1　燒結(jié)金屬多孔材料及濾材特性
燒結(jié)金屬多孔材料及由該材料構(gòu)成的濾材是一種運(yùn)用廣泛的剛性過濾介質(zhì)。它是用金屬粉末在高溫下燒結(jié)而成的多孔管材或板材,一般厚度為2~3mm;亦可用單層或多層金屬網(wǎng)與金屬粉末一起燒結(jié)制成。通過控制金屬絲的直徑與粉末的粒度,可使孔隙率控制在3~400μm。隨著真空燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展,使得高溫易氧化的金屬多孔材料的工業(yè)化制備成為可能。
燒結(jié)金屬多孔材料具有以下特點(diǎn):
(1)優(yōu)良的透過性能,適于制作催化劑、流體的分布與滲透裝置等;
(2)金屬微孔孔徑與孔隙易于控制,用于過濾時的過濾精度高;
(3)比表面積大,可以為化學(xué)反應(yīng)提供理想的大面積接觸材料;
(4)可有效地吸收、傳播能量;
(5)保持一定的金屬與合金本身的特性;
(6)燒結(jié)金屬多孔材料耐高溫、抗熱震、耐低溫,適宜在較高或超低的工作溫度和耐熱沖擊環(huán)境下長期工作;
(7)金屬微孔孔徑、空隙度、滲透性能可通過反吹、高溫?zé)崽幚?、化學(xué)溶劑、燃燒和超聲波振動等多種途徑的清洗再生方式,洗滌性能好,從而延長了使用壽命;
(8)燒結(jié)金屬多孔材料具有較好的機(jī)械加工性,可進(jìn)行較復(fù)雜的機(jī)械成型加工及焊接。
從制備工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方面考慮,可將燒結(jié)金屬多孔材料分為:燒結(jié)金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬氈、燒結(jié)金屬粉末、金屬膜。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
按照燒結(jié)金屬的材質(zhì)分,燒結(jié)金屬多孔材料包括:金、銀、銅、鎳、鋁、鎂、鈦、鉻、鉬、鎢不銹鋼、鐵基合金、鐵鎳基合金、鎳基合金、哈氏合金、錳乃爾合金、鎢鉬合金、鈀銀合金等20多類幾百種。
常用燒結(jié)金屬多孔濾材可通過材質(zhì)的調(diào)整,使溫度由400℃提高到927℃。表1是常用燒結(jié)金屬材料燒結(jié)所適用的最高溫度。

按照孔徑分布范圍,燒結(jié)金屬材料可分為:毫米級、亞毫米級、微米級、亞微米級、納米級。由于金屬絲材、金屬纖維、金屬粉末原料制備工藝難度的差異,它所對應(yīng)的最高過濾精度也有所不同,一般符合以下規(guī)律:
燒結(jié)金屬粉末濾材最高精度>燒結(jié)金屬氈濾材最高精度>燒結(jié)金屬絲網(wǎng)濾材最高精度根據(jù)燒結(jié)金屬濾材的應(yīng)用特點(diǎn),金屬燒結(jié)濾材可分為:微孔過濾、氣體分布、減鎮(zhèn)穩(wěn)流、消聲降噪、阻燃防爆、傳質(zhì)傳熱、反應(yīng)物載體等多種功能材料的組件。按照過濾原理,燒結(jié)金屬多孔濾材可分為表面過濾濾材和深層過濾濾材兩類。本文僅對金屬燒結(jié)濾材的過濾性能進(jìn)行描述[1~9]。
2　燒結(jié)金屬多孔材料的制備工藝
燒結(jié)金屬多孔材料制備工藝一般經(jīng)過以下幾個階段:
(1)燒結(jié)金屬多孔材料結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(2)燒結(jié)金屬多孔材料原料制備(高精度精密絲網(wǎng)的編織、集束拉制金屬纖維、高等級金屬粉末的制備)。對金屬多孔材料的制備,要求原料具有很好的幾何物性,即對金屬纖維原料要求有一致的絲徑、長度;對金屬粉末原料要求有非常相近的幾何外形尺寸;
(3)金屬多孔材料的燒結(jié)復(fù)合制備技術(shù),其中包括了金屬微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(4)燒結(jié)金屬多孔材料過濾組件的成型,其中涉及到濾材的焊接成型。
3　燒結(jié)金屬多孔材料的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
燒結(jié)金屬多孔濾材的微孔結(jié)構(gòu)一般包括支撐層、工作層(過濾層)、保護(hù)層。在濾材過濾面工作層一般采用倒錐形微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用這種結(jié)構(gòu)可以完成多級過濾效果,使雜質(zhì)顆粒不會過快地在濾材的攔截表面堆積,從而有利于提高濾材的容塵性,延長濾材的工作周期。倒錐形結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

