CN107042313A - 一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板及其制备方法 - Google Patents

一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板及其制备方法，该具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板包括上下表层、上下金属面层、上下中层和芯层，芯层为具有梯度界面的泡沫铝夹心层，上下中层为聚合物/泡沫铝复合层，上下金属面层为铝、铝合金、钢、钛和钛合金中的一种，上下表层为聚合物层，上下金属面层与泡沫芯层之间不存在清晰界面，而是梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡，聚合物层包裹泡沫夹心板的两端，提高泡沫铝夹心板的整体保持性。本发明制备的泡沫铝夹心板机械强度大，使用寿命高，不易分层，改善泡沫铝夹心板受力时面层剥离的问题，提高泡沫铝夹心板的使用寿命，且制备方法简单，尺寸可控性高。

Description

一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板及其制备方法
技术领域
本发明属于泡沫铝夹心板材料技术领域，具体涉及一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板及其制备方法。
背景技术
泡沫金属材料是由固体框架或平面交错结构形成许许多多胞状气孔的金属材料，其中泡孔结构分成闭孔和开孔两种形式，其中开孔结构是指内部泡孔相互连接，每个泡孔不是封闭的，闭口结构是指内部的泡孔相互独立，每个泡孔都是封闭的。因此，泡沫铝材料具有良好的能量吸收特性、抗冲击性、高比强度、电磁屏蔽、吸声性能、高阻尼性、低热导率和电导率等，在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业、航空航天技术、军事防护等领域具有广阔应用前景。
泡沫铝夹心板是泡沫铝材料的一种，泡沫铝夹心板的芯层为泡沫铝或者泡沫铝合金，面板为金属面板，大多为铝面板、铝合金面板，钢面板等，虽然泡沫铝夹心板具有低密度、高比刚度和理想的抗冲击性能，但是泡沫铝夹心板在受力时易发生面层剥离现象，限制了应用领域。
采用现有技术织造的泡沫铝夹心板都均在明显的界面，界面两侧结构与成分不连续，当施加机械载荷时界面应力不均匀或应力集中，容易造成界面脱粘或者界面附近泡沫铝的剪切和撕裂破坏。中国专利CN 103935080B公开的聚合物/泡沫铝一体型复合夹心板，该夹心板中间为泡沫铝芯层，上下两面为聚合物/泡沫铝复合层，上下表层为纯聚合物保护面层，是将开孔的泡沫铝板的两头分别浸渍于聚合物流体中固化形成，该方法制备的复合夹心板中取代了金属面层，利用聚合物将面层和芯体成为一个整体，没有明显界面，整体性好，但是机械强度与金属面层相比下降，承受能力降低。本发明从泡沫铝的成分和结构入手，使之具有梯度界面结构，并结合聚合物浸渍，形成两种过渡结构，在提高机械强度的基础上，可显著避免面脱现象，提高泡沫铝夹心板的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板及其制备方法，该具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板包括上下表层、上下金属面层、上下中层和芯层，芯层为具有梯度界面的泡沫铝夹心层，上下中层为聚合物/泡沫铝复合层，上下金属面层为铝、铝合金、钢、钛和钛合金中的一种，上下表层为聚合物层，上下金属面层与泡沫芯层之间不存在清晰界面，而是梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡。本发明制备的泡沫铝夹心板机械强度大，使用寿命高，不易分层，且制备方法简单，尺寸可控性高。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板，所述具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板包括上下表层、上下金属面层、上下中层和芯层，所述芯层为具有梯度界面的泡沫铝夹心层，所述上下中层为聚合物/泡沫铝复合层，所述上下金属面层为铝、铝合金、钢、钛和钛合金中的一种，所述上下表层为聚合物层，所述聚合物为环氧树脂、聚氨酯或者橡胶，所述上下金属面层与泡沫芯层之间不存在清晰界面，而是梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡。
作为上述技术方案的优选，所述具有梯度界面的泡沫铝夹心层为球体开孔型或者丝网状开孔型泡沫铝板，开孔孔径不小于2mm，通孔率不小于90％。
作为上述技术方案的优选，所述芯层的厚度为9-80mm。
本发明还提供一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将铝粉或者铝合金粉与发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8-24h，其中，铝粉或者铝合金粉占混合粉末的质量分数98-99.5％，氢化钛粉战混合粉末的质量百分数为0.5-2％；
(2)根据泡沫铝夹心板的成分设计和结构设计，按照下述公式分别计算面板、泡沫铝芯层分别占据夹心板的质量分数：
m面％＝D面×ρ面/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)
m芯％＝D芯×ρ芯/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)
其中m％、D和ρ分别为质量分数、厚度和密度，“面”和“芯”分别代表面板和泡沫芯层；按照计算的质量分数分别称取相应重量的面板合金粉末和泡沫铝芯层的混合粉末；
(3)将称取的下面板合金粉末、混合粉末和上面板合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，其中个，粉末装填的相对密度为50-60％；
(4)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，热压致密化，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度均不低于98％；
(5)将步骤(4)制备的可发泡的夹心板预制件进行二次加工提高质量和改变外形尺寸，得到二次加工预制件；
(6)将步骤(4)制备的可发泡的夹心板预制件或者步骤(5)制备的二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在加热发泡，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品；
(7)将步骤(6)制备的初成品慢慢放入流体状聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，固化，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，热压致密化的温度为300-500℃，压力为20-80MPa，时间为30-120min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(6)中，加热发泡的温度为645-700℃，时间为5-15min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(6)中，初成品包括上下金属面层和中间的泡沫芯层，所述金属面层与泡沫芯层之间不存在清晰界面，而是梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(6)中，所述聚合物为环氧树脂、聚氨酯或者橡胶。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(6)中，固化温度为40-70℃，时间为2h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的上下面经聚合物改性处理，聚合物面层的柔性大，可改善泡沫铝夹心板受力时面层剥离的问题，使具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板在静态局部受压时具有较好的整体性、稳定性和吸能性能。
