CN107779639A - 一种开孔海绵结构的铝质材料及其制备方法 - Google Patents

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刘晓东
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Abstract

本发明公开了一种铝质海绵结构材料，涉及材料领域。本发明制备的铝质开孔海绵结构平均密度小、重量轻、表面积大、导热性好、导电性好、化学活性高，在过滤装置、新型铝电池、铝制导热管及相变均温器件、催化剂载体等领域都有很好的应用前景。

Description

一种开孔海绵结构的铝质材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其涉及一种铝质的开孔海绵结构及其建立方法。
背景技术
开孔的海绵结构的金属材料因其平均密度小，比强度高，导热好，表面积大，孔径可调等特性具有良好的导热、吸音、减震和电磁屏蔽的性能而广泛应用于复合材料、热交换、吸附材料、过滤材料及用作热管等相变传热器件的毛细结构。市场上现有的开孔海绵结构金属多是以电铸、烧结等工艺生产铜、镍、铁等化学活性较低的金属，铝质材料因其高的化学活性很难生产出开孔的海绵结构。
目前，主要采用模铸的方式得到海绵结构的铝质材料，例如，张伟开等在“海绵铝的形成及其孔结构”中公开了的海绵铝及其制备方法是以聚氨酯海绵为模板，采用渗流铸造法和熔模铸造法得到具有网状空隙的石膏模具，再将铝熔体烧铸到模具中，石膏去除后，得到孔隙率为92～98％的三维结构的海绵铝。该方法同样可以得到海绵铝，但是其工艺复杂，操作条件要求较高，尤其对石膏的要求较高，因此该方法制得的海绵结构的铝质材料成本高。并且很难得到孔径1mm以下的海棉铝结构。本发明受限于铝粉直径不能太大，较适合制作孔径1mm以下小孔隙的海绵结构开孔铝。
左孝青等在“粉末冶金法制备通孔泡沫铝”中公开了一种采用压制法利用造孔剂NaCl、铝粉和钢球获得封闭孔体的泡沫铝，该方法通过控制球料比、混料时间、转速、压制方式、压制压力、压制速度、烧结温度等操作条件才可以得到，并且还需要在压制前在模壁上抹上润滑剂，可见该方法工艺条件要求较高、操作复杂。
发明内容
为了解决现有技术存在的制备成本高，工艺复杂、操作条件较高的技术问题，本发明提供一种成本低、操作简便的海绵结构的铝质材料的制备方法。
为实现本发明的目的，本发明第一方面提供一种开孔海绵结构的铝质材料及其制备方法，包括以下步骤：
将纯铝粉和主要成份为铝的粘接剂进行混合处理，得到混合均匀的混合物；
在防氧化环境中，对所述混合物进行加热处理，使加热温度达到粘接剂熔化而纯铝粉未熔化的程度；
熔化后的液态粘接剂在表面张力的作用下聚集在所述纯铝粉颗粒的连接处，经冷却处理后，粘接剂凝固，将铝粉颗粒连接在一起，得到海绵结构的铝质材料；
其中，所述防氧化环境包括：向所述混合物中加入去氧化剂，再对混合物进行加热处理。
需要说明的是，由于粘接剂的主要成份为铝，因此本申请所得到的海绵结构的铝质材料有较高的纯度。
其中，所述防氧化环境还包括：将所述混合物置于加入了去氧化剂的保护气氛中。
其中，所述防氧化环境还包括：真空环境。
其中，所述防氧化环境还包括：被混合物密集填充，含有很少空气的密闭环境。
其中，所述保护气氛中是指，惰性气体或还原性气体保护环境。
其中，所述惰性气体是指氮气，氩气或其他具有相同惰性特性的气体。
其中，所述还原性气体是指氢气等具有还原特性的气体。
其中，所述纯铝粉与粘接剂的混合比例按重量份计为：纯铝粉8-12、粘接剂2-3。
优选的，所述纯铝粉与粘接剂的混合比例按重量份计为：纯铝粉8、粘接剂2。
其中，所述铝粉为氮气雾化纯铝粉，纯度≥99％。
特别是，所述铝粉的颗粒度为60-200目。
特别是，所述粘接剂的颗粒度为100-500目。
其中，所述去氧化剂的加入量按重量份计与铝粉的配比为：去氧化剂0-0.7、铝粉8-12。
优选地，惰性气体保护环境下所述去氧化剂的加入量按重量与铝粉的比例为去氧化剂0.3：铝粉8。
其中，所述粘结剂为铝硅镁合金粉或铝硅合金粉。
特别是，所述粘结剂的颗粒直径是纯铝粉直径的1/2以下。
其中，所述去氧化剂为镁粉，或氟铝酸钾，或氯化钾、氟化钾和氯化铵的混合物。
特别是，所述镁粉纯度>99％。
