CN104032157A - 一种规则多孔金属材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种规则多孔金属材料及其制备方法和应用。该规则多孔金属材料包括若干金属单元胞体，所述金属单元胞体为空心的多面体，且相邻两两所述金属单元胞体阵列叠加连接为一体。规则多孔金属材料制备方法包括制备金属单元胞体的步骤和将金属单元胞体阵列叠加连接的步骤。本发明规则多孔金属材料中的空心多面体金属单元胞体赋予了其多孔金属材料特性。更重要的是，该空心多面体金属单元胞体连接为一体，使得该多孔金属材料的孔隙尺寸和分布均匀，为规则多孔金属材料，从而使得其具有更加优异的冲击能量吸收能力、阻尼减振能力、声学性能、电磁屏蔽性能、隔热性和机械性能等，而且成本低。

Description

一种规则多孔金属材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于多孔材料技术领域，特别涉及一种规则多孔金属材料及其制备方法与应用。

背景技术

多孔金属材料是一种在金属或金属合金基体中分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料，它兼有连续金属相和分散气体相的特点，具有很多优良性能，近年来是材料学领域发展的热点之一。

常用多孔金属材料的材质有铝、青铜、镍、钛、不锈钢，以及其他金属及其合金。根据单元胞体之间的连通性，可分为闭孔和通孔两种结构，前者含有大量独立存在的孔洞，后者则是连续畅通的三维多孔结构。根据单元胞体排列的规则性，分为规则多孔金属和非规则多孔金属，而非规则多孔金属通常又被称为多孔泡沫。由于独特的结构特性，多孔金属材料具有许多优良的性能：

(1)具有高的比强度和比刚度，力学性能呈现稳定的各向同性。

(2)具有很高的阻尼减振和冲击能量吸收能力。将泡沫金属垫在振动部位的接合部时，利用多孔金属材料的弹性变形可吸收一部分机械冲击能。

(3)优异的声学性能。当受到声波作用时，多孔金属泡孔内空气在声波作用下产生周期性的震动而与孔壁摩擦，形成摩擦热。另外，孔道中的空气在声波的作用下还会发生压缩-膨胀变形，在此过程中也有一部分声能变为热能，这种能量转换是不可逆的，对消声起主导作用。其次多孔金属材料本身也会在声波作用下产生弹性震动，消耗一部分声能。

(4)优良的电磁屏蔽性能。多孔金属材料是近年来兴起的一种新型电磁屏蔽材料，比传统网材拥有更高的屏蔽性能，能满足理想的精密仪器和设备的屏蔽需求。在100～1000MHz频率范围内，泡沫铝的表现更加突出，且频率对电磁屏蔽性能的影响并不是很大。而且随着孔隙率的增加和孔径的增大，其电磁屏蔽能力下降。

(5)优良的隔热性能。多孔金属的熔点、比热和热膨胀系数与基体金属一致，但导热系数很低，且随着相对密度的减小呈指数下降趋势，具有优良的隔热性能。

由于多孔金属材料具有诸多的优越性能，因此在国民经济建设和国防高科技等诸多领域有着广泛的应用前景，尤其是在汽车、航空航天、船舶、铁道机车、精密机械、精密电子、建筑等行业的应用越来越广泛。目前制备多孔金属材料有如下方法：

第一种是将金属粉末或混合金属粉末与金属粉末质量0.5～5％的发泡剂TiH₂混合，在真空度大于5×10^-3Pa，温度500～550℃，保温2～4小时下发泡，在600～1800℃烧结2～6小时，并轧制成形板材。

第二种是采用挤出机成型的制备方法，将粘结剂和金属粉末加温混炼，粘结剂可以使喂料便于挤出成型。通过挤出机成型植丝，然后针对粘合剂进行脱脂，利用熔点不同的原理，熔化植丝，从而形成小孔。