(2)本发明制备的具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板中上下金属面层与芯层没有清晰的界面，是以一定宽度的梯度过渡界面存在，成分和结构连续过渡，使上下简述面层与芯层之间结合度高，进一步改善泡沫铝夹心板受力时面层剥离的问题，提高泡沫铝夹心板的使用寿命。
(3)本发明制备的具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板与传统的金属面层泡沫铝夹心板相比，在强度、刚度、吸能能力和整体性能方面都有显著提高。
(4)本发明的制备方法简单，可操控性高，将泡沫铝与面板的复合工序和预制件紧实成形工序合二为一，不需要进行表面清洁处理，简化了工艺流程，降低了成本，而且材料和尺寸的可控性更好，有利于获得多种形态和性质的产品，市场竞争力强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
附图1是具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板结构示意图。
其中，1、上表层 2、上金属面层 3、上中层 4、芯层 5、下中层 6、下金属面层 7、下表层
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)将139.3g的150目的Al-11Si合金粉与0.7g的粒径为325目的发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8h，其中，铝合金粉占混合粉末的质量分数99.5％，氢化钛粉占混合粉末的质量百分数为0.5％。
(2)将90g的150目的3003铝合金粉末、混合粉末和90g的150目的3003铝合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，使得三层粉体的厚度分别达到5mm、8mm和5mm，其中粉末装填的相对密度为60％。
(3)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，先升温至300℃，保温30min后加压压制，压力为60MPa，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度为100％。
(4)将可发泡的夹心板预制件的两面进行铣削加工使得面板的平整度提高，再经过抛光加工，得到二次加工预制件。
(5)将二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在645℃下加热发泡7min，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品。
(6)将初成品慢慢放入流体状环氧树脂聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，在40℃下固化2h，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
实施例2：
(1)将261.1g的150目的Al-10Si-0.5Mg合金粉与1.3g的粒径为325目的发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8h，其中，铝合金粉占混合粉末的质量分数99.5％，氢化钛粉占混合粉末的质量百分数为0.5％。
(2)将118.8g的150目的纯铝粉末、混合粉末和118.8g的150目的纯铝粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，使得三层粉体的厚度分别达到6.7mm、15mm和6.7mm，其中粉末装填的相对密度为60％。
(3)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，先升温至300℃，保温30min后加压压制，压力为20MPa，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度为100％。
(4)将可发泡的夹心板预制件的两面进行铣削加工使得面板的平整度提高，再经过抛光加工，得到二次加工预制件。
(5)将二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在645℃下加热发泡5min，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品。
(6)将初成品慢慢放入流体状聚氨酯聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，在70℃下固化2h，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
实施例3：
(1)将400g的150目的6061铝合金粉与4g的粒径为325目的发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为16h，其中，铝合金粉占混合粉末的质量分数99.5％，氢化钛粉占混合粉末的质量百分数为0.5％。
(2)将292g的150目的Ti-6Al-4V合金粉末、混合粉末和292g的150目的Ti-6Al-4V合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，使得三层粉体的厚度分别达到11mm、25mm和11mm，其中粉末装填的相对密度为54％。
(3)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，先升温至500℃，保温60min后加压压制，压力为80MPa，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度为100％。
(4)将可发泡的夹心板预制件置于箱式炉中，在400℃保温1h，随后进行轧制加工，轧制总变形量50％，得到二次加工预制件。
(5)将二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在680℃下加热发泡9min，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品。
(6)将初成品慢慢放入流体状橡胶聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，在60℃下固化2h，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
实施例4：
(1)将665.5g的150目的纯铝粉与13.5g的粒径为325目的发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8h，其中，铝粉占混合粉末的质量分数98％，氢化钛粉战混合粉末的质量百分数为2％。
(2)将748g的150目的304不锈钢合金粉末、混合粉末和748g的150目的304不锈钢合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，使得三层粉体的厚度分别达到17mm、46mm和17mm，其中粉末装填的相对密度为50％。
(3)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，先升温至500℃，保温120min后加压压制，压力为80MPa，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度为98％。
(4)将可发泡的夹心板预制件置于箱式炉中，在400℃保温2h，随后进行轧制加工，轧制总变形量30％，得到二次加工预制件。
(5)将二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在700℃下加热发泡15min，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品。
(6)将初成品慢慢放入流体状环氧树脂聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，在50℃下固化2h，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
实施例5：
