一種微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料的制備方法，包括如下步驟：對表面涂覆有粘結劑的球形顆粒施加壓力，使其相互粘連并成形，同時控制顆粒間的接觸面積的大小，或將球形顆粒平鋪在粘結劑薄塊中，然后倒放在基片上并按壓粘結劑薄塊，控制顆粒與基片的接觸面積的大小，獲得顆粒體；然后，通過物理或化學沉積的方法，將骨架用材料沉積到顆粒間的空隙中，生成骨架；最后，用溶解或烘烤的方法，去除顆粒和粘結劑，獲得流通孔徑為微米尺寸或納米尺寸的多孔固體材料。本發(fā)明的有益效果是：可根據(jù)需要制備不同材料的多孔固體材料，且多孔固體材料的流通孔徑為微米尺寸的或納米尺寸的，其適用范圍廣。
【專利說明】
一種微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于多孔固體材料的制造領域，具體地說，是關于一種微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]多孔固體材料是近些年來得到迅速發(fā)展的一種新型功能結構工程材料，其綜合性能優(yōu)異(密度小、重量輕、比表面積大、比力學性能高、阻尼性能好)，用途十分廣泛，因此其研究、開發(fā)和應用日益受到人們的普遍重視。這類材料的應用涉及航空航天、原子能、醫(yī)學、環(huán)保、冶金、機械、建筑、電化學和石油化工等行業(yè)，可用于分離、過濾、布氣、消音、吸振、包裝、屏蔽、隔熱、熱交換，生物移植、電化學過程等諸多場合。
[0003]劉培生等在《多孔固體材料》【化學工業(yè)出版社，2014年，40-53頁，86-97頁】一書中列出了十多種制備多孔金屬和多孔陶瓷的方法。其中，金屬電沉積法獲得國內外最廣泛的應用。該制備方法以聚合物泡沫為基材，以電鍍方法使金屬沉積于聚合物上，然后燒掉聚合物，剩下的金屬骨架就是多孔金屬，基材中原有空隙成為多孔金屬中的流通通道。該制備方法的優(yōu)點是能產(chǎn)生大尺度產(chǎn)品，且能連續(xù)生產(chǎn)，缺點是泡沫基材中的空隙較大，都在I微米以上，因此制成的多孔金屬的流通孔徑也在I微米以上。上述書中列舉的十多種方法中，只有溶膠凝膠法可制備孔徑為幾個納米的多孔陶瓷。但該法只能制備小尺度產(chǎn)品，且生產(chǎn)周期長，缺乏實際生產(chǎn)價值。
[0004]隨著科技的發(fā)展，近年來人們對納米尺寸流通孔徑多孔材料的需求日益增長，而制備納米尺寸流通孔徑多孔材料的方法卻不多。目前制備“微納孔隙多孔金屬”的方法主要有兩種，即模板法和脫合金法(詳見上述書中的第54-56頁)。其中，模板法可以獲得納米尺寸的流通孔徑，但模板本身制造周期長，價格昂貴，且只能一次性使用，因此該制備方法難以推廣。而脫合金法在實際生產(chǎn)中難以獲得I微米以下的流通孔徑。
[0005]因此，有必要提供一種可獲得大尺度、納米尺寸流通孔徑、且能規(guī)?；a(chǎn)的多孔材料的制備方法。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的第一個目的在于提供一種能規(guī)?；a(chǎn)、具有開孔結構的微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料的制備方法，該制備方法可根據(jù)需要制備不同材料、不同流通孔徑的多孔固體材料，多孔固體材料的流通孔徑可以制成微米尺寸的，也可以制成納米尺寸的。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0008]—種微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料的制備方法，包括如下步驟:
