CN107552797B - 一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型金属材料制备技术领域，提供了一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法。将金属粉末、金属短纤维、增稠剂与水混合搅拌制得粘稠的金属浆料，然后喷丝，并快速冷冻，形成蓬松的泡沫体，加热使冰直接升华而除去，金属粉与金属短纤维在增稠剂的粘接下形成金属泡沫坯体，经快烧固化后得到泡沫金属。与传统方法相比，本发明制得的多孔泡沫金属，孔隙率高，单位体积的内表面积较大，金属短纤维提高了材料力学性能，同时生产工艺简单，成本低，有着良好的环境友好型，适宜大规模推广。

Description

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法

技术领域

本发明属于新型金属材料制备技术领域，提供了一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法。

背景技术

多孔泡沫金属是近几十年发展起来的一种功能材料，对其概念或分类学术界不尽统一，但基本上有如下定义方式:多孔泡沫金属是一种金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料.概括起来，主要有如下分类方式:(1)按孔径和孔隙率的大小分为两类，多孔金属和泡沫金属，孔径小于0.13mm，孔隙率在45%～90%的，称为多孔金属(porousmetal)；而孔径在0.15～6mm，孔隙率大于90%的，称为泡沫金属(foammetal)；(2)按孔的形状特征进行分类:具有通孔结构的称为多孔金属，具有闭孔结构的称为胞状金属(cellu-larmetal)。

多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料，正是由于这种特殊的结构，使之既有金属的特性又有气泡特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低 (闭孔体)、换热散热能力高(通孔体)、吸声性好 (通孔体)、渗透性优 (通孔体)、电磁波吸收性好(通孔体)、阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏 (一些多孔金属对某些气体十分敏感) 、能再生、加工性好等。泡沫金属材料的性能主要取决于气孔在基体材料内的分布情况，包括气孔的类型、形状、大小、数量、均匀性、以及比表面积等。多孔泡沫金属材料自问世以来，作为结构材料，它具有轻质、高比强度的特点；作为功能材料，它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能；因此它在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用。

因此，作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，甚至在航空航天技术中有着广泛的用途。孔径大、孔隙率高、密度低是泡沫金属的三大结构特点。

到目前为止，国内外对多孔泡沫金属的制备工艺方面的研究较多，归纳起来主要有以下几种：铸造法、粉末冶金法、金属沉积法、烧结法、熔融金属发泡法、共晶定向凝固法等六种。一般说来，电沉积制备出的泡沫金属的孔隙率高且非常均匀，但工序长，操作繁琐，成本稍高；气相沉积制备泡沫金属的操作条件严格，沉积速度慢，投资大，生产成本高；发泡法的技术一般则比较复杂，难于掌握，且主要是低熔点金属泡沫的制备上；熔模铸造法仅适用于低熔点的金属和合金 (如 Al，Pb，Sn等)；粒状物料周围浇铸法可以得到形状非常复杂的浇铸件。此外，随着市场需求的发展，泡沫金属向大面积、合金化、低成本、低能耗发展以满足更多领域的需求。采用高效、低成本的生产工艺以提高生产效率则是泡沫金属生产的努力方向。

发明内容

针对现有金属泡沫制备工艺复杂、能耗高、效率低的缺陷，本发明提出一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其将金属粉末、金属短纤维、增稠剂与水混合搅拌制得粘稠的金属浆料，然后喷丝，并快速冷冻，形成蓬松的泡沫体，加热使冰直接升华而除去，金属粉与金属短纤维在增稠剂的粘接下形成金属泡沫坯体，经快烧固化后得到泡沫金属。该方法采用金属短纤维强度增强作用；以水为介质，经简单步骤便制备出机械强度相对较好的多孔发泡金属，且不会对环境产生污染，方便，简单，可行，显示出良好的环境友好性。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，技术特征是将金属粉末、金属短纤维、增稠剂与水混合搅拌制得粘稠的金属浆料，然后喷丝，并快速冷冻，形成蓬松的泡沫体，加热使冰直接升华而除去，金属粉与金属短纤维在增稠剂的粘接下形成金属泡沫坯体，经快烧固化后得到泡沫金属，具体步骤如下：