特别是，所述氟铝酸钾为分析纯≥99.7％。
特别是，所述氯化锌、氟化钾与氯化铵的混合物中氯化锌、氟化钾与氯化铵重量比为3-7：1-3：0.5-2。
优选地，所述氯化锌、氟化钾与氯化铵的混合物中氯化锌、氟化钾与氯化铵的重量比为5：2：1。
优选地，所述防氧化环境还包括：真空环境，或将所述混合物置于保护气氛中。
其中，所述保护气氛为纯氢气，纯氮气，纯氩气，或氢气与氮气的混合气体。
其中，所述氢气与氮气的混合气体中氢气的体积百分比含量小于等于4％。
其中，所述加热温度为550-650℃，加热时间为5-30min。
优选地，所述加热温度为580-630℃，加热时间为30min
其中，所述冷却处理是将固液混合物冷却至室温，可以采用风冷或自然降温的方式对固液混合物冷却。
为实现本发明的目的，本发明第二方面提供一种海绵结构的铝质材料的制备方法，包括以下步骤：
将纯铝粉在防氧化环境中进行加压处理，使相邻的铝粉颗粒之间紧密接触；
对紧密接触的铝粉进行加热，使去氧化剂在高温下去除铝粉表面的氧化膜。压实的、表面已去除氧化膜的铝粉互相接触的部分在高温下由于分子扩散的作用形成连接，经冷却处理后得到海绵结构的铝质材料。
其中，所述防氧化环境包括：真空环境，或被混合物密集填充含有很少空气的密闭环境，并向铝粉中加入去氧化剂以去除铝粉表面的氧化膜，再进行加压处理。
其中，所述纯铝粉与去氧化剂的混合比例按重量份计为：纯铝粉8-12、去氧化剂0.2-1。
优选的，所述纯铝粉与去氧化剂的混合比例按重量份计为：纯铝粉10：去氧化剂0.5。
其中，所述铝粉为氮气化纯铝粉，纯度≥99％。
特别是，所述铝粉的颗粒度为60-200目。
其中，所述去氧化剂为镁粉。
特别是，所述镁粉的纯度>99％
特别是，所述防氧化环境还包括：真空环境，或将上述粉末压实后密封。
其中，所述加热温度为550～650℃，加热时间为30-180min。
优选地，所述加热温度为580～630℃，加热时间为120min。
其中，所述压力为0.3-0.7MPa，优选为0.5MPa。
其中，所述冷却处理是将所述混合物冷却至室温，可以采用风冷或自然冷却的方式对混合物冷却。
为实现本发明的目的，本发明提供一种海绵结构的铝质材料，由第一方面所述的方法制备得到。
为实现本发明的目的，本发明再提供一种海绵结构的铝质材料，其特征在于，由第二方面所述的方法制备得到。
本发明方法的优点：
1、本发明仅利用铝粉和去氧化剂或者铝粉、以铝为主要成分的粘接剂及去氧化剂就得到了具有开孔海绵结构的铝质材料，原料简单，成本低廉，纯度较高。
2、本发明方法仅需要在气氛保护环境中进行高温和冷却处理即可将原料加工成具有开孔海绵结构的铝质材料，因此仅需要常规的气氛保护隧道炉即可进行生产，方法简单、操作简便，利于集约工厂化生产，成本低。也可以使用真空炉或其它气氛保护炉，比如箱式气氛炉。
3、本发明制得的开孔海绵铝材料除了具有常规铜、铁、镍开孔材料比表面积大、重量轻的优点外，还具有表观密度小，仅为1.0～1.6g/cm3，是铝材密度的0.4～0.6倍，导热好、其导热系数约为50W/m·K，是纯铝的1/4。而且其材料纯度高，保留了纯铝导电好、化学活性高的特点。
4、由于本发明制得铝质开孔海绵结构材料多孔贯通，渗透性好，因此可以用于过滤装置；由于该材料导热好，多孔贯通，因此可以应用于热管及相变均温器件的毛细吸液芯，从而提高产品的导热能力和温度均匀性；由于该材料化学活性高，导电性好，因此可以应用于新型电池的电极可以提高电池的容量及充放电电流。
附图说明
图1本发明制得的铝质开孔海绵结构材料的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对发明进行说明。本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。 但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
材料：纯铝粉，为氮气雾化纯铝粉，球形或树枝状外形，纯度99％以上；铝硅合金粉，为氮气雾化铝硅合金粉，球形最佳，含硅量8～12％；纯度99％以上；镁粉、氟铝酸钾、氯化钾、氟化钾、氯化铵均为分析纯。上述产品均为市售产品。
实施例1
1、将球形或树枝状纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾以10：1：0.5的比例在室温条件下混合20min，得到混合均匀的原料混合物。