[0009]步驟A、根據(jù)對多孔固體材料的流通孔徑的要求，選擇直徑合適的球形顆粒，對表面涂覆有粘結劑的球形顆粒施加壓力，使其相互粘連并成形，同時控制顆粒間的接觸面積的大小，或將球形顆粒平鋪在粘結劑薄塊中，然后倒放在基片上并按壓粘結劑薄塊，控制顆粒與基片的接觸面積的大小，獲得顆粒體；
[0010]步驟B、將顆粒體放入物理或化學氣相鍍膜裝置內，通過物理或化學沉積的方法，將骨架用材料沉積到顆粒間的空隙中，生成骨架；
[0011 ]步驟C、用溶解或烘烤的方法，去除顆粒和粘結劑，獲得流通孔徑為微米尺寸或納米尺寸的多孔固體材料。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，步驟A的球形顆粒通過堆垛方式堆積成形。
[0013]進一步的，所述堆垛方式為立方堆積或體心立方堆積、六方密堆積、面心立方密堆積中的一種。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，步驟A的球形顆粒為金屬或非金屬、金屬化合物、非金屬化合物等中的一種。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，步驟B的骨架用材料為金屬或合金、陶瓷、非金屬等中的一種。
[0016]本發(fā)明的第二個目的在于提供根據(jù)上述方法制備獲得的微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料。
[0017]本發(fā)明的微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料及其制備方法，其有益效果:
[0018]1、控制顆粒間的接觸面積的大小，可以控制所獲得的多孔固體材料的流通孔徑的大小，即通過施加適當?shù)臄D壓力，使球形顆粒間的接觸點形成大小一定的接觸面積，或通過施力來控制顆粒表面粘結劑的變形量來控制顆粒間的接觸面積的大小的方法，使得所制備的多孔固體材料的流通孔徑既可以制成微米尺寸級的，也可以制成納米尺寸級的；
[0019]2、使用微納米尺寸球形顆粒，由于它們的尺寸一致性好，使得制備過程中顆粒間的接觸面積的尺寸一致性好，從而使得所獲得的多孔固體材料上的流通孔徑的尺寸一致性好；
[0020]3、多孔固體材料可以規(guī)?；a(chǎn)，從而可降低生產(chǎn)成本；
[0021]4、可制備金屬、合金、陶瓷和非金屬等材料的多孔固體材料，其應用范圍廣。
【附圖說明】
[0022]圖1為球形顆粒粘連成形為長方體的局部剖視圖。
[0023]圖2為圖1的I部分的結構放大圖。
[0024]圖3為圖2的球形顆粒體完成材料沉積后的結構示意圖。
[0025]圖4為多孔固體材料的結構不意圖。
[0026]圖5為圖4的Π部分的結構放大圖。
[0027]圖6為單層球形顆粒在粘結劑薄塊中成形排列的結構示意圖。
[0028]圖7為圖6的A-A剖視圖。
[0029]圖8為圖6的單層球形顆粒倒放在基片上完成靶材沉積后的結構示意圖。
[0030]圖9為多孔固體材料的另一結構不意圖。
[0031]附圖標記:
[0032]1-球形顆粒2-顆粒間的接觸面積 3-顆粒間的空隙
[0033]4-骨架5-流通孔道6-多孔材料的空隙
[0034]7-粘結劑薄塊8-長方形框9-基片。
【具體實施方式】
[0035]以下結合具體實施例，對本發(fā)明做進一步說明。應理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。
[0036]本發(fā)明的以下實施例中，所使用的水溶性稀粘結劑包括淀粉、聚乙烯醇、羧丙基甲基纖維素等;所使用的球形顆粒的直徑大小是根據(jù)對多孔固體材料的流通孔徑的要求進行選擇;施加壓力使球形顆粒緊密接觸成形的步驟中，所施加的壓力是根據(jù)實際需要而確定，以用于控制接觸面積的大小，該接觸面積用于控制多孔材料的流通孔徑的大小。
