CN108060320B - 一种TiC-TiB2增强泡沫铝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiC‑TiB2增强泡沫铝材料及其制备方法，泡沫铝材料以铝为基体，以TiC‑TiB为增强相，增强相TiC‑TiB的质量含量为泡沫铝材料质量的1％～20％。其制备方法，先将原料铝加热去除吸附水分，在惰性气体保护下于800～1100℃加热熔化后，加入碳源、硼源和钛源混合料反应，得到含TiC‑TiB2的铝熔体，之后调整铝熔体温度至660～740℃，再以500～1200rpm的速度搅拌2～15min，保温10～30min；之后在搅拌状态下加入泡剂，并以1500～3000rpm的转速高速搅拌20～90s，然后将其倒入经过预热的模具中，在650～700℃保温发泡2～10min，得到充分发泡的泡沫铝，冷却至室温即得到所有制取的TiC‑TiB2增强泡沫铝材料。所制备的TiC‑TiB2增强泡沫铝材料，在保持泡沫铝轻质和韧性好的前提下大大提高了圧缩强度。

Description

一种TiC-TiB2增强泡沫铝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于泡沫铝材料领域，特别涉及一种增强泡沫铝材料及其制备方法。
背景技术
泡沫铝是由铝基体和气孔组成的一种新型结构与功能一体化材料。作为结构材料，泡沫铝具有质量轻、密度小、高比强度和大刚度等特点；作为功能材料，泡沫铝具有吸声、隔声、吸能、减震、隔热、阻尼、电磁屏蔽等多种优异特性。因此，泡沫铝在机械、电子、建筑、环保、冶金、交通运输、航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景，是一种极具发展前景和开发前途的新型工程材料。经过近七十年的研究，泡沫铝的制备研究已经取得了丰硕的成果，已有少量产品应用于汽车、航空航天、交通运输等领域。随着我国航天科技的飞速发展，为满足新型航天器更轻质、更高强度、绝热等优良性能的要求，对泡沫铝材料的性能也提出了越来越高的要求。然而，目前泡沫铝材料仍以泡沫纯铝为主，其强度较低，无法满足新型航天器对高强度泡沫铝的需求，限制了泡沫铝的进一步发展和应用范围。为了提高泡沫铝的强度，科研人员开展了大量的研究工作，发现向铝熔体中添加Al2O3、SiC、TiB2等陶瓷颗粒是提高其强度的重要途径。然而，由于外加陶瓷颗粒与铝熔体的润湿性差，不易加入，且结合强度低，使得泡沫铝材料的强度提高幅度有限。因此，如何在保持泡沫铝轻质特性的前提下，提高泡沫铝材料的强度是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有泡沫铝材料存在的不足，提出一种TiC-TiB2增强泡沫铝材料及其制备方法，以实现在保持泡沫铝轻质特性的前提下，提高泡沫铝材料的强度，拓宽其应用范围。
本发明提供的TiC-TiB2增强泡沫铝材料，以铝为基体，以TiC-TiB为增强相，其中增强相TiC-TiB的质量含量为泡沫铝材料质量的1％～20％。
本发明提供的TiC-TiB2增强泡沫铝材料，可通过包括以下工艺步骤的方法进行制备：
(1)配料
根据TiC-TiB2增强泡沫铝材料中的成分元素比，换算出作为原料的铝或铝合金、碳源、硼源、钛源的用量比进行配料；
(2)熔炼
将铝或铝合金置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于800～1100℃加热使铝或铝合金全部熔化，然后加入碳源、硼源和钛源的混合料反应制备含TiC-TiB2的铝熔体，所述钛源、碳源、硼源的质量加入量为使制备的泡沫铝材料中含有1％～20％的TiC-TiB2(即TiC-TiB2占泡沫铝总质量分数的1％～20％)，充分反应后，调整铝熔体温度至660～740℃，再以500～1200rpm的速度搅拌2～15min，保温10～30min；
(3)发泡
将发泡剂在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以1500～3000rpm的转速高速搅拌20～90s，发泡剂的质量加入量为铝熔体制备原料总质量的0.5％～3％，然后将其倒入经过预热的模具中，在650～700℃保温发泡2～10min，得到充分发泡的泡沫铝；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出，自然冷却至室温，或用强风冷却至室温，或用冷却水冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