（1）将金属粉末、金属短纤维、增稠剂与水按一定的质量比例混合，置于容器内，搅拌分散均匀，形成粘度为2000-3000cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成中蓬松的泡沫体；

（2）将步骤（1）制得的蓬松的泡沫体加热，使凝固的冰直接升华为气体完全除去，形成金属泡沫坯体；

（3）将步骤（2）得到得金属泡沫坯体置于箱式电阻炉中，升温烧结，使金属软化并连接，即得泡沫金属。

优选的，步骤（1）所述增稠剂为聚丙烯酰胺、糊化淀粉、黄原胶中的一种；使用量为金属粉末与金属短纤维总质量的5-8%。

优选的，步骤（1）所述金属粉末为粒径50～100μm的铝粉、不锈钢粉、铜粉中的至少一种。

优选的，步骤（1）所述金属短纤维为长度为0.3～0.5mm的铝纤维、铜纤维、不锈钢纤维中的至少一种。进一步优选的，步骤（1）所述金属粉末、金属短纤维为度为的铝粉与铜纤维组合；铜粉与铝纤维组合；或者不锈钢粉与铜纤维组合。

进一步优选的，步骤（1）所述金属粉末、金属短纤维的质量配比为1:3-5。

优选的，步骤（1）所述加入水的量以较佳的形成粘度为2500cp的粘流体为准。

本发明制备方法将金属粉末、金属短纤维与增稠剂、水等混合搅拌制得金属料浆，然后冷冻使得水固化成冰，在真空条件下加热使冰直接升华而除去，得到干燥的初步多孔制品，经烧结固化后得到多孔泡沫金属。该方法采用金属短纤维强度增强作用；以水为介质，经简单步骤便制备出机械强度相对较好的多孔发泡金属，且不会对环境产生污染，方便，简单，可行，显示出良好的环境友好性；在冰的升华过程中，可根据实际情况调整真空度及加热温度。对初步得到的多孔半固体进行烧结时，烧结温度不宜过高，以低于金属熔点50-100℃为宜，以防止金属软化或熔融造成结构损坏。烧结后的保温时间应充分，以消除结构内部压力，提高多孔泡沫结构受压能力，使传力及受力更为均匀。

本发明提供了一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1.本发明以水为介质，具有环境友好性，且水蒸气可回收重复利用，降低了生产成本。没有使用有机前驱体泡沫，进一步降低了生产成本。得到的多孔泡沫金属，孔隙率高，单位体积的内表面积较大。

2.本发明在泡沫金属的制备体系中，引入了金属短纤维，起到了明显的增强作用，提高了力学性能。

3.本发明采用的制备方法，方便，简单，可行，易于实现工业化生产。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其制备泡沫金属的具体过程如下：

将3.5kg粒径为50～100μm的金属铝粉末与0.35kg聚丙烯酰胺、10kg水混合，置于容器内，然后加入1.5kg长度为0.3～0.5mm的金属铝短纤维，继续搅拌22min后，取出搅拌器，形成粘度为2000cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成中蓬松的泡沫体；然后将其置于箱式电阻炉中，升温至低于熔点80℃进行烧结，保温20min后，随炉冷却，即得多孔泡沫金属。

对实施例1得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及内表面积，得到的数据如表1所示；

对实施例1得到的多孔泡沫金属，向其表面施加压应力，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。

实施例2

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其制备泡沫金属的具体过程如下：

将3.2kg粒径为50～100μm的金属镍粉末0.30kg糊化淀粉、10kg水混合，置于容器内，然后加入1.7kg长度为0.3～0.5mm的金属镍短纤维，继续搅拌20min后，取出搅拌器，形成粘度为3000cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成中蓬松的泡沫体；然后将其置于箱式电阻炉中，升温至低于熔点100℃进行烧结，保温20min后，随炉冷却，即得多孔泡沫金属。

对实施例2得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及内表面积，得到的数据如表1所示；

对实施例2得到的多孔泡沫金属，向其表面施加压应力，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。

实施例3

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其制备泡沫金属的具体过程如下：

将3.7kg粒径为50～100μm的金属铜粉末、0.32kg黄原胶与10kg水混合，置于容器内，然后加入1.8kg长度为0.3～0.5mm的金属铜短纤维，继续搅拌25min后，取出搅拌器，形成粘度为2500cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成中蓬松的泡沫体；然后将其置于箱式电阻炉中，升温至低于熔点60℃进行烧结，保温10min后，随炉冷却，即得多孔泡沫金属。

