Способ получения пористого металла

(51) 22 1/08 (2006.01) 01 9/04 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ катализаторов,в электротехнической промышленности и других отраслях. Способ получения пористого металла включает получение расплава с определенной концентрацией двух металлов, кристаллизацию и испарение одного из металлов, в котором в качестве металлов используют тантал и кадмий, получение расплава ведут наночастицами металлов докритического размера, превышение которого приводит к кристаллизации расплава, концентрация тантала в твердом сплаве составляет 5-40 масс. , кадмия 95-60 масс. , испарение кадмия из твердого расплава осуществляют в вакууме при температуре более 700 С. Технический результат заключается в получении пористого тантала.(72) Володин Валерий Николаевич Тулеушев Юрий Жианшахович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт ядерной физики Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МЕТАЛЛА(57) Изобретение относится к области получения специальных пористых металлов и сплавов и может быть использовано в металлургии, при производстве Изобретение относится к области получения специальных пористых металлов и сплавов и может быть использовано в металлургии, при производстве катализаторов,в электротехнической промышленности и других отраслях. Известен способ получения вспененного металла(Патент Российской Федерации 2016113, кл. С 22 С 1/08, опубл. 15.07.1994, бюлл. 13) в котором расплав металла диспергируют в потоке разреженного газа с непрерывным сжатием получаемой газометаллической смеси до атмосферного давления с образованием пены,причем сжатие смеси осуществляют за время, не превышающее время динамической релаксации формы части диспергированного расплава, а затем статическое давление в потоке пены поддерживают равным атмосферному. Способ не применим для получения пористого металла, такого как тантал, так как вследствие высокой температуры плавления(2996 С) и высокой плотности металла (16,6 т/м) образования пены не возможно. Известен также способ получения крупногабаритных образцов из высокопористых ячеистых материалов(Патент Российской Федерации 2001142, кл. С 22 С 1/08, В 22 3/10,опубл. 15.10.1993, бюлл. 37-38), включающий подготовку полимерной подложки, нанесения на нее металлического покрытия, сушку заготовок,удаление продуктов термической деструкции полимера из них и спекание в восстановительной атмосфере, в котором удаление продуктов термической деструкции ведут с принудительной продувкой их структуры при расходе газа на единицу объема материала 15-100 м 3/м 3 при скорости нагрева 100-600 град./час, причем деструкцию ведут в окислительной или инертной атмосфере. Способ трудно применим к процессу изготовления пористого тантала, так как спекание необходимо производить при температуре,составляющей (0,7-0,8) температуры плавления(С.В. Белов,Пористые материалы в машиностроении, М. Машиностроение 1976,с.19), что составляет 2097-2397 С. Кроме того,использование окислительной атмосферы приведет к образованию на поверхности тантала весьма устойчивой пленки оксида тантала, мешающей получению конечного продукта. В способе изготовления анода электролитического конденсатора из тантала(Патент Российской Федерации 2271051, кл. Н 01 9/04, опубл. 27.02.2006, бюлл. 6),включающем получение тантал-алюминиевого сплава одновременным распылением мишеней из тантала и алюминия ионно-плазменным распылением и послойным осаждением их на подложку в виде чередующихся слоев определенной толщины, формирование анода, для развития поверхности алюминий удаляют растворением в одномолярном растворе щелочи . Способ позволяет получить пористое покрытие, однако пористость и степень развития поверхности тантала является недостаточной. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ изготовления фильтров тонкой очистки на основе сплавов (А.с. СССР 1468948, кл. С 22 С 1/08,опубл. 30.03.1989, бюлл. 12), включающем расплавление компонентов сплава, направленную кристаллизацию с получением волокнистой структуры, получение дисков и удаление из них волокон, в котором в качестве компонентов сплава используют 31-37 меди и 63-69 свинца, а удаление волокон осуществляют выпариванием свинца. Использование данного способа для получения пористого тантала технически трудно осуществимо вследствие высокой температуры плавления тантала (2996 С) и высокого давления пара свинца, температура кипения свинца при атмосферном давлении соответствует 1743 С. То есть свинец испарится до достижения танталом температуры плавления и образование сплава не представляется возможным. Технический результат от совокупности влияния признаков,предлагаемых в изобретении,заключается в получении пористого тантала. Технический результат достигается в способе получения пористого металла, включающем получение расплава с определенной концентрацией двух металлов, кристаллизацию и испарение одного из металлов, в котором