原位还原制备多孔钛及其孔结构遗传特性的研究

Preparation methods, structures and properties have been a research hotspot nowadays. Recent research about porous titanium are interested in preparing porous titanium by using titanium powders or titanium fibers as raw material, but seldom to develop a new preparation method and investigate deeply feature and adjustion regularity of pore structure, which hinders the development of porous titanium. This project proposes a new preparation concept for porous metallic-titanium by in-situ reduction of porous titanium oxides. It mainly investigates construction and structure of the porous titanium oxides precursor, organization of titanium particles in reduction process of precursors, surface physical chemistry in leaching process of reduction products, and heredity feature of pore in vacuum sintering process. According to the above investigations the following regularities will be discovered, such as organization of titanium oxides particles and adjustion mechanism of pore, organization, crystallization and growth of titanium particles in reduction process, the change feature of pore structure in leaching process, and growth of titanium particles in vacuum sintering process. By solving the two key scientific problems that relevance and adjustion mechaniam of pore structure between porous titanium oxides precursor and porous titanium, and crystallization, crystal growth and organization mechanism of titanium praticles, the evolution and heredity laws of pore structure in the whole preparation process of porous titanium will be illustrated clearly, adjustion mechanism of pore structure will be obtained and the preparation prototype of porous titanium will be formed.This project will open a new way for producing porous titanium, and lay theoretical and practical foundation of new preparation method for porous titanium.

多孔金属钛的制备、结构和性能表征是当今的研究热点。现有研究集中在以钛粉或钛纤维为原料制备多孔钛,缺乏多孔钛制备方法、孔结构特性和调控的深入研究，抑制了多孔钛材料的发展。项目提出原位还原多孔钛氧化物制备多孔钛的新思路，重点研究前驱体多孔钛氧化物的构建及结构特性，前驱体还原及钛颗粒织构、孔结构遗传特性，还原产物浸洗的界面物理化学以及真空烧结过程中多孔钛孔结构遗传特性；揭示多孔前驱体颗粒间的织构特性及其孔结构调控机制，还原过程中钛颗粒的织构特性和结晶、生长规律，还原产物浸洗过程中的孔结构变化特征，真空烧结过程中钛颗粒的生长规律。解决前驱体多孔钛氧化物与多孔钛之间孔结构的关联和调控机制和多孔钛中钛颗粒的结晶、生长以及织构特性等关键科学问题，阐明孔结构在还原-浸出-烧结过程中的演化、遗传规律，获得孔结构的调控原理，形成多孔钛制备新技术原型。研究成果将为构建多孔金属材料制备新方法奠定理论和实践基础。

项目提出了钙蒸气原位还原多孔钛氧化物制备多孔钛的新思路。研究和构建了主要物相为CaTiO3、TiO2、TiO等的多孔前驱体，系统考察了制备过程的影响因素以及样品的微观结构；研究了钙蒸气还原烧结过程中钛颗粒的界面迁移规律，不同多孔前驱体钙蒸气还原过程中的产物物相、结构的变化规律、还原产物中钛颗粒的生长、联结织构特性以及与前驱体的微观结构遗传关联性；研究了Ti和CaO体系的稀盐酸浸出CaO的动力学、还原产物中钛颗粒及多孔钛结构浸出过程中的行为；考察了烧结对于多孔钛晶粒生长、织构特性的影响，分析了多孔钛在整个制备过程中孔结构的遗传性。以TiO2和CaCl2·2H2O为原料制备的多孔CaTiO3具有孔径60～150μm的大孔和2 nm～100 nm小孔；经钙蒸气还原、浸洗后获得了多孔钛层，其40-100μm孔遗传于前驱体；平均孔径5μm~20μm孔结构则源于副产物CaO的移除；CaCl2·2H2O及CaCl2的熔融、挥发行为是多孔钛层形成的主要原因。以Ti2O3和CaCl2为原料，直接经钙蒸气还原、浸洗，制备了多孔钛体，其微观结构具有表层大颗粒的钛聚集区和内部CaO+Ti均匀混合区；表层钛颗粒直径为10μm-40μm，钛颗粒连接形成的小孔径为5μm-30μm；氯化钙在还原过程中由内向外扩散和挥发，导致了Ti颗粒在表层的聚集和颗粒长大，得到较为稳固、连接较好的多孔钛结构。以Ti粉、TiO2和造孔剂为原料制备的多孔TiO具有孔径100-200μm的大孔和存在于孔壁上数微米的小孔；后经钙蒸气还原、酸浸后，其具有100-200μm的大孔和1-5μm的微孔的多维孔结构。真空烧结基本遗传了烧结前多孔钛的结构特征，有效的促进了钛颗粒增大和烧结颈增多，减小了多孔钛样品的孔隙率。该研究对于由金属化合物直接构建多孔金属具有重要的指导作用。发表学术论文8篇，其中被SCI/EI收录7篇；获得授权国家发明专利2件，实用新型专利1件；参加学术交流11人次，培养硕士研究生3人，本科毕业生2人；1人入选百千万人才工程国家级人选，1人入选云南省万人计划“云岭学者”；2人晋升高级职称；获得云南省科技进步一等奖1项。