CN106987740A - 一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法 - Google Patents

一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法，属于材料生产领域，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁12‑13％、钙2‑3％、钛0.08‑0.10％、碳化硅0.2‑0.4％、钇0.5‑0.7％、锡0.1‑0.2％、其余为铝；将所述的各组原料分别破碎，制成粉末后加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体，然后将其放入烧结炉中进行烧结，再放入醋酸溶液中浸泡即得到所述多孔铝基复合金属材料；这种多孔材料的孔隙率高，有较高的比表面积，具备良好的减震、吸音、吸收能量的作用，制作方法安全。

Description

一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法
【技术领域】
本发明涉及材料生产技术领域，尤其是一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法。
【技术背景】
金属基复合材料发展的最初是为了满足航空领域对特殊材料的需求，至今已有五十年的历史，金属基复合材料发展至今，研究者在选择增强相和制备工艺上进行了大量的探索和实验，现代科学技术通常情况下用到的增强相有以下几种类型：单丝、长纤维晶须、短纤维和颗粒，制作工艺的主要方法包括：扩散结合、粉末冶金、雾化和液态金属，研制综合性能良好要求的材料，这种材料的综合性能集高强度、高韧性、高耐磨性、低密度和良好的抗疲劳性等于一体。金属基复合材料按照基体不同分为铝基、锌基、钛基和铜基等复合材料，目前可达到批量应用的产品多为铝基复合材料，这种复合材料具有高的比强度和比刚度，有密度小、可塑性好的特点，是金属复合材料中最重要且常用的材料之一。多孔金属材料是近几十年发展起来的一种新型结构和功能材料，其内部弥散分布大量直径为2-3μm的孔洞，根据其孔洞的特性可分为开孔材料和闭孔材料，闭孔材料具有比重小，刚度和比强度好，吸振及吸音的特性，开孔材料除了具备闭孔材料的特性外，还具有渗透性、通气性好的特性，我国从八十年代开始研究多孔金属材料，多孔材料的制备工艺很多。
多孔材料因其特性可作为结构材料，也可作为功能材料，应用领域十分广泛，因此有广泛的研究前景。
【发明内容】
鉴于以上提出的问题，本发明提供了一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法，这种多孔材料的孔隙率高，有较高的比表面积，具备良好的减震、吸音、吸收能量的作用，制作方法安全。
本发明的技术方案如下：
一种多孔铝基复合金属材料，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁12-13％、钙2-3％、钛0.08-0.10％、碳化硅0.2-0.4％、钇0.5-0.7％、锡0.1-0.2％、其余为铝；其中，在制作多孔铝基复合金属材料的过程中添加了增稠剂、发泡剂和活性添加剂；
其中，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照1-3:0.5-0.8:1的质量比混合制成，所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙按照0.1-0.3:0.5-0.8:0.9-1的质量比混合制成，所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.2-0.3的质量比混合制成。
进一步地，所述多孔铝基复合金属材料包含的铁的质量百分数为12.5％。
进一步地，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照2:0.7:1的质量比混合制成，所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙沫按照0.2:0.6:0.95的质量比混合制成，所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.25的质量比混合制成，
本发明还提供多孔铝基复合金属材料的制作方法，其包括以下步骤：
(1)将上述制作多孔铝基复合金属材料的各原料分别破碎，放入真空球磨机中制成粉末，所述粉末的粒度为60-80μm，将粉末中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体a；
其中，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5-6％；所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的4-6％；所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3-4％；
(2)将块体a放入烧结炉中，通入氮气，以9-11℃/min的速率进行升温，升温至1000-1100℃后，随炉自然冷却，得到材料b；其中，所述氮气的体积流量为100-150ml/min；
(3)将材料b放入质量浓度为20-25％的醋酸溶液中浸泡10-15min后，即得到多孔铝基复合金属材料。
进一步地，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5.5％。
进一步地，所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的5％。
进一步地，所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3.5％。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明多孔铝基复合金属材料所用原料包括铁、钙、钛、碳化硅、钇、锡、铝，其中，加入碳化硅可使复合材料具有更好的热稳定性，可使所得产品具有在温度变化剧烈的环境中仍可稳定使用的特性，且具有优良的耐磨性和耐蚀性；加入钛等元素，可在基体上形成弥散状TiAl等化合物，形成强化材料的效果；加入一定量的铁能有效强化基体，与铝形成化合物相提高合金的机械强度和表面耐磨性能，加入一定量的锡能提高复合材料的抗蚀性能，使材料具有良好的韧性。