上述TiC-TiB2增强泡沫铝材料的制备方法，所述发泡剂可为氢化钛、氢化锆、氢化稀土、碳酸钙、碳酸镁和白云石中的至少一种。
上述TiC-TiB2增强泡沫铝材料的制备方法，所述钛源可为钛粉、钛块、海绵钛、氢化钛中的至少一种。
上述TiC-TiB2增强泡沫铝材料的制备方法，所述碳源可为碳化硼粉末、活性炭、碳黑粉和石墨粉中的至少一种。
上述TiC-TiB2增强泡沫铝材料的制备方法，所述硼源可为碳化硼粉末、单质硼粉、硼砂、硼铁和硼块中的至少一种。
上述TiC-TiB2增强泡沫铝材料的制备方法，优选碳化硼粉末为碳源和硼源。
本发明提供的TiC-TiB2增强泡沫铝材料，以TiC-TiB2为增强相，采取TiC-TiB2原位增强制备，大大提高了泡沫铝材料的力学性能。本发明提供的TiC-TiB2增强泡沫铝材料(见实施例1)其压缩强度约为5.7MPa，约为纯铝泡沫材料(对比例1)压缩强度2.3MPa的2.5倍，提高了约3.4MPa，而其韧性与纯铝泡沫材料一样好；与文献报道的陶瓷颗粒增强泡沫铝材料相比，如罗洪杰等制备的粉煤灰颗粒增强泡沫铝材料(孔隙率为80％，压缩强度为4.56MPa)、Kennedy等制备的TiB2增强泡沫铝材料(孔隙率约为84％，压缩强度<5MPa)和桂满昌等制备的15vol％SiC增强泡沫铝材料(孔隙率为82％，压缩强度为4.74MPa)，圧缩强度都有显著的提高。本发明提供的TiC-TiB2原位增强泡沫铝材料，不仅保持了泡沫铝材料的轻质特性(孔隙率更高)，同时还具有更高的压缩强度，如果将本发明制备的TiC-TiB2原位增强泡沫铝材料应用于航空航天领域，则可以有效减轻航空器的质量。目前在航天领域，每送入轨道1kg有效载荷，发射费用需要上万美元。由此可见，本发明提供的TiC-TiB2增强泡沫铝材料应用在航空天领域，带来的经济效益是显而易见的。
本发明与现有技术相比，概括起来具有以下十分突出的有益技术效果：
1、本发明提供了一种新型的高强度泡沫铝材料，使得泡沫铝材料同时具有轻质和高强度的特性，改善了传统泡沫铝强度低的缺点，拓展了泡沫铝的应用领域和范围，同时也为高强度泡沫铝材料的制备提供了一种新的研究思路。
2、本发明方法利用TiC-TiB2同时实现增黏和增强的目的，简化了制备工艺过程，有利于工业化生产。通过控制原料碳源、硼源、钛源的加入量，调整TiC-TiB2的含量来控制铝熔体的黏度，使得铝熔体黏度得到准确控制，改善了传统泡沫铝制备过程中黏度无法准确控制的缺点。
3、本发明的方法所述增强相TiC-TiB2是在铝熔体中原位反应合成的，克服了外加增强相与铝熔体的润湿性差，不易加入的缺点，改善了增强相与铝熔体的润湿性和结合强度，从而显著提高了泡沫铝材料的强度。
4、本发明所述方法制备过程无污染、操作简单、综合成本低廉，且制备出的泡沫铝强度高，孔径大小均匀，孔壁光滑，适合于规模化工业生产，具有非常广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为对比例1所制备的泡沫纯铝材料的准静态压缩曲线。图中的三条曲线为同一种泡沫纯铝材料进行的三次实验结果。
图2为实施例1所制备的TiC-TiB2增强泡沫铝材料的准静态压缩曲线。图中的三条曲线为同一种TiC-TiB2增强泡沫铝材料进行的三次实验结果。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料及其制备方法进行进一步说明。
实施例1
本实施例所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，增强相TiC-TiB2的质量含量为1％，其制备方法如下：
(1)配料
以铝、氢化钛、钛粉、碳化硼为原料，按照设计好的铝、氢化钛、钛粉和碳化硼的成分配比称量原料；
(2)熔炼
将铝置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于800℃加热使铝全部熔化，然后加入钛粉、碳化硼的混合料反应制备含TiC-TiB2的铝熔体，所述钛粉、碳化硼的加入量为使铝熔体中含有1％的TiC-TiB2(即TiC-TiB2占泡沫铝总质量分数的1％)，当反应完毕后，调整铝熔体温度至660℃，再以500rpm的速度搅拌2min，保温10min；
(3)发泡
将氢化钛在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以1500rpm的转速高速搅拌20s，氢化钛的加入量为铝、TiC-TiB2和氢化钛总质量分数的1.5％，然后将其倒入经过预热的模具中，在650℃保温发泡2min；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出自然冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
