CN104711447A - 制造多孔铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造多孔铝的方法。该方法包括制备Al和Al合金中的至少一种与碳纳米颗粒的粉末混合物以及使该粉末混合物熔融。此外,该方法包括使用氧鼓泡使熔体氧化以及使熔体固化。
Description
技术领域
本发明涉及制造作为超轻铝(Al)材料以降低车辆的结构材料和碰撞部件的重量的多孔Al的方法。
背景技术
铝箔被用作锂离子电池或双电层电容器的阴极集电极。近来,由于这些电池或电容器广泛地应用于电动车等的电池或电容器中,所以在电池或电容器中需要大功率和高能量密度的集电极。例如,已经开发出一种用于集电极的具有三维网状结构的带有开孔的铝多孔体。
为制造这样的铝多孔体,例如,已知有泡沫熔融法。在泡沫熔融法中,通过加入增稠剂使熔融的铝增稠,然后加入发泡剂氢化钛,从而在使用通过氢化钛的热分解反应产生的氢气而发泡的同时使熔融的铝固化。但是,通过这种方法获得的泡沫铝具有大小为数微米的大量闭孔。
在另一个例子中,已经开发出使用海绵骨架制造泡沫铝的方法,且该方法包括将铝缩进使用海绵聚氨酯作为芯的模板内以及将铝装载到经火破坏聚氨酯而形成的中空空间中。根据这种方法,泡沫铝开孔的孔径为40PPI(每英寸网眼(cells per inch))或更小且孔径为约600μm或更大。
已开发出另一种制造泡沫铝的方法,其中根据加强部件的尺寸,泡沫铝的闭孔的直径为约500μm或更小。而且,泡沫铝是通过将铝合金压渗到由中空陶瓷制成的加强部件中而制造的。
此外,已开发出一种制造泡沫铝的方法,其包括将Al-Si合金粉末和氢化钛(TiH2)粉末的粉末混合物放置在铝板中,然后进行热轧,由此通过TiH2粉末的分解来使铝发泡。通过这种方法得到的泡沫铝的孔径为数微米大。
在其它例子中,制造泡沫铝的方法包括将铝与共晶温度低于铝熔点的金属混合,以及在高于共晶温度且低于铝熔点的温度燃烧混合物。尽管通过这种方法获得的泡沫铝具有相当小的孔径,但其孔隙率低至约40%。因此,渗透用作集电极的泡沫铝的孔的阴极活性材料或阳极活性材料的量相当低,从而使得难以实现所需的大功率和高能量密度。
上文仅意在帮助理解本发明的背景,并非意指本发明落在本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
因此,本发明提供针对相关技术中遇到的上述问题的技术解决方案。具体地,本发明提供一种制造作为超轻Al材料以降低车辆的结构材料和碰撞部件的重量的多孔铝的方法。
在本发明的一个示例性实施方式中,制造多孔铝的方法可包括:制备Al和Al合金中的至少一种与碳纳米颗粒的粉末混合物;使粉末混合物熔融;使用氧鼓泡使熔体氧化;以及使熔体固化。
此外,在制备粉末混合物时,可将粉末相的Al和Al合金中的至少一种与碳纳米颗粒混合。在制备粉末混合物时,可将粉末混合物压实为丸粒形式。Al或Al合金粉末的直径可为约1000μm或更小。在制备混合物时,粉末混合物的粒径可为约200μm或更小。在其他示例性实施方式中,在使粉末混合物熔融时,可使粉末混合物与Al锭一起熔融。在使粉末混合物熔融时,可使粉末混合物与钙(Ca)一起熔融。Ca的用量可为约1~2wt%。此外,可在大约600~1100℃进行使粉末混合物熔融的步骤,并且可以通过在进行氧(O2)气鼓泡的同时搅拌熔体来进行氧化步骤。
附图说明
根据以下具体实施方式并结合附图,将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点,其中:
图1示出根据本发明一个示例性实施方式的制造多孔铝的方法的示例性流程图;并且
图2示出通过本发明一个示例性实施方式的方法制造的各种铝材料的碰撞变形程度的示例性图。
具体实施方式
应理解,本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车,例如,包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车,包括各种船只和船舶的水运工具,飞行器等等,并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如,来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的,混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆,例如,具有汽油动力和电动力的车辆。