2、采用常规的气氛保护隧道炉对原料混合物进行高温处理。处理前开启气氛保护隧道炉的加热装置使其温度达到580℃，开启炉内气氛控制装置，使其内充满保护气体为氢气的气体，再将原料混合物装于料盒内，放入气氛保护隧道炉中进行高温处理，当料盒温度达到580℃时，原料混合物中的氟氯酸钾熔化，破坏了位于铝粉表面的氧化膜，使仍处于粉末状的铝粉颗粒暴露在保护气体中，同时铝硅合金受热熔化，利用液态铝硅合金能与洁净的纯铝表面润湿的特性，液态铝硅合金在表面张力的作用下聚集在铝粉颗粒的连接处，高温处理30min后，开启气氛保护隧道炉的冷却装置对料盒进行冷却处理，随着温度的降低，液态铝硅合金逐渐凝固，铝粉颗粒之间被凝固的铝硅合金黏结在一起，形成内部空隙互相贯通的类似海绵结构的铝质材料。
该操作过程还可以使用任意一种可以实现使原料处理在气氛保护的环境中进行高温处理和冷却处理的操作装置，例如真空炉、气氛电阻炉。
需要说明的是，气氛保护气体可以是任意一种防止原料氧化的气体，例如氢气、氮气或氮气与氢气的混合气体。加热温度在550-650℃范围内都可以实现本发明的目的；高温处理时间在5-35min内都可以实现本发明的目的。
铝硅合金粉的与铝粉的比例会影响海绵铝的孔隙度。铝硅合金粉比例多将使铝粉间的空隙有较多被填充，海绵铝的孔隙度下降，反之孔隙度上升。
此外，海绵结构的铝质材料的混合比例还可以是由混合比例为5:1：0.2的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得；由混合比例为5:1:0.5的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾 制得；由混合比例为5:1:1的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得；由混合比例为6:1:1的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得；由混合比例为6:1:0.2的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得；由混合比例为7:1:0.2的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得；由混合比例为7:1:0.5的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得；由混合比例为7:1:1的纯铝粉、铝硅合金粉和氟铝酸钾制得。
实施例2
使用球形或树枝状纯铝粉、铝硅镁合金粉作为原料，在压力小于5×10-3Pa的真空环境中，对混合粉末加热也可以得到所述海绵结构铝材料，其它与实施例1中的操作相同。
实施例3
1、将球形或树枝状纯铝粉与镁粉以10：0.5的比例在室温条件下混合，得到混合均匀的原料混合物。
2、对原料混合物进行加压处理，使其压力达到0.5MPa，纯铝粉之间互相充分接触；
3、对加压的原料粉末放入到真空炉中以580℃的温度加热120分钟，使相临铝粉的分子间发生相互扩散，镁粉在在高温及真空环境中快速去除铝分子表面的氧化层，使得纯铝粉末之间由于扩散作用而连接在一起，加热120min后，对原料混合物进行冷却，得到海绵结构的铝质材料。
将原料粉末加压、密封后，该操作过程还可以使用任意一种可以实现使原料处理在气氛保护的环境中进行高温处理和冷却处理的操作装置，例如气氛保护隧道炉，或气氛保护电阻炉。
此外，海绵结构的铝质材料的混合比例还可以是由混合比例为8:0.2的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得；由混合比例为8:0.5的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得；由混合比例为8:1的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得；由混合比例为10:0.2的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得；由混合比例为10:1的球形或树枝状纯铝和镁粉制得；由混合比例为12:0.2的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得；由混合比例为12:0.5的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得；由混合比例为12:1的球形或树枝状纯铝粉和镁粉制得。
