CN107142448B - 一种轻质化结构复合材料的制备方法 - Google Patents

一种轻质化结构复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合金属材料领域，具体涉及一种轻质化结构复合材料的制备方法：在真空热处理条件下，于多孔基体材料的表层采用热渗透技术负载Al‑Ti‑SiC合金粉末，再于合金粉末表面涂覆聚氨酯树脂并烘干。基体材料表层负载了高强度合金涂层，保留了其内部孔连接结构的致密性和强度，更有效增强了材料的抗拉强度和延伸性能，提升了抗冲击性能，采用该材料制作的汽车防护板以及相关结构件，其耐冲击、吸收能量性能、体积质量比更加优越。

Description

一种轻质化结构复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合金属材料领域，具体涉及一种轻质化结构复合材料的制备方法。
背景技术
随着“节能环保”的理念越来越被社会广泛关注，轻量化也逐步应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。降低汽车重量的途径是在车身上大量使用轻型多孔材料，如铝、镁等合金多孔材料、聚氨酯夹心板材料，这些材料的制造成本较高，铝、镁等合金多孔材料只能采取本体金属热融发泡，而该方法制备的材料孔隙均匀性极差，通孔与闭孔互相混合并存，无法有效起到汽车轻量化的作用，同时，孔隙的不均性也会造成材料的承受力不均匀；聚氨酯夹心板材料应用于汽车领域，其强度和阻燃性较差，严重影响汽车的行驶安全性。如何研制出高强度、轻量化的优质多孔金属复合材料仍是本领域的一大难题。
发明内容
本发明针对现有汽车用复合材料存在的上述问题，提供一种能够有效降低汽车整车质量、可吸收撞击能量、可塑性高、阻燃性强的轻质化结构复合材料的制备方法：
在真空热处理条件下，在多孔基体材料的表层采用热渗透技术负载Al-Ti-SiC合金粉末，再于合金粉末表面涂覆聚氨酯树脂膜，并在300～500℃条件下烘干即可，
其中，多孔基体材料为多孔泡沫铁，其厚度为1～50mm，开孔率为20～90％，质量密度为800～3500g/m2，平均孔径为100-500um，
作为优选：对多孔泡沫铁进行热渗透之前，先将其置于溶质质量分数5～8％的稀盐酸溶液中浸泡5～10min，去除材料表面的氧化膜，随后将材料用自来水清洗干净并烘干；
负载Al-Ti-SiC合金粉末的方法为，将氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末以及水混合充分，于2.0*10-2Pa的真空度、800～1500℃的热渗透温度下，对多孔基体材料进行真空热渗透，直至合金粉末渗透进入多孔基底材料厚度的1/5～2/5，再将负载后的多孔基体材料置于500～1000℃下保温5～10小时，
其中，氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末以及水的用量按重量百分比计算为，氢氧化铝粉末70～85％、二氧化钛粉末5～10％、碳化硅粉末5～10％、水5～10％，氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末的颗粒尺寸均为0.05～1.5mm，
通过挤压设备将分子量为10000～50000的聚氨酯树脂挤压到材料内孔，以实现聚氨酯树脂在合金粉末表面的涂覆，挤压压力控制在0.1～1Mpa，通过挤压压力控制聚氨酯树脂进入基材的纵向深度为1～5mm。
本发明的有益效果在于：主体材料为多孔泡沫金属，能有效减轻汽车重量，重量可下降60％以上；
本发明在选择氢氧化铝作为合金粉末的基础上采用热渗透的涂覆工艺，热渗透涂覆过程中氢氧化铝转化为氧化铝，并且与二氧化钛等其他成分综合反应后形成了共熔体，结构更为牢固，涂层整体性更好，
材料具有高强度、高抗疲劳性，由此制作的结构材料不仅具有较高的承载强度，同时可以吸收60％以上撞击能量，大大提升了汽车的安全性能；
在多孔金属材料表层负载了高强度的Al-Ti-SiC合金，保留了其内部孔连接结构的致密性和强度，更有效增强了材料的抗拉强度和延伸性能，提升了常规多孔金属抗冲击性能，由此采用该材料制作的汽车防护板以及相关结构件，其耐冲击、吸收能量性能、体积质量比更加优越；
本发明采用热渗透的工艺解决了现有热喷涂技术所造成的环境污染以及喷涂不均匀的问题，采用表面树脂封装技术，解决了金属材料在使用环境中的耐腐蚀问题以及增强了材料的钢度。工艺成本低，易实现规模化生产。
附图说明
图1为实施例1步骤(2)中负载到多孔基体材料上的合金粉末的SEM图，可见该合金粉末负载物形成了共熔体，结构致密、平整；
图2为对比实施例1步骤(2)中负载到多孔基体材料上的合金粉末的SEM图，可见合金粉末负载物中各成分呈颗粒状分散存在，未形成共熔体。
图3为对比实施例2步骤(2)中负载到多孔基体材料上的合金粉末的SEM图，可见合金粉末负载物中各成分呈颗粒状分散存在，未形成共熔体。
图4为对比实施例3步骤(2)中负载到多孔基体材料上的合金粉末的SEM图，可见合金粉末负载物中各成分呈颗粒状分散存在，未形成共熔体。
具体实施方式
