中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在材料科學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展的當(dāng)下，不銹鋼憑借其優(yōu)異的強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性，始終占據(jù)著重要地位。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)不銹鋼行業(yè)材料性能的要求日益提高，納米多孔不銹鋼材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，成為研究熱點(diǎn)。其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，制備技術(shù)的研究也不斷取得新進(jìn)展。以下是2025年不銹鋼行業(yè)趨勢分析。
燒結(jié)是制備金屬多孔材料的傳統(tǒng)方式，在不銹鋼納米多孔材料制備中也發(fā)揮著重要作用。其主要流程是將合適大小的不銹鋼粉末與成孔劑(多為高分子量聚合物)混合，經(jīng)模具壓制成型后，通過浸漬、燒結(jié)(如激光燒結(jié))去除成孔劑，最后在保護(hù)氣體或真空環(huán)境下再次燒結(jié)，從而制得孔隙率通常在 40% - 60% 的不銹鋼多孔材料。近年來，該技術(shù)朝著更精細(xì)、納米級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)展。
《2025-2030年全球及中國不銹鋼行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，基于粉末燒結(jié)法，有研究以氣體霧化奧氏體 316L 不銹鋼粉末為原料，采用漿料鑄造制備多孔不銹鋼過濾材料，制得的材料開孔率為 38.05%，孔徑分布在 1 - 65μm，平均孔徑 5.78μm，但此方法制備的材料孔形狀和分布不規(guī)則。固氣共晶凝固法可制備內(nèi)部孔隙形狀規(guī)則、分布規(guī)律性強(qiáng)的各向異性多孔不銹鋼，如在氫氣和惰性氣體加壓混合物下，通過連續(xù)區(qū)域熔化技術(shù)，在 304L 不銹鋼上可制備最大孔隙率為 60% 的樹枝狀多孔不銹鋼，不過其孔徑約為數(shù)百微米。
激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)可使不銹鋼多孔結(jié)構(gòu)的孔徑進(jìn)一步縮小，在一定工藝條件下，能呈現(xiàn)樹枝狀多孔結(jié)構(gòu)，孔分布均勻，孔徑分布范圍窄。例如，有研究使用 SLS 技術(shù)生產(chǎn)的 316L 不銹鋼樹枝狀多孔材料，孔長范圍 6 - 10μm，孔徑分布在 2 - 4μm，平均孔隙率約 60% 。然而，SLS 技術(shù)制備的孔徑仍在微米級(jí)。為實(shí)現(xiàn)納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，常將不銹鋼與陶瓷膜結(jié)合制備不銹鋼 - 陶瓷復(fù)合梯度納米級(jí)多孔膜。
常用的不銹鋼陶瓷復(fù)合膜包括 TiO?、Al?O?、SiO?和 ZrO?膜。以 TiO?膜為例，使用 TiO?的不銹鋼結(jié)合陶瓷多孔膜燒結(jié)溫度約 950℃，通過絲網(wǎng)印刷可提高生坯密度，濕粉末噴涂在功能層與基材粘附方面更具優(yōu)勢，還有研究通過溶膠 - 凝膠法制備的 TiO?薄膜最小孔徑達(dá)到 80nm。Al?O?金屬陶瓷膜制備溫度相對(duì)較高，在不同溫度下燒結(jié)，可得到不同平均孔徑的膜，在不銹鋼多孔基材表面引入不銹鋼細(xì)粉過渡層，能提高膜的附著力 。SiO?膜常用于分子篩，相關(guān)研究通過特定工藝制備的二氧化硅 - 不銹鋼復(fù)合膜在氣體分離中表現(xiàn)出色 。在 ZrO?不銹鋼復(fù)合膜研究中，也取得了不同程度的成果，如制備出特定孔徑和厚度的分離膜。
脫合金法是制備納米多孔不銹鋼的重要方法，主要包括水溶液脫合金(ASD)、金屬劑脫合金和氣相脫合金(VPD)。ASD 分為化學(xué)脫合金和電化學(xué)脫合金，在強(qiáng)酸 / 堿環(huán)境中，金屬合金表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使金屬原子局部氧化成金屬離子并釋放到脫合金介質(zhì)中，但非貴金屬在水溶液中不穩(wěn)定，該方法存在一定局限性。使用金屬試劑脫合金時(shí)，根據(jù)金屬溶劑狀態(tài)分為液態(tài)金屬脫合金(LMD)或固態(tài)界面脫合金(SSID)，目前制備納米多孔不銹鋼結(jié)構(gòu)主要采用 LMD 和 VPD。