本发明所用的增稠剂包括粉煤灰、氧化锰、氧化铝，发泡剂包括碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙沫，活性添加剂包括碳酸氢铵、羟甲基纤维素；粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，本发明将粉煤灰进行了可资源化利用，降低成本，还可提高多孔铝基复合金属材料的抗压强度；本发明中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂，使其经受热产生气体，封闭于内部体系中，从而形成多孔状的材料。本发明的制作方法是将原料磨成粉末后加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂，再进行压制，将压制所得块体于氮气环境下进行烧结，最后于醋酸溶液中浸泡得到，这种制作方法所得的产品的孔洞均匀、连通，且孔隙率高，有较高的比表面积，氮气环境可保证烧结环境稳定，经过醋酸浸泡不仅可洗脱产品中杂质，进一步提高产品的孔隙率。
总之，本发明提供了一种多孔铝基复合金属材料及其制作方法，这种多孔材料的孔隙率高，有较高的比表面积，具备良好的减震、吸音、吸收能量的作用，制作方法安全。
【具体实施方式】
下面的实施例可以帮助本领域的技术人员更全面的理解本发明，但不可以以任何方式限制本发明。
实施例1
一种多孔铝基复合金属材料，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁12％、钙2％、钛0.08％、碳化硅0.2％、钇0.5％、锡0.1％、其余为铝。制作方法包括以下步骤：
(1)将上述制作多孔铝基复合金属材料的各原料分别破碎，放入真空球磨机中制成粉末，所述粉末的粒度为60μm，将粉末中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体a；
其中，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照1:0.5:1的质量比混合制成，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5％；
所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙按照0.1:0.5:0.9的质量比混合制成，所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的4％；
所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.2的质量比混合制成，所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3％；
(2)将块体a放入烧结炉中，通入氮气，以9℃/min的速率进行升温，升温至1000℃后，随炉自然冷却，得到材料b；其中，所述氮气的体积流量为100ml/min；
(3)将材料b放入质量浓度为20％的醋酸溶液中浸泡10min后，即得到多孔铝基复合金属材料。
实施例2
一种多孔铝基复合金属材料，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁13％、钙3％、钛0.10％、碳化硅0.4％、钇0.7％、锡0.2％、其余为铝。制作方法包括以下步骤：
(1)将上述制作多孔铝基复合金属材料的各原料分别破碎，放入真空球磨机中制成粉末，所述粉末的粒度为80μm，将粉末中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体a；
其中，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照3:0.8:1的质量比混合制成，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的6％；
所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙按照0.3:0.8:1的质量比混合制成，所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的6％；
所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.3的质量比混合制成，所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的4％；
(2)将块体a放入烧结炉中，通入氮气，以11℃/min的速率进行升温，升温至1100℃后，随炉自然冷却，得到材料b；其中，所述氮气的体积流量为150ml/min；
(3)将材料b放入质量浓度为25％的醋酸溶液中浸泡15min后，即得到多孔铝基复合金属材料。
实施例3
一种多孔铝基复合金属材料，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁12.6％、钙2.3％、钛0.085％、碳化硅0.25％、钇0.65％、锡0.13％、其余为铝。制作方法包括以下步骤：
(1)将上述制作多孔铝基复合金属材料的各原料分别破碎，放入真空球磨机中制成粉末，所述粉末的粒度为65μm，将粉末中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体a；
其中，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照2:0.75:1的质量比混合制成，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5.5％；
所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙按照0.22:0.6:0.95的质量比混合制成，所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的4.5％；
所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.24的质量比混合制成，所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3.7％；