实施例1
(1)将开孔率为20％且分布均匀、厚度为5mm、质量密度为850g/m2的多孔泡沫铁板材置于溶质质量分数5％的稀盐酸溶液中浸泡5min以去除材料表面的氧化膜，随后用自来水清洗干净并低温烘干；
(2)将氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末(颗粒尺寸均为0.05mm)以及水按重量百分比70％：10％：10％：10％混合充分，于2.0*10-2Pa的真空度、800℃的热渗透温度下，对经过步骤(1)处理的多孔泡沫铁板材进行真空热渗透，直至合金粉末渗透进入多孔基底材料厚度的2/5，再将负载后的多孔泡沫铁板材置于500℃、有氮气氛保护的热处理炉中保温5小时，所得合金粉末的SEM图如附图1所示；
(3)在步骤(2)中负载的合金粉末上，通过挤压设备将分子量为10000的聚氨酯树脂挤压到材料内孔，挤压压力控制在0.1Mpa，聚氨酯树脂进入基材的纵向深度为1mm，并在300℃下烘干。
对本实施例中制备的轻质化结构复合材料与相应的多孔泡沫铁板材基体分别进行抗拉强度、抗冲击强度、拉伸率等性能的对比检测，检测结果如表1所示，
表1
实施例2
(1)将开孔率为50％且分布均匀、厚度为15mm、质量密度为1000g/m2的多孔泡沫铁板材置于溶质质量分数8％的稀盐酸溶液中浸泡8min以去除材料表面的氧化膜，随后用自来水清洗干净并低温烘干；
(2)将氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末(颗粒尺寸均为0.2mm)以及水按重量百分比75％：5％：10％：10％混合充分，于2.5*10-2Pa的真空度、900℃的热渗透温度下，对经过步骤(1)处理的多孔泡沫铁板材进行真空热渗透，直至合金粉末渗透进入多孔基底材料厚度的1/5，再将负载后的多孔泡沫铁板材置于700℃、有氮气氛保护的热处理炉中保温6小时；
(3)在步骤(2)中负载的合金粉末上，通过挤压设备将分子量为20000的聚氨酯树脂挤压到材料内孔，挤压压力控制在0.3Mpa，聚氨酯树脂进入基材的纵向深度为2mm，并在400℃下烘干。
对本实施例中制备的轻质化结构复合材料与相应的多孔泡沫铁板材基体分别进行抗拉强度、抗冲击强度、拉伸率等性能的对比检测，检测结果如表2所示，
表2
实施例3
(1)将开孔率为75％且分布均匀、厚度为30mm、质量密度为2500g/m2的多孔泡沫铁板材置于溶质质量分数8％的稀盐酸溶液中浸泡9min以去除材料表面的氧化膜，随后用自来水清洗干净并低温烘干；
(2)将氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末(颗粒尺寸均为0.8mm)以及水按重量百分比80％：10％：5％：5％混合充分，于2.5*10-2Pa的真空度、1000℃的热渗透温度下，对经过步骤(1)处理的多孔泡沫铁板材进行真空热渗透，直至合金粉末渗透进入多孔基底材料厚度的1/5，再将负载后的多孔泡沫铁板材置于800℃、有氮气氛保护的热处理炉中保温7小时；
(3)在步骤(2)中负载的合金粉末上，通过挤压设备将分子量为30000的聚氨酯树脂挤压到材料内孔，挤压压力控制在0.5Mpa，聚氨酯树脂进入基材的纵向深度为3mm，并在450℃下烘干。
对本实施例中制备的轻质化结构复合材料与相应的多孔泡沫铁板材基体分别进行抗拉强度、抗冲击强度、拉伸率等性能的对比检测，检测结果如表3所示，
表3
实施例4
(1)将开孔率为90％且分布均匀、厚度为50mm、质量密度为3500g/m2的多孔泡沫铁板材置于溶质质量分数8％的稀盐酸溶液中浸泡10min以去除材料表面的氧化膜，随后用自来水清洗干净并低温烘干；
(2)将氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末(颗粒尺寸均为1.5mm)以及水按重量百分比85％：5％：5％：5％混合充分，于3.0*10-2Pa的真空度、1500℃的热渗透温度下，对经过步骤(1)处理的多孔泡沫铁板材进行真空热渗透，直至合金粉末渗透进入多孔基底材料厚度的1/5，再将负载后的多孔泡沫铁板材置于1000℃、有氮气氛保护的热处理炉中保温8小时；
(3)在步骤(2)中负载的合金粉末上，通过挤压设备将分子量为50000的聚氨酯树脂挤压到材料内孔，挤压压力控制在0.6Mpa，聚氨酯树脂进入基材的纵向深度为5mm，并在500℃下烘干。
对本实施例中制备的轻质化结构复合材料与相应的多孔泡沫铁板材基体分别进行抗拉强度、抗冲击强度、拉伸率等性能的对比检测，检测结果如表4所示，
表4
对比实施例1
在实施例1的基础上，仅将步骤(2)中的“氢氧化铝粉末”替换为等摩尔、等尺寸的氧化铝粉末，其余组分、操作不变。
结果步骤(2)中热处理后得到的合金粉末的SEM图如附图2所示。
对比实施例2
在实施例1的基础上，仅将步骤(2)中的热渗透工艺用磁控溅射工艺替代，其余组分、操作不变。
结果步骤(2)中热处理后得到的合金粉末的SEM图如附图3所示。
对比实施例3
在实施例1的基础上，仅将步骤(2)中的热渗透工艺用热涂覆工艺替代，其余组分、操作不变。
结果步骤(2)中热处理后得到的合金粉末的SEM图如附图4所示。

