CN107012350A - 一种蜂窝铝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种蜂窝铝的制备方法，属于多孔金属材料领域。本发明所述方法采用渗流‑熔除方法制备蜂窝铝，首先用表面涂覆的锌丝预制蜂窝体反结构，将铝或铝合金熔体快速渗入到反结构中，冷却后获得锌‑铝复合体，然后利用不同金属的熔点差，将复合体中的锌丝熔除后获得蜂窝铝。本发明工艺简单，前驱体锌丝熔化后可回收利用，对环境无污染，有效降低了制备成本，适于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种蜂窝铝的制备方法，属于多孔材料制备领域。
背景技术
金属蜂窝是金属骨架和蜂窝孔相间的一种多孔金属材料，因其内部含蜂窝状直通孔而得名。金属蜂窝除具有金属特性（如良好的导电性、导热性、强韧性）外，还具有高比表面积、大开口度、轻质、高比强度、渗透流通等特性，是典型的结构功能一体化材料。其性能主要取决于蜂窝结构及金属基体材料两方面。近年来，金属蜂窝得到了多方面的研究与开发，应用已涉及到建筑、航空肮天、交通运输、电子、环保、能源等领域。
目前，金属蜂窝的主流制备方法有波纹板焊接法和粉末塑性挤压法。其中波纹板焊接法是普遍使用的制备方法，该方法先将金属薄板带加工成波纹状，再焊接或粘结成蜂窝状，采用这种方法制备的蜂窝铝存在许多不足，如连接强度不高、力学性能、热电性能和高温性能差、受焊接条件限制基材范围窄等；粉末塑性挤压法主要用于制备抗高温氧化性良好的蜂窝材料，如不锈钢蜂窝、Fe-Cr-Al蜂窝等，对于铝或铝合金，由于铝粉末的烧结问题难以解决，因此还未能用此方法获得铝蜂窝。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种蜂窝铝的制备方法，该采用表面涂覆的锌丝制备具有铝蜂窝反结构的渗流前驱体，采用铝或铝合金作为渗流体，将铝或铝合金熔体加压渗流到反结构中，冷却后获得锌-铝复合体，然后利用不同金属的熔点差将锌丝熔除获得蜂窝铝，具体包括以下步骤：
（1）铝蜂窝反结构的渗流前驱体制备
①在锌丝表面涂上耐高温的涂覆材料，涂覆后的锌丝干燥备用。
②将两块相互平行的多孔不锈钢板进行装配，将步骤（1）得到的锌丝依次穿过两块不锈钢板上的孔，穿过所有孔后将锌丝两端拉紧固定获得钢-锌的骨架结构。
③调整两块不锈钢板之间的距离，使锌丝产生拉伸紧固，将骨架结构安装到渗流装置内部，获得具有蜂窝反结构的渗流前驱体；所述渗流装置的外面设有冷却装置。
（2）铝或铝合金熔化保温：将铝或铝合金加热到熔化，并去除熔体表面浮渣，备用。
（3）蜂窝铝的渗流-熔除制备
①蜂窝反结构的渗流前驱体的预热：将步骤（1）中获得的具有蜂窝反结构的渗流前驱体加热到310~360℃预热并保温10~25min。
②加压渗流：将步骤（2）中获得的铝或铝合金熔体从渗流装置的渗流口压渗到锌丝的空隙中，渗流完成后迅速向冷却装置的进水口通入冷却水，冷却水从出水口流出；
③锌丝熔除：拆除渗流装置和冷却装置获得锌-铝复合体，将锌-铝复合体加热使锌丝全部熔化，向锌-铝复合体通入压缩空气，将锌熔体完全吹除得到蜂窝铝。
优选的，本发明步骤（1）耐高温的涂覆材料由以下原料制备得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按质量比为1:（1.5~2）:（2~3）的比例混合得到混合粉末，然后再将混合粉与淬火油按质量比为1:（1.5~1.8）的比例混合均匀得到。
优选的，本发明步骤（1）中耐高温涂层的厚度0.2~0.5mm，锌丝的直径1~4mm。
优选的，本发明步骤（1）中两块多孔不锈钢板用螺杆和螺母进行装配，板间距50~100mm，多孔不锈钢板的孔径为1.5~5.1mm、孔间距为0.3~0.6mm。