[0037]實施例1
[0038]首先，在直徑為6μπι的球形碳酸鈣顆粒I的表面浸涂水溶性稀粘結劑薄層，當粘結劑表面開始不粘手時，將碳酸鈣顆粒I灌入鋼制模具的容腔內，容腔的長150mm、寬100mm、深50mm，蓋上模具蓋，操作模具蓋上的壓緊裝置，施加0.6MPa的壓力，使模具內相鄰的碳酸鈣顆粒相互輕微擠壓，形成平均直徑為2μπι的接觸面積。
[0039]接著，將模具放入加熱爐內加溫，爐內溫度控制在800C，加溫20min后，打開模具蓋。此時，粘結劑已完全干燥，球形顆粒I已相互粘連成為長方體，取出，如圖1所示。粘結劑使球形顆粒間的接觸面積2變成粘連面，接觸面分布如圖2所示。
[0040]然后，將球形顆粒長方體放入物理氣相鍍膜裝置內的玻璃基片上，用鎢作濺射靶材，使鎢沉積到碳酸鈣顆粒間的空隙3中生成骨架4，如圖3所示。
[0041]最后，在完成2μπι厚的靶材沉積后，取出上述長方體，用機械方法去除長方體上表面的鎢材，將其上表面向下，連同玻璃基片一起放入高溫烘箱，加溫至950°C，保溫40min，使長方體中的碳酸鈣顆粒、粘結劑及玻璃基片全部融化去除。由于鎢的熔點極高，不會熔化。從烘箱中取出長方體，這時，長方體只剩下鎢材骨架4，如圖4所示。這個骨架4就是多孔鎢材，原先球形顆粒I的位置變成了多孔材料的空隙6，接觸面積2處形成了流通孔道5，如圖5所示。其流通孔道5的平均直徑與之前的顆粒間的接觸面積2的平均直徑相同，為2μπι。
[0042]實施例2
[0043]首先，在直徑500nm的球形鋁顆粒表面浸涂水溶性稀粘結劑薄層，當粘結劑表面開始不粘手時，便將鋁顆粒灌入鋼制模具的容腔中，容腔的長100mm、寬80mm、深1.5mm，蓋上模具蓋，操作模具蓋上的壓緊裝置，施加0.2MPa的壓力，使模具內相鄰的顆粒相互輕微接觸，形成平均直徑為10nm的接觸面積。
[0044]接著，將模具放入加熱爐內加溫，爐內溫度控制在700C，加溫1min后，打開模具蓋。此時，粘結劑已完全干燥，球形顆粒已相互粘連成一個薄形長方體(該薄形長方體與圖1相似，差別在于薄形長方體的高度減小了)，取出。粘結劑使相鄰球形顆粒間的接觸面積2變成粘連面，接觸面分布如圖2所示。
[0045]然后，將該薄形長方體放入化學氣相鍍膜裝置內，將它置于反應腔內的玻璃基片上，使參加反應的原料氣四異丙醇鈦和蒸餾水分別經(jīng)水浴加熱變?yōu)檎羝?，用氮氣攜帶它們進入反應腔充分反應而將二氧化鈦沉積到顆粒間的空隙3中生成骨架4，如圖3所示。
[0046]最后，取出薄形長方體，將它加熱到900°C，使玻璃基片熔化而被去處，用機械方法去除上下表面的二氧化鈦后，將該薄形長方體浸入溶解液(濃度為40%的硝酸)中，Ih后取出，薄形長方體只剩下二氧化鈦骨架4，如圖4所示。該二氧化鈦骨架就是多孔二氧化鈦，薄形長方體中原先球形顆粒I的位置變成了多孔材料的空隙6，顆粒的接觸面積2處形成了流通孔道5，如圖5所示。該流通孔道5的平均直徑與之前的顆粒間的接觸面積2的平均直徑相同，為10nm0
[0047]實施例3
[0048]首先，如圖6所示，在平整光滑的石蠟平板上涂敷一薄層稀粘結劑，當粘結劑不再流動，其表面干燥時，用另一塊平板輕輕按壓粘結劑上表面。用測厚儀測量粘結劑厚度，當厚度達到3納米后，停止按壓平板，此時用石蠟制的30mm*50mm長方形框8圍住粘結劑，長方形框8的內部形成粘結劑薄塊7。這時，將直徑為6nm的球形顆粒I嵌入粘結劑薄塊7中，單層排列(借助于高倍顯微鏡，使顆粒排列)。待粘結劑完全干燥后，熔去石蠟平板及長方形框8，剩下粘結成型的單層顆粒體及粘結劑薄塊7，如圖7所示。
