CN109502993A - 一种在材料表层的多孔结构加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在材料表层的多孔结构加工方法，适用于在金属、陶瓷、玻璃、聚合物、以及由上述材料加工的复合材料上形成多孔结构，包括：步骤一、在成型模具、轧辊或材料表面涂覆粘接剂；步骤二、将固体颗粒粘接在涂覆有粘接剂的表面上；步骤三、将粘接的固体颗粒嵌入材料表层；步骤四、脱除嵌入材料表层的固体颗粒形成若干孔洞。本发明利用简单、可靠的方法，在金属、陶瓷、玻璃、聚合物以及上述材料经复合工艺加工成的复合材料表层，制备孔洞形状、尺寸和孔隙率等可以方便调整的多孔结构，使材料的表面性能发生显著改变，可拓宽材料的应用范围。

Description

一种在材料表层的多孔结构加工方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，特别是金属、陶瓷、玻璃、聚合物等材料表层的多孔结构加工方法。

背景技术

使金属、陶瓷、玻璃、聚合物等材料的表面层形成具有一定孔隙度、孔型、孔径和孔径分布的多孔结构，可以赋予上述材料一些新的性能，产生一些新的应用。

目前在材料表面形成多孔结构的方法主要为机械加工法、化学腐蚀法、烧结法、热喷涂法、电镀法、阳极氧化法、气相沉积法、铸造法等，这些方法制备的各种带多孔表面的材料性能各异，分别在不同领域找到了应用，同时也存在这样或那样的缺点：

首先，除前两种方法外，所形成的表面多孔层与基体不是同一材质，存在多孔表层与基体的附着力问题；

其次，上述方法对表面孔洞形状、孔洞尺寸、孔洞在表面的排布方式的调整，存在或多或少的局限性；

第三，上述各种方法对材料的适用性都存在一定的限制，如化学腐蚀法难以应用于玻璃、陶瓷和聚合物，烧结法和铸造法难以应用于玻璃和聚合物，热喷涂法、电镀法、阳极氧化法、机械加工法等对材料的限制就更加多。

第四，其中的一些方法加工成本昂贵，如电镀法和气相沉积法，还有一些方法存在严重的环境污染问题，如化学腐蚀法和阳极氧化法。

发明内容

本发明开发一种在金属、陶瓷、玻璃、聚合物等材料表层形成多孔结构的制备方法，要求工艺简单、可以方便地对孔隙率、孔洞形貌、孔径和孔径分布进行调整，是通过如下技术方案实现的。

一种在材料表层的多孔结构加工方法，适用于在金属、陶瓷、玻璃、聚合物、以及由上述材料加工的复合材料上形成多孔结构，包括以下步骤：

步骤一、在成型模具、轧辊或材料表面涂覆粘接剂；

步骤二、将固体颗粒粘接在涂覆有粘接剂的表面上；

步骤三、将粘接的固体颗粒嵌入材料表层；

步骤四、脱除嵌入材料表层的固体颗粒形成若干孔洞。

其中，所选定的固体颗粒是金属、非金属、混合物的颗粒或是上述物质中的两种或多种颗粒的复合体，在成型工艺条件下，所述固体颗粒的硬度应大于所加工材料表面硬度。

所述固体颗粒的尺寸应与材料表层欲形成的孔洞尺寸匹配，固体颗粒的粒径范围在0.2微米至10000微米之间。

优选的，在步骤一中，在材料表面需成孔区域位置或成型模具、轧辊对应位置涂覆一层或多层粘接剂。

优选的，在步骤二中，将粘接剂或具有粘接剂的媒介设置在材料表面、成型模具表面、轧辊表面，利用粘接剂将固体颗粒粘接在材料表面或成型模具、轧辊表面上；

通过调整单位面积表面粘接的固体颗粒数量、粒径、分布，控制材料表面多孔层的孔隙率。

优选的，在步骤三中，将粘接的固体颗粒嵌入材料表层是通过成型工艺实现的，所述的成型工艺，是将粘接在材料表面或成型模具、轧辊表面上的固体颗粒嵌入所加工材料的表层，即形成了材料表面和嵌入的固体颗粒结合在一起的结构。

