jié)；(4)將步驟(3)的產(chǎn)品置于1-5mol/L的稀硝酸中腐蝕，即得三維塊體結(jié)構(gòu)的納米多孔純α鈦或納米多孔β型鈦合金。作為改進，制備納米多孔純α鈦時，母合金塊體為鈦銅合金、鈦鋁合金、鈦鎳合金或鈦硅合金；制備納米多孔β型鈦合金時，母合金塊體為鈦鉬銅合金、鈦鋯鉻銅合金、鈦鈮鋯銅合金、鈦釩鉻銅合金。作為另一種改進，所述鎂合金粉末為鎂鈣合金、鎂鋰合金、鎂鈉合金、鎂鈣鋰合金、鎂鈉鋰或鎂鈣鈉合金。作為另一種改進，金屬鎂或鎂合金粉末的晶粒尺寸在10納米至500微米之間。作為另一種改進，保溫燒結(jié)方法為在真空、氬氣或氫氣保護下的無壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)，氣壓燒結(jié)，放電等離子燒結(jié)。作為另一種改進，保溫燒結(jié)溫度為400-650℃，保溫燒結(jié)時間為10min-120h。有益效果：本專利技術采用粉末冶金鎂粉包覆鈦合金燒結(jié)脫合金法，以鎂基粉末作為脫合金的介質(zhì)的固相脫合金化法制備納米多孔純α鈦和β型鈦合金，鎂粉的用量可以根據(jù)鈦合金樣品的質(zhì)量進行化學計量控制，制得的納米α鈦和β鈦合金的氣孔率在60％以上，孔徑尺寸在1-100納米之間。本專利技術采用真空燒結(jié)爐或者氣氛燒結(jié)爐即可滿足實驗要求，不需要特殊的熔煉設備，工藝簡單易行，沒有燃燒和爆炸的危險，安全性高，便于操作和廣泛應用推廣。本專利技術采用固態(tài)鎂基粉末作為脫合金的介質(zhì)材料，通過粉末冶金固相燒結(jié)脫合金法，同樣也是擴散主導的機制，也是基于元素之間混合焓差異的機理，也可以得到納米多孔鈦，因此鎂粉末是除了熔融態(tài)鎂之外的另一種脫合金的介質(zhì)選擇。本專利技術制得的納米多孔鈦材料可望應用于生物傳感器件，生物催化器件，生物醫(yī)藥用超濾乃至納濾介質(zhì)，氣體傳感器、超級電容器的電極、高催化活性體系，氣體吸附存儲等領域。附圖說明圖1為納米多孔α鈦的掃描電子顯微鏡形貌照片；圖2為納米多孔α鈦的孔徑尺寸分布圖；圖3為納米多孔β鈦的透射電子顯微鏡形貌照片。具體實施方式實施例1納米多孔α鈦多孔金屬材料的制備，具體工藝流程為：①按照鈦銅的原子數(shù)比為30:70，稱取鈦粉與銅粉，放入球磨罐中球磨，球料比為8:1，球磨介質(zhì)為正己烷，球磨時間20小時，充分球磨，使其混合均勻，粉末變細；取球磨好的鈦銅粉末，用放電等離子燒結(jié)技術燒結(jié)制備鈦銅母合金，升溫速率為50℃/min，壓力為80MPa，通過改變燒結(jié)溫度及保溫時間以得到致密的母合金塊體，燒結(jié)溫度為750℃，保溫時間為20min；②將制備好的鈦銅母合金塊體線切割成厚度為0.2mm的小薄片，用去離子水及酒精清洗掉表面的油漬，然后放到真空干燥箱中干燥6小時，干燥溫度為80℃，備用；③用顆粒尺寸為10微米的鎂粉包覆上述的小薄片，在真空無壓燒結(jié)脫合金化處理，燒結(jié)溫度為620℃；保溫時間為120min；④將上述制備好的鈦-銅-鎂合金放在3mol/L的稀硝酸中腐蝕，除去鎂以及銅，樣品清洗烘干后，制備得到納米多孔的純α鈦。如圖1為納米多孔α鈦的掃描電子顯微鏡形貌照片，可見鈦顆粒之間的孔洞為納米孔尺寸范圍。圖2為納米多孔α鈦的孔徑尺寸分布圖，可見孔徑都在100nm以下，根據(jù)面積比例絕大多數(shù)在10nm以下分布。實施例2納米多孔α鈦多孔金屬材料的制備，具體工藝流程為：①按照鈦40％鎳60％的原子數(shù)比，稱取鈦與鎳原料。將原料放入鈦合金專用熔煉爐中在1700℃熔煉保溫5小時使得組織均勻化和充分固溶，降溫冷卻得到鈦鎳母合金。②將制備好的鈦鎳母合金塊體切割成厚度為0.02mm的小薄片，用去離子水及酒精清洗掉表面的油漬，然后放到真空干燥箱中干燥4小時，干燥溫度為50℃，備用；③用顆粒尺寸為1.0微米的鎂鈣粉包覆上述的小薄片，在氬氣保護的熱壓燒結(jié)中脫合金化處理，燒結(jié)溫度為600℃；保溫時間為10min；④將上述制備好的鈦-鎳-鎂合金放在1mol/L的稀硝酸中腐蝕，除去鎂以及鎳，樣品清洗烘干后，制備得到納米多孔的純α鈦。實施例3納米多孔α鈦多孔金屬材料的制備，具體工藝流程為：①按照鈦20％硅80％的原子數(shù)比，稱取鈦與硅原料。將原料放入鈦合金專用熔煉爐中在1720℃熔煉保溫6小時使得組織本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，其特征在于：采用粉末包覆固相燒結(jié)法制得，包括以下步驟：以金屬鎂或鎂合金粉末作為脫合金介質(zhì)材料，將母合金塊體包覆入脫合金介質(zhì)材料中，保溫燒結(jié)；溶解表面包覆的脫合金介質(zhì)材料，即得三維塊體結(jié)構(gòu)的納米多孔純α鈦或納米多孔β型鈦合金。

【技術特征摘要】
1.一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，其特征在于：采用粉末包覆固相燒結(jié)法制得，包括以下步驟：以金屬鎂或鎂合金粉末作為脫合金介質(zhì)材料，將母合金塊體包覆入脫合金介質(zhì)材料中，保溫燒結(jié)；溶解表面包覆的脫合金介質(zhì)材料，即得三維塊體結(jié)構(gòu)的納米多孔純α鈦或納米多孔β型鈦合金；制備納米多孔純α鈦時，母合金塊體為鈦銅合金、鈦鋁合金、鈦鎳合金或鈦硅合金；制備納米多孔β型鈦合金時，母合金塊體為鈦鉬銅合金、鈦鋯鉻銅合金、鈦鈮鋯銅合金、鈦釩鉻銅合金；所述鎂合金為鎂鈣合金、鎂鋰合金、鎂鈉合金、鎂鈣鋰合金、鎂鈉鋰或鎂鈣鈉合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維納米多孔鈦及其合金的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)采用粉末冶金工藝或鑄造工藝制備鈦基母合...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張法明，李萍，
申請(專利權(quán))人：東南大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32