CN106881563A - 一种泡沫铝-金属管件复合材料的制备方法 - Google Patents

一种泡沫铝-金属管件复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泡沫铝-金属管件复合材料的制备方法，通过在泡沫铝上钻孔，并将金属管件镶嵌其中的方法，获得新型泡沫铝-金属管件复合材料，利用金属管件优异的轴向承载能力实现泡沫铝的复合强化。通过改变复合材料中金属管件的材质、尺寸、分布可以实现不同强度需求。泡沫铝-金属管件复合材料结合了泡沫铝与金属管件各自的性能优势，实现多功能复合，除了优异的力学承载及吸能性能外，泡沫铝本身具有的阻尼、阻燃、电磁屏蔽等特性将使得其作为结构功能一体化材料在航天航空、交通运输、安全防护、建筑等领域具有广泛的应用潜力。另外，泡沫铝-金属管件复合材料还具有较低的制造成本，更具有经济性。

Description

一种泡沫铝-金属管件复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种泡沫铝-金属管件复合材料制备方法，具体涉及一种泡沫铝-金属管件复合材料的制备方法。
背景技术
泡沫铝与传统材料相比具有高的孔隙率以及高比强度、比刚度、能量吸收率等力学特性，同时还具有隔热、阻尼、阻燃等多功能特性，作为结构功能一体化材料在航天航空、安全防护、减振降噪等领域具有广泛的应用前景。其高达80％以上的应力平台区使得其成为缓冲吸能的理想材料，在冲击能量吸收领域极具应用潜力。但铝基体材料本身具有较低的强度，加上其制备过程中不可避免引入的孔隙结构缺陷，使得其具有较低的强度，一般仅为几个兆帕。国内外大量研究企图通过合金化的方式提高其机械强度，但成本较高且提升幅度有限，在主承载结构件应用方面仍然受限。因此，进一步大幅度提高泡沫铝的强度使得其作为承载工程结构件应用依然是国内外科研工作者追求的目标。
本发明提出的泡沫铝-金属管件复合材料和泡沫铝相比在强度、刚度及能量吸收率方面均得到了大幅提升，在继承了泡沫铝固有的力学及功能特性的基础上在强度方面得到了显著的改善，在作为功能材料应用的同时也可以满足其高的机械性能方面的需求，可极大地拓宽其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于通过将金属管件与泡沫铝进行有机结合，获得一种新型泡沫铝-金属管件复合材料，该复合材料充分利用金属管件的轴向承载能力对泡沫铝不同方向进行选择性强化，使得其和泡沫铝相比具有更加优异的力学承载能力，且密度并不发生太大变化，甚至更低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案分和具体步骤如下：
1)泡沫铝1的加工。首先将泡沫铝(开孔或者闭孔)按需求采用切割机或线切割加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔结构，如图1示意图所示沿x，y，z三个方向或某个方向，孔的数目和分布按具体需求而定，通常为按一定次序排列的阵列结构，亦或局部分布。孔的尺寸与金属管件结构截面尺寸一致，可预留适当缝隙，缝隙尺寸小于0.1mm。
2)金属管件2的加工。将金属管件结构采用线切割或切割机加工成与1)中孔隙尺寸一致的金属管件，备用；
3)结构复合。首先将切割好的金属管件表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的对应孔隙之中。再将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化。最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料。图2所示为其剖面示意图。
或者将2)中的全部或部分金属管件内部3也填充泡沫金属，获得泡沫金属填充金属管件结构，然后再与1)中的结构按步骤3)进行复合。其中泡沫金属采用切割机或者线切割切割，尺寸与金属管件内径一致，缝隙控制在小于0.1mm，并在其表面均匀涂覆环氧胶后将其填充到金属管件之中。
本发明的泡沫铝为不同孔隙率的闭孔、开孔泡沫铝及其合金。
所述的胶粘剂为环氧树脂或聚氨酯类粘接剂。
所述的金属管件为碳钢、不锈钢、纯铝、铝合金、镍合金或钛合金管。
所述金属管件截面形状为圆形、正方形、矩形或椭圆形截面。
所述泡沫铝-金属管件复合材料制备方法为将金属管件结构选择性的通过钻孔、粘接镶嵌到泡沫铝中，可以在泡沫铝的某一个或多个方向，或者局部实现复合，利用金属管件结构优异的轴向承载特性实现复合强化，其金属管件结构可按不同阵列排列实现不同程度的强化。
本发明所述泡沫铝-金属管件复合材料制备方法可以通过改变金属管件结构的材料属性、几何尺寸、数目、分布来实现不同强度各向同性及各向异性泡沫铝-金属管件复合材料的制备。
本发明和其它技术相比具有如下优点：
1)本发明获得的泡沫铝-金属管件复合材料可以结合泡沫铝的能量吸收特性以及金属管件结构的轴向承载能力，扬长避短，即可以解决泡沫铝高强度的应用目标需求，又可以解决金属管件结构轴向外其它方向承载能力差及失稳的问题。二者相互耦合实现强化，新型复合材料具有更加优异的综合力学性能，同时泡沫铝的隔声(闭孔)、吸声(开孔)、散热(开孔)、隔热(闭孔)、减振降噪、阻燃等多功能特性得以继承。