3.1　燒結(jié)金屬絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
金屬微孔工作網(wǎng)層是燒結(jié)金屬絲網(wǎng)濾材的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),它直接影響著金屬濾材的的分離及整體運(yùn)行效果。選擇濾網(wǎng)本身要比表面看起來復(fù)雜得多,這涉及多種金屬絲尺寸、孔隙尺寸、空洞面積、織造工藝和組織設(shè)計等方面。
Dutch編織網(wǎng):經(jīng)向金屬絲比緯向金屬絲粗,使緯向金屬絲被拉得非常直,從而產(chǎn)生緊密、堅實(shí)的織物。織物孔隙趨向于楔型而非方型,這就有助于濾餅的形成。該結(jié)構(gòu)濾網(wǎng)經(jīng)常被使用在過濾器中[10]。

3.2　燒結(jié)金屬纖維氈的性能
燒結(jié)金屬氈工藝技術(shù)的發(fā)展以及高精密度濾材的研制是隨著集束拉絲工藝的成功應(yīng)用而發(fā)展起來的。因?yàn)檫@方面的論述較多,本文不再詳述,這里引用Bekaert的相關(guān)數(shù)據(jù)以供參考。

3.3　燒結(jié)金屬粉末
20世紀(jì)60年代開始,在不同的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)境下,出現(xiàn)了耐鹽酸鎳基合金、鉻鎳鐵合金、鈦、不銹鋼等抗腐蝕、耐高溫的燒結(jié)粉末多孔濾材。發(fā)展到現(xiàn)在,大量生產(chǎn)與應(yīng)用的燒結(jié)粉末多孔濾材主要包括青銅、不銹鋼、鎳及鎳合金、鈦等[11]。
國外燒結(jié)金屬氈濾材公司的典型工藝是:結(jié)構(gòu)設(shè)計———原料加工準(zhǔn)備(集束拉拔、纖維切削)———金屬纖維疊層(布?xì)?———燒結(jié)———機(jī)械焊接(元件制備)———清洗———檢測———最終清洗———成品發(fā)貨。
我國目前已經(jīng)形成了頗具規(guī)模的燒結(jié)金屬多孔濾材生產(chǎn)能力。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國年產(chǎn)青銅過濾元件已超過100萬件,不銹鋼過濾元件的有效過濾面積超過4萬平方米,鎳及鎳合金過濾元件接近1萬件,燒結(jié)鈦過濾元件超過2萬件[12,13]。燒結(jié)金屬粉末的過濾性能參數(shù)如表4、5所示。