第三种是将微米级金属粉末、水及有机粘接剂混合并进行充分搅拌后得到金属浆料，将有机通孔海绵浸入到上述浆料中，获得浸浆多孔体，并对浸浆多孔体进行干燥。在浸浆多孔体的连通空隙间充入陶瓷颗粒，利用机械振动使颗粒充填紧密，在气氛保护炉或真空炉中加热使有机物脱除，再进行烧结，除去陶瓷颗粒。干燥后再进行第二次烧结。

第四种是以金属氧化物粉末为原料，采用常规方法添加造孔剂后经压制和烧结制备的金属坯料，以金属坯料为阴极，石墨为阳极，CaCl₂为电解质，在氩气保护条件下熔盐电解4～30h，得到多孔金属制品。

第五种是采用SLM快速成型法。

以上这些多孔金属材料的制备方法存在以下问题：

A.制备的多孔金属材料的孔形、孔径、孔隙等要素不易控制而导致组织不均匀，严重影响其性能，都属于非规则多孔金属材料；

B.上述制备工艺主要是针对泡沫铝的，针对性强，不适合于其他多孔金属材料的制备；

C.目前多孔金属材料(主要是泡沫铝)的制备方法虽然较多，但制备工艺都比较复杂，成本都比较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种规则多孔金属材料及其制备方法。旨在解决现有制备多孔金属材料孔隙尺寸和分布不均匀、其制备方法难控制多孔金属材料孔隙的尺寸和分布、且工艺复杂、成本高的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种规则多孔金属材料，包括若干金属单元胞体，所述金属单元胞体为空心的多面体，且相邻两两所述金属单元胞体阵列叠加连接为一体。

以及，一种规则多孔金属材料的制备方法，包括如下步骤：

制备上述的金属单元胞体，且所述金属单元胞体为空心的多面体；

将所述金属单元胞体沿三维空间方向进行阵列叠加连接为一体。

以及，上述规则多孔金属材料在航空航天、高铁、汽车吸能设备，船舶、航空航天、建筑声学设备，隔热、电磁屏蔽设备和精密机床以及仪表设备领域中的应用。

与现有技术相比，上述规则多孔金属材料中的空心多面体金属单元胞体赋予了其多孔金属材料特性。更重要的是，该空心多面体金属单元胞体连接为一体，使得该规则多孔金属材料的孔隙尺寸和分布均匀，从而使得其具有更加优异的冲击能量吸收能力、阻尼减振能力、声学性能、电磁屏蔽性能、隔热性能机械性能等。

上述规则多孔金属材料制备方法采用先制备空心多面体金属单元胞体，然后将该空心多面体金属单元胞体进行阵列叠加连接为一体，使得该规则多孔金属材料的孔隙分布均匀，一致性高。又由于该空心多面体金属单元胞体的空腔体大小可控，从而使得该规则多孔金属材料的孔隙大小可控，且均匀。另外，该方法可以方便选用多种金属材料为原料进行制备，其适应性广，而且其工艺简单，使其生产效率高，有效降低了其生产成本。其次，该空心多面体金属单元胞体可被制成不同结构和尺寸，因此可根据实际应用来制备不同规格的规则多孔金属材料，满足不同的需求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例正方体金属单元胞体的展开示意图(或裁剪图)；

图2为本发明实施例的正方体金属单元胞体结构示意图；

图3a为本发明实施例由图2所示的正方体金属单元胞体阵列叠加形成的规则多孔金属材料结构示意图；

图3b为图3a所示的规则多孔金属材料A处的局部放大图；

图4为本发明实施例Kelvin十四面体金属单元胞体的展开示意图；

图5为本发明实施例半Kelvin十四面体结构示意图；其中，图5a为上半Kelvin十四面体结构示意图；图5b为与上半Kelvin十四面体相对应的下半Kelvin十四面体结构示意图；