[0049]然后，將單層顆粒體倒放在物理氣相鍍膜裝置內表面平整的氧化鋁基片9上，如圖8所示，按壓粘結劑薄塊7，使顆粒體球形頭部與氧化鋁基片9緊密接觸，接觸面積的平均直徑為2nm。以不銹耐酸鋼為靶材，濺射靶材，使不銹耐酸鋼沉積到球形顆粒間的空隙3中，生成骨架4。
[0050]最后，在用機械方法去除了球形顆粒體四周的不銹耐酸鋼材料后，將球形顆粒體、粘結劑薄塊7連同氧化鋁基片9一起浸入溶解液(濃度為30%的硝酸)中，30min后，取出。這時，球形顆粒體、粘結劑薄塊7和氧化鋁基片9已溶解完畢，僅剩下不銹耐酸鋼骨架4，該骨架4就是多孔不銹耐酸鋼薄膜，如圖9所示。
[0051]如圖9所示，原先球形顆粒I占據(jù)的位置變成了多孔材料的空隙6，球形顆粒I與氧化鋁基片9的接觸面積處生成了流通孔道5。該流通孔道5的平均直徑與之前球形顆粒間的接觸面積的平均直徑相同，為2nm。該多孔不銹耐酸鋼薄膜的厚度為3nm。
[0052]本發(fā)明的多孔固體材料的制備方法，可根據(jù)需要制備不同材料的多孔固體材料，由于所獲得的多孔固體材料的平均流通孔徑與顆粒間的接觸面積的平均直徑一致，因此多孔固體材料的流通孔徑可以制成微米尺寸的，也可以制成納米尺寸的。同時，由于本發(fā)明采用金屬、合金、陶瓷、非金屬等制備多孔固體材料，因此所獲得的多孔固體材料可用于制作過濾器、消聲器、電磁屏蔽器、電容器電機、催化劑載體及基因測試芯片等，其適用范圍廣。
[0053]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
【主權項】
1.一種微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A、根據(jù)對多孔固體材料的流通孔徑的要求，選擇直徑合適的球形顆粒，對表面涂覆有粘結劑的球形顆粒施加壓力，使其相互粘連并成形，同時控制顆粒間的接觸面積的大小，或將球形顆粒平鋪在粘結劑薄塊中，然后倒放在基片上并按壓粘結劑薄塊，控制顆粒與基片的接觸面積的大小，獲得顆粒體； 步驟B、將顆粒體放入物理或化學氣相鍍膜裝置內，通過物理或化學沉積的方法，將骨架用材料沉積到顆粒間的空隙中，生成骨架； 步驟C、用溶解或烘烤的方法，去除顆粒和粘結劑，獲得流通孔徑為微米尺寸或納米尺寸的多孔固體材料。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟A的球形顆粒通過堆垛方式堆積成形。3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述堆垛方式為立方堆積或體心立方堆積、六方密堆積、面心立方密堆積中的一種。4.如權利要求1-3任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟A的球形顆粒為金屬或非金屬、金屬化合物、非金屬化合物中的一種。5.如權利要求1-3任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟B的骨架用材料為金屬或合金、陶瓷、非金屬中的一種。6.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的制備方法獲得的微納米尺寸流通孔徑多孔固體材料。
【文檔編號】C23C16/01GK106086779SQ201610392914
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610392914.6, CN 106086779 A, CN 106086779A, CN 201610392914, CN-A-106086779, CN106086779 A, CN106086779A, CN201610392914, CN201610392914.6
【發(fā)明人】王華勝
【申請人】王華勝