(2)将块体a放入烧结炉中，通入氮气，以10℃/min的速率进行升温，升温至1020℃后，随炉自然冷却，得到材料b；其中，所述氮气的体积流量为120ml/min；
(3)将材料b放入质量浓度为21％的醋酸溶液中浸泡12min后，即得到多孔铝基复合金属材料。
实施例4
一种多孔铝基复合金属材料，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁12.5％、钙2.6％、钛0.09％、碳化硅0.3％、钇0.6％、锡0.16％、其余为铝。制作方法包括以下步骤：
(1)将上述制作多孔铝基复合金属材料的各原料分别破碎，放入真空球磨机中制成粉末，所述粉末的粒度为70μm，将粉末中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体a；
其中，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照2:0.7:1的质量比混合制成，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5.5％；
所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙按照0.2:0.6:0.95的质量比混合制成，所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的5％；
所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.25的质量比混合制成，所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3.5％；
(2)将块体a放入烧结炉中，通入氮气，以10℃/min的速率进行升温，升温至1050℃后，随炉自然冷却，得到材料b；其中，所述氮气的体积流量为130ml/min；
(3)将材料b放入质量浓度为23％的醋酸溶液中浸泡12min后，即得到多孔铝基复合金属材料。
实验案例：
本发明经过大量的实验操作，对下列几组实验所得的产品进行检测，测试各项参数，记录实验数据，参数见表1；
第1至第4组依次对应本发明中实施例1至4，
第5组所述多孔铝基复合金属材料包含的原料为铝合金，其余方式与实施例4一致，
第6组在制作方法步骤(1)中不加入增稠剂和活性添加剂，其余方式与实施例4一致。
表1多孔铝基复合金属材料参数
从上述表1中可以看出，采用本发明实施例1-4方法制得的多孔铝基复合金属材料的各项指标均好于第5组和第6组的材料，说明采用本发明原料和方法制得的材料，其孔径均匀，孔隙率较大，且其抗压强度好。
其中，第5组与第4组相比，制作多孔铝基复合金属材料的原料不同，并未使用本发明提供的组分和配比，是将铝合金作为原料粉碎后，混合所述增稠剂、发泡剂和活性添加剂而得到的产品，这种产品的比表面积较小，孔隙率较低，抗压强度也较第4组差，说明本发明的制作组分和配比能有效提高产品的各项特性；
第6组与第4组相比，材料的制作过程并未加入所述增稠剂和活性添加剂，其他方式与第4组相同，所得到的产品的比表面积较小，孔隙率较低，抗压强度也较第4组差，说明本发明的制作方法经过加入本发明提供的增稠剂和活性添加剂之后，能有效提高产品的各项特性，提高产品的孔隙率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种多孔铝基复合金属材料，其特征在于，所述多孔铝基复合金属材料包含的原料及其质量百分数为铁12-13％、钙2-3％、钛0.08-0.10％、碳化硅0.2-0.4％、钇0.5-0.7％、锡0.1-0.2％、其余为铝；其中，在制作多孔铝基复合金属材料的过程中添加了增稠剂、发泡剂和活性添加剂；
其中，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照1-3:0.5-0.8:1的质量比混合制成，所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙按照0.1-0.3:0.5-0.8:0.9-1的质量比混合制成，所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.2-0.3的质量比混合制成。
2.根据权利要求1所述一种多孔铝基复合金属材料，其特征在于，所述多孔铝基复合金属材料包含的铁的质量百分数为12.5％。
3.根据权利要求1所述一种多孔铝基复合金属材料，其特征在于，所述增稠剂是由粉煤灰、氧化锰、氧化铝按照2:0.7:1的质量比混合制成，所述发泡剂是由碳酸锶、聚苯乙烯、碳酸钙沫按照0.2:0.6:0.95的质量比混合制成，所述活性添加剂是由碳酸氢铵、羟甲基纤维素按照1:0.25的质量比混合制成。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种多孔铝基复合金属材料的制作方法，其特征在于，所述的具体方法包括以下步骤：
(1)将上述制作多孔铝基复合金属材料的各原料分别破碎，放入真空球磨机中制成粉末，所述粉末的粒度为60-80μm，将粉末中加入增稠剂、发泡剂和活性添加剂后混合均匀，再将其压制成块体a；
其中，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5-6％；所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的4-6％；所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3-4％；
(2)将块体a放入烧结炉中，通入氮气，以9-11℃/min的速率进行升温，升温至1000-1100℃后，随炉自然冷却，得到材料b；其中，所述氮气的体积流量为100-150ml/min；
(3)将材料b放入质量浓度为20-25％的醋酸溶液中浸泡10-15min后，即得到多孔铝基复合金属材料。
5.根据权利要求4所述一种多孔铝基复合金属材料，其特征在于，所述增稠剂的使用量为所述粉末质量的5.5％。
6.根据权利要求4所述一种多孔铝基复合金属材料，其特征在于，所述发泡剂的使用量为所述粉末质量的5％。
7.根据权利要求4所述一种多孔铝基复合金属材料，其特征在于，所述活性添加剂的使用量为所述粉末质量的3.5％。
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