优选的，在步骤四中，脱除嵌入所加工材料表层的固体颗粒的方法是机械的、物理的或化学的方法，或是上述方法的组合。

优选的，所述机械法脱除固体颗粒包括机械冲击、车、铣、刨、磨、钻加工；物理法脱除固体颗粒包括加热相变液化、气化、爆破、激光、利用温度或压力的急剧变化；化学法脱除固体颗粒包括热分解、溶解、化学反应、电解。

优选的，嵌入所加工材料表层的固体颗粒被选择性脱除后，原先由其占据的材料表层位置空出，形成了与所嵌入的固体颗粒形状与尺寸相同或相近的孔洞，且孔与孔之间的孔壁仍为所加工材料基体。

本发明利用简单、可靠的方法，在金属、陶瓷、玻璃、聚合物以及上述材料经复合工艺加工成的复合材料表层，制备孔洞形状、尺寸和孔隙率等可以方便调整的多孔结构，使材料的表面性能发生显著改变，可拓宽材料的应用范围，该方法可望在复合材料制备、机械制造、汽车、飞机、轮船等交通运输工具的生产、航天设施、武器装备、电力电器、电子通讯等产品的制造等诸多行业得到广泛的应用。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种在材料表层的多孔结构加工方法，适用于在金属、陶瓷、玻璃、聚合物、以及由上述材料加工的复合材料上形成多孔结构，通过以下步骤实现的：

步骤一、在成型模具、轧辊或材料表面涂覆粘接剂；

步骤二、在粘接剂未固化前，将固体颗粒粘接在涂覆有粘接剂的表面上；

步骤三、通过成型工艺，将粘接的固体颗粒嵌入材料表层；

步骤四、脱除嵌入材料表层的固体颗粒形成若干孔洞。

在本发明的具体实施例中，所选定的固体颗粒是金属、非金属、混合物的颗粒或是上述物质中的两种或多种颗粒的复合体，或天然的或人造的颗粒，或结晶态或无定形态的颗粒，或是一次颗粒、二次颗粒或者是粉末经造粒工艺制备的颗粒。

因此，固体颗粒的尺寸应与材料表层欲形成的孔洞尺寸匹配，固体颗粒的粒径范围在0.2微米至10000微米之间。

在加工时，在成型工艺条件下，所选定固体颗粒的硬度应大于所加工材料的表面硬度。成型工艺条件包括温度、湿度、环境通风以及工作环境等条件，根据加工材质的不同，条件也不同，其中温度是主要因素，其他条件影响加工品质。

在成型加工完成后，上述所选定颗粒能方便地用机械的、物理的或化学的方法选择性去除。

粘接剂是有机的或无机的，天然的或合成的，或是溶剂型的、反应型的或热熔型的；粘接剂选用上述一种或多种。工业上的粘接剂基本可以适用于本发明。

在选择粘接剂时，所选定的粘接剂应有合适的性能。首先所选定的粘接剂应有较好的粘接力，以便在固化前能将固体颗粒粘接在模具或所加工材料的表面，其次固化后的粘接剂应对固体颗粒和模具或所加工材料表面有足够的粘接强度，以保证在成型加工过程中能将固体颗粒固定在材料或模具表面的设定位置，第三，粘接剂应有合适的固化速度，具体而言，即在粘接固体颗粒以前应未固化，进行成型加工时应已固化，第四，成型加工完成后粘接剂对模具的附着力应不妨碍零件从模具中脱出，第五、零件表面粘附的粘接剂残留物应不妨碍后续选择性脱除嵌入材料表层的固体颗粒。

在材料表面需成孔区域位置或成型模具、轧辊对应位置涂覆粘接剂，粘接剂涂覆的工艺可采用喷涂、刷涂、擦涂、辊涂、刮涂、浸涂、淋涂、电泳涂、丝网涂等工艺中的一种或几种，粘附剂可以只涂覆一层，或涂覆多层，对于后一种情况，每一层粘接剂的种类可以相同，也可以不同。

