[发明专利]一种镁基多孔复合材料的制备方法

权利要求书

1.一种镁基多孔复合材料的制备方法，其特征在于

使用的化学物质材料为：镁锌锆合金粉、β相磷酸钙、氯化钠晶体、丙三醇、无水乙醇、氢氧化钠、硫酸锌、酒石酸、乙二胺四乙酸、联氨、乙酸钠、去离子水、氩气、石墨纸，其组合准备用量如下：以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位

镁锌锆合金粉：MgZnZr 15g±0.001g纯度99.98％

β相磷酸钙：β-Ca₃(PO₄)₂ 6g±0.001g纯度99.9％

氯化钠晶体：NaCl 9g±0.001g纯度99％

氢氧化钠：NaOH 2g±0.001g纯度99.9％

丙三醇：C₃H₈O₃ 500mL±10mL纯度99％

无水乙醇：C₂H₆O 500mL±10mL纯度99.7％

硫酸锌：ZnSO₄ 100g±0.001g纯度99％

酒石酸：C₄H₆O₆ 15g±0.001g纯度99％

乙二胺四乙酸：C₁₀H₁₆N₂O₈ 0.05g±0.001g纯度99％

联氨：N₂H₄ 200mL±0.001mL纯度99％

乙酸钠：C₂H₃NaO₂ 50g±0.001g纯度99％

去离子水：H₂O 3000mL±10mL纯度99％

氩气：Ar 800000cm³±100cm³纯度99.99％

石墨纸：Φ60mm×1mm，2片；

制备方法如下：

(1)预处理β相磷酸钙

①配置氢氧化钠水溶液

称取氢氧化钠2g±0.001g氢氧化钠，量取去离子水500mL±0.001mL，置于烧杯中，搅拌5min，成0.1mol/L的氢氧化钠水溶液，PH＝13；

②浸泡磷酸钙

称取β相磷酸钙6g±0.001g，量取氢氧化钠水溶液100mL±0.001mL，加入烧杯中，浸泡30min，成混合液；

③超声分散

将盛有混合液的烧杯置于超声波分散器中，进行超声分散，超声波频率40kHz，超声分散时间20min；

④抽滤、洗涤

将超声分散后的混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去滤液；

将滤饼置于烧杯中，加入去离子水200mL，搅拌洗涤10min，成混合液；

然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液；

⑤真空干燥

将滤饼置于石英皿中，放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度120℃，真空度2Pa，干燥时间300min，成β相磷酸钙粉体颗粒；

(2)β相磷酸钙粉体颗粒表面镀锌

①配置镀锌溶液

称取硫酸锌100g±0.001g、酒石酸15g±0.001g、乙二胺四乙酸0.05g±0.001g，量取去离子水500mL±0.001mL，加入烧杯中，搅拌5min，成硫酸锌混合溶液；

称取乙酸钠50g±0.001g，量取联氨200mL±0.001mL、去离子水500mL±0.001mL，加入另一烧杯中，搅拌5min，成乙酸钠混合溶液，酸碱度PH＝5；

②制备酸性复合溶液，超声分散

将硫酸锌混合溶液、乙酸钠混合溶液置于另一烧杯中，搅拌混合，成酸性复合溶液；

将盛有酸性复合溶液的烧杯置于超声波分散器上，进行超声分散，超声波频率40kHz，分散时间20min；

③将预处理的β相磷酸钙粉体颗粒6g±0.001g加入酸性复合溶液中，继续进行超声分散，超声波频率40kHz，超声分散时间20min，成镀锌混合液；

开启超声波分散器的加热装置，加热温度80℃，加热时间30min；

加热过程中进行表面镀锌；

在镀锌混合液中通入直流电源，电流强度2A，使镀锌均匀化；

④抽滤；将镀锌混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，保存滤饼，弃去滤液；

⑤洗涤抽滤；将滤饼放入烧杯中，加入去离子水200mL，搅拌10min；然后用微孔滤膜进行抽滤；洗涤抽滤重复进行三次；

⑥真空干燥；将滤饼放于石英皿中，然后置于真空干燥箱中，真空度2Pa，干燥温度120℃，干燥时间300min，成镀锌β相磷酸钙粉体颗粒；

(3)配粉

称取镁锌锆合金粉15g±0.001g，镀锌β相磷酸钙粉6g±0.001g，氯化钠晶体9g±0.001g，加入球磨罐中，成混合粉；

镁锌锆合金粉：镀锌β相磷酸钙粉：氯化钠晶体＝5:2:3；

(4)球磨、混粉

向球磨罐中加入玛瑙球，玛瑙球与混合粉的体积比为6：1，球磨转数300r/min，球磨时间60min，球磨后成镀锌β相磷酸钙粉+镁锌锆混合粉；

(5)制模、装模

①制模，开合式模具用石墨材料制做，模具型腔为圆筒形，型腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；