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的,单数形式“一个、一种”和“该”也意在包括复数形式,除非上下文中清楚指明。还可以理解的是,在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件,但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的,术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
除非特别说明或从上下文明显得到,否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内,例如在均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述数值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非另外从上下文清楚得到,本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
下文中,将参照附图详细说明根据本发明示例性实施方式的制造多孔铝的方法。图1示出根据本发明一个示例性实施方式的制造多孔铝的方法的示例性流程图。在一个示例性实施方式中,制造多孔铝的方法可包括:制备Al和Al合金中的至少一种与碳纳米颗粒的粉末混合物(S10);使粉末混合物熔融(S100);使用氧鼓泡使熔体氧化(S200);以及使熔体固化(S300)。
具体地,在S10中,可将粉末相的Al和Al合金中的至少一种与碳纳米颗粒混合。或者,可将粉末混合物压实并提供为丸粒形式。Al或Al合金粉末的直径可为约1000μm或更小。在S10中,粉末混合物的粒径可为约200μm或更小。在S100中,可使粉末混合物与Al锭一起熔融。此外,在S100中,可使粉末混合物与Ca一起熔融且Ca的用量可为约1~2wt%。S100可在大约600~1100℃进行。在S200中,可在氧气鼓泡的同时搅拌熔体。
在本发明又一个示例性实施方式中,Al与碳纳米颗粒的粉末混合物可使用Al粉末来制备,该碳纳米颗粒包括但不限于碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、石墨烯、石墨等。具体地,没有改变的或通过压实粉末混合物而得到的丸粒形式的粉末混合物可与Al锭和大约1~2wt%的Ca在约600~1100℃一起熔融,并且在熔体中可进行O2气鼓泡和搅拌。之后,可通过熔体中碳纳米颗粒与O2气的反应来产生纳米尺寸的气泡,例如一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2),随后固化,从而制造多孔体。
与通过使用氢气(H2)的常规方法例如ALPORAS、ALULIGHT法等获得的多孔铝体相比,根据本发明一个示例性实施方式获得的多孔铝体可具有更小的纳米尺寸的孔。因此,与现有的Al材料相比,本发明中制造的多孔铝材料可具有更高的孔隙率和更均匀的性质,且重量可更轻约90%或更多,并且还可具有约2.7的密度。
具体地,该方法可包括下述步骤。
1)Al或Al合金粉末与约1~10wt%的碳纳米颗粒可以基本上均匀地混合。当纯Al或Al合金粉末的粒径大于约1000μm时,与这样的Al混合的CNT之间的平均距离变大,从而使得难以获得基本上均匀的孔。因此,粉末的直径可为约1000μm或更小。
具体地,可使用单壁的或多壁的CNT。在混合Al粉末和CNT时,须充分地应用能量,直到使CNT的表面机械损坏的程度。可能需要以最小190RPM碾磨10hr或更长,或者当RPM变化时,可调整碾磨时间,以供应等于或大于该标准的能量。而且,由于在约100RPM或更小,通过使用碾磨更长的时间来进行混合,CNT可能不会被机械损坏,所以碾磨速度可至少为100RPM或更大。2)在一些示例实施方式中,没有改变的粉末混合物或经压实为丸粒形式的粉末混合物可在后续工艺中使用。当Al-CNT粉末混合物的粒径小于约200μm时,粉末混合物可以以压实后的丸粒形式进行使用。当粉末混合物的粒径等于或大于约200μm时,Al熔体中的粉末混合物可向上漂浮或可与大气中的O2气反应,因此可以燃烧。
