[发明专利]一种用于仿生领域的清洁泡沫镁的制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种泡沫镁的制备工艺，特别是一种用于生物仿生研究领域的清洁高纯、无异相残余的通孔泡沫镁的制备方法。

背景技术

泡沫金属是一种在金属基体内分布着许多孔洞的材料，与对应的实体金属相比，具有密度小、比表面积大、能量吸收率好等特点，是一种结构与功能一体化的新型材料。作为结构材料，它具有轻质和高强的特点；作为功能材料，同时具有吸声、隔热、防震、耐冲击、高阻尼、电磁屏蔽等特性，在很多领域具有广泛的应用前景。比如它可用于飞船的起落架、减震器、缓冲器、过滤器、消音器，以及多孔金属电极、信号舱等。

金属镁的密度是铝的2/3，比强度和比刚度比铝高，具有六方晶体结构，这将有利于提高其阻尼性能，所以泡沫镁的制备具有较泡沫铝更大的意义，尤其是泡沫镁具有良好的生物相容性以及生物可降解性，对于开孔结构的泡沫镁来说，可以使新骨组织在其内部生长、体液在其内部传输，而且，可以通过控制镁泡沫的孔隙率，使其强度和杨氏模量满足自然骨的力学要求。所以说泡沫镁在生物仿生领域具有巨大的应用潜力和发展前景。

但是，目前泡沫金属的研究以泡沫铝为主，关于泡沫镁的文章和专利较少，尤其是高纯度、无异相残余的泡沫镁，鲜见报道，这主要是由于镁金属化学活性强，易氧化，易腐蚀，在制备研发上具有一定的难度，因而探索新的简单易行的制备方法有着重要的意义。

目前，常用的制备泡沫金属的方法主要有以下几种：

1. 熔体发泡法

将发泡剂加入到液态金属中，发泡剂受热分解释放出气体，气体膨胀使液态金属发泡，在金属冷却凝固过程中气泡保留在金属中，从而形成闭孔泡沫金属材料。熔体发泡法的优点是获得的泡沫金属孔隙率高、制作成本低、适合制备大件，其结构为闭孔结构；缺点是工艺控制比较困难。

2. 颗粒渗流法

首先将颗粒在模具内压实，烘干，形成预制块。然后施加气压将金属液渗入到颗粒预制块的间隙中，最后将颗粒溶去即可得到开孔结构的泡沫金属材料。对于填料颗粒的选择应满足下列要求：1）颗粒材料必须具有一定的强度和耐温性能，以保证预热过程、高温金属液渗流过程及渗流压力的作用下不软化变形，更不能熔化；2）当渗流冷却后，颗粒应易溶于水或易用其它方式去除掉，以获得孔洞连通的泡沫金属网络结构；3）颗粒表面应该光滑，以保证颗粒间良好的接触，颗粒表面凹凸不平使颗粒彼此间接触不良，从而使孔洞间连通性变差；4）颗粒材料还应满足对环境无污染、来源广泛和便于成型等特点。

颗粒渗流法的优点是孔隙率高，为通孔结构；缺点是对颗粒预制块的制备要求很高，内部的颗粒难以在短时间内完全去除，从而对镁基体造成严重腐蚀。

3. 粉末冶金法

包括粘结剂发泡法、松散粉末烧结法、渗入海绵粘合剂烧结法和粉末压制烧结发泡法。

1）粘结剂发泡法是将粘结发泡剂的混合物与金属粉末混合物搅拌发泡，烘干成一多孔固体，然后烧结成泡沫金属材料。

2）松散粉末烧结法：根据烧结的机制，粉末颗粒要相互接触，在加热时由于热运动和表面张力作用，使粉末之间的接触增大，烧结时不外加压力，可以直接把金属粉末装满整个模子进行烧结。此方法主要是用于生产多孔金属电极和燃料电池。

3）渗入海绵粘合剂烧结法：将一种海绵相的有机材料，如天然的或合成的塑料海绵切割成所需的形状，然后浸泡在粘合剂中，这种粘合剂是由所需的金属粉末和粘合剂媒介物所组成，之后把浸泡过的海绵干燥除去媒介物，最后把得到的干燥海绵在高温加热烧结，同时除去分解的有机材料，冷却后得到一种相互连通的高孔隙率的泡沫金属材料。

4）粉末压制烧结发泡法：首先将金属粉末和相应的发泡剂按一定的比例均匀混合，发泡剂可以是金属氢化物、水化物等；然后将混合粉末通过挤压或热等静压制成致密的半成品，这种半成品的外表面与普通金属一样，但在其内部包含了发泡剂。热挤压时选择的温度使金属粉末粒子之间通过扩散连接在一起，选择的压力使发泡剂不发生分解。最后将挤压的可发泡半成品加热到母体金属熔点温度以上，使发泡剂产生气体分解，从而在金属内部产生气泡，形成泡沫金属材料。

粉末冶金法的特点是适合于制备孔隙率高、孔分布均匀的、结构较复杂的部件；缺点是工艺控制复杂，残余物难以清除。

4. 空心球铸造法

先用商用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料炭化，形成中空的小球。然后将这些空心小球加入到金属液中，并强烈搅拌使空心小球均匀分散，最后得到空心球与金属基体形成的泡沫金属材料。