实施例2
本实施例所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，增强相TiC-TiB2的质量含量为5％，其制备方法如下：
(1)配料
以铝合金、氢化锆、钛块、活性炭、单质硼粉为原料，按照设计好的铝合金、氢化锆、钛块、活性炭、单质硼粉的成分配比称量原料；
(2)熔炼
将铝合金置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于 900℃加热使铝合金全部熔化，然后加入钛块、活性炭、单质硼粉的混合料反应制备含TiC-TiB2的铝熔体，所述钛块、活性炭、单质硼粉的加入量为使铝熔体中含有5％的TiC-TiB2(即TiC-TiB2占泡沫铝总质量分数的5％)，当反应完毕后，调整铝熔体温度至680℃，再以700rpm的速度搅拌5min，保温20min；
(3)发泡
将氢化锆在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以2000rpm的转速高速搅拌40s，氢化锆的加入量为铝、TiC-TiB2和氢化锆总质量分数的0.5％，然后将其倒入经过预热的模具中，在660℃保温发泡4min；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出用冷却水冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
实施例3
本实施例所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，增强相TiC-TiB2的质量含量为10％，其制备方法如下：
(1)配料
以铝、碳酸钙、海绵钛、炭黑粉、硼砂为原料，按照设计好的铝、碳酸钙、海绵钛、炭黑粉、硼砂的成分配比称量原料；
(2)熔炼
将铝置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于1000℃加热使铝全部熔化，然后加入海绵钛、炭黑粉、硼砂的混合料反应制备含TiC-TiB2的铝熔体，所述海绵钛、炭黑粉、硼砂的加入量为使铝熔体中含有10％的TiC-TiB2 (即TiC-TiB2占泡沫铝总质量分数的10％)，当反应完毕后，调整铝熔体温度至700℃，再以900rpm的速度搅拌10min，保温30min；
(3)发泡
将碳酸钙在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以2500rpm的转速高速搅拌60s，碳酸钙的加入量为铝、TiC-TiB2和碳酸钙总质量分数的1.5％，然后将其倒入经过预热的模具中，在670℃保温发泡7min；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出用强风冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
实施例4
本实施例所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，增强相TiC-TiB2的质量含量为15％，其制备方法如下：
(1)配料
以铝合金、碳酸镁、氢化钛、石墨粉、硼铁为原料，按照设计好的铝合金、碳酸镁、氢化钛、石墨粉、硼铁的成分配比称量原料；
(2)熔炼
将铝合金置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于1100℃加热使铝合金全部熔化，然后加入氢化钛、石墨粉、硼铁的混合料反应制备含 TiC-TiB2的铝熔体，所述氢化钛、石墨粉、硼铁的加入量为使铝熔体中含有15％的 TiC-TiB2(即TiC-TiB2占泡沫铝总质量分数的15％)，当反应完毕后，调整铝熔体温度至720℃，再以1100rpm的速度搅拌15min，保温30min；
(3)发泡
将碳酸镁在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以3000rpm的转速高速搅拌80s，碳酸镁的加入量为铝、TiC-TiB2和碳酸镁总质量分数的2％，然后将其倒入经过预热的模具中，在690℃保温发泡9min；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出自然冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
