[发明专利]多孔结构连续生产过程和装置

说明书

提出了一种装置和方法，用于连续生产孔径为0.3nm至5.0μm的金属基微孔结构，由其特征扩散传质尺寸小于1mm的生坯部分通过与不含氧气的连续气流化学反应形成。制备的微孔结构包括：i)厚度小于200μm且孔径在0.1‑5.0μm范围内的薄多孔金属板；ii)孔径范围为0.1至5μm的多孔金属基支撑结构上厚度小于40μm的多孔陶瓷涂层，瓷涂层含有200nm或更小的陶瓷颗粒。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2018年5月23日提交的美国临时申请No.62/675,341的权益，该临时申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及用于制备多孔结构的装置和方法。

背景技术

微孔结构具有多种用途，包括分子分离、颗粒过滤、吸附和吸收、催化反应、导电电极、膜分离器、吸声、冲击和高能吸收、传感器、致动器和混合复合材料等。与其他材料相比，基于金属的结构提供了一些独特的性能属性。例如，金属的导电性比陶瓷和聚合物高得多；与易碎陶瓷相比，金属具有延展性；金属比聚合物具有更高的机械强度和热稳定性。许多以金属为基础、孔径在10微米以上的产品被生产出来，例如筛网和网孔，泡沫和海绵，以及烧结过滤器。然而，孔径小于10um的金属基结构在大规模工业生产中成本很高。

多孔结构的比表面积随孔隙大小的减小呈逆一级指数递增。如吸附、催化反应和多孔电极等具有较大比表面积的应用需要较高的比表面积。微、亚微米级孔隙结构可用于过滤细菌、病毒、煤烟等其他难以分离的细颗粒物。在亚微米尺度下孔隙的多孔金属结构也可作为制备孔径更小得多的高通量薄膜的载体，如0.3～2.0nm孔的分子筛膜。粉末冶金技术可以在工业规模上从细小的金属颗粒中制备出金属基多孔结构。金属颗粒，加上一些粘合剂和/或成孔剂，可以制成各种所需的形状(板，管，毛细管，整体)和烧结形成多孔结构。所产生的孔径一般随所用金属颗粒的尺寸减小而减小。然而，细小的金属颗粒价格昂贵，当颗粒变得太小时，就会爆炸。因此，利用细金属颗粒来制造多孔结构是一个昂贵的过程。

发明内容

本文的实施方案公开了用于生产孔径为0.3nm至约5μm的多孔金属基结构的连续反应性方法，所用生坯部分具有小于1mm的特征孔扩散传质尺寸。该方法包括：i)将生坯和气流连续进料到高纵横比的反应器中，例如环境控制的隧道炉；ii)将生坯部分移动通过反应器，该反应器沿长度以指定的温度曲线加热，其中生坯部分在连续气流下反应并转化成指定多孔结构的产品部分；iii)冷却产品部件并将其移出炉子。在反应性转化过程中，质量传递在指定的多孔结构的形成中起作用。

特征扩散传质尺寸是其对于形成指定的多孔结构理想的生坯部分的尺寸，在其中，气态反应物和/或产物通过扩散进出坯胎部分。例如，对于片材形式的生坯部分，特征尺寸是片材厚度。对于管状物中的生坯部分，特征尺寸是壁厚。对于具有一系列开放通道的整体结构体形式的生坯部件，特征尺寸是通道壁厚度。如果生坯部分是预成形多孔载体上的涂层，则特征尺寸是涂层厚度。

对于明确限定的孔形状，例如圆柱形孔，孔径是其直径。然而，有不同的方法来表征不规则形状的孔的大小。本领域常用的一种快速评估是使用近似方形孔的宽度，近圆形孔的直径，以及狭缝或矩形孔中两个窄边之间的间距。如流体力学中所定义的，可以针对任何形状的孔计算水力直径并将其用作孔径。显微镜分析提供直接观察和评估孔径和形状。水银孔隙度测定法是一种成熟的实验方法，用于量化多孔结构的外部孔径，其范围为约0.1至100μm。对于0.3nm至100nm范围内的孔径，气体吸附和解吸是量化孔径的既定方法。

附图说明

图1是说明根据一个实施方案的金属氧化物颗粒的坯胎部分向微孔金属结构的转化的图。

图2是根据一个实施方案的用于制备生坯胶带的氧化镍的粒度分布图。

图3是根据一个实施方案的使用TGA表征坯胎胶带在H₂/Ar气体中的反应性。