LMD 法利用合金成分熔點(diǎn)差異，將合金浸入液態(tài)金屬浴提取犧牲相，反應(yīng)由基質(zhì)合金和溶劑之間的焓差驅(qū)動(dòng)。例如，有研究在高純氦氣環(huán)境中，將 Fe - Cr - Ni 合金浸入鎂金屬熔體去除 Ni，得到連接的海綿狀多孔 Fe - Cr 相，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體中鎳含量和脫合金時(shí)間會(huì)影響孔徑和孔徑分布 。還有研究使用鎳基合金在鎂金屬溶液中制備多孔不銹鋼，平均孔徑為(500±100)nm。不過，LMD 法存在高溫下原子表面擴(kuò)散增加、產(chǎn)生化學(xué)廢物等問題，且難熔金屬的高熔點(diǎn)也帶來挑戰(zhàn)。
VPD 法基于升華和 Kirkendall 效應(yīng)，前驅(qū)體合金需含有高蒸氣壓金屬元素。研究發(fā)現(xiàn)，利用特定合金中金屬元素的飽和蒸氣壓差，可成功制備多孔不銹鋼，如以高錳 316L - 50Mn 合金為基體合金，制備出具有 3D 連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)、平均孔徑為 1 - 2μm 的多孔不銹鋼 。還有研究通過磁控濺射制備前驅(qū)體不銹鋼鎂薄膜，經(jīng)不同溫度和時(shí)間的脫合金處理，發(fā)現(xiàn)可定制納米結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同應(yīng)用需求。
陽極氧化法是基于陽極溶解過程的精密加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多孔金屬制備，在不銹鋼納米孔陣列制備中效果顯著?；陉枠O氧化形成的不銹鋼納米孔陣列，具有獨(dú)特化學(xué)成分和高度有序結(jié)構(gòu)，在電、催化活性和生物相容性等方面表現(xiàn)優(yōu)異。例如，以 304 不銹鋼為例，其陽極氧化氧化層主要成分是氧化鐵和氧化鉻，相關(guān)研究使用 304 不銹鋼制備的高性能活性電極超級(jí)電容器，在特定電流密度下比電容達(dá)到 125.6mF/cm2，且經(jīng)過多次充放電循環(huán)后電容保持率較高 。同時(shí)，不銹鋼陽極氧化陣列在催化領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中也極具前景。
在陽極氧化過程中，多個(gè)因素會(huì)影響不銹鋼納米孔的形態(tài)參數(shù)。電壓方面，研究表明，在特定電壓區(qū)間，不銹鋼表面才能形成多孔結(jié)構(gòu)，且孔徑、孔深、孔間距與電壓存在線性關(guān)系，探索合適的陽極氧化條件以控制納米結(jié)構(gòu)參數(shù)是研究重點(diǎn) 。電解質(zhì)方面，不同有機(jī)電解質(zhì)溶劑會(huì)影響陽極氧化的電壓上限和納米孔結(jié)構(gòu)，如乙二醇、二甘醇、甘油等溶劑在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出不同的最大電壓極限和納米孔形態(tài) ;電解質(zhì)中水的含量也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，適量的水可促進(jìn)自組織孔的形成，且影響陽極氧化程度和孔徑大小 ;電解液濃度同樣是調(diào)節(jié)不銹鋼形態(tài)的重要參數(shù)，不同濃度的電解液可制備出不同孔徑的不銹鋼納米結(jié)構(gòu) 。電解溫度方面，較低溫度有利于形成有序、較小的納米級(jí)孔，溫度升高會(huì)使電化學(xué)反應(yīng)加劇，納米孔形態(tài)變得不規(guī)則和無序 。
納米結(jié)構(gòu)多孔不銹鋼憑借其自身優(yōu)異品質(zhì)和納米精細(xì)結(jié)構(gòu)帶來的獨(dú)特效應(yīng)，在眾多領(lǐng)域前景廣闊。目前，其主要制備方法包括燒結(jié)法、脫合金法和陽極氧化法。燒結(jié)法通過與陶瓷膜結(jié)合可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu);脫合金法中的 LMD 和 VPD 法可制備不同特點(diǎn)的納米多孔不銹鋼;陽極氧化法能制備高度有序的納米孔，且各影響因素對(duì)其結(jié)構(gòu)調(diào)控至關(guān)重要。未來，不銹鋼行業(yè)納米孔的研究將聚焦于更先進(jìn)的制造技術(shù)，致力于開發(fā)更簡單、成本效益更高的制備工藝，以實(shí)現(xiàn)更均勻、更小孔徑的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)其在各領(lǐng)域的應(yīng)用效果。
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