2)泡沫铝-金属管件复合材料相比泡沫铝复合强化效果显著。研究结果表明，泡沫铝-金属管件复合材料其单位质量峰值压缩强度可达到复合前的2.16倍，单位体积能量吸收可达到复合前的2.93倍，单位质量能量吸收率可达到复合前的2.24倍。本发明通过复合强化，可以使得泡沫金属抗压强度及能量吸收效率得到成倍的提升，且并不会带来密度的增加，甚至会降低(将局部泡沫金属用金属管件代替)。
3)本发明通过改变金属管件结构的材料属性、尺寸、数目以及阵列分布即可获得一系列不同强度的泡沫铝-金属管件复合材料，且复合强化过程简单，加工制造成本低。
4)本发明金属管件结构可以选择性填充，可以在不同方向及局部实现复合达到强化目的，也可以在金属管件内部填充泡沫铝达到进一步复合强化，预留的孔隙管件结构还可以实现进一步多功能复合，如可作为散热通道、铺设电缆等。
附图说明
图1是本发明泡沫铝-金属管件复合结构示意图；
图2是本发明泡沫铝-金属管件复合结构截面a-b-c-d剖面示意图。
图中：1、泡沫铝；2、金属管件；3、金属管件内部。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：1)泡沫铝1的加工。首先将闭孔泡沫铝块体材料按需求采用切割机或线切割加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔结构，如图1示意图所示沿x，y，z三个方向，孔的数目和分布按具体需求而定，通常为按一定次序排列的阵列结构或局部分布。孔的尺寸与金属管件结构截面尺寸一致，可预留适当缝隙，缝隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫铝为闭孔泡沫铝密度为0.54～0.81g/cm3,孔隙率70～80％，孔径1～3mm。
2)金属管件2的加工。将304不锈钢金属圆管采用线切割或切割机加工成与1)中孔隙尺寸一致的管件，备用。其中圆管直径20mm，壁厚0.5mm。
3)结构复合。首先将切割好的金属管件2表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的对应孔隙之中。再将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化。最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料。图2所示为其剖面示意图。
实施例2：1)泡沫铝1的加工。首先将闭孔泡沫铝块体材料按需求采用切割机或线切割加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔结构，如图1示意图所示沿x，y，z三个方向，孔的数目和分布按具体需求而定，通常为按一定次序排列的阵列结构或局部分布。孔的尺寸与金属管件结构截面尺寸一致，可预留适当缝隙，缝隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫铝为闭孔泡沫铝密度为0.1～0.54g/cm3,孔隙率80～95％，孔径1～3mm。
2)金属管件2的加工。将2024铝合金圆管采用线切割或切割机加工成与1)中孔隙尺寸一致的管件，备用。其中圆管直径20mm，壁厚2mm。
3)结构复合。首先将切割好的金属管件表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的对应孔隙之中。再将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化。最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料。图2所示为其剖面示意图。
实施例3：1)泡沫铝1的加工。首先将泡沫铝块体材料按需求采用切割机或线切割加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔结构，如图1示意图所示沿x，y，z三个方向，孔的数目和分布按具体需求而定，通常为按一定次序排列的阵列结构或局部分布。孔的尺寸与金属管件结构截面尺寸一致，可预留适当缝隙，缝隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫铝为渗流铸造法制备的开孔泡沫铝，密度为1.0g/cm3,相对密度为0.4，孔径1～2mm。
2)金属管件2的加工。将304不锈钢方管采用线切割或切割机加工成与1)中孔隙尺寸一致的管件，备用。其中方管截面尺寸为20*20mm，壁厚1mm。
3)结构复合。首先将切割好的金属管件表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的对应孔隙之中。再将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化。最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料。图2所示为其剖面示意图。
