一种Fe-Al系金属多孔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及工业气-固、液-固分离净化的技术领域，尤其涉及Fe-Al(铁-铝)系金属多孔膜的制备方法的相关技术领域。
背景技术
Fe-Al系金属间化合物因其自身具备耐热、耐磨、耐腐蚀的性能，且金属元素间在高温下能够产生Kirkendall(柯肯达尔)效应，在材料中形成孔隙，故可作为良好的金属多孔膜材料，目前已广泛应用于工业生产制造行业，特别是煤化工、石油化工过程中的两相分离净化过程。传统的Fe-Al系金属多孔膜能够克服其他材质多孔膜所不能承受的高温、高腐蚀过滤环境，极大程度上解决了工业中严苛工况条件下分离净化的困难，但Fe-Al系金属间化合物固有的室温脆性特点仍制约着该类金属多孔膜的发展。
为了更好的发挥Fe-Al系金属多孔膜的优势，研究人员针对如何克服材料室温脆性的问题做了大量的研究。Fe-Al系金属间化合物的强韧化方法主要包括：细化晶粒、(微)合金化、复合强韧化。细化晶粒法一般通过机械合金化来实现，在相同的体积下，细化的晶粒能够提供更大面积的界面，因此增加了晶界滑移发生的概率，增加材料的变形，从而提高材料的强度及韧性。但细化晶粒的方法在制备金属多孔膜领域中并不能发挥其优势，晶粒足够细化才能够有效增强材料韧性，但过于细化的晶粒会增加材料的致密度，无法保证滤材的孔隙率及透气性的要求。(微)合金化法是在Fe-Al系金属间化合物中加入B元素，提高晶界附近的浓度，降低H原子沿晶界的扩散系数，从而抑制空气脆性，提高材料韧性。(微)合金化法能够缓解材料因自身脆性对于加载强度及速度的控制程度，但无法从根本上改善其脆性的特征，且B元素的用量需要严格的控制，微量、过量都无法达到材料增韧的效果。对于金属多孔膜的制备，此方法增加了制备的复杂程度，且无相关研究表明B元素的增加是否会对金属多孔膜的性能产生影响，因此该方法同样不适用于生产加工金属多孔膜。复合强韧化法是将增强相(颗粒等)加入到Fe-Al金属间化合物基体中，界面通过增强相传递载荷，可调节复合材料内的应力分布，起到材料增韧的效果。颗粒增强相的过程虽简单易行，但多用于制备致密烧结体。
发明内容
目前，对于Fe-Al系金属多孔膜增韧的方法大多也在研究与实验的过程中，本发明专利通过对材料自身特性及Fe-Al系金属多孔膜制备工艺的研究，设计出了一种高强高韧的Fe-Al系金属多孔膜，其中添加了金属纤维粉，极大的发挥了Fe-Al系金属间化合物的优势，使其成为过滤性能与强度性能兼具的优异滤材。由于金属纤维粉中的短纤维根据其自身长度大于直径的形状，能够在基体颗粒间起到传递、分散、消除应力的作用，因此可以在材料强度几乎不变的情况下有效提升复合材料的断裂韧性。此方法应用于金属多孔膜的加工过程既不会存在基体过于致密化影响滤材透气性的问题，也不会因为加入增强相而改变材料的孔隙特性。因此本发明采用纤维增强的方式来提升Fe-Al系多孔膜的韧性，抑制Fe-Al系金属间化合物作为过滤材料的缺陷，有效发挥其耐高温、耐腐蚀的特点，解决严苛工况、特殊条件下分离净化困难的问题。
为此，本发明旨在：
1.通过改变传统Fe-Al系金属多孔膜的材料成分，在多孔膜制备原料中加入金属纤维粉，获得高强高韧的Fe-Al系金属多孔膜，解决Fe-Al系金属多孔膜在制备及使用过程中易开裂、膜层脱落的问题。
2.调整Fe-Al系金属粉末与金属纤维粉的原料配比得到孔径与渗透性能匹配度最佳的金属多孔膜产品。
3.采用设备简单、可连续操作的流延成型法，并改进金属多孔膜成型工艺，获得孔隙均匀且孔隙率高的金属多孔膜材料。
4.提高Fe-Al系金属多孔膜的过滤性能及膜体强度，延长金属多孔膜的使用寿命，替代不锈钢材质，节约生产、再生成本。
