多孔烧结体及其制造方法

专利名称：多孔烧结体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种多孔烧结体以及制造这样一种多孔烧结体的方法，特别是涉及用于液体或气体除臭或除污物的过滤器、或用做电容器的极化电极的一种多孔烧结体以及制造这样一种多孔烧结体的方法。
近来，使用金属的无纺织物的过滤器来作液体或气体除臭或除杂质的过滤器。这样一种无纺金属织物过滤器一般包括由诸如细长的不锈钢丝之类的金属丝组成的层压结构，将该层压结构加热以使金属线熔合。由于该金属丝是抗腐蚀的，因此这种过滤器即使长时间暴露到空气或液体中也不会被腐蚀。
还使用纤维状的活性炭的无纺织物过滤器来进行液体除臭。活性炭纤维在它们彼此保持接触的区域不可能粘结在一起，因此，要通过某种工艺过程将活性炭纤维无纺织物的过滤器一直保持在一定的压力下，故过滤器在整个使用期间受到压力。
还使用由金属或活性炭粘结的球形颗粒构成的受压的烧结过滤器。
由于金属的无纺织物是被压紧的和烧结的，所以它的孔隙率为60%或略大一些，并且其金属丝间的孔不均匀。
纤维状活性炭过滤器需要采取措施在使用期间一直将它们本身压紧，因此结构很复杂。这种类型的过滤器的另一个缺点是纤维间的孔不均匀或不规则。
压紧的烧结过滤器是通过把颗粒状粘结剂与金属或活性炭颗粒混合、压紧并烧结而制造出来的。在烧结过滤器后，要除去颗粒状粘结剂。如果颗粒状粘结剂去除得不彻底，则制造出来的过滤器的过滤性能就很差。
上述这种类型的传统过滤器还有一个缺点，即纤维或颗粒间的孔隙大小不一致。如果被压紧的烧结过滤器是由使用直径小于几个μm的纤维或颗粒制造出来的，这些纤维或颗粒或许会被熔化，几乎完全把孔堵塞，所以不可能使用直径太小的纤维或颗粒。因此这种被压紧的烧结过滤器不适用于排除尺寸为10μm左右的细菌，例如结肠炎菌。
由活性炭纤维或颗粒构成的多孔烧结体，由于纤维的尺寸或颗粒的直径较大，因此，单位体积的空间因子小，且单位体积的表面积也小。如果用多孔烧结体制造双层电容器的极化电极，就不可能获得大电容量的双层电容器。再有，如果颗粒状粘结剂排除得不充分，那么制造出来的双层电容器也就不能完全达到预期的特性。
本发明的一个目的是提供一种仅由导电材料或半导电材料的微细颗粒构成的多孔烧结体，其中不使用颗粒状粘结剂，并且提供制造这样一种多孔烧结体的方法。
按照本发明，提供一种多孔烧结体，包括导电材料和半导电材料其中之一的微粒，这些微粒的直径等于或小于10μm，这些微粒在施加于它们间的电压作用下在彼此接触区域熔合在一起。
按照本发明，还提供一种多孔烧结体，它包括一种导电材料和一种半导电材料的微粒的均匀扩散的混合物，微粒直径等于或小于10μm，这些微粒在施加于微粒间的电压作用下在彼此接触的区域熔合在一起。
按照本发明，进一步还提供一种制造多孔烧结体的方法，它包括如下步骤对导电材料和半导电材料中的一种材料的微粒粉末施加压力;在保持在该压力下的微粒之间加一脉冲电压，在微粒之间引起放电;用放电产生的能量将微粒熔合在一起。
按照本发明，还提供制造多孔烧结体的另一种方法，它包括如下步骤对一种导电材料和一种半导电材料的微粒的均匀扩散的混合物施加压力，同时将该均匀扩散的混合物保持在一个模具内;在被保持在该压力下的微粒之间施加一个脉冲电压，引起微粒之间放电;用放电产生的能量将微粒熔合在一起。
本发明的上述目的以及其它的一些目的、以及本发明的特征和优点将从下述结合附图的描述中变得更加清楚，在这些附图中借助于示例表示出本发明的一个优选实施例。