(1)将400g的150目的6061铝合金粉与4g的粒径为325目的发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为16h，其中，铝合金粉占混合粉末的质量分数99.5％，氢化钛粉占混合粉末的质量百分数为0.5％。
(2)将292g的150目的Ti-6Al-4V合金粉末、混合粉末和292g的150目的Ti-6Al-4V合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，使得三层粉体的厚度分别达到11mm、25mm和11mm，其中粉末装填的相对密度为54％。
(3)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，先升温至500℃，保温80min后加压压制，压力为70MPa，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度为99％。
(4)将可发泡的夹心板预制件置于箱式炉中，在400℃保温2h，随后进行轧制加工，轧制总变形量50％，得到二次加工预制件。
(5)将二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在680℃下加热发泡10min，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品。
(6)将初成品慢慢放入流体状环氧树脂聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，在65℃下固化2h，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
实施例6：
(1)将665.5g的150目的纯铝粉与13.5g的粒径为325目的发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8h，其中，铝粉占混合粉末的质量分数98％，氢化钛粉战混合粉末的质量百分数为2％。
(2)将748g的150目的304不锈钢合金粉末、混合粉末和748g的150目的304不锈钢合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，使得三层粉体的厚度分别达到17mm、46mm和17mm，其中粉末装填的相对密度为50％。
(3)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，先升温至550℃，保温120min后加压压制，压力为80MPa，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度为99％。
(4)将可发泡的夹心板预制件置于箱式炉中，在400℃保温2h，随后进行轧制加工，轧制总变形量30％，得到二次加工预制件。
(5)将二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在650℃下加热发泡15min，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品。
(6)将初成品慢慢放入流体状环氧树脂聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，在55℃下固化2h，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
将实施例1-6制备的具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板以及现有技术的泡沫铝夹心板的总厚度极限承载力以及在5m/s的冲击速度下的外观结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板机械能力显著提高，且耐冲压性好，不易分离破坏。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板，其特征在于：所述具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板包括上下表层、上下金属面层、上下中层和芯层，所述芯层为具有梯度界面的泡沫铝夹心层，所述上下中层为聚合物/泡沫铝复合层，所述上下金属面层为铝、铝合金、钢、钛和钛合金中的一种，所述上下表层为聚合物层，所述聚合物为环氧树脂、聚氨酯或者橡胶，所述上下金属面层与泡沫芯层之间不存在清晰界面，而是梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板，其特征在于，所述具有梯度界面的泡沫铝夹心层为球体开孔型或者丝网状开孔型泡沫铝板，开孔孔径不小于2mm，通孔率不小于90％。
3.根据权利要求1所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板，其特征在于：所述芯层的厚度为9-80mm。
4.一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝粉或者铝合金粉与发泡剂氢化钛粉再混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8-24h，其中，铝粉或者铝合金粉占混合粉末的质量分数98-99.5％，氢化钛粉战混合粉末的质量百分数为0.5-2％；
(2)根据泡沫铝夹心板的成分设计和结构设计，按照下述公式分别计算面板、泡沫铝芯层分别占据夹心板的质量分数：
m面％＝D面×ρ面/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)
m芯％＝D芯×ρ芯/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)
其中m％、D和ρ分别为质量分数、厚度和密度，“面”和“芯”分别代表面板和泡沫芯层；按照计算的质量分数分别称取相应重量的面板合金粉末和泡沫铝芯层的混合粉末；
(3)将称取的下面板合金粉末、混合粉末和上面板合金粉末一次顺序装入预先加工和组装好的磨具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，其中个，粉末装填的相对密度为50-60％；
(4)将装填粉末后的钢磨具置于热压机中，热压致密化，然后去除磨具获得可发泡的夹心板预制件，其中夹心板预制件的相对密度均不低于98％；
(5)将步骤(4)制备的可发泡的夹心板预制件进行二次加工提高质量和改变外形尺寸，得到二次加工预制件；
(6)将步骤(4)制备的可发泡的夹心板预制件或者步骤(5)制备的二次加工预制件放入预先加热好的加热炉中，在加热发泡，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得初成品；
(7)将步骤(6)制备的初成品慢慢放入流体状聚合物中，使出初成品的单面渗入聚合物中，固化，去除多余的聚合物，翻版后，将处成品的另一面重复上述操作，得到具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板。
5.根据权利要求4所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，热压致密化的温度为300-500℃，压力为20-80MPa，时间为30-120min。
6.根据权利要求4所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，加热发泡的温度为645-700℃，时间为5-15min。
7.根据权利要求4所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，初成品包括上下金属面层和中间的泡沫芯层，所述金属面层与泡沫芯层之间不存在清晰界面，而是梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡。
8.根据权利要求4所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，所述聚合物为环氧树脂、聚氨酯或者橡胶。
9.根据权利要求4所述的一种具有梯度界面的聚合物/泡沫铝夹心板的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，固化温度为40-70℃，时间为2h。
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