CN108342604B - 一种闭孔泡沫金属的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种闭孔泡沫金属的制备方法，先将高分子泡沫粒子中空气完全置换掉，在高分子泡沫粒子表面粘上一层粘接剂；在粘有粘接剂的高分子泡沫粒子表面均匀喷洒上一层金属粉末；将表面粘有粘接剂和金属粉末的高分子泡沫粒子放入干燥箱得到干燥高分子泡沫粒子；将干燥高分子泡沫粒子和金属粉末装入滚筒式混料机中混料，将混好的干燥高分子泡沫粒子和金属粉末盛入坩埚中，放入气氛烧结炉烧结，随炉冷却至室温，得到闭孔泡沫金属；本发明工艺流程简单、技术难度小、可操作性强且成本较低；制备出闭孔泡沫金属，孔的结构完整，孔径及孔隙率很容易控制。

Description

一种闭孔泡沫金属的制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫金属技术领域，具体涉及一种闭孔泡沫金属的制备方法。

背景技术

闭孔泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，具有轻质、高比强度和比刚度，高能量吸收、高阻尼等特点，可作为良好的功能和结构材料，起到缓冲吸能的作用。目前闭孔泡沫金属的制备主要采取熔体发泡法，通过将发泡剂加入到熔化的金属中受热释放气体，得到孔隙结构。熔体发泡法的缺点是：比较复杂，难以掌握，且主要用于低熔点金属泡沫的制备上；难以控制气泡的大小，所以难以得到孔径一致的泡沫金属材料。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种闭孔泡沫金属的制备方法，工艺流程简单、技术难度小、可操作性强且成本较低；本发明制备出闭孔泡沫金属，孔的结构完整，孔径及孔隙率很容易控制。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种闭孔泡沫金属的制备方法，包括以下步骤：

1)换气：将高分子泡沫粒子放置在活塞式抽放气管道中，推动活塞将高分子泡沫粒子中的空气挤出，然后通入氩气使得高分子泡沫粒子形状复原，如此反复抽放气3～5次，将高分子泡沫粒子中空气完全置换掉；

2)挂胶：取出置换掉空气的高分子泡沫粒子放入滤网中，将滤网浸没在盛满粘接剂的容器中，再取出，在高分子泡沫粒子表面粘上一层粘接剂；

3)粘粉：利用喷粉器在粘有粘接剂的高分子泡沫粒子表面均匀喷洒上一层厚度为0.1～0.3mm的第一金属粉末；

4)干燥：将表面粘有粘接剂和第一金属粉末的高分子泡沫粒子放入干燥箱中，80～100℃干燥2～4h，得到干燥高分子泡沫粒子；

5)混料：按干燥高分子泡沫粒子与第二金属粉末体积比50～70:50～30的比例将干燥高分子泡沫粒子和第二金属粉末装入滚筒式混料机中，第二金属粉末和第一金属粉末相同，100～200转/min混料10～30min；

6)烧结：将混好的干燥高分子泡沫粒子和第二金属粉末盛入坩埚中，放入气氛烧结炉，置于保护气氛下，以5～10℃/min的升温速率升至第二金属粉末的烧结温度，保温30min，随炉冷却至室温，得到闭孔泡沫金属。

所述的高分子泡沫粒子为EPP、EPS或STMMA。

所述的粘接剂为聚乙烯醇。

所述的第一金属粉末、第二金属粉末为铜、铝和钛。

所述的步骤1)中活塞式抽放气管道容积为1L，氩气充入速率为5～15L/min。

本发明的有益效果为：由于本发明采用粉末冶金的方式而不需要对熔化金属进行操作，降低了技术难度，简化了工艺流程，最大限度的节约了能量，降低了成本；并且可制备的泡沫金属种类多，不仅适用于低熔点金属泡沫(如：铝)的制备，也适用于高熔点金属泡沫(如：铜、钛)的制备；由于本发明采用EPP、EPS、STMMA等泡沫粒子作为造孔材料，制备出的闭孔泡沫金属气孔的结构完整，通过选择不同直径的泡沫粒子可以控制闭孔泡沫金属的孔径大小，通过调控泡沫粒子与金属粉末的体积比可以控制闭孔泡沫金属的孔隙率。

附图说明

图1为实施例1、2、3、4、5、6的方法流程图。

图2为实施例1、2、3制备的孔径分别为1mm、3mm、5mm三种孔径，孔隙率均为60％的闭孔泡沫铜应力应变曲线。

图3为实施例1、2、3制备的孔径分别为1mm、3mm、5mm三种孔径，孔隙率均为60％的闭孔泡沫铜能量吸收性能曲线。

图4为实施例1、2、3、4、5、6所制备出的泡沫金属剖开示意图，其中(a)为实施例1、2、3、4、5所制备出的均匀排布孔的泡沫金属剖开示意图，(b)为实施例6所制备出的闭孔梯度泡沫铜剖开示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1，参照图1，一种闭孔泡沫铜的制备方法，包括以下步骤：

1)换气：将EPS泡沫粒子放入活塞式抽放气管道中，EPS泡沫粒子粒径为3mm，推动活塞以挤出空气，拉回活塞充入氩气，待EPS泡沫粒子形状恢复，反复抽放气3次，将EPS泡沫粒子中空气完全置换掉；