Claims (8)

1.一种轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法为，在真空热处理条件下，于多孔基体材料的表层采用热渗透技术负载Al-Ti-SiC合金粉末，再于合金粉末表面涂覆聚氨酯树脂并烘干；
其中，负载Al-Ti-SiC 合金粉末的方法为，将氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末以及水混合充分，于热渗透温度下对多孔基体材料进行真空热渗透，再将负载后的多孔基体材料置于500～1000℃下保温5～10小时。
2.如权利要求1所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述的多孔基体材料为多孔泡沫铁，其厚度为1～50mm，开孔率为20～90％，质量密度为800～3500g/m2。
3.如权利要求2所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：进行热渗透之前，先将所述的多孔泡沫铁置于稀盐酸溶液中浸泡去除表面氧化膜，随后用自来水清洗干净并烘干。
4.如权利要求1所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述的热渗透温度为800～1500℃。
5.如权利要求1所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：热渗透时的真空度为2.0×10-2Pa。
6.如权利要求1所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：氢氧化铝粉末、二氧化钛粉末、碳化硅粉末以及水的用量按重量百分比计算为，氢氧化铝粉末70～85％、二氧化钛粉末5～10％、碳化硅粉末5～10％、水5～10％。
7.如权利要求1所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：对多孔基体材料进行真空热渗透直至所述合金粉末渗透进入基底材料厚度的1/5～2/5。
8.如权利要求1所述的轻质化结构复合材料的制备方法，其特征在于：通过挤压设备将分子量为10000～50000的聚氨酯树脂挤压到材料内孔。
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