相应地，本发明提供一种Fe-Al系金属多孔膜的制备方法，包括以下步骤：在添加了有机添加剂的水基溶液中加入Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉，并将其混合成浆料；将所述浆料通过流延机流延，在金属基层上流延成膜胚体并使其干燥；以及对干燥后的膜坯体在烧结炉中进行有机物脱除、高温烧结并进行预定温度下的反应合成，使得生成脱除了所述有机添加剂并具有均匀孔隙结构的Fe-Al系金属多孔膜。
本发明还提供一种Fe-Al系金属多孔膜，其特征在于，所述Fe-Al系金属多孔膜包括烧结的金属基层，和烧结的Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的混合膜层，其中，所述烧结的Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的混合膜层位于烧结的金属基层之上；以及其中，包含有机添加剂、Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的水基溶液通过流延机在所述金属基层上流延成膜胚体，干燥后经有机物脱除、高温烧结并进行预定温度下的反应合成而得到所述烧结的金属基层和所述烧结的Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的混合膜层。
通过上述技术方案，本发明有以下优点：
1.强度高、韧性好
本发明设计的金属多孔膜具有较好的韧性，相比未添加金属纤维粉的普通Fe-Al系金属多孔膜，其冲击韧度提高了两倍以上。
2.耐高温、耐腐蚀性强
实验对比了Fe-Al系金属间化合物与其他合金，如310S，316L，Mone1400等，在相同高温高腐蚀条件下的氧化增重速率及腐蚀增重速率，发现Fe-Al系金属材质氧化增重速率远低于其他合金，且腐蚀增重速率保持在较低水平，基本不随时间不变化，表现出优异的耐高温、耐腐蚀性能。
3.孔隙均匀，渗透性高
本发明设计的金属多孔膜具有较好的孔隙特性，与不含金属纤维粉的Fe-Al膜相比，可在孔径不发生较大改变的情况下大幅提高薄膜渗透性。
因此，本发明设计出的Fe-Al系金属多孔膜能够有效增强Fe-Al系金属多孔膜的韧性，可广泛应用于工业生产中的气-固、液-固分离过程。传统的Fe-Al系金属多孔膜由于Fe-Al金属间化合物自身室温脆性的问题，在生产和使用过程中存在缺陷，本发明通过改进金属多孔膜的原料成分，在粉末原料中添加金属纤维粉来提高多孔膜的韧性及强度，有效增强了Fe-Al系金属多孔膜的使用性能，可替换不锈钢类多孔膜产品，降低经济成本。
附图说明
图1为根据本发明的Fe-Al系金属多孔膜的断面结构图；
图2为根据本发明Fe-Al系金属多孔膜的制备方法的流程图；
图3为本发明制备方法中使用的流延工装示意图；以及
图4为本发明制备方法中的烧结升温工艺图。
具体实施方式
现在参考附图来具体描述发明，其中相同或相似的标号表示相同或相似的部件。
图1为根据本发明的Fe-Al系金属多孔膜的断面结构图。如图1所示，本发明的Fe-Al系金属多孔膜包括烧结的金属基层1，和烧结的Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的混合膜层2，所述烧结的Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的混合膜层2位于烧结的金属基层1之上。
其中，金属基层1可以是诸如金属基膜或金属丝网这样的形式，将包含有机添加剂、Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的水基溶液通过流延机在所述金属基层1上流延成膜胚体并在室温下干燥，之后将干燥后的流延膜坯体进行有机物脱除、高温烧结并进行预定温度下的反应合成，使得生成脱除了所述有机添加剂并具有均匀孔隙结构的Fe-Al系金属多孔膜，由此得到由烧结的金属基层1，和烧结的Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉的混合膜层2构成的、结合成整体的本发明的Fe-Al系金属多孔膜。