对实施例3得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及内表面积，得到的数据如表1所示；

对实施例3得到的多孔泡沫金属，向其表面施加压应力，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。

实施例4

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其制备泡沫金属的具体过程如下：

将3.6kg粒径为50～100μm的金属镍、0.3kg黄原胶与10kg水混合，置于容器内，然后加入1.2kg长度为0.3～0.5mm的金属镍与铝的合金短纤维，继续搅拌20min后，取出搅拌器，形成粘度为2500cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成中蓬松的泡沫体；然后将其置于箱式电阻炉中，升温至低于熔点80℃进行烧结，保温20min后，随炉冷却，即得多孔泡沫金属。

对实施例4得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及内表面积，得到的数据如表1所示；

对实施例4得到的多孔泡沫金属，向其表面施加压应力，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。

实施例5

一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其制备泡沫金属的具体过程如下：

将3.3kg粒径为50～100μm的金属镍与铜的合金粉末0.4kg聚丙烯酰胺与10kg水混合，然后加入1.8kg长度为0.3～0.5mm的金属镍与铜的合金短纤维，继续搅拌28min后，取出搅拌器，形成粘度为2000-3000cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成中蓬松的泡沫体；然后将其置于箱式电阻炉中，升温至低于熔点350℃进行烧结，保温10min后，随炉冷却，即得多孔泡沫金属。

对实施例5得到的多孔泡沫金属，测试其孔隙率及内表面积，得到的数据如表1所示；

对实施例5得到的多孔泡沫金属，向其表面施加压应力，观察其发生弾性変形、塑性变形及密度突变的阶段，得到其弾性変形范围内可承受的最大压应力，如表1所示。

表1：

由表1可见：

（1）本发明制得的多孔泡沫金属的孔隙率达75%以上，单位体积的内表面积也较大。

（2）本发明制得的多孔泡沫金属，其弾性変形范围内可承受的最大压应力较高，可见其抗压能力较强，受压时不易发生塑性变形，说明金属短纤维起到了较好的增强作用。

Claims (6)

1.一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，技术特征是将金属粉末、金属短纤维、增稠剂与水混合搅拌制得粘稠的金属浆料，然后喷丝，并快速冷冻，形成蓬松的泡沫体，加热使冰直接升华而除去，金属粉与金属短纤维在增稠剂的粘接下形成金属泡沫坯体，经快烧固化后得到泡沫金属，具体步骤如下：

（1）将金属粉末、金属短纤维、增稠剂与水按一定的质量比例混合，置于容器内，搅拌分散均匀，形成粘度为2000-3000cp的粘流体，将粘流体加压喷丝堆积在由液氮冷却的模具中快速冷冻形成蓬松的泡沫体；所述金属短纤维为长度为0.3～0.5mm的铝纤维、铜纤维、不锈钢纤维中的至少一种；

（2）将步骤（1）制得的蓬松的泡沫体加热，使凝固的冰直接升华为气体完全除去，形成金属泡沫坯体；

（3）将步骤（2）得到得金属泡沫坯体置于箱式电阻炉中，升温烧结，使金属软化并连接，即得泡沫金属。

2.根据权利要求1所述一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤（1）所述增稠剂为聚丙烯酰胺、糊化淀粉、黄原胶中的一种；使用量为金属粉末与金属短纤维总质量的5-8%。

3.根据权利要求1所述一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤（1）所述金属粉末为粒径50～100μm的铝粉、不锈钢粉、铜粉中的至少一种。

4.根据权利要求1所述一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤（1）所述金属粉末、金属短纤维为铝粉与铜纤维组合；铜粉与铝纤维组合；或者不锈钢粉与铜纤维组合。

5.根据权利要求1所述一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤（1）所述金属粉末、金属短纤维的质量配比为1:3-5。

6.根据权利要求1所述一种采用冷冻拉丝工艺制备泡沫金属的方法，其特征在于：步骤（1）加入水的量以形成粘度为2500cp的粘流体为准。