3)在由石墨或金属制成的坩埚内,粉末混合物或其丸粒、纯Al或Al合金锭、以及作为能够控制熔体的粘度的粘度控制元素的Ca,可以放置在一起,随后加热至约600℃或更高,直到放置的材料和元素完全熔融。根据最终材料中CNT的量,最终材料的相对密度可变化。当使用较小量的CNT时,相对密度可增大。另一方面,当使用较大量的CNT时,相对密度可降低。但是,当CNT的量增大时,可能难以控制最终材料中孔的均一性。因此,CNT的量的上限可以是约10vol%或更低。此外,作为粘度控制元素的Ca的量可为约1~2wt%。当作为粘度控制元素的Ca的量少于约1wt%时,熔体中形成的孔可向上漂浮,因此熔体中的孔密度可降低。相比之下,当其量超过2wt%时,熔体的粘度可增大,从而抑制孔的形成。
4)而且,在约600℃或更高的温度下,O2气可被鼓吹到熔融的材料中。由于O2气在熔体内向上漂浮,鼓吹可在熔体底部进行,且鼓吹的O2气在向上漂浮的同时与CNT反应,从而生成CO或CO2气体。此外,由于鼓吹的O2气可具有相当大的气泡尺寸,所以鼓吹的O2气可以在熔体中很容易地向上漂浮;但是由与CNT反应生成的CO或CO2气体可具有相当小的气泡尺寸,从而使得难以在粘性的熔体中漂浮。
熔体中的化学反应如下所示。
C(CNT中)+O2(气体)→CO(气体)或CO2(气体)
单独的CNT的直径范围可为数纳米到数十纳米,并且其长度也可小于数微米,因此通过上述化学反应产生的CO或CO2气泡的尺寸范围可为数微米到数十微米。
5)化学反应完成后,当熔体处于坩埚内或放置在具有期望形状的模具内时可被固化。固化的材料的孔的尺寸范围可为数微米到数十微米且基本上均匀地分布在其中,并且与具有相同体积的典型Al相比,其相对密度最大程度小于该典型Al密度的1/10。因此,比强度和比刚度大数倍到数十倍。当将该材料应用于车辆的前纵梁或保险杠后梁时,碰撞能量吸收能力可急剧增加。
图2是示出通过本发明一个示例性实施方式的方法制造的各种铝材料的碰撞变形程度的示例性图,其中基于相同的碰撞能量吸收14000J,位移最大改善了大约66%。因此,根据本发明中的制造具有上述结构的多孔铝的方法,可提供用于降低车辆的结构材料和碰撞部件的重量的超轻Al材料。
如上所述,本发明提供一种制造多孔铝的方法。根据本发明,多孔铝可开发为实现车辆结构材料和碰撞部件的轻质的超轻Al材料。尽管已公开附图中所示的本发明的示例性实施方式用于示例说明的目的,但是本领域技术人员应该理解,在不脱离所附权利要求中公开的本发明范围和宗旨的情况下,可以进行各种修改、添加和替换。
Claims (10)
1.一种制造多孔铝的方法,包括:
制备铝(Al)和Al合金中的至少一种与碳纳米颗粒的粉末混合物;
使所述粉末混合物熔融以获得熔体;
使用氧鼓泡使所述熔体氧化;以及
使所述熔体固化。
2.根据权利要求1所述的方法,其中在制备所述粉末混合物时,将粉末相的Al和Al合金中的至少一种与所述碳纳米颗粒混合。
3.根据权利要求1所述的方法,其中在制备所述粉末混合物时,将所述粉末混合物压实为丸粒形式。
4.根据权利要求2所述的方法,其中Al或Al合金粉末的直径为约1000μm或更小。
5.根据权利要求1所述的方法,其中在制备所述粉末混合物时,所述粉末混合物的粒径为约200μm或更小。
6.根据权利要求1所述的方法,其中在使所述混合物熔融时,使所述粉末混合物与Al锭一起熔融。
7.根据权利要求1所述的方法,其中在使所述混合物熔融时,使所述粉末混合物与钙(Ca)一起熔融。
8.根据权利要求7所述的方法,其中Ca的用量为约1~2wt%。
9.根据权利要求1所述的方法,其中使所述粉末混合物熔融的步骤在约600~1100℃进行。
10.根据权利要求1所述的方法,其中氧化步骤通过在进行氧鼓泡的同时搅拌所述熔体来进行。
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