本发明中，所述Fe-Al系金属粉末优选为Fe3Al粉和FeAl粉中的一种或两种，更优选在金属粉末中还加入Al粉；金属纤维粉优选为304L，316L，310S不锈钢纤维粉中的一种或几种；金属基膜或丝网优选为310S，304L和316L中的一种。所述有机添加剂是粘结剂、增塑剂和分散剂，优选包括聚乙烯醇、甲基纤维素、聚乙二醇、丙三醇、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种。
图2为根据本发明Fe-Al系金属多孔膜的制备方法的流程图，如图2所示，本发明的制备方法包括以下步骤：
1.在添加了有机添加剂的水基溶液中加入Fe-Al系金属粉末及金属纤维粉，搅拌混合配制均匀稳定的浆料。
2.浆料通过流延机流延，在诸如金属基膜或丝网这样的金属基层上流延成膜坯体并在室温下干燥。
3.将干燥后的膜坯体在烧结炉中进行有机物脱除、高温烧结并进行预定温度下的反应合成，使得生成脱除了所述有机添加剂并具有均匀孔隙结构的Fe-Al系金属多孔膜。
此外，在需要将Fe-Al系金属多孔膜制成过滤材料的情况下，还可以包括步骤：
4、将烧结完成后的Fe-Al系金属多孔膜进行卷管焊接，得到表面光洁、孔隙分布均匀、韧性好的过滤材料。
其中，本发明的Fe-Al系金属多孔膜由Fe-Al系金属粉末与金属纤维粉的混合膜层以及金属基层(可以是金属基膜或金属丝网)复合而成，所述Fe-Al系金属粉末优选为FeAl粉和Fe3Al粉中的一种或两种，更优选还加入Al粉；金属纤维粉为304L、310S、316L不锈钢纤维粉中的一种或几种；金属基膜或金属丝网为304L、310S和316L中的一种。所述有机添加剂是粘结剂、增塑剂和分散剂，优选包括聚乙烯醇、甲基纤维素、聚乙二醇、丙三醇、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种。
将Fe-Al系金属粉末与金属纤维粉混合后得到的浆料作为制备原料，通过在金属基层上流延成型的方法得到孔隙均匀、性能均一、尺寸一致的成型坯体，再通过烧结工艺去除成型坯体骨架中的有机物并加固金属多孔膜的强度，最后将膜片取出，通过卷管焊接的方式得到高强高韧的金属多孔膜过滤材料，以电阻焊的方式实现整支滤芯的连接。
不同于传统的流延成型工艺，本发明对该技术进行了优化改进，选用水基溶剂替代传统工艺中使用的有机溶剂。通常而言，流延技术所使用的有机溶剂，如甲苯、二甲苯等，均具有一定的毒性，不仅对设备、环境造成污染，且浆料中高含量的有机物难以完全脱出，从而影响金属膜片的性能，在加工过程中出现变形、开裂的质量问题。而本发明水基溶剂是在水溶液中加入少量的粘结剂、增塑剂和分散剂，与金属粉末按照设计比例均匀混合后可得到稳定的浆料。
图3是本发明制备方法中使用的流延工装示意图，如图3所示，本发明Fe-Al系金属多孔膜构成中的诸如金属基膜或金属丝网这样的金属基层1′放置在流延衬带的基板3上，将配制好的流延浆料置入浆料槽4中，通过调节刮刀5与衬带的间距及带轮6的运动速度，在金属基层1′上流延出一层均匀的浆料膜，待金属膜胚体干燥后从基板3剥落，送至烧结工序脱脂、成型。
现在参考图4所示的烧结升温工艺图来描述本发明中的有机物脱除和烧结过程，烧结升温工艺如图4所示，升温分为四个阶段，第一阶段(I)升温至280-320℃脱除制备浆料中的所述有机添加剂，第二阶段(II)升温至Al元素熔点温度450℃以下，抑制自蔓延，诱导Kirkendall反应发生，促进Fe-Al系金属间多孔材料的生成，第三阶段(III)缓慢升温至650-730℃，达到Al元素熔点以上的温度，消耗其中的Al元素，提高孔隙率，此时发生反应合成，放出大量的热使薄膜(即，膜胚体)温度迅速上升，该阶段需控制升温速度来降低反应的剧烈程度，避免过度剧烈反应及(膜)坯体受热不均致使烧结体出现开裂及整体变形的现象。第四阶段(IV)继续缓慢升温，使薄膜中的粉末颗粒与纤维粉之间形成牢固的烧结颈，得到均匀的孔隙结构。