图6为本发明实施的Kelvin十四面体金属单元胞体结构示意图；

图7为本发明实施例由图6所示的Kelvin十四面体金属单元胞体阵列叠加形成的规则多孔金属材料结构示意图；

图8为图7所示的规则多孔金属材料B处的局部放大图，其中，Kelvin十四面体金属单元胞体是按照正交排列叠加连接；

图9为图7所示的规则多孔金属材料B处的局部放大图，其中，Kelvin十四面体金属单元胞体是按照交错排列叠加连接；

图10为制备含正方体金属单元胞体的规则多孔金属材料制备方法工艺流程示意图；

图11为制备含Kelvin十四面体金属单元胞体的规则多孔金属材料制备方法工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种孔隙尺寸和分布均匀的规则多孔金属材料2，其结构如图2、图3、图6-9所示。该规则多孔金属材料2包括若干金属单元胞体1，该金属单元胞体1为空心的多面体，且相邻两两所述金属单元胞体1采用阵列叠加的方式连接为一体。

为了提高该规则多孔金属材料2孔隙尺寸的一致性，该金属单元胞体1选用结构和尺寸相同的多面体进行阵列叠加连接为一体。

上述规则多孔金属材料2实施例中，该空心多面体结构的金属单元胞体1可以是空心的三面体、四面体、、、十四面体等等结构。当然该空心的多面体可以是空心的正多面体也可以是空心的非规则多面体。

在一实施例中，上述金属单元胞体1为空心的正方体(正方体金属单元胞体11)，如图2所示。此时，该规则多孔金属材料2是由该空心的正方体金属单元胞体11沿着三维空间方向阵列叠加连接而成，从而形成结构如图3a所示的规则多孔金属材料21。应该理解的是，两两相邻的正方体金属单元胞体11中，正方体金属单元胞体11的一平面与相邻的另一正方体金属单元胞体1的平面连接，如图3b所示。两平面连接的方式可以是钎料焊接或者采用胶接。

在另一实施例中，上述金属单元胞体1为Kelvin十四面体(Kelvin十四面体金属单元胞体12)，如图6所示。此时，该空心的Kelvin十四面体金属单元胞体12沿着三维空间方向阵列叠加连接成如图7所示的规则多孔金属材料22。此时，该Kelvin十四面体金属单元胞体12阵列叠加连接成规则多孔金属材料22时，可以有如下两种实施例方式：

第一种阵列叠加方式，Kelvin十四面体金属单元胞体12是按照如图8所示的正交排列叠加连接形成规则多孔金属材料22。

第二种阵列叠加方式，Kelvin十四面体金属单元胞体12是按照如图9所示的交错排列叠加连接形成规则多孔金属材料22。

在上述两种阵列叠加方式中，两两相邻的Kelvin十四面体金属单元胞体12之间的接触面或点或线可以采用钎料焊接或者采用胶接将其连接为一体。

上述仅仅是本发明的两具体实施例，只要是按照上述的技术启示，将单个的空心多面体结构的金属单元胞体按照一定规则连接为一体所得的规则或不规则的多孔金属材料均在本发明公开的范围之内。

在优选实施例中，上述各实施例中金属单元胞体1的体积大小为立方毫米级。在另一优选实施例中，金属单元胞体1的壁厚为毫米级。当然，该金属单元胞体1的大小可以根据实际应用场所或根据其作用灵活设置。同理，上述各实施例中规则多孔金属材料2的整体长宽高的尺寸也可以根据实际应用场所或根据其作用灵活设置，即可以根据实际应用场所或根据其作用灵活决定金属单元胞体1阵列叠加的数量和叠加的方向。

由上述可知，上述规则多孔金属材料2采用单个的空心多面体结构的金属单元胞体1按照一定规则连接而成，其中，该空心多面体结构的金属单元胞体1赋予了规则多孔金属材料2的多孔金属材料特性。更重要的是，该空心多面体金属单元胞体1连接为一体，使得该规则多孔金属材料2的孔隙尺寸和分布均匀，从而使得其具有更加优异的机械性能、阻尼减振能力、冲击能量吸收能力、声学性能、电磁屏蔽性能和隔热性能，有效克服了现有多孔金属材料存在的如背景技术部分阐述的不足。