4　燒結(jié)金屬多孔材料的主要性能指標(biāo)
同其它多孔材料一樣,對燒結(jié)金屬多孔材料的性能評價主要參照ISO4002、ISO4572、ISO4003等標(biāo)準(zhǔn)。
燒結(jié)金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬氈和燒結(jié)金屬粉末具有不同的孔徑分布特點(diǎn),從圖3可以看出燒結(jié)金屬絲網(wǎng)微孔孔徑分布范圍較集中,而燒結(jié)金屬粉末和燒結(jié)金屬氈的孔徑分布則較分散。
圖4為日本精線公司生產(chǎn)的燒結(jié)金屬多孔濾材性能對比情況。
通過上述燒結(jié)金屬多孔濾材的比較可以看出:燒結(jié)金屬氈具有非常好的耐污能力;燒結(jié)金屬絲網(wǎng)在20μm以上過濾系統(tǒng)應(yīng)用中,濾材的綜合性能非常突出;燒結(jié)金屬粉末在超高精度凈化方面的發(fā)展?jié)摿薮骩14]。

5　在應(yīng)用過程中的高效系統(tǒng)匹配
燒結(jié)金屬多孔材料作為一類特殊的功能材料,可廣泛應(yīng)用于氣體和液體的凈化過濾,該濾材具有過濾精度高、流通能力大、阻力損失小、承壓強(qiáng)度高、孔道均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)。它具有較好的反沖洗再生能力,可長期使用,適于連續(xù)自動化操作。此類濾材在石油、化工、紡織、食品、制藥、環(huán)保、液壓機(jī)械和電力等眾多工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
在燒結(jié)金屬多孔濾材的應(yīng)用過程中,要考慮過濾系統(tǒng)的高效匹配問題。通常需要考慮以下三個因素:
(1)作為性能價格比十分突出的燒結(jié)金屬多孔濾材,其有效工作面積的設(shè)計和系統(tǒng)匹配十分重要,要明確凈化條件以及物料的特殊性質(zhì);
(2)對于過濾設(shè)計這類半經(jīng)驗(yàn)學(xué)科,要強(qiáng)調(diào)理論計算與系統(tǒng)模擬中試相結(jié)合的設(shè)計途徑;
(3)特殊濾材的制作手段要與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。
綜上所述,燒結(jié)多孔金屬濾材的過濾設(shè)計工作涉及機(jī)械、儀表、能源、化學(xué)、材料、環(huán)保等多種學(xué)科,該項(xiàng)工作的有效開展,需要眾多學(xué)科的支持。
6　燒結(jié)金屬多孔濾材市場現(xiàn)狀
6.1　國內(nèi)外燒結(jié)金屬多孔濾材市場概況
目前,全球生產(chǎn)金屬多孔材料的廠家主要集中在美國、德國和日本[15]。較具代表性的有比利時Bekaert的燒結(jié)金屬纖維氈、美國Mott公司和德國GKN公司的燒結(jié)金屬粉末微孔材料。另外還有美國的Pall公司,德國的GKD公司,日本的Fu-jifilter、Nichidia、N-seisen公司,瑞典的BOPP公司。
這些公司一年銷售燒結(jié)金屬多孔濾材的總額超過15億美元,其中僅美國PALL公司過濾系統(tǒng)的年銷售額就超過了7億美元(燒結(jié)金屬多孔濾材占了相當(dāng)大的比例);美國MOTT公司2000年燒結(jié)金屬粉末微孔制品的年銷售達(dá)到3·3億美元,比1999年增長20%[8];比利時Bekaert公司燒結(jié)金屬纖維濾材,年銷售超過3億美元;日本精線公司燒結(jié)金屬多孔濾材和瑞典BOPP公司年銷售均超過1億美元。我國燒結(jié)金屬多孔濾材的年需求量大約5億人民幣。目前,我國高精度、高性能的金屬微孔濾材市場大多被上述國外公司所控制,國內(nèi)能參與競爭的生產(chǎn)燒結(jié)金屬濾材的公司不多。
對于綜合性能要求不高的金屬濾材市場,則主要被十幾家規(guī)模較小,生產(chǎn)技術(shù)含量相對不高的國內(nèi)公司所搶占。
隨著國家在石化、環(huán)保等行業(yè)支持力度的加大,國外各大金屬濾材制備公司紛紛看好中國市場。具有30多年燒結(jié)金屬多孔材料研制經(jīng)驗(yàn)的鋼鐵研究總院、西北有色院也在積極進(jìn)行著產(chǎn)業(yè)化工作。燒結(jié)金屬多孔濾材的市場競爭將日趨激烈,包括:降低成本、提高質(zhì)量、過濾系統(tǒng)配套與工藝完善、售后過濾技術(shù)服務(wù)等都正在成為各投資發(fā)展公司所追求的目標(biāo)[16]。
6.2　燒結(jié)金屬多孔濾材研發(fā)熱點(diǎn)
由于凈化分離難度的增大,金屬多孔濾材在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了濾材與應(yīng)用系統(tǒng)不匹配的矛盾,表現(xiàn)在過濾精度低、流通性小、濾材再生性差等多方面問題。要解決濾材與應(yīng)用系統(tǒng)不匹配的矛盾,就必須采用多種先進(jìn)的制備工藝手段,研制性能價格比更好的高精度、大流量、易再生的復(fù)合濾材。
比利時Bekaert公司發(fā)揮自身在金屬纖維制品方面的領(lǐng)先技術(shù),開發(fā)出“冷等靜壓與燒結(jié)316L不銹鋼纖維微米過濾管”。該尖端產(chǎn)品在2000年MPIF的設(shè)計競賽中獲獎。該濾材的過濾精度達(dá)到亞微米水平,相對氣體的流通能力大于3×10-3L/min·cm²,相當(dāng)于同樣精度的多孔陶瓷濾材的20倍[17]。