в качестве металлов используют тантал и кадмий, получение расплава ведут наночастицами металлов докритического размера, превышение которого приводит к кристаллизации расплава, концентрация тантала в твердом сплаве составляет 5-40 масс. , кадмия 95-60 масс. , испарение кадмия из твердого расплава осуществляют в вакууме при температуре более 700 С. Суть изобретения заключается в следующем. При уменьшении размеров частиц тантала и кадмия меньше критического размера значительно снижается их температура плавления, при этом разница по сравнению с компактным металлом достигает сотен и тысяч (для тантала) градусов. Поэтому соосаждение наночастиц тантала и кадмия малых размеров на некоторую поверхность, когда они находятся в жидкой форме, в виде расположенных рядом и соприкасающихся островков, сопровождается слиянием их и образованием расплава. Коалесценция жидких частиц (одной или нескольких) приводит к увеличению размера капли более критического размера и переходу частицы в твердое состояние. Кристаллизация сплава тантала и кадмия, в котором 5-40 масс.тантала и 95-60 масс.кадмия сопровождается структурным преобразованием, в результате которого структура твердого расплава представлена кристаллитами кадмия,на поверхности которых размещена пленка аморфного тантала. После испарения кадмия в вакууме при температуре более 700 С образуется структура пористого тантала, образованная чешуйчатыми частицами кристаллического тантала с большим объемом пор. Использование расплава с концентрацией кадмия менее 60 масс.(40 масс.Та) не позволяет получить после испарения кадмия достаточную пористость тантала, более 95 масс.(5 масс.Та) - пористый металл достаточной механической прочности. Испарение кадмия в вакууме при температуре 700 С является приемлемым с точки зрения производительности процесса,увеличение температуры испарения более 700 С будет интенсифицировать процесс изготовления пористого тантала. Использование вакуума при испарении кадмия обусловлено необходимостью повышения скорости испарения кадмия из пор тантала и предотвращением процесса оксидирования кадмия в порах, что сделает невозможным его перевод в паровую фазу и удаление из твердого расплава. Пример. При получении пористого тантала приготовление расплава производили одновременным распылением мишеней из тантала и кадмия в плазме низкого давления и осаждением распыленных металлов на перемещающиеся относительно потоков плазмы не обогреваемые подложки из кремния. Пленочные покрытия виде расплава тантала и кадмия формировали до толщины 600-1200 нм за 1200 поочередных пересечений подложками формируемых магнетронами потоков частиц металлов размером 1-2 нм, что обеспечивало рост толщины расплава по островковому типу. Температура подложек во время формирования образцов не превышала 100 С. Использованы тантал, содержащий 99,96 мас.основного элемента, и кадмий - 99,99 мас.соответственно. Соотношение концентраций металлов в образцах изменяли скоростью распыления мишеней планарных магнетронных распылителей. В процессе распыления мишеней поддерживали постоянную мощность на каждом из распылительных устройств. Соотношение осажденных компонентов контролировали весовым способом - по количеству распыленного и осажденного металла во время формирования расплава. В результате получения расплава наночастицами докритического размера получены образцы,содержащие 5-40 масс.тантала и 95-60 масс.кадмия,структура которых по данным рентгеновской дифрактометрии представлена фазой кадмия и аморфным танталом. После испарения кадмия при температуре 700-900 С в вакууме 110-3 Па получен пористый тантал. Электронно-микроскопические снимки образца с исходным содержанием кадмия 64,4 масс.кадмия до (фиг.1) и после испарения кадмия при 700 С в течение 1 часа (фиг.2, 3) подтверждают получение пористого тантала. Оценка увеличения удельной поверхности методом БЭТ, учитывающего поры размером 1-10 нм, по сравнению с танталом без кадмия в своем составе показала увеличение на 277,52 м 2/г тантала. Однако, большая часть пор в тантале превышает это размер, что видно из электронномикроскопических снимков (фиг.2, 3), то есть пористость увеличивается многократно относительно определенной методом БЭТ. Таким образом,приведенные примеры реализации способа и результаты свидетельствуют о получении пористого тантала с большой удельной поверхностью. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения пористого металла,включающий получение расплава с определенной концентрацией двух металлов, кристаллизацию и испарение одного из металлов, отличающийся тем,что в качестве металлов используют тантал и кадмий, получение расплава ведут наночастицами металлов докритического размера, превышение которого приводит к кристаллизации расплава,концентрация тантала в твердом сплаве составляет 5-40 мас., кадмия -95-60 мас., испарение кадмия из твердого расплава осуществляют в вакууме при температуре более 700 С.