图1表示按照本发明制造多孔烧结体的实例;
图2表示加到导电材料微粒上的压力以及流过该微粒的平均电流随时间变化的曲线;
图3是通过按本发明的工艺过程形成的多孔烧结体的剖面图;
图4是表示按本发明制造多孔烧结体的设备的电路图;以及图5是表示放电状态的时间关系图。
在下述描述中的多孔烧结体是由导电材料制成的。但按本发明的多孔烧结体也可由半导电材料制成。
图1示意地表示出按本发明制造多孔烧结体的一个实例。图1中，标号1代表一个直径等于或小于10μm的导电材料微粒，标号2、3也代表和微粒1的材料相同的微粒。导电微粒3和导电微粒2靠在一起。脉冲电源4产生陡峭的脉冲电压。
当脉冲电源4把瞬时脉冲电压加在导电的微粒1和导电的微粒2、3之间时，即在各导电的微粒之间的间隙6、7内建立了电场，产生了电场强度。当该电场强度超过一预定电压时，就会在导电的微粒1和导电的微粒2、3之间发生电介击穿，穿过间隙6、7产生火花放电。这时，从导电微粒2、3上发射的电子以及在导电微粒1上的离子轰击将能排除附着在这些导电微粒表面上的薄膜，诸如氧化物膜，从而充分净化了导电微粒的表面。这种火花放电在这些导电微粒之间产生了很大的压力，并且火花放电的冲击压力使微细导电颗粒发生形变。随后的流动电流产生的焦耳热从导电微粒彼此靠近的这些点处传播开来，很容易使这些导电微粒发生塑性形变。因为压力是沿着图中的箭头所示方向加在导电微粒1和导电微粒2、3之间的，所以这些导电微粒1和2、3相互移近，并通过上述那些小点实现接触。因此，这些导电微粒的原子通过这些接触点得以有效地扩散和移动。
首先，在导电微粒上发生了小的塑性形变，并且导电微粒相互移近。导电微粒的彼此接触区域逐渐扩大。随后，越来越多的导电微粒堆积入一个具有单位体积的空间。由于导电微粒相互接触的区域扩大了，因此相互间的接触电阻极大地减小，所以产生的热量也极大地减少。因而，导电微粒的接触区域得以冷却，熔化部分固化，导电微粒相互牢固地粘结在一起。
上述过程并非是同时地连续实现的。具体地说，加在导电微粒之间的脉冲电压的持续时间极短，因此在导电微粒彼此移近时要中断脉冲电压的施加。因此在微粒之间穿过间隙6、7产生的火花放电也要被中断。热量的产生也被中断，并且靠近这些间隙处的温度没有增加到熔化并毁坏导电微粒(即使它们的直径等于或小于10μm)的温度，该温度始终保持在再结晶温度之下。当下一个脉冲电压加在间隙6、7上时，上述作用再次发生。重复上述性质的放电直至导电粒子1和2、3相互实现接触和粘结为止。重复施加脉冲电压使导电微粒彼此充分地结合在一起，得到了多孔烧结体，在此之后进一步增加加到该多孔烧结体上的压力，使粘结尚不充分的任何区域都牢固地粘结在一起。
图2表示加在导电微粒上的压力以及流过导电微粒的平均电流随时间的变化关系。
如果在直径等于或小于10μm的导电微粒之间只加直流电压，那么火花放电就可能会继续很长时间，直至导电微粒彼此接触并且火花放电演变成辉光放电，其结果是间隙6、7附近的温度可能会升高到完全熔化导电微粒的程度，使导电微粒被熔化并被压成大块的导电材料，根本不会形成多孔烧结体。
在按图1和2所示上述过程后，通过对该多孔烧结体施加连续的直流电压并对其施加较高的压力来实现固化过程，从而增加了导电微粒间的粘结区域的机械强度。
图3以剖面的形式表示出一种按上述顺序形成的多孔烧结体。如图3所示，包括导电微粒1、2、3在内的许多导电微粒彼此牢固地粘结在一起，在导电微粒之间确确实实地形成了许多间隙8。
