一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法

摘要

本发明公开了一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法，包括对稻谷壳进行酸化处理、清洗、粉碎、筛粉后得到不同粒径大小的稻谷壳粉末，然后将稻谷壳粉末与钛粉进行混合后研磨、压制成型及其真空烧结，得到多孔钛材料，不仅提高了多孔钛材料的孔隙率，增大了压缩强度，满足了医疗或建筑等方面关于多孔钛材料的要求；而且本发明采用生物质材料稻谷壳作为造孔剂制备多钛材料，不仅制备成本降低、而且生产工艺步骤简单，有很好的使用价值。

说明书

技术领域

本发明属于多孔钛材料制备方法技术领域，具体涉及一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法。

背景技术

中国是一个农业大国，也是水稻种植大国，每年稻谷壳产量约为4×10⁷吨，但综合利用率不到10％，其中大部分稻谷壳被直接燃烧或废弃，只有小部分被用作动物饲料，不仅资源浪费严重，而且造成了环境污染，在稻谷壳的综合利用方面，其作为一种廉价的生物质原料在可再生能源中被广泛使用，如利用稻谷壳作为高性能添加剂制备水泥混凝土材料，使用稻谷壳作为造孔剂制备性能优良、成本低廉的多孔氧化铝陶瓷和粘土砖材料等；使用稻谷壳作为烧结制品的造孔剂，不仅利用了粮食行业的副产品，而且还增加了烧结产品的附加值，稻谷壳在经过高温燃烧后，其中一部分有机物质经过燃烧后形成孔，稻谷壳的尺寸越大，在液相燃烧过程中形成的孔越大，强度的影响越大。

多孔材料具有多孔性、导热性、优良的机械性能和生物性能等特点成为近年来研究的热点，广泛应用于流体过滤器、催化剂载体、热交换器、热绝缘、固体氧化物燃料电池，燃烧器，生物医学植入物等领域，由于其相对密度低、孔隙率高、比表面积高、耐热冲击性良好，热质量低等独特的性能，也应用在物活性多孔钛材料的制备方面，但一些研究人员依靠低熔点金属如Ni、Mg和Al等造孔剂的挥发制备多孔钛材料，另一部分研究者使用的造孔剂是无机盐材料，如氯化钾、氯化钠、尿素和碳酸氢铵，这些材料都有一个共同的特点，其熔点温度低，通过高温烧结使其晶体挥发在基体中产生孔隙制备多孔材料，所以根据多孔材料的造孔剂粒度可以设计不同的孔隙度、孔隙结构和多孔钛的弹性模量，使他们能满足应用的要求，但这些材料都是通过工业化生产得到，工艺复杂，成本大，在制备过程中存在一定的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法，解决了现有多孔钛材料制备过程中成本过高、生产工艺复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法，包括以下步骤：

步骤1，对稻谷壳进行预处理

步骤1.1，在柠檬酸水溶液中加入适量的稻谷壳，搅拌酸洗；

步骤1.2，将步骤1.1处理后的稻谷壳过滤，置于去离子水中搅拌清洗2-3次，过滤烘干；

步骤1.3，将步骤1.2处理后的稻谷壳粉碎、筛粉后得到稻谷壳粉末；

步骤2，将适量步骤1.2中的稻谷壳粉末与钛粉混合，并向其中加入研磨体，置入混粉机内混合均匀，得到混粉；

步骤3，将步骤2中的混粉加入柱状不锈钢模具内，使用单向油压万能试验机压制成型，得到生坯；

步骤4，将步骤3中的生坯置于真空烧结炉内烧结，得到多孔钛材料。

本发明的特征还在于，

步骤1.1中柠檬酸水溶液的配制为：将质量2-4g的无水柠檬酸粉末加入体积150-250ml的去离子水中，搅拌均匀；且步骤1.1中的稻谷壳与无水柠檬酸粉末的质量比为3-5:1。

步骤1.1中搅拌时温度45-55℃、搅拌时间20-40min、搅拌速度5-15r/min。

步骤1.2中搅拌时间5-10min，烘干温度90-100℃，烘干时间50-70min。

步骤1.3中稻谷壳粉末的粒径为100-180μm、180-250μm、250-380μm或380-550μm中任意一种。

所述的步骤2中钛粉与稻谷壳粉末的质量比为4.5-5.5:1。

步骤2中研磨体为氧化锆球体，且与稻谷壳粉末和钛粉的球料比4:1，混粉时间时间为1.5-2.5h。

步骤3中压制成型时保压时间为2-5min。

步骤4中真空烧结炉的真空度为10^-3Pa。

本发明的有益效果是：本发明一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法通过对稻谷壳进行酸化处理、清洗、粉碎、筛粉后得到不同粒径大小的稻谷壳粉末，然后将稻谷壳粉末与钛粉进行混合后研磨、压制成型及其真空烧结，得到多孔钛材料，不仅提高了多孔钛材料的孔隙率，增大了压缩强度，满足了医疗或建筑等方面关于多孔钛材料的要求；而且本发明采用稻谷壳作为造孔剂制备多钛材料，不仅制备成本降低、而且生产工艺步骤简单，有很好的使用价值。

附图说明

图1是本发明一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法的流程示意图；

图2是正常钛粉的扫描电镜图；

图3是本发明中实施例2的扫描电镜图；

图4是本发明中实施例3的扫描电镜图；

图5是本发明中实施例3的孔隙率与力学性能之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种以稻谷壳造孔剂制备多孔钛材料的粉末冶金法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，对稻谷壳进行预处理，避免杂质对钛基体的影响