实施例4：1)泡沫铝1的加工。首先将泡沫铝块体材料按需求采用切割机或线切割加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔结构，如图1示意图所示沿x，y，z三个方向，孔的数目和分布按具体需求而定，通常为按一定次序排列的阵列结构。孔的尺寸与金属管件结构截面尺寸一致，可预留适当缝隙，缝隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫铝为渗流铸造法制备的开孔泡沫铝，密度为1.0g/cm3,相对密度为0.4，孔径1～2mm。
2)金属管件2的加工。将TA18钛合金管采用线切割或切割机加工成与1)中孔隙尺寸一致的管件，备用。其中钛合金管直径25mm，壁厚1.8mm。
3)泡沫铝填充圆管。首先将1)中所述开孔泡沫铝切割成直径25mm，高度与泡沫铝板厚度一致的泡沫铝柱(与TA18钛合金管内径一致)，再将其表面均匀涂覆一层环氧结构胶，最后将其填充到2)所述加工好的钛合金管中，并将溢出的环氧胶清理，备用。
4)结构复合。首先将3)中所述泡沫铝填充管件表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的对应孔隙之中。再将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化。最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料。图2所示为其剖面示意图。
实施例5：1)泡沫铝1的加工。首先将闭孔泡沫铝块体材料按需求采用切割机或线切割加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔结构，如图1示意图所示沿x，y，z三个方向，孔的数目和分布按具体需求而定，通常为按一定次序排列的阵列结构。孔的尺寸与金属管件结构截面尺寸一致，可预留适当缝隙，缝隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫铝为闭孔泡沫铝密度为0.54～0.81g/cm3,孔隙率70～80％，孔径1～3mm。
2)金属管件2的加工。将2024铝合金管采用线切割或切割机加工成与1)中孔隙尺寸一致的管件，备用。其中铝合金管直径20mm，壁厚2mm。
3)泡沫铝填充铝管。首先将1)中所述开孔泡沫铝切割成直径16mm，高度与泡沫铝板厚度一致的泡沫铝柱(与所述铝合金管内径一致)，再将其表面均匀涂覆一层环氧结构胶，最后将其填充到2)所述加工好的2024铝合金管中，并将溢出的环氧胶清理，备用。
4)结构复合。首先将3)中所述泡沫铝填充铝管表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的y和z方向对应的孔隙之中。再将2)中所述铝合金管表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的x方向对应的孔隙之中。然后将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化。最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料。图2所示为其剖面示意图。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种泡沫铝-金属管件复合材料的制备方法，其特征在于：
1)加工泡沫铝结构：首先将泡沫铝按需求加工成所需尺寸结构，再按设计要求在需要强化的方向采用钻孔或线切割加工一系列通孔，通孔的数目和分布按具体需求而定；
2)加工金属管件：将金属管件结构采用线切割或切割机加工成金属管件；
3)得到复合结构：首先将切割好的金属管件表层均匀涂覆一层环氧结构胶，将其逐一塞入泡沫金属切割好的对应通孔之中，再将其静置24小时或者恒温箱中40～60℃环境下两小时完成固化，最后清理试样表面环氧胶及污物即可获得泡沫铝-金属管件复合材料；
或者将步骤2)中的全部或部分短管内部也填充泡沫金属，获得泡沫金属填充金属管件结构，然后再与步骤1)中的泡沫铝结构按步骤3)进行复合得到复合结构；其中泡沫金属采用切割机或者线切割切割，尺寸与金属管件内径一致，缝隙控制在小于0.1mm，并在其表面均匀涂覆环氧胶后将其填充到金属管件之中。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述泡沫铝为闭孔泡沫铝、开孔泡沫铝及其合金。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述金属管件基体材料为铝、铝合金、碳钢、不锈钢、铜或钛合金。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述金属管件截面形状为圆形、正方形、矩形或椭圆形截面。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述的粘接剂为聚氨酯或环氧树脂类。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述泡沫铝-金属管件复合材料的复合方式为将金属管件结构选择性的通过钻孔、粘接镶嵌到泡沫铝中，在泡沫铝的某一个或多个方向，或者局部实现复合，利用金属管件结构优异的轴向承载特性实现复合强化，其金属管件结构可按不同阵列排列实现不同程度的强化。
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