CN105671352A - 一种高强泡沫铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强泡沫铝复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强泡沫铝复合材料，其在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10-25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。本发明还公开了该高强泡沫铝复合材料的制备方法。其孔结构的均匀性和完整性好，强度和韧性大，耐疲劳性能和耐高温性能好，弹性模量大，比刚度大大提高，且制备方法灵活可设计性强，可用于汽车、轨道交通、航天军工领域的高阻尼减震吸能部件。

Description

一种高强泡沫铝复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料技术领域，具体的涉及一种高强泡沫铝复合材料。
背景技术：
泡沫铝是近年来发展起来的一种新型材料，由于其独特的结构特点，使其具有许多良好的功能特性，在诸多应用领域显示出良好的应用前景，成为力学和材料科学等领域的研究热点。
虽然高分子材料的阻尼性能优于泡沫铝，但在力学性能方面，金属材料的强度远高于高分子材料，为此，这些年具有阻尼性能泡沫金属的研究逐渐成熟，近期又出现了具有阻尼性能的泡沫金属复合材料的研究和应用，特别是填充高分子材料的泡沫铝复合材料。这种泡沫铝基础上填充高分子相所组成的复合材料，有望综合两者的优势而获得新型的泡沫铝复合材料。
中国专利(201210557431.9)公开了一种环氧树脂与闭孔泡沫铝复合材料，其是将闭孔泡沫铝块体碱液除脂和去污后，采用盐酸中和碱液，然后将环氧树脂E-44以及固化剂按1:1的质量比进行混合，上述闭孔泡沫铝块与已添加固化剂的环氧树脂在处于70℃水浴的模具中国按体积比1：或3:1进行配比，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，制得弥散嵌入式环氧树脂与闭孔泡沫铝复合材料。该材料屈服强度高，节约了生产中的资源和能源，生产成本低，对环境无破坏，但是韧性差，易开裂。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高强泡沫铝复合材料，其强度高，韧性大，孔结构均匀完整，质量轻，耐磨耐腐蚀性好。
本发明的另一个目的是提供该高强泡沫铝复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10-25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
作为上述技术方案的优选，所述铝基体为纯铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金。
作为上述技术方案的优选，所述增强颗粒为SiC、Al2O3、B4C、AlN或SiO2。
一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中进行真空除气；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材；
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于50-70℃水浴池中预热2-3小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述TiH2的添加量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的0.2-2％。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述铝基体粉的平均粒径大小为40-50μm，TiH2颗粒的平均粒径为20-40μm，增强颗粒的粒径大小为10-20μm。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，冷压成型的压力为100-200MPa，保压时间为5-20min，粗坯的相对致密度为70-85％。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，真空除气的温度为380-450℃，除气时间为50-100h，保持真空度在0.5Pa以下。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述固溶温度为490-530℃，固溶时长为1-4h，时效温度为150-200℃，时效时长为4-12h。
作为上述技术方案的优选，步骤(7)中，所述泡沫铝基材与添加固化剂的环氧树脂的质量比为1-2:1。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明选用合适大小的增强颗粒，并合理控制增强颗粒与铝基体的比例，提高了泡沫铝中孔结构的均匀性和完整性，进一步提高了泡沫铝的强度和韧性；
(2)本发明采用粉末冶金预制件发泡的方法，通过增强颗粒与铝基体预混合、热变形加工等步骤使得粗坯致密化，消除了发泡铝中的孔隙缺陷，增强颗粒的重排和分布均匀化，使得得到的泡沫铝复合材料颗粒分布均匀，孔结构均匀；
(3)本发明制得的环氧树脂/发泡铝复合材料耐疲劳性能和耐高温性能好，弹性模量大，比刚度大大提高，且制备方法灵活可设计性强，可用于汽车、轨道交通、航天军工领域的高阻尼减震吸能部件。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4g/cm3，泡孔平均尺寸为2mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的0.2％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为100MPa，保压时间为5min的条件下冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为380℃下进行真空除气为50h，保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为490℃，固溶时长为1h，时效温度为150℃，时效时长为4h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于50℃水浴池中预热2小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例2
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为1g/cm3，泡孔平均尺寸为5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的2％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为200MPa，保压时间为20min的条件下冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为450℃下进行真空除气为100h，保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为530℃，固溶时长为4h，时效温度为200℃，时效时长为12h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于70℃水浴池中预热3小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例3
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.5g/cm3，泡孔平均尺寸为3mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为14％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的0.6％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为120MPa，保压时间为8min的条件下冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为400℃下进行真空除气为60h，保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为500℃，固溶时长为2h，时效温度为160℃，时效时长为6h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于55℃水浴池中预热2.2小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例4
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.6g/cm3，泡孔平均尺寸为3mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为18％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的1.0％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为140MPa，保压时间为12min的条件下冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为420℃下进行真空除气为70h，保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为510℃，固溶时长为2.5h，时效温度为170℃，时效时长为8h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于60℃水浴池中预热2.4小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例5
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.7g/cm3，泡孔平均尺寸为4mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为20％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的1.4％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为160MPa，保压时间为14min的条件下冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为430℃下进行真空除气为80h，保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为520℃，固溶时长为3h，时效温度为180℃，时效时长为10h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于65℃水浴池中预热2.6小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。

Claims (10)

1.一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10-25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
2.如权利要求1所述的一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，所述铝基体为纯铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金。
3.如权利要求1所述的一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，所述增强颗粒为SiC、Al2O3、B4C、AlN或SiO2。
4.如权利要求1至3任一所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中进行真空除气；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝，然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材；
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于50-70℃水浴池中预热2-3小时，然后将两者按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤(6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
5.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述TiH2的添加量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的0.2-2％。
6.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铝基体粉的平均粒径大小为40-50μm，TiH2颗粒的平均粒径为20-40μm，增强颗粒的粒径大小为10-20μm。
7.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，冷压成型的压力为100-200MPa，保压时间为5-20min，粗坯的相对致密度为70-85％。
8.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，真空除气的温度为380-450℃，除气时间为50-100h，保持真空度在0.5Pa以下。
9.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述固溶温度为490-530℃，固溶时长为1-4h，时效温度为150-200℃，时效时长为4-12h。
10.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，所述泡沫铝基材与添加固化剂的环氧树脂的质量比为1-2:1。
CN201610128262.5A 2016-03-08 2016-03-08 一种高强泡沫铝复合材料及其制备方法 Pending CN105671352A (zh)

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