优选的，本发明步骤（3）的加压渗流过程中：渗流压力0.2~0.8MPa，渗流时间1.26~21.26s，冷却水的进水速度为80~100cm3/s。
优选的，本发明步骤（3）的锌丝熔除过程中，加热将锌-铝复合体加热到450~480℃保温30~50min使锌丝全部熔化，压缩空气通入的压力为0.2~0.5MPa。
本发明所用锌丝为工业纯锌丝，纯度99.2%，熔点412℃；所用铝或铝合金为工业纯铝、铝基二元及多元合金。
本发明所述渗流装置分为上下两部分，上部为一个凹槽用于加压渗流，凹槽内设有渗流口；下部分为一个密封空间，用于放置骨架结构和冷却铝或铝合金熔体；渗流装置的外面设有冷却装置。
本发明的原理
本发明采用熔点较低的锌丝制备铝蜂窝的反结构、较高熔点的铝或铝合金为渗流体，加压渗流的方法将铝或铝合金熔体渗流到反结构中，冷却后获得锌-铝复合体，再利用不同金属熔点差将锌丝熔除，实现通孔铝蜂窝的制备。
（1）锌丝涂层的隔热原理
涂覆层主要起到隔热作用，阻止渗流过程中铝或铝合金熔体的热量过快传递给锌丝而使锌丝熔化；涂层采用石膏粉、滑石粉和石墨粉按1:（1.5~2）:（2~3）的质量比混合，混合粉按照1:（1.5~1.8）的比例与淬火油搅拌均匀获得；石膏粉（CaSO4﹒2H2O）、滑石粉（3MgO﹒4SiO2﹒H2O）和石墨粉（C）导热系数低且耐热冲击，具有良好的隔热效果；同时它们的晶体为片层状，当对其施加剪切作用力时，很容易发生层间的相互滑动，因此涂覆层有一定的润滑作用，有利于渗流进行。
根据实验建立了涂覆层厚度-渗流时间-预热温度之间的关系为：
（2）渗流压力控制原理
本发明采用正气压进行渗流，渗流过程中，外压力必须大于渗流时的压力损失、摩擦阻力、毛细孔阻力和气体反压力之和，才能使渗流过程顺利进行。随着渗流压力的增加，铝或铝合金熔体的渗流速度加快，可减弱铝或铝合金熔体和不锈钢板、冷却装置、锌丝之间的热交换强度，有效增加蜂窝铝的压渗高度；但渗流压力过高会使锌丝过度紧实甚至压断，导致蜂窝铝孔结构被破坏。渗流压力控制在0.2~0.8MPa时渗流效果较好。
（3）锌丝熔除原理
本发明采用熔点较低的锌丝制备铝蜂窝的反结构、熔点或液相线温度较高的铝或铝合金为渗流体，将锌熔除温度控制在高于锌的熔点、低于铝或铝合金的熔点或液相线温度的温度区间，可使锌丝熔化、铝或铝合金保持固态而将锌丝熔除。本发明锌丝的熔除温度控制在450~480℃。
由于锌熔体和铝或铝合金之间存在摩擦阻力和毛细孔阻力，重力条件下锌熔体不能顺利熔除，需要对锌熔体施加外力。本发明采用压缩空气将压力传递给锌熔体，克服摩擦阻力和毛细孔阻力，同时涂覆层具有润滑作用可减小摩擦阻力，根据实验采用0.2~0.5MPa的气压可以将锌熔体分离去除。
（4）蜂窝铝的孔结构
蜂窝铝的孔径：
D=2(R+d) （2）
蜂窝铝的孔隙率：
（3）
（2）、（3）式中：
D：为蜂窝铝孔径（1.4~5.0mm）；
K：为蜂窝铝孔隙率（53.3%~62.6%）；
R：为锌丝3半径（0.5~2.0mm）；
d：为涂层厚度（0.2~0.5mm）；
L：为孔间距（0.3~0.6mm）。
本发明的有益效果
传统渗流法制备蜂窝铝时，采用泡沫塑料（如聚氨酯）或NaCl为前驱体，通过加热将泡沫塑料燃烧去除或将NaCl水溶除去，容易造成环境污染；而本发明采用渗流-熔除方法制备通孔蜂窝铝，首先用锌丝预制蜂窝体反结构，将铝或铝合金熔体快速渗入到反结构中，冷却后获得锌-铝复合体，然后利用不同金属的熔点差，将复合体中的锌丝熔除后获得蜂窝铝。将前驱体锌丝熔除，锌可以回收利用降低了成本，对环境无污染，还可通过改变锌丝的直径、涂层厚度和孔间距控制蜂窝铝的孔结构。该方法工艺简单，材料可循环利用，成本低，蜂窝孔结构可控。
附图说明