图4示意地表示出按本发明制造多孔烧结体的一种设备。将导电材料微粒的粉末置于一个烧结模具10内。烧结模具10由诸如钨钢之类的高强度冶金材料制成，其中间有一个堆放导电微粒的中心孔。该孔的内壁通过先有工艺如蒸镀法涂以一种绝缘材料，例如氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，形成了一绝缘层11。上、下电极12、13分别使下端和上端插入烧结模具10的孔内。该上、下电极12、13由耐热金属制成，例如钨、钼等。导电材料微粒14密封在该上、下电极12、13之间。尽管图4中没有示出，但可通过沿图中箭头所示方向的液压来可控地压紧该上、下电极12、13，从而就可以对导电微粒14施加予期的压力。将导电微粒14和烧结模具10放置在期望的气氛之下。将该上、下端12、13和由开关SW以及电容器C组成的串连电路进行电气连接，将由电位器R和可变电压电源EA组成的串连电路和电容器C并连起来。开关SW的通、断的时间由开关控制电路15控制。
烧结模具10可由陶瓷材料制成，如氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、等等。
下面将要描述如图4所示的设备的工作情况。在电容器C完全充足电的同时，将开关SW接通。这时，电容器C两端的电压为Ec。对开关SW的接通时间ton进行控制，使ton大于电容器C的电荷在上、下电极12、13之间放电的放电时间td。对开关SW的断开时间toff进行控制，使该断开时间toff基本上等于对电容器C进行充电的充电时间tc。因而流经上、下电极12、13之间的电流i具有一最大值。然后，驱动上、下电极12、13相互靠近，逐渐增加到导电微粒14上的压力。现在，流过上、下电极12、13之间的平均电流是逐步增加的。
当加到导电微粒14上的压力达到一个预先值时，停止该增加压力的过程，并且通过增加开关SW的断开时间toff，或者通过缩短开关SW的接通时间ton，就可以把电容器C放电所产生的平均放电电流保持在一个规定的水平上。这种情况继续某个时间，直到几乎所有导电微粒实现彼此接触和熔合为止。此后，将加到导电微粒14上压力在一个预定的时间内增加到几倍高的一个水平。由于到这时几乎所有导电微粒都已被熔合成一个多孔烧结体，所以流动的放电电流的增加已不很明显。保持压力，并将加在上、下电极12、13之间的放电电压切断。在该多孔烧结体的温度降到常温时，把加到该多孔烧结体上的压力去掉，并且把该多孔烧结体从烧结模具10上拿下来。
任何导电的或半导电的材料都可用做在本发明中使用的微粒材料。特别合适的材料是高熔点导电材料，包括铟、锇、铼、钽、钛、锆和碳，以及高熔点的半导体材料，包括硅和硼。
通过喷丸的办法可使微粒彼此反复碰撞，因此这些微粒的球状体是非常圆的。由这样的一些微粒构成的多孔烧结体在微粒之间的孔也是均匀的。
〔发明实例1〕按照上述的工艺过程处理直径为几个μm的0.345克炭微粒(即比表面积为1600cm2/克的活性炭微粒)，由此即产生薄圆盘形的炭微粒多孔烧结体。为检查这样形成的多孔烧结体的孔隙率，使用这样的圆盘形多孔烧结体作极化电极来产生一个双层电容器，然后对其静态电容进行测量。测得的静态电容为32法拉。按照对照例还要产生另一个双层电容器，它具有糊状电极，该电极由直径为几个μm的0.345克炭微粒(即比表面积为1600cm2/克的活性炭微粒)的糊制造并且和稀释的硫酸溶液混合。对照例的双层电容器的静态电容为26.5法拉。对发明实例和对照例多孔烧结体之间进行比较，结果表明在仅由炭微粒构成的薄圆盘形多孔烧结体中的炭微粒之间产生了许多孔隙。