在粘接剂未固化前，使选定的固体颗粒粘接在模具、轧辊或所加工材料的表面涂覆了粘接剂的区域，粘接剂固化后，用毛刷清扫或压缩空气喷吹等方法将撒落在未涂覆粘接剂区域的固体颗粒，以及在涂覆粘接剂区域未与粘接剂直接接触的固体颗粒清除掉。或通过媒介将固体颗粒粘接在材料表面需成孔区域位置或成型模具、轧辊对应位置表面。在上述情况下，媒介可选用双面胶，通过双面胶均匀粘接固体颗粒，达到相同的目的。

使模具、轧辊或所加工材料的表面粘接剂粘接固体颗粒的方法有喷撒、抛撒等，通过控制单位面积表面粘接的固体颗粒数量，可以调整最终的多孔层的孔隙率。

多数情况下，按上述方法在模具、轧辊或所加工材料表面粘接的颗粒层是单层的，如果涂覆的粘接剂较厚时，也可能是多层的，是根据加工需求来决定的。

另外，对于液相成型、粉末成型或是聚合物的流态成型而言，固体颗粒只能粘接在成型模具表面，对于块体材料的塑性成型而言，固体颗粒视情况根据工艺需要可以是粘接在成型模具表面或是所加工块体材料表面。

成型工艺包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物的各种工业成型方法，如铸造、挤压、轧制、锻造、冲压、压制、浇注、注射、喷射等成型方法，成型加工过程中固体颗粒的硬度大于所加工材料表面的硬度，固体颗粒受力作用嵌入所加工材料的表层；成型加工后，所加工材料的设定区域的表层即形成了材料基体和嵌入的固体颗粒结合在一起的结构。

根据工艺特点，有些成型加工后的材料直接进入选择性脱除固体颗粒工序，有些要先经过烧结、热处理、机械加工或表面处理后才进入选择性脱除固体颗粒工序；脱除嵌入所加工材料表层的固体颗粒的方法可以是机械的、物理的或化学的方法，或是上述方法的组合；机械法脱除固体颗粒如机械冲击、车、刨、磨、铣加工；物理法脱除固体颗粒如加热相变(液化、气化)、爆破、激光、利用温度或压力的急剧变化等；化学法脱除固体颗粒如热分解、溶解、化学反应、电解等；采用何种脱除固体颗粒的方法，需综合考虑所加工材料和嵌入其表层的固体颗粒的特性，基本原则是嵌入所加工材料表层的固体颗粒被选择性脱除干净，而材料基体本身并不受损，或只是轻微受损，但并不影响孔洞的功能。

嵌入所加工材料表层的固体颗粒被选择性脱除后，原先由其占据的材料表层位置空出，形成了一个个与所嵌入的固体颗粒形状与尺寸相同或相近的孔洞，且孔与孔之间的孔壁仍为所加工材料基体。

采用上述方法在材料表面设定位置制备的表层多孔结构，其孔隙率可以通过改变单位面积粘接的固体颗粒数量和固体颗粒的尺寸进行调整，其孔径和空洞形状可以通过改变固体颗粒的尺寸和形状进行调整。

以下通过实施例来进行说明，以在玻璃板表面形成球形孔洞多孔层为例。

在本实施例中，所加工材料为一种钠钙玻璃平板，尺寸为142*69*1.2mm，选用粒径为15-35微米，超出此粒径范围的比例不大于15％的球形304不锈钢粉末颗粒，粘接剂选用市售502胶水。

玻璃切割磨边后，用RTs204B水基清洗剂溶液和去离子水清洗干净后，加热干燥，在玻璃平板的一个板面四周距边10mm的范围内均匀涂上用丙酮稀释的502粘接剂，粘接剂涂覆厚度1-3微米，待溶剂挥发1—5分钟，在粘接剂未固化前，将不锈钢粉末颗粒抛撒在粘接剂上，粘接剂固化后，用压缩空气将未与粘接剂粘接的不锈钢颗粒吹掉。

