CN104372195B - 一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法。技术方案为，制作一定尺寸、密度、孔隙率的片状泡沫陶瓷，利用陶瓷自身形状特性或密度特性，使其可以在充满气泡的铝溶液中保持横向姿势。在生产泡沫铝的过程中，将片状泡沫陶瓷与发泡剂粉末同时加入铝溶液中，片状陶瓷在铝溶液中保持横向姿势，可以阻碍泡沫铝中的气泡上浮，进而改善了泡沫铝孔隙率的均匀性。本发明所提出的方法，利用泡沫陶瓷高强度、高熔点的特性作为添加物，改善了泡沫铝材料本身的机械性能。同时，泡沫陶瓷片自身具有一定重力，并且其形状、姿势造成上浮阻力大，因此不易上浮，带动了周围的细小气泡不易上浮，解决了传统熔体发泡法生产泡沫铝工艺气泡上浮导致孔隙率不均匀的问题。本发明所提出的方法，可以得到机械性能更好、密度更均匀的泡沫铝材料，是对目前的熔体发泡泡沫铝生产的一种行之有效的改进。
Description
技术领域：
本发明属金属材料加工工艺领域，尤其涉及一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法。
背景技术：
泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征。它具有密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强等特点，在航天舰船、汽车防撞、道路隔音、建筑防火等领域得到了应用。
泡沫铝的吸能具有良好的速率应变特性，即，应变速率越大，单位体积泡沫铝所能吸收的能量就越大，最高可达8～30J/cm3。泡沫铝的这种性能，使其成为最理想的吸能、防撞和防爆材料。目前，奔驰、宝马和本田等汽车大厂已经在汽车防撞梁、A柱、B柱等处使用泡沫铝材料，用于车体的防撞吸能。韩国今年派出的国际维和部队，其兵营所用材料也是泡沫铝，用于防止流弹和冷枪等。我国近期新疆维和行动中，也为部队配备了泡沫铝兵营，并为运兵车配备了泡沫铝防护板。
泡沫铝传统制备方法中，熔体发泡法工艺如下：在铝液中加入增粘剂，搅拌均匀后加入发泡剂，放入到一定温度的模具中进行发泡而成。其具体的工具参数为：增粘剂采用钙粒，其添加温度对熔体的粘度有很大影响，温度越高粘度越大，在660℃添加2％Ca粒搅拌10min可以获得合适的熔体发泡粘度。折叶桨式搅拌器的搅拌效果理想，采用边加入边提高转速的方法添加TiH2易于将发泡剂分散均匀。选用粒度为74μmTiH2颗粒可以得到较高孔隙率的泡沫。氢化钛添加量宜在1.0～1.6％范围，发泡温度选择620～630℃范围，冷却方式在空气中自然缓冷，并使发泡槽温度高于熔体10℃。可以实现不同厚度500mm×1000mm×X的铝合金泡沫铝板材的制备。
传统的熔体发泡法生产泡沫铝的制备过程中，在保温发泡环节，由于受重力影响，泡沫铝中的气泡形成后自然上浮，而铝液下沉，很容易形成沿竖直方向分布的密度梯度，即，底部铝液多，密度大，而顶部气泡多，密度小。熔体发泡法的这种特性，限制了其成品率，从而提高了生产成本，限制了泡沫铝在工程上的大批量应用。为了解决间隙式泡沫铝密度不均匀的问题，美国专利US.pat6984356B2 描述了一种泡沫铝的连续制备方法，但该专利不能根据需要量对熔体进行在线增粘，也没有指出如何根据需要量来在线调整发泡剂从而得到具有不同孔隙率的泡沫铝产品。为了解决美国专利US.pat6984356B2 所存在的问题，中南大学周向阳等申请的专利CN100422363C、CN102312117A、CN201210499401.7A等提出了一系列基于熔体发泡法的连续生产泡沫铝板材的方法。该方法利用竖直方向的连续生产，避开了泡沫铝成品中密度梯度的问题。该方法效率高、设备复杂，并且由于对传统生产工艺进行了彻底的改变，设备的设计、各环节的工艺控制、各工序之间的匹配等尚存在一些问题，因此目前无法在工业生产领域批量投产。也就是说，目前已经投产的泡沫铝生产工艺中，尚没有成熟的办法解决密度梯度的问题。
泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代，是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等，气孔率在20%～95%之间，使用温度为常温～1600℃。泡沫陶瓷一般可以分为两类，即开孔（网状）陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料，这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中，则称之为开孔陶瓷材料，其孔隙是相互连通的；如果存在固体壁面，则泡沫体称为闭孔陶瓷材料，其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料；孔隙在2～50nm之间的为介孔材料；孔隙在50nm以上的为宏孔材料。泡沫陶瓷的应用开始于19世纪70年代，当时仅被用作铀提纯材料和细菌过滤材料。随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大，其应用领域也逐渐扩大，由过滤、热工等领域逐渐扩展到隔热、吸音、电子、光电、传感、环境生物及化学领域。1 微孔膜陶瓷分离膜所具有的耐酸碱、耐侵蚀、耐高温、抗老化、使用寿命长等优点已被人们所认识，并被开发应用于食品工业、生物化工、能源工程、环境工程、电子技术等许多领域。随着材料科学的发展，纳米级多孔无机膜的制备和应用成为人们研究的热点。2 生物材料很多科研单位都在致力于多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究。用添加造孔剂和制作泡沫陶瓷的方法制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷，其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环，促进细胞的渗入和生长。