〔发明实例2〕按照上述工艺过程处理1.9克钨微粒，从而产生由钨微粒组成的薄圆盘形多孔烧结体。为检查这样产生的多孔烧结体的孔隙率，将0.3cc的水滴向该圆盘形多孔烧结体。水完全被该圆盘形多孔烧结体吸收。当把更多的水滴进一步滴到该圆盘形多孔烧结体时，水就要穿过该圆盘形多孔烧结体并且在该烧结体的下表面形成水滴。
通过以上详细描述的本发明，仅使直径等于或小于10μm的导电或半导电材料的微粒、或者仅使直径等于或小于10μm的导电材料微粒与直径等于或小于10μm的半导电材料微粒的均匀扩散混合物粘结在一起从而形成一种多孔烧结体，其中根本没有使用任何一点颗粒状的粘结剂。由于直径等于或小于10μm的微粒牢靠地粘结在一起，所以可以产生出具有均匀孔隙的和良好过滤特性的过滤器。
由于直径等于或小于10μm的微粒粘结在一起，因此微粒间的孔隙或间隙很小，约几个μm。如果将按本发明的多孔烧结体用做过滤器，则该过滤器就能可靠地滤除溶液中的细菌，例如结肠炎菌。
因为直径等于或小10μm的许多微粒可被堆积在一个体积内，因此就增加了最终的多孔烧结体的表面积。如果用按本发明的多孔烧结体作双层电容器的极化电极，则该双层电容器的静电电容就非常大。
按照本发明的制造方法，就可用较传统的烧结方法小的压力、以及较短的烧结时间来制造出多孔烧结体。
尽管已经示出并描述了某个优选实施例，但应该明白，在不脱离所附的权利要求的范围的情况下还能够做出许多变化和改进。
权利要求
1.一种多孔烧结体，由导电材料和半导电材料中的一种材料组成，所说微粒的直径等于或小于10μm，所说微粒在加在所说微粒间的电压的作用下、在彼此接触的那些区域熔合在一起。
2.如权利要求1所述的多孔烧结体，其中所说导电材料选自碳、铟、锇、铼、钽、钛、锆的材料组，所说的半导电材料选自硅、硼材料组。
3.如权利要求1所述的多孔烧结体，其中所说的微粒形状大致呈球形。
4.一种多孔烧结体，由导电材料和半导电材料的微粒的均匀扩散混合物组成，所说微粒的直径等于或小于10μm，所说微粒在加在所说微粒间的电压作用下在彼此接触的那些区域熔合在一起。
5.如权利要求4所述的多孔烧结体，其中所说导电材料选自碳、铟、锇、铼、钽、钛、锆的材料组，所说的半导电材料选自硅、硼材料组。
6.如权利要求4所述的多孔烧结体，其中所说的微粒的形状大致呈球形。
7.一种制造多孔烧结体的方法，包括如下步骤对导电材料和半导电材料中的一种材料的微粒粉末施加一个压力;在被保持在该压力下的微粒之间加一脉冲电压，使在微粒之间引起放电;以及借助于放电产生的能量将这些微粒熔合在一起。
8.一种制造多孔烧结体的方法，它包括如下步骤对导电材料和半导电材料的微粒的均匀扩散混合物施加一个压力，同时所说的均匀扩散混合物被放在一个模具内;在被保持在该压力下的微粒之间加一脉冲电压，以便由此在微粒之间引起放电;以及借助于放电产生的能量将这些微粒熔合在一起。
全文摘要
对导电或半导电材料的直径等于或小于10μm的微粒粉末加压，同时在微粒之间加一脉冲电压，从而在微料之间产生放电，这些微粒在彼此接触的区域熔合在一起，从而产生一种多孔烧结体。该多孔烧结体仅由导电或半导电材料构成，其中根本没有使用任何颗粒状粘结剂。
文档编号B01J19/08GK1049623SQ9010713
公开日1991年3月6日 申请日期1990年8月22日 优先权日1989年8月22日
发明者土屋善信, 一林研, 诸星博芳, 吉田彰夫, 西谷忠邦, 仁井田赖明 申请人:五十铃汽车有限公司