试验例
将实施例1-3得到海绵结构的铝质材料进行孔隙率、比表面积、表观密度、导热性能的检测，检测结果如表1所示。
其中，孔隙率的检测方法是：排液体积测量法(测量材料的外形尺寸，计算体积作为分母，将材料浸入液体中，排开液体的体积与计算体积的差作为分子，计算孔隙率)；
比表面积的检测方法是：根据铝粉的直径估算；
导热性能的检测方法参照文件《大学物理实验-导热系数的测定》。
表1性能检测结果
铝块 实施例1 实施例2 实施例3
孔隙率(％) 0 48 42 51
表观密度(g/cm2) 2.7 1.3 1.2 1.2
导热系(w/m·k) 200 50 50 50
根据表1测得的结果，可知，本申请提供的铝质材料除了具有常规铜、铁、镍开孔材料比表面积大、重量轻的优点外，还具有表观密度小，仅为1.0～1.6g/cm3，是铝材密度的0.4～0.6倍，而且其导热好、导电好、化学活性高，其导热系数为50W/m·K，是纯铝的1/4。
由于本发明制得铝质开孔海绵结构材料多孔贯通，渗透性好，因此可以用于过滤装置；由于该材料导热好，多孔贯通，因此可以应用于热管及相变均温器件的毛细吸液芯，从而提高产品的导热能力和温度均匀性；由于该材料化学活性高，导电性好，因此可以应用于新型电池的电极可以提高电池的容量及充放电电流。

Claims (10)

1.一种开孔海绵结构的铝质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将纯铝粉和主要成份为铝的粘接剂进行混合处理，得到混合均匀的混合物；
在防氧化环境中，对所述混合物进行加热处理，使加热温度达到粘接剂熔化而纯铝粉未熔化的程度；
熔化后的液态粘接剂在表面张力的作用下聚集在所述纯铝粉颗粒的连接处，经冷却处理后，粘接剂凝固，将铝粉颗粒连接在一起，得到海绵结构的铝质材料；
其中，所述防氧化环境包括：向所述混合物中加入去氧化剂，再对混合物进行加热处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述防氧化环境还包括：将所述混合物置于保护气氛中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热温度为550～650℃，加热时间为5-30min。
4.一种海绵结构的铝质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将纯铝粉与防氧化剂的混合物在防氧化环境中进行加压或振实处理，使相邻的铝粉颗粒之间互相紧密接触；
对紧密接触的铝粉进行加热，使防氧化剂在高温下去除铝表面的氧化层，洁净表面的纯铝颗粒在高温下由于分子的扩散运动连接在一起，经冷却处理后得到海绵结构的铝质材料；
其中，所述防氧化环境包括：真空环境，或含有很少空气的密闭环境，并向铝粉中加入去氧化剂以去除铝粉表面的氧化膜，再进行加压处理。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述防氧化环境还包括：将所述铝粉与防氧化剂的混合物密封后置于惰性气体保护气氛中。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加热温度为550～650℃，加热时间为30-180min。
7.一种开孔海绵结构的铝质材料，其特征在于，由权利要求1所述的方法制备得到，其中，纯铝粉、粘接剂及去氧化剂重量份比为8-12:2-3:0-0.7。
8.如权利要求7所述的材料，其特征在于，所述粘接剂为铝硅镁合金或铝硅合金。
9.一种开孔海绵结构的铝质材料，其特征在于，由权利要求4所述的方法制备得到，其中，纯铝粉与去氧化剂的重量份比为8-12:0-0.7。
10.如权利要求7或9所述的材料，其特征在于，所述去氧化剂为镁粉，或氟铝酸钾，或氯化钾、氟化钾和氯化铵的混合物。
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