步骤1.1，在柠檬酸水溶液中加入适量的稻谷壳，在温度45-55℃、速度5-15r/min条件下搅拌酸洗20-40min，其中柠檬酸水溶液的配制为：将质量2-4g的无水柠檬酸粉末加入体积150-250ml的去离子水中，搅拌均匀，且稻谷壳与无水柠檬酸粉末的质量比为3-5:1；

步骤1.2，将步骤1.1处理后的稻谷壳过滤，置于去离子水中搅拌清洗2-3次，过滤烘干，其中搅拌时间5-10min，烘干温度90-100℃，烘干时间50-70min；

步骤1.3，将步骤1.2处理后的稻谷壳粉碎、筛粉后得到稻谷壳粉末，稻谷壳粉末的粒径为100-180μm、180-250μm、250-380μm或380-550μm中任意一种；

步骤2，将适量步骤1.2中的稻谷壳粉末，将质量比为4.5-5.5:1钛粉与稻谷壳粉末混合，并向其中加入研磨体氧化锆球体，置入混粉机内混合均匀，得到混粉，其中球料比4:1，混粉时间为1.5-2.5h；

步骤3，将步骤2中的混粉加入柱状不锈钢模具内，使用单向油压万能试验机压制成型，保压2-5min得到生坯；

步骤4，将步骤3中的生坯置于真空度为10^-3Pa的真空烧结炉内烧结，得到多孔钛材料。

实施例1

(1)稻谷壳酸洗处理

采用的稻谷壳来自于武汉米厂，取质量比为3:1的稻谷壳与无水柠檬酸粉末，将质量2g的无水柠檬酸粉末加入体积150ml的去离子水中，搅拌均匀形成柠檬酸水溶液，将稻谷壳置于柠檬酸水溶液中，在温度45℃、速度5r/min条件下搅拌酸洗40min，过滤酸化后的稻谷壳，将其置于去离子水中搅拌清洗3次，再过滤烘干，其中搅拌时间5min，烘干温度90℃，烘干时间50min。

(2)粉碎处理

将酸化水洗后的稻谷壳置入粉碎机中粉碎，然后筛分得到稻谷壳粉末，稻谷壳粉末的粒径为100-180μm。

(3)研磨和压制成型

取质量比为4.5:1钛粉与稻谷壳粉末混合，并向其中加入研磨体氧化锆球体，当球料比为4:1时置入混粉机内混粉1.5h混合均匀，得到混粉；然后将混粉加入柱状不锈钢模具内，使用单向油压万能试验机压制成型，保压2min得到生坯。

(4)烧结

将生坯置于真空度为10^-3Pa的真空烧结炉内烧结，得到多孔钛材料。

实施例2

(1)稻谷壳酸洗处理

采用的稻谷壳来自于武汉米厂，取质量比为4:1的稻谷壳与无水柠檬酸粉末，将质量3g的无水柠檬酸粉末加入体积200ml的去离子水中，搅拌均匀形成柠檬酸水溶液，将稻谷壳置于柠檬酸水溶液中，在温度50℃、速度10r/min条件下搅拌酸洗30min，过滤酸化后的稻谷壳，将其置于去离子水中搅拌清洗2次，再过滤烘干，其中搅拌时间8min，烘干温度95℃，烘干时间60min。

(2)粉碎处理

将酸化水洗后的稻谷壳置入粉碎机中粉碎，然后筛分得到稻谷壳粉末，稻谷壳粉末的粒径为180-250μm。

(3)研磨和压制成型

取质量比为5:1钛粉与稻谷壳粉末混合，并向其中加入研磨体氧化锆球体，当球料比为4:1时置入混粉机内混粉2h混合均匀，得到混粉；然后将混粉加入柱状不锈钢模具内，使用单向油压万能试验机压制成型，保压4min得到生坯。

(4)烧结

将生坯置于真空度为10^-3Pa的真空烧结炉内烧结，得到多孔钛材料。

实施例3

(1)稻谷壳酸洗处理

采用的稻谷壳来自于武汉米厂，取质量比为5:1的稻谷壳与无水柠檬酸粉末，将质量4g的无水柠檬酸粉末加入体积250ml的去离子水中，搅拌均匀形成柠檬酸水溶液，将稻谷壳置于柠檬酸水溶液中，在温度55℃、速度15r/min条件下搅拌酸洗20min，过滤酸化后的稻谷壳，将其置于去离子水中搅拌清洗3次，再过滤烘干，其中搅拌时间10min，烘干温度100℃，烘干时间70min。

(2)粉碎处理

将酸化水洗后的稻谷壳置入粉碎机中粉碎，然后筛分得到稻谷壳粉末，稻谷壳粉末的粒径为380-550μm。

(3)研磨和压制成型

取质量比为5.5:1钛粉与稻谷壳粉末混合，并向其中加入研磨体氧化锆球体，当球料比为4:1时置入混粉机内混粉2.5h混合均匀，得到混粉；然后将混粉加入柱状不锈钢模具内，使用单向油压万能试验机压制成型，保压5min得到生坯。

(4)烧结

将生坯置于真空度为10^-3Pa的真空烧结炉内烧结，得到多孔钛材料。

如图2所示，为正常钛粉的扫描照片，如图3-4所示，分别为实施例2和实施例3生成的多孔钛的扫描照片，可以得出，实施例2和实施例3的扫描照片中多孔钛的孔隙比正常钛粉的孔隙更大，如图5所示，而且多孔钛材料的孔隙率最大能达到59.45％，压缩强度最大能达到70MPa，最大弹性模为6.36Gpa，满足了医疗或建筑等方面关于多孔钛材料的要求；而且本发明采用生物质材料稻谷壳作为造孔剂制备多钛材料，不仅制备成本降低、而且生产工艺步骤简单，有很好的使用价值。