研制出的泡沫陶瓷羟基磷灰石人工骨和义眼已经用于临床实验，引起了医学界和材料学界的关注。3 食品、卫生行业用泡沫陶瓷材料泡沫陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的生物、化学特性，因而可用于医药工业中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白质等生理活性物质的浓缩、分离、精制等。在食品、饮料工业中，特别适用于对色、香、味要求高的饮料及低度酒类的过滤，并可望在啤酒的生产中发挥巨大的作用。4 环境材料随着现代工业的发展，各行各业在生产中排放的有害气体和废水也越来越多，如果处理不当，就会严重影响人类的生存环境，所以环境保护成为时代的主题。泡沫陶瓷在汽车催化转化器的应用已经有很长时间。除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧，达到除臭净化的目的。采用耐高温且有足够强度的抗热震性能的高渗透性泡沫陶瓷可有效除去高温含尘气体。城市污水处理过程中，泡沫陶瓷材料也成为曝气处理所用材料。5 隔热材料泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性，是一种理想的耐热材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖，其材质有Zr02、SiC、镁盐及钙盐等，使用温度高达1600℃,是世界上最好的隔热材料，称之为“超级绝热材料”，被应用于航天飞机外壳的隔热及导弹头的强迫发汗等。
发明内容：
为了解决以上问题，本发明提出了一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法。技术方案为，制作一定尺寸、密度、孔隙率的片状泡沫陶瓷，利用陶瓷自身形状特性或密度特性，使其可以在充满气泡的铝溶液中保持横向姿势。在生产泡沫铝的过程中，将片状泡沫陶瓷与发泡剂粉末同时加入铝溶液中，片状陶瓷在铝溶液中保持横向姿势，可以阻碍泡沫铝中的气泡上浮，进而改善了泡沫铝孔隙率的均匀性。
所用泡沫陶瓷为氧化铝陶瓷、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物泡沫陶瓷中的一种或几种，陶瓷生产方法为发泡法、熔体凝胶法、添加造孔剂法、有机前驱体浸渍法中的一种或几种。
所用泡沫陶瓷，其气孔率在20%～95%之间，耐热温度为1400℃以上，气孔尺寸为大于50nm的宏孔，通常为0.1~2mm。泡沫陶瓷片尺寸在1~20mm之间。
泡沫陶瓷片采用形状设计、密度差设计中的一种或者两种设计，来使其保持在带有气泡的铝溶液中的横向姿势。形状设计，指陶瓷片设计成某种特殊形状，当被气泡冲击后，利用气泡的浮力自动调整姿势，达到横置效果。密度差设计，指在陶瓷片某些特定位置增加密度，利用重力差使其在液体中可以保持一定姿势。
有益效果：
本发明所提出的方法，利用泡沫陶瓷高强度、高熔点的特性作为添加物，改善了泡沫铝材料本身的机械性能。同时，泡沫陶瓷片自身具有一定重力，并且其形状、姿势造成上浮阻力大，因此不易上浮，带动了周围的细小气泡不易上浮，解决了传统熔体发泡法生产泡沫铝工艺气泡上浮导致孔隙率不均匀的问题。本发明所提出的方法，可以得到机械性能更好、密度更均匀的泡沫铝材料，是对目前的熔体发泡泡沫铝生产的一种行之有效的改进。
附图说明：
图1采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度示意图。
附图标记：1 泡沫陶瓷片；2 泡沫铝气泡。
具体实施方式：
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下。
所用泡沫陶瓷为氧化铝陶瓷，陶瓷生产方法为发泡法。
所用泡沫陶瓷，其气孔率为90%0，耐热温度为1400℃以上，气孔尺寸为0. 2mm。陶瓷颗粒尺寸在4~6mm之间。
泡沫陶瓷片利用形状设计来使其保持在带有气泡的铝溶液中的横向姿势，如图1。
所生产泡沫铝产品，其孔隙率为90%，平均气泡直径在2mm，孔隙率和密度的误差范围在±3%以内。
申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法，其特征在于：制作一定尺寸、密度、孔隙率的片状泡沫陶瓷，利用陶瓷自身形状特性或密度特性，使其可以在充满气泡的铝熔液中保持横向姿势，在生产泡沫铝的过程中，将片状泡沫陶瓷与发泡剂粉末同时加入铝熔液中，片状陶瓷在铝熔液中保持横向姿势，可以阻碍泡沫铝中的气泡上浮，进而改善了泡沫铝孔隙率的均匀性。
2.根据权利1所述的一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法，其特征在于：所用泡沫陶瓷为氧化铝陶瓷、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物泡沫陶瓷中的一种或几种，陶瓷生产方法为发泡法、熔体凝胶法、添加造孔剂法、有机前驱体浸渍法中的一种或几种。
3.根据权利1所述的一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法，其特征在于：所用泡沫陶瓷，其气孔率在20％-95％之间，耐热温度为1400℃以上，气孔尺寸为0.1-2mm，泡沫陶瓷片尺寸在1-20mm之间。
4.根据权利1所述的一种采用片状泡沫陶瓷改善泡沫铝均匀度的工艺方法，其特征在于：泡沫陶瓷片采用形状设计、密度差设计中的一种或者两种设计，来使其保持在带有气泡的铝熔液中的横向姿势，形状设计，指陶瓷片设计成某种特殊形状，当被气泡冲击后，利用气泡的浮力自动调整姿势，达到横置效果，密度差设计，指在陶瓷片某些特定位置增加密度，利用重力差使其在液体中可以保持一定姿势。
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