图1为制备铝蜂窝的工艺流程图；
图2为钢-锌骨架结构的平面图；
图3为钢-锌骨架结构的立体图；
图4为渗流前驱体的立体图；
图5为渗流前驱体剖面图。
图中：1-螺杆；2-不锈钢板；3-锌丝；4-螺母；5-进水口；6-渗流装置；7-渗流口；8-冷却装置；9-出水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明具体实施例中的渗流装置6为自制结构，渗流装置分为上下两部分，上部为一个凹槽用于加压渗流，下部分为一个密封空间，用于放置骨架结构和冷却铝或铝合金熔体；渗流装置的外面设有冷却装置。上部凹槽部分用于装铝或铝合金熔体，熔体从渗流口压渗到锌丝空隙；下部分的密封空间用于安装骨架结构，同时旁边带有冷却装置，冷却水从进水口流入冷却装置的中空部分再从出水口流出，用于冷却铝或铝合金熔体，如图4、5所示。
实施例1
（1）铝蜂窝反结构的渗流前驱体制备
①将直径1mm的锌丝3表面涂上耐高温的涂覆材料，涂层厚度0.2mm，涂覆后的锌丝3放入干燥箱干燥，干燥温度80℃，干燥时间1h；所述耐高温的涂覆材料由以下原料制备得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按质量比为1:1.5:2的比例混合得到混合粉末，然后再将混合粉与淬火油按质量比为1:1.5的比例混合均匀得到。
②将两块平行的不锈钢板2用螺杆1、螺母4装配好，板间距50mm，不锈钢板2为孔径1.5mm、孔间距0.3mm的多孔板。
③将涂覆后的锌丝3依次穿过上下不锈钢板2上的孔，穿过所有孔后将锌丝3两端拉紧固定获得钢-锌的骨架结构（如图2、3所示）。
④通过调整螺母4移动上下不锈钢板2，使锌丝3产生拉伸紧固，将骨架结构安装到渗流装置6内部，获得具有蜂窝反结构的渗流前驱体；所述渗流装置6的外面设有冷却装置8（如图4、5所示）。
（2）铝熔化保温
将1070A工业纯铝加热到高于其熔点（660℃）温度50℃的温度710℃熔化、保温20min，去除熔体表面浮渣备用。
（3）蜂窝铝的渗流-熔除制备
①蜂窝反结构的渗流前驱体的预热
将步骤（1）中获得的具有蜂窝反结构的渗流前驱体加热到310℃预热并保温10min；
②加压渗流
在气压作用下，将步骤（2）中获得的1070A工业纯铝熔体从渗流口7压渗到锌丝3空隙中，渗流压力0.8MPa，渗流时间1.26s，渗流完成后迅速向进水口5通入冷却水，进水速度80cm3/s，冷却水从出水口9流出。
③锌丝熔除
拆除渗流装置6和冷却装置8获得锌-铝复合体，将锌-铝复合体加热到450℃保温30min，使锌丝3全部熔化，向锌-铝复合体通入压力为0.5MPa的压缩空气，将锌熔体完全吹除得到孔径1.4mm、孔隙率53.3%的1070A工业纯铝蜂窝。
实施例2
（1）铝蜂窝反结构的渗流前驱体制备
①将直径2mm的锌丝3表面涂上耐高温的涂覆材料，涂层厚度0.3mm，涂覆后的锌丝3放入干燥箱干燥，干燥温度95℃，干燥时间2h；所述耐高温的涂覆材料由以下原料制备得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按质量比为1: 2: 3的比例混合得到混合粉末，然后再将混合粉与淬火油按质量比为1:1.7的比例混合均匀得到。
②将两块平行的不锈钢板2用螺杆1、螺母4装配好，板间距60mm，不锈钢板2为孔径2.7mm、孔间距0.4mm的多孔板。
③将涂覆后的锌丝3依次穿过上下不锈钢板2上的孔，穿过所有孔后将锌丝3两端拉紧固定获得钢-锌的骨架结构（如图2、3所示）。
④通过调整螺母4移动上下不锈钢板2，使锌丝3产生拉伸紧固，将骨架结构安装到渗流装置6内部，获得具有蜂窝反结构的渗流前驱体；所述渗流装置6的外面设有冷却装置8（如图4、5所示）。