美國MOTT公司已可研制出0.003微米過濾精度的不銹鋼燒結(jié)金屬粉末濾材[8、18]。德國GKN公司近年開發(fā)出多種規(guī)格的燒結(jié)金屬粉末異型微孔濾材,在濾材抗腐蝕方面擁有哈氏合金、錳乃爾合金等耐蝕濾芯。日本NICHADIA公司擁有世界上一流的高精度燒結(jié)金屬絲網(wǎng)濾材,濾材有效過濾等級接近0.2μm。俄羅斯近幾年研制出了高效、經(jīng)濟(jì)型金屬多孔材料與陶瓷微孔膜復(fù)合新型濾材。

我國在燒結(jié)金屬多孔材料方面的研究也有近40年的歷史,特別是在鈦材、不銹鋼的粉末燒結(jié)微孔制備和精密絲網(wǎng)微孔燒結(jié)技術(shù)方面,處于先進(jìn)行列。由北京鋼鐵研究總院研制的金屬膜可實(shí)現(xiàn)“鈾235分離”,同時在微電子超凈間凈化水平達(dá)到10萬級,在菌類凈化、氣溶膠凈化等多方面都取得過理想的應(yīng)用效果。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,清華大學(xué)的科研人員已經(jīng)提出了金屬微孔納米過濾技術(shù)的研發(fā)方向。
7　發(fā)展我國燒結(jié)金屬多孔濾材產(chǎn)業(yè)的建議金屬多孔濾材的性能評價目前基本沿用國外凈化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。隨著應(yīng)用水平的不斷提高,原有的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適應(yīng)過濾技術(shù)工程應(yīng)用的實(shí)際要求,同時國外過濾標(biāo)準(zhǔn)已開始重新制訂。為更好地通過技術(shù)發(fā)展規(guī)范引導(dǎo)市場,保護(hù)我國金屬多孔材料制備企業(yè)的合理利益,我國應(yīng)盡早制定金屬多孔濾材標(biāo)準(zhǔn),與國際水平靠攏。
在燒結(jié)金屬多孔濾材的研究和凈化系統(tǒng)應(yīng)用研究方面,要大力開展深層次工作,發(fā)揮我國原材料成本相對較低的優(yōu)勢,同時依靠行業(yè)間、企業(yè)間的優(yōu)勢更好地為用戶服務(wù),形成完善的過濾凈化產(chǎn)業(yè),形成參與全球市場競爭的綜合技術(shù)實(shí)力。