焊接方式根据金属薄膜的结构特性，选择电阻焊的方式进行连接。用剪板机将烧结完成的膜片裁剪成合适的尺寸，通过卷管机工装卷成筒状，接合处上下薄膜叠合搭接。将搭接处压紧在盘状电极之间，通电焊接得到圆筒薄膜。
为了进一步更清楚地描述本发明Fe-Al系金属多孔膜的制备方法，以下给出了分别以Fe3Al/FeAl金属粉末作为Fe-Al系金属粉末为例的具体实例：
实例1
1.将1000克-500目的雾化Fe3Al粉末和100克-500目的Al粉及100克不锈钢纤维粉分别加入到水基溶剂中(三种粉末配比为10∶1∶1，具体范围可以据此进行微调)，并与甲基纤维素、聚乙二醇等搅拌均匀形成稳定浆料。
2.在流延基板上铺60目316L不锈钢金属基膜，浆料通过流延机在金属基膜表面，根据所需厚度控制刮刀间隙在0.4-0.6mm之间，基带运动速度0.5-0.7mm/s，得到厚度均匀的流延坯体。
3.将承载流延坯体的基板放置在室温环境下干燥1-3h。
4.从基板上剥离干燥后的膜片，送入真空烧结炉进行脱脂、烧结。第一阶段升温至280-320℃，保温2h，第二阶段升温至450℃以下，保温2h，第三阶段缓慢升温至650-730℃，保温1h，第四阶段继续缓慢升温至1300℃左右，使薄膜中的粉末颗粒与纤维粉之间形成牢固的烧结颈，自然冷却得到均匀的孔隙结构。
5.制得的Fe-Al系金属多孔膜表面光洁平整，孔隙率为40％-50％。
实例2
1.将750克-500目的雾化Fe3Al粉末和25克-500目的Al粉及不锈钢纤维粉分别加入到水基溶剂中(三种粉末配比为30∶1∶1，具体范围可以据此进行微调)，并与甲基纤维素、聚乙二醇等搅拌均匀形成稳定浆料。
2.在流延基板上铺60目316L不锈钢丝网，浆料通过流延机流延在金属丝网表面，根据所需厚度控制刮刀间隙在0.4-0.6mm之间，基带运动速度0.5-0.7mm/s，得到厚度均匀的流延坯体。
3.将承载流延坯体的基板放置在室温环境下干燥1-3h。
4.从基板上剥离干燥后的膜片，送入真空烧结炉进行脱脂、烧结。第一阶段升温至280-320℃，保温2h，第二阶段升温至450℃以下，保温2h，第三阶段缓慢升温至650-730℃，保温1h，第四阶段继续缓慢升温至1300℃左右，使薄膜中的粉末颗粒与纤维粉之间形成牢固的烧结颈，自然冷却得到均匀的孔隙结构。
5.制得的Fe-Al系金属多孔膜表面光洁平整，孔隙率超过60％。
实例3
1.将750克-500目的雾化FeAl粉末和25克-500目的Al粉及不锈钢纤维粉分别加入到水基溶剂中(三种粉末配比为30∶1∶1，具体范围可以据此进行微调)，并与甲基纤维素、聚乙二醇等搅拌均匀形成稳定浆料。
2.在流延基板上铺60目316L不锈钢丝网，浆料通过流延机流延在金属丝网表面，根据所需厚度控制刮刀间隙在0.4-0.6mm之间，基带运动速度0.5-0.7mm/s，得到厚度均匀的流延坯体。
3.将承载流延坯体的基板放置在室温环境下干燥1-3h。
4.从基板上剥离干燥后的膜片，送入真空烧结炉进行脱脂、烧结。第一阶段升温至280-320℃，保温2h，第二阶段升温至450℃以下，保温2h，第三阶段缓慢升温至650-730℃，保温1h，第四阶段继续缓慢升温至1300℃左右，使薄膜中的粉末颗粒与纤维粉之间形成牢固的烧结颈，自然冷却得到均匀的孔隙结构。
5.制得的Fe-Al系金属多孔膜表面光洁平整，孔隙率超过60％。
需要说明的是，根据对本发明的上述详细描述，本领域普通技术人员完全可以清楚设想出除Fe3Al和FeAl金属粉末外的其它Fe-Al系金属粉末的类似实施方式，因此，本发明人在此不一一赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
