作者:王超 来源:中国科学报 发布时间:2016/3/7 10:38:17
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只因一次偶然的发现
中科院金属所开创物理制备多孔金属新方法

工业黄铜粉制备的多孔铜粉

工业黄铜箔制备的多孔纯铜箔

自制黄铜制备的多孔纯铜

多孔316L 不锈钢

■本报记者 王超

一台真空热处理炉,一台服役12年还略带锈迹的真空机组,构成了中科院金属研究所副研究员任伊宾探索多孔金属的全部家当。

“出来了!真的出孔了!”随着扫描电镜的聚焦过程逐渐清晰,任伊宾看到了金属样品表面均匀分布的孔隙,再也掩饰不住内心的兴奋。

自2015年10月以来,任伊宾小组相继在国际杂志《真空(Vacuum)》和《材料快报(Materials Letters)》上快速发表了“物理制备多孔金属”的相关研究成果,申请了5项国家发明专利,并针对其中一个专利申请了PCT国际专利审查。而这一切,都源于任伊宾科研过程中的一次偶然发现。

无心插柳柳成荫

“最初开始研究,是从研究‘医用高氮无镍奥氏体不锈钢冠动脉支架’过程中出现的一个问题开始的。”任伊宾在接受《中国科学报》记者采访时坦言,自己是搞应用基础研究的,最初的研究完全是出于科研过程中的一次偶然发现,并没有提前设定的目标。

开发“医用支架”时需要用到高氮无镍不锈钢毛细管材。任伊宾在制备管材的时候发现,退火热处理后,毛细管材表面出现了十几微米厚的一层非正常的粗晶粒组织,且表面组织排列非常均匀粗大。

这引起了任伊宾的注意。经过很长一段时间的研究发现,毛细管材表面出现的粗晶粒组织,主要是由于不锈钢表面锰元素的高温升华造成的。而怎么利用这种“缺陷”发展定向生长的晶粒组织则为他接下来的研究埋下了一粒种子。

又是一次偶然。在研究的过程中,任伊宾看到了一篇关于《脱合金制备纳米多孔金属》的文章。

“当时我就想,脱合金制备纳米多孔金属是利用化学或电化学方法把合金中的一种合金元素脱去,最终形成多孔金属,我可否利用高蒸气压金属元素的升华这一物理过程脱合金制备纳米多孔金属?”任伊宾随即开始了他的尝试。

切一片试试

实验室中的第一次尝试,是从一片“镍锰二元合金”开始的。在其他课题组的帮助下,任伊宾试制了500克“镍锰二元合金”,切了一片便开始了最初的实验尝试。

实验利用一台真空热处理炉,为了使高温升华得更快些,任伊宾从1000℃高温开始尝试。不料因炉温控制系统误差,合金出现了过烧现象。

就这样屡败屡试,当他将温度降低到900℃至950℃之间,并重新检修了真空系统、优化了热处理工艺和样品清洗工艺之后,终于解决了真空热处理实验中金属样品表面氧化和沉积等问题。

“当时也不知道能够成功,尽管从原理上是可行的。”任伊宾所说的原理,指的是扩散理论中的“柯肯达尔效应”,充分利用高蒸汽压金属的升华和不平衡扩散造成的柯肯达尔空洞,获得微米孔金属。现在柯肯达尔效应已经被用来制备中空纳米颗粒,而真空脱合金制备多孔金属也是这种效应的另一种应用。

实验做完后,起初在光学显微镜下什么也看不到,只是隐约感到有孔存在。后来通过扫描电镜,任伊宾看到了均匀的孔分布在样品表面,也就有了本文开头的一幕。

“虽然获得的是微米孔,没有得到预期的纳米孔,但是第一次用实验验证了物理脱合金工艺的可行性。”任伊宾说。后来,考虑到锌的高蒸汽压和铜合金的低熔点,他又自制了一系列的黄铜合金,同样获得了非常漂亮的微米孔金属铜。

多孔金属的大用处

中科院金属所专用材料与器件研究部主任杨柯研究员见证了物理制备多孔金属的发现过程。他认为,任伊宾的多孔金属物理制备方法和传统的化学脱合金制备方法相比是完全不同的,除了整个过程是纯物理过程外,还具有可规模化大批量生产的优势。

“更为关键的是,物理脱合金方法具有更广的金属适用范围,可以制备多孔不锈钢等‘多孔多元合金’,而化学脱合金通常只能制备‘多孔纯金属’。”杨柯表示。

目前,国内外大多用电解铜箔制备锂电池的集流体,而多孔铜箔具有“比表面积”高的优势。因此,如果能将工业黄铜箔制备成多孔纯铜箔,对电池领域来说不无裨益。

任伊宾将20微米厚的工业黄铜箔制备的多孔纯铜箔送给金属所的其他同事,用于研究新型电极材料的测试,测试结果超出了大家的期望。

“这种铜箔不但孔非常均匀漂亮,在同等条件下,对我所研究的电极材料的充电性能也有显著提高,达到30%以上。”中科院金属所研究员王晓辉补充道,虽然后来采用其他电极材料时,性能提高只有10%左右,但是这种全新的多孔金属制备方法却是对传统化学脱合金方法的补充,仍然具有很多潜在用途。

任伊宾表示,下一步愿意与更多的同行或其他研究者一起合作,进一步优化多孔不锈钢的制备工艺,制备满足工业应用的多孔不锈钢,争取在锂电池和超级电容器等方面发现更大的应用空间。

《中国科学报》 (2016-03-07 第5版 创新周刊)
 
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