（2）铝合金熔化保温：将ZL102铝合金加热到高于其液相线（582℃）温度60℃的温度642℃熔化、保温25min，去除熔体表面浮渣备用。
（3）蜂窝铝的渗流-熔除制备
①蜂窝反结构的渗流前驱体的预热：将步骤（1）中获得的具有蜂窝反结构的渗流前驱体加热到325℃预热并保温15min。
②加压渗流：在气压作用下，将步骤（2）中获得的ZL102铝合金熔体从渗流口7压渗到锌丝3空隙中，渗流压力0.6MPa，渗流时间2.40s，渗流完成后迅速向进水口5通入冷却水，进水速度85cm3/s，冷却水从出水口9流出。
③锌丝熔除：拆除渗流装置6和冷却装置8获得锌-铝复合体，将锌-铝复合体加热到460℃保温35min，使锌丝3全部熔化，向锌-铝复合体通入压力为0.4MPa的压缩空气，将锌熔体完全吹除得到孔径2.6mm、孔隙率59.0%的ZL102铝合金蜂窝。
实施例3
（1）铝蜂窝反结构的渗流前驱体制备
①将直径3mm的锌丝3表面涂上耐高温的涂覆材料，涂层厚度0.4mm，涂覆后的锌丝3放入干燥箱干燥，干燥温度105℃，干燥时间2.5h；所述耐高温的涂覆材料由以下原料制备得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按质量比为1:1.7:2.5的比例混合得到混合粉末，然后再将混合粉与淬火油按质量比为1: 1.8的比例混合均匀得到。
②将两块平行的不锈钢板2用螺杆1、螺母4装配好，板间距80mm，不锈钢板2为孔径3.9mm、孔间距0.5mm的多孔板。
③将涂覆后的锌丝3依次穿过上下不锈钢板2上的孔，穿过所有孔后将锌丝3两端拉紧固定获得钢-锌的骨架结构（如图2、3所示）。
④通过调整螺母4移动上下不锈钢板2，使锌丝3产生拉伸紧固，将骨架结构安装到渗流装置6内部，获得具有蜂窝反结构的渗流前驱体；所述渗流装置6的外面设有冷却装置8（如图4、5所示）。
（2）铝合金熔化保温：将ZL301铝合金加热到高于其液相线（613℃）温度70℃的温度683℃熔化、保温30min，去除熔体表面浮渣备用。
（3）蜂窝铝的渗流-熔除制备
①蜂窝反结构的渗流前驱体的预热：将步骤（1）中获得的具有蜂窝反结构的渗流前驱体加热到340℃预热并保温20min。
②加压渗流：在气压作用下，将步骤（2）中获得的ZL301铝合金熔体从渗流口7压渗到锌丝3空隙中，渗流压力0.4MPa，渗流时间7.39s，渗流完成后迅速向进水口5通入冷却水，进水速度90cm3/s，冷却水从出水口9流出。
③锌丝熔除：拆除渗流装置6和冷却装置8获得锌-铝复合体，将锌-铝复合体加热到470℃保温40min，使锌丝3全部熔化，向锌-铝复合体通入压力为0.3MPa的压缩空气，将锌熔体完全吹除得到孔径3.8mm、孔隙率61.3%的ZL301铝合金蜂窝。
实施例4
（1）铝蜂窝反结构的渗流前驱体制备
①将直径4mm的锌丝3表面涂上耐高温的涂覆材料，涂层厚度0.5mm，涂覆后的锌丝3放入干燥箱干燥，干燥温度120℃，干燥时间3h；所述耐高温的涂覆材料由以下原料制备得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按质量比为1:1.8:3的比例混合得到混合粉末，然后再将混合粉与淬火油按质量比为1:1.6的比例混合均匀得到。
②将两块平行的不锈钢板2用螺杆1、螺母4装配好，板间距100mm，不锈钢板2为孔径5.1mm、孔间距0.6mm的多孔板。
③将涂覆后的锌丝3依次穿过上下不锈钢板2上的孔，穿过所有孔后将锌丝3两端拉紧固定获得钢-锌的骨架结构（如图2、3所示）。
④通过调整螺母4移动上下不锈钢板2，使锌丝3产生拉伸紧固，将骨架结构安装到渗流装置6内部，获得具有蜂窝反结构的渗流前驱体；所述渗流装置6的外面设有冷却装置8（如图4、5所示）。