成型工艺中，模具内腔材料为碳化钨合金，要求其表面粗糙度Ra<0.6微米。

工艺采用精密热压成型炉为东芝GMP－311V，最高加热温度800℃，最大压力30000N。

将上述玻璃板粘接有不锈钢颗粒的板面朝上放入下模腔中，盖上上模圈压住粘接的不锈钢颗粒，在氮气保护下将模具和玻璃板一起加热至570-580℃，合模加压，不锈钢颗粒嵌入玻璃板中，保压冷却至300-350℃，脱模，冷却后先经过研磨去除粘接剂挥发后的残留物，然后在RTs915C不锈钢蚀刻液中将嵌入玻璃板表层的不锈钢颗粒腐蚀脱除干净；

在实施例中，按上述方法在玻璃板面制备了单层球形孔洞多孔层，玻璃板面测量孔洞口直径为5-25微米，板面下孔洞最大尺寸与嵌入的不锈钢颗粒粒径相当，为15-35微米。多孔层的孔隙率可通过调整玻璃板面单位面积粘附的不锈钢颗粒数量进行调整，在实施例中，玻璃平板的多孔层孔隙率为23％－52％。

以上仅仅是本发明的其中一实施例，通过本发明的方法还可以加工金属、陶瓷、聚合物，以及由上述材料构成的复合材料。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种在材料表层的多孔结构加工方法，适用于在金属、陶瓷、玻璃、聚合物、以及由上述材料加工的复合材料上形成多孔结构，包括以下步骤：

步骤一、在成型模具、轧辊或材料表面涂覆粘接剂；

步骤二、将固体颗粒粘接在涂覆有粘接剂的表面上；

步骤三、将粘接的固体颗粒嵌入材料表层；

步骤四、脱除嵌入材料表层的固体颗粒形成若干孔洞。

2.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，所述固体颗粒是金属、非金属、混合物的颗粒或是上述物质中的两种或多种颗粒的复合体，在成型工艺条件下，固体颗粒的硬度应大于所加工材料表面硬度。

3.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，所述固体颗粒的尺寸应与材料表层欲形成的孔洞尺寸匹配，固体颗粒的粒径范围在0.2微米至10000微米之间。

4.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，在步骤一中，在材料表面需成孔区域位置或者是成型模具、轧辊对应位置涂覆一层或多层粘接剂。

5.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，在步骤二中，将粘接剂或具有粘接剂的媒介设置在材料表面、成型模具表面、轧辊表面，利用粘接剂将固体颗粒粘接在材料表面或成型模具、轧辊表面上；

通过调整单位面积表面粘接的固体颗粒数量、粒径、分布，控制材料表面多孔层的孔隙率。

6.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，在步骤三中，将粘接的固体颗粒嵌入材料表层是通过成型工艺实现的，所述的成型工艺，是将粘接在材料表面或成型模具、轧辊表面上的固体颗粒嵌入所加工材料的表层，即形成了材料表面和嵌入的固体颗粒结合在一起的结构。

7.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，在步骤四中，脱除嵌入所加工材料表层的固体颗粒的方法是机械的、物理的或化学的方法，或是上述方法的组合。

8.根据权利要求7所述的多孔结构加工方法，其特征在于，所述机械法脱除固体颗粒包括机械冲击、车、铣、刨、磨、钻加工；物理法脱除固体颗粒包括加热相变、爆破、激光、利用温度或压力的急剧变化；化学法脱除固体颗粒包括热分解、溶解、化学反应、电解。

9.根据权利要求1所述的多孔结构加工方法，其特征在于，嵌入所加工材料表层的固体颗粒被选择性脱除后，原先由其占据的材料表层位置空出，形成了与所嵌入的固体颗粒形状与尺寸相同或相近的孔洞，且孔与孔之间的孔壁仍为所加工材料基体。