实施例5
本实施例所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，增强相TiC-TiB2的质量含量为20％，其制备方法如下：
(1)配料
以铝、白云石、钛粉、石墨粉、硼块为原料，按照设计好的铝、白云石、钛粉、石墨粉、硼块的成分配比称量原料；
(2)熔炼
将铝置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于1100℃加热使铝全部熔化，然后加入钛粉、石墨粉、硼块的混合料反应制备含TiC-TiB2的铝熔体，所述钛粉、石墨粉、硼块的加入量为使铝熔体中含有20％的TiC-TiB2(即 TiC-TiB2占泡沫铝总质量分数的20％)，当反应完毕后，调整铝熔体温度至740℃，再以1200rpm的速度搅拌15min，保温30min；
(3)发泡
将白云石在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以3000rpm的转速高速搅拌90s，白云石的加入量为铝、TiC-TiB2和白云石总质量分数的3％，然后将其倒入经过预热的模具中，在700℃保温发泡10min；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出用冷却水冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
对比例1
本实施例所述泡沫铝材料的制备方法如下：
(1)配料
以铝、氢化钛为原料，按照设计好的铝、氢化钛的成分配比称量原料；
(2)熔炼
将铝置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于800℃加热使铝全部熔化，待铝全部熔化后调整铝熔体温度至660℃，再以500rpm的速度搅拌2min，保温10min；
(3)发泡
将氢化钛在搅拌的状态下加入到步骤(2)制备的铝熔体中，并以1500rpm的转速高速搅拌20s，氢化钛的加入量为铝熔体总质量分数的1.5％，然后将其倒入经过预热的模具中，在650℃保温发泡2min；
(4)冷却
将步骤(3)发泡完毕的泡沫铝取出自然冷却至室温，即得到泡沫铝材料。

Claims (5)

1.一种TiC-TiB2增强泡沫铝材料，其特征在于：以铝为基体，以TiC-TiB2为增强相，其中增强相TiC-TiB2的质量含量为泡沫铝材料质量的1%~20%；通过包括以下工艺步骤制备：
（1）配料
根据TiC-TiB2增强泡沫铝材料中的成分元素比，换算出作为原料的铝或铝合金、碳源、硼源、钛源的用量比进行配料；
（2）熔炼
将铝或铝合金置于加热炉中预热去除吸附的水分和气体后，在惰性气体保护下于800~1100℃加热使铝或铝合金全部熔化，然后加入碳源、硼源和钛源的混合料反应制备含TiC-TiB2的铝熔体，所述钛源、碳源、硼源的质量加入量为使制备的泡沫铝材料中含有1%~20%的TiC-TiB2，充分反应后，调整铝熔体温度至660~740℃，再以500~1200rpm的速度搅拌2~15min，保温10~30min；
（3）发泡
将发泡剂在搅拌的状态下加入到步骤（2）制备的铝熔体中，并以1500~3000rpm的转速高速搅拌20~90s，发泡剂的质量加入量为铝熔体制备原料总质量的0.5%~3%，然后将其倒入经过预热的模具中，在650~700℃保温发泡2~10min，得到充分发泡的泡沫铝；所述发泡剂为氢化钛、氢化锆、氢化稀土、碳酸钙、碳酸镁和白云石中的至少一种；
（4）冷却
将步骤（3）发泡完毕的泡沫铝取出，自然冷却至室温，或用强风冷却至室温，或用冷却水冷却至室温，即得到TiC-TiB2增强泡沫铝材料。
2.根据权利要求1所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，其特征在于：所述钛源为钛粉、钛块、海绵钛、氢化钛中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，其特征在于：所述碳源为碳化硼粉末、活性炭、碳黑粉和石墨粉中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，其特征在于：所述硼源为碳化硼粉末、单质硼粉、硼砂、硼铁和硼块中的至少一种。
5.根据权利要求4所述TiC-TiB2增强泡沫铝材料，其特征在于：以碳化硼粉末为碳源和硼源。
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