②装模，将开合式石墨模具垂直置于钢质平板上，并由固定座固定；

在模具型腔底部置放石墨垫块，在石墨垫块上部放石墨纸，在石墨纸上部置放镀锌β相磷酸钙粉+镁锌锆混合粉，在镀锌β相磷酸钙粉+镁锌锆混合粉上部置放石墨纸，在石墨纸上部置放石墨压块；

(6)真空烧结

①开启真空烧结炉的外水循环冷却管，进行外水循环冷却；

②打开真空烧结炉，将装模的石墨模具平行垂直移入真空烧结炉内的工作台上，密闭；

③开启真空烧结炉的真空泵，抽取炉内空气，使炉腔内压强达2Pa；

④开启氩气瓶，向炉腔内输入氩气，氩气输入速度100cm³/min，使炉腔内压强恒定在1个大气压；

⑤开启等离子放电加热器，加热温度500℃±1℃，并恒温；开启压力电机，压力电机压强30MPa，恒温加压时间5min，然后停止加热、加压，模具随炉冷却至25℃；

⑥开炉，开模，打开真空烧结炉，取出开合式模具，打开模具，取出β相磷酸钙+镁锌锆块体，即镁基多孔复合材料；

(7)打磨

用砂纸打磨β相磷酸钙+镁锌锆块体，使块体表面及周边清洁；用无水乙醇擦洗块体表面及周边，使块体表面洁净；

(8)去除造孔剂

将洁净的块体置于烧杯中，加入0.1mol/L的氢氧化钠水溶液500mL，在25℃下浸泡240min，并用磁力搅拌器搅拌，造孔剂氯化钠晶体溶解，然后晾干；

(9)清洗

将浸泡晾干后的块体置于烧杯中，加入无水乙醇300mL，浸泡清洗30min；

(10)真空干燥

浸泡清洗后将块体放于真空干燥箱中干燥，干燥温度80℃，真空度2Pa，干燥时间240min；

干燥后得到镁基多孔复合材料；

(11)检测、分析、表征

对制备的镁基多孔复合材料的形貌、色泽、力学性能、密度、金相组织、孔隙进行检测、分析、表征；

用扫描电子显微镜检测金相组织及孔隙情况；

用阿基米德法检测多孔材料密度；

用能谱分析仪进行元素含量分析；

用拉伸试样机和应变片进行弹性模量分析；

结论：镁基多孔复合材料为圆柱形块体，其密度为1.02g/cm³，孔隙率达到60％，孔径≤450μm，弹性模量为35GPa；

(12)包装、储存

制备的镁基多孔复合材料块体用软质材料真空包装，储存于阴凉洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

2.根据权利要求1中所述的一种镁基多孔复合材料的制备方法，其特征在于：

镁基多孔复合材料的烧结是在真空烧结炉内进行的，是在氩气保护、等离子放电加热过程中完成的；

真空烧结炉为立式，真空烧结炉(1)下部为底座(3)、上部为顶座(2)，内部为炉腔(39)；在底座(3)上部设有支架(4)，在支架(4)内设有真空泵(6)、水箱(8)；真空泵(6)上部设有真空管(7)，真空管(7)上部伸入炉腔(39)内；水箱(8)上部设有水泵(9)，水泵(9)上部连接出水管(10)，出水管(10)连接外水循环冷却管(5)，外水循环冷却管(5)连接回水管(11)，回水管(11)连接水箱(8)，形成外水循环冷却；在炉腔(39)内底部设有工作台(12)，在工作台(12)上部垂直放置石墨模具(14)，并由固定底座(38)固定，在石墨模具(14)内底部为石墨垫块(15)，在石墨垫块(15)上部为第一石墨纸(16)，在第一石墨纸(16)上部为β相磷酸钙粉+镁锌锆混合粉(17)，β相磷酸钙粉+镁锌锆混合粉(17)上部为第二石墨纸(18)，第二石墨纸(18)上部为石墨压块(19)，石墨压块(19)上部连接上压头(13)，上压头(13)上部连接顶座(2)，并连接压力电机(21)；在真空烧结炉(1)的内壁上设有等离子放电加热器(30)；在真空烧结炉(1)的右上部设有出气管阀(20)；真空烧结炉(1)的左部设有氩气瓶(22)，氩气瓶(22)上部设有氩气阀(23)、氩气管(24)，并向炉腔(39)内输入氩气(25)；在真空烧结炉(1)的右部设有电控箱(26)，在电控箱(26)上设有显示屏(27)、指示灯(28)、电源开关(29)、等离子放电加热控制器(30)、压力电机控制器(31)、真空泵控制器(32)、水泵控制器(33)；电控箱(26)通过第一导线(34)连接水泵(9)、通过第二导线(35)连接真空泵(6)、通过第三导线(36)连接等离子放电加热器(40)、通过第四导线连接压力电机(21)。