相应地，针对上述规则多孔金属材料2的结构，本发明实施例还提供了如下的制备方法，该制备规则多孔金属材料2的方法包括如下步骤，同时敬请参见附图1-11：

S01.制备金属单元胞体1，且所述金属单元胞体1为空心的多面体；

S02.将所述金属单元胞体1沿三维空间方向进行阵列叠加连接为一体。

具体的，上述步骤S01中的金属单元胞体结构如上文对规则多孔金属材料2的金属单元胞体1相同，如可以是空心三面体、四面体、、、十四面体等等结构，具体的如图2、图6所示金属单元胞体1，为了节约篇幅，在此不再赘述。

其中，作为优选实施例，该金属单元胞体制备方法为冲压成型法、胀形法或快速成形法。所制备的金属单元胞体1体积大小优选为立方毫米级。在另一优选实施例中，该金属单元胞体1的壁厚为毫米级。

具体的，当采用冲压成型法制备金属单元胞体1时，可以如实施例1、2得到进行制备。

另外，用于制备金属单元胞体1的材料可以是多孔金属材料常规的种类，如铝、青铜、镍、钛、不锈钢等材质，且该类材质的形态可以是板材、管材金属板材；采用、金属粉末等。具体地，采用冲压成形法制备金属单元胞体1时，可选用板材；采用胀形法制备金属单元胞体1时，可选用板材管材和板材；采用快速成形法制备金属单元胞体1时，可选用金属粉末。

上述步骤S02中的金属单元胞体1阵列叠加连接的方式钎焊或者胶粘。当然，随着技术进步，还可以采用其他方式将金属单元胞体1阵列叠加连接。只要是延续本发明申请的阵列叠加连接金属单元胞体1技术手段，均在本发明公开的范围之内。

因此，上述规则多孔金属材料制备方法是先制备空心多面体金属单元胞体1，然后将该空心多面体金属单元胞体1进行阵列叠加连接为一体，使得该规则多孔金属材料2的孔隙分布均匀，一致性高。又由于该空心多面体金属单元胞体1的空腔体大小可控，从而使得该规则多孔金属材料2的孔隙大小可控，且均匀。另外，该方法可以方便选用多种金属材料为原料进行制备，其适应性广，而且其工艺简单，使其生产效率高，有效降低了其生产成本。其次，该空心多面体金属单元胞体可被制成不同结构和尺寸，因此可根据实际应用来制备不同规格的规则多孔金属材料，满足不同的需求。

正因上述各实施例中的规则多孔金属材料2及其制备方法具有上述优异的特点，因此，该规则多孔金属材料2可广泛用于隔音、减震、隔热、电磁屏蔽等领域，并制备相应功能的产品。具体地，可以利用其优良的吸能性能，可以应用于航空航天、高铁、汽车等行业；利用其优良的声学性能，可应用于船舶、航空航天、建筑等领域；利用其优良的减震性能，可应用于精密机床、仪表设备等；其他的还可应用于隔热、电磁屏蔽等领域。

现以具体规则多孔金属材料及其制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

一种含正方体金属单元胞体的规则多孔金属材料及其制备方法。该方法包括如下步骤：

S11.制备立方体金属单元胞体11，其制备方法如图10所示：

S111.选表面涂有钎焊材料的板材，将板材裁剪成如图1所示的形状；

S112.对裁剪后的板材采用级进模将该金属板材折成立方体，得到如图2所示的体积为5mm×5mm×5mm，厚度为0.2mm的金属单元胞体11；

S12.将步骤S11制备的正方体金属单元胞体11沿三维空间方向进行阵列叠加成规则多孔金属材料前驱体；

S13.将步骤S12制备的规则多孔金属材料前驱体置于钎焊炉中进行焊接成结构如图3所示的规则多孔金属材料。

实施例2

一种含正方体金属单元胞体的规则多孔金属材料及其制备方法。该方法包括如下步骤：

S21.制备如图2所示的立方体金属单元胞体11，其制备方法如同实施例1中立方体金属单元胞体11制备方法；不同之处在于本实施例选用的板材不是表面涂有钎焊材料的板材，而是表面没有钎焊材料的普通金属板材；

S22.将将步骤S21制备的正方体金属单元胞体11表面涂覆粘结剂后沿三维空间方向进行阵列叠加，并使得两两相邻的正方体金属单元胞体11互相胶结，从而成规则多孔金属材料。