（2）铝合金熔化保温：将ZL101铝合金加热到高于其液相线（616℃）温度80℃的温度696℃熔化、保温35min，去除熔体表面浮渣备用。
（3）蜂窝铝的渗流-熔除制备
①蜂窝反结构的渗流前驱体的预热：将步骤（1）中获得的具有蜂窝反结构的渗流前驱体加热到360℃预热并保温25min。
②加压渗流：在气压作用下，将步骤（2）中获得的ZL101铝合金熔体从渗流口7压渗到锌丝3空隙中，渗流压力0.2MPa，渗流时间21.26s，渗流完成后迅速向进水口5通入冷却水，进水速度100cm3/s，冷却水从出水口9流出。
③锌丝熔除：拆除渗流装置6和冷却装置8获得锌-铝复合体，将锌-铝复合体加热到480℃保温50min，使锌丝3全部熔化，向锌-铝复合体通入压力为0.2MPa的压缩空气，将锌熔体完全吹除得到孔径5mm、孔隙率62.6%的ZL101铝合金蜂窝。
Claims (7)
1.一种蜂窝铝的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）铝蜂窝反结构的渗流前驱体制备
①在锌丝表面涂上耐高温的涂覆材料，涂覆后的锌丝干燥备用；
②将两块相互平行的多孔不锈钢板进行装配，将步骤（1）得到的锌丝依次穿过两块不锈钢板上的孔，穿过所有孔后将锌丝两端拉紧固定获得钢-锌的骨架结构；
③调整两块不锈钢板之间的距离，使锌丝产生拉伸紧固，将骨架结构安装到渗流装置内部，获得具有蜂窝反结构的渗流前驱体；所述渗流装置的外面设有冷却装置；
（2）铝或铝合金熔化保温：将铝或铝合金加热到熔化，并去除熔体表面浮渣，备用；
（3）蜂窝铝的渗流-熔除制备
①蜂窝反结构的渗流前驱体的预热：将步骤（1）中获得的具有蜂窝反结构的渗流前驱体加热到310~360℃预热并保温10~25min；
②加压渗流：将步骤（2）中获得的铝或铝合金熔体从渗流装置的渗流口压渗到锌丝的空隙中，渗流完成后迅速向冷却装置的进水口通入冷却水，冷却水从出水口流出；
③锌丝熔除：拆除渗流装置和冷却装置获得锌-铝复合体，将锌-铝复合体加热使锌丝全部熔化，向锌-铝复合体通入压缩空气，将锌熔体完全吹除得到蜂窝铝。
2.根据权利要求1所述蜂窝铝的制备方法，其特征在于：步骤（1）耐高温的涂覆材料由以下原料制备得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按质量比为1:（1.5~2）:（2~3）的比例混合得到混合粉末，然后再将混合粉与淬火油按质量比为1:（1.5~1.8）的比例混合均匀得到。
3.根据权利要求1所述蜂窝铝的制备方法，其特征在于：步骤（1）中耐高温涂层的厚度0.2~0.5mm，锌丝的直径1~4mm。
4.根据权利要求1所述蜂窝铝的制备方法，其特征在于：步骤（1）中两块多孔不锈钢板用螺杆和螺母进行装配，板间距50~100mm，多孔不锈钢板的孔径为1.5~5.1mm、孔间距为0.3~0.6mm。
5.根据权利要求1所述蜂窝铝的制备方法，其特征在于：步骤（3）的加压渗流过程中：渗流压力0.2~0.8MPa，渗流时间1.26~21.26s，冷却水的进水速度为80~100cm3/s。
6.根据权利要求1所述蜂窝铝的制备方法，其特征在于：步骤（3）的锌丝熔除过程中，加热将锌-铝复合体加热到450~480℃保温30~50min使锌丝全部熔化，压缩空气通入的压力为0.2~0.5MPa。
7.根据权利要求1~6任意一项所述蜂窝铝的制备方法，其特征在于：所述渗流装置分为上下两部分，上部为一个凹槽用于加压渗流，凹槽内设有渗流口；下部分为一个密封空间，用于放置骨架结构和冷却铝或铝合金熔体；渗流装置的外面设有冷却装置。
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