实施例3

一种含Kelvin十四面体金属单元胞体的规则多孔金属材料及其制备方法。该方法包括如下步骤：

S31.制备Kelvin十四面体金属单元胞体12，其制备方法如图11所示：

S311.选表面涂有钎焊材料的板材，按照如图4所示的Kelvin十四面体展开形状裁剪，然后采用折弯工艺成形如图5所示的上下两个相对应的半Kelvin十四面体；

S312.按照Kelvin十四面体的形状要求，将两个上下两个相对应的如步骤S311中形成的半Kelvin十四面体进行焊接为一体，形成如图6所示的Kelvin十四面体金属单元胞体12；

S32.将步骤S31制备的Kelvin十四面体金属单元胞体12沿三维空间方向按照如图8所示的正交阵列叠加成规则多孔金属材料前驱体；

S33.将步骤S32制备的规则多孔金属材料前驱体置于钎焊炉中进行焊接成结构如图7所示的规则多孔金属材料。

实施例4

一种含正方体金属单元胞体的规则多孔金属材料及其制备方法。该方法包括如下步骤：

S41.制备如图2所示的立方体金属单元胞体11，其制备方法是以金属粉为原料，采用现有的商业化的快速成形机(或者称3D打印机)可直接成形(打印)出单个立方体金属单元胞体11；

S42.将将步骤S41制备的正方体金属单元胞体11表面涂覆粘结剂后沿三维空间方向进行阵列叠加，并使得两两相邻的正方体金属单元胞体11互相胶结，从而成规则多孔金属材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种规则多孔金属材料，包括若干金属单元胞体，所述金属单元胞体为空心的多面体，且相邻两两所述金属单元胞体阵列叠加连接为一体。

2.根据权利要求1所述的规则多孔金属材料，其特征在于：所述金属单元胞体为空间结构和尺寸相同的多面体。

3.根据权利要求1或2所述的规则多孔金属材料，其特征在于：所述金属单元胞体为正四面体或Kelvin十四面体。

4.根据权利要求1或2所述的规则多孔金属材料，其特征在于：所述金属单元胞体为Kelvin十四面体，且若干所述金属单元胞体是正交排列或交错排列连接为一体。

5.根据权利要求1或2所述的规则多孔金属材料，其特征在于：所述金属单元胞体体积为立方毫米级；和/或所述金属单元胞体的壁厚为毫米级(应该为1mm以下，0.1-0.5mm)。

6.一种规则多孔金属材料的制备方法，包括如下步骤：

制备如权利要求1-5中任一所述的金属单元胞体，且所述金属单元胞体为空心的多面体；

将所述金属单元胞体沿三维空间方向进行阵列叠加连接为一体。

7.根据权利要求6所述的规则多孔金属材料的制备方法，其特征在于：制备所述金属单元胞体的方法为冲压成形法、胀形法或快速成形法。

8.根据权利要求6或7所述的规则多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述金属单元胞体为Kelvin十四面体，所述Kelvin十四面体的金属单元胞体制备方法包括如下步骤：

按照Kelvin十四面体模型，将金属材料经冲裁、折弯与落料处理形成第一半Kelvin十四面体；

将另一金属材料经冲裁、折弯与落料处理形成第二半Kelvin十四面体，所述第二半Kelvin十四面体与所述第一半Kelvin十四面体对称；

将所述第一半Kelvin十四面体与第二半Kelvin十四面体连接为一体，形成闭合的所述Kelvin十四面体的金属单元胞体。

9.根据权利要求6或7所述的规则多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述金属单元胞体沿三维空间方向进行阵列叠加连接的方式为钎焊或者胶粘。

10.如权利要求1-5任一所述的规则多孔金属材料或如权利要求6-9任一所述的规则多孔金属材料制备方法制备的规则多孔金属材料在航空航天、高铁、汽车吸能设备，船舶、航空航天、建筑声学设备，隔热、电磁屏蔽设备和精密机床以及仪表设备领域中的应用。