2)挂胶：取出置换掉空气的EPS泡沫粒子放入滤网中，将滤网浸没在盛满聚乙烯醇的容器中，再取出，在EPS泡沫粒子表面粘上一层聚乙烯醇；

3)粘粉：利用喷粉器在粘有聚乙烯醇的EPS泡沫粒子表面均匀喷洒上一层厚度为0.2mm的铜粉，铜粉粒径200目，纯度99.5％；

4)干燥：将表面粘有聚乙烯醇和铜粉的EPS泡沫粒子放入干燥箱中，100℃干燥2h，得到干燥EPS泡沫粒子；

5)混料：按干燥EPS泡沫粒子与铜粉体积比60:40的比例将干燥EPS泡沫粒子和铜粉装入滚筒式混料机中，150转/min混料10min；

6)烧结：将混好的EPS泡沫粒子和铜粉盛入坩埚中，放入气氛烧结炉，置于氩气保护下，以8℃/min加热至850℃保温30min，随炉冷却至室温，得到闭孔泡沫铜，闭孔泡沫铜的孔隙率约为60％。

实施例2，除在步骤1)中选择的EPS泡沫粒子粒径为1mm，其他所有步骤及工艺参数同实施例1相同。

实施例3，除在步骤1)中选择的EPS泡沫粒子粒径为5mm，其他所有步骤及工艺参数同实施例1相同。

由实施例1、2、3制备出的闭孔泡沫铜的应力-应变曲线如图2所示，3组闭孔泡沫铜的压缩过程均不同程度的经历了3个阶段。第一阶段为弹性变形阶段，这一阶段在ε<0.05区间内，这一阶段闭孔泡沫铜主要由基体金属材料靠弹性变形承载；第二阶段为塑性屈服阶段(即孔壁折叠阶段)，这一阶段在0.05<ε<0.55区间内，这一阶段主要靠孔壁的折叠、弯折、破裂吸收能量；第三阶段为闭孔泡沫铜的脆性破坏阶段，这一阶段ε>0.55，这一阶段由于孔壁被破坏，闭孔泡沫铜被压实而不再具有良好的能量吸收能力。对比图2中3组曲线，发现孔隙率相同时，泡沫铜的承载能力随着孔径的增大而减弱，3组曲线都出现了明显的平台区，且此平台区随着孔径的增大而降低。

由实施例1、2、3制备出的闭孔泡沫铜的能量吸收性能曲线如图3所示，从图3中可以观察到小孔径的闭孔泡沫铜的能量吸收性能要强于大孔径的闭孔泡沫铜。当ε＝0.5时，孔径Φ5mm的闭孔泡沫铜的单位体积能量吸收量为8.52MJ·m^-3；孔径Φ3mm的闭孔泡沫铜的单位体积能量吸收量为6.58MJ·m^-3；孔径Φ1mm的闭孔泡沫铜的单位体积能量吸收量为4.62MJ·m^-3。对于具有相同孔隙率的闭孔泡沫铜，孔径越小，闭孔泡沫铜在被压缩时可变形的空间越小，孔在更短的时间内被破坏压实。所以，在更小的压缩量下，孔径小的闭孔泡沫铜具有更高的压缩应力吸收的能量也更大。

实施例4，参照图1，一种闭孔泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：

1)换气：将STMMA泡沫粒子放入活塞式抽放气管道中，STMMA泡沫粒子粒径为3mm，推动活塞以挤出空气，拉回活塞充入氩气，待STMMA泡沫粒子形状恢复，反复抽放气4次，将STMMA泡沫粒子中空气完全置换掉；

2)挂胶：取出置换掉空气的STMMA泡沫粒子放入滤网中，将滤网浸没在盛满聚乙烯醇的容器中，再取出，在STMMA泡沫粒子表面粘上一层聚乙烯醇；

3)粘粉：利用喷粉器在粘有聚乙烯醇的STMMA泡沫粒子表面均匀喷洒上一层厚度为0.1mm的铝粉，铝粉粒径200目，纯度99.5％；

4)干燥：将表面粘有聚乙烯醇和铝粉的STMMA泡沫粒子放入干燥箱中，80℃干燥4h，得到干燥STMMA泡沫粒子；

5)混料：按干燥STMMA泡沫粒子与铜粉体积比70:30的比例将干燥STMMA泡沫粒子和铝粉装入滚筒式混料机中，100转/min混料30min；

6)烧结：将混好的STMMA泡沫粒子和铝粉盛入坩埚中，放入气氛烧结炉，置于氢气与氮气混合比3:1的混合气保护下，以5℃/min加热至600℃保温30min，随炉冷却至室温，得到闭孔泡沫铝，闭孔泡沫铝的孔隙率约为70％。

实施例5，参照图1，一种闭孔泡沫钛的制备方法，包括以下步骤：

1)换气：将EPP泡沫粒子放入活塞式抽放气管道中，EPP泡沫粒子粒径为3mm，推动活塞以挤出空气，拉回活塞充入氩气，待EPP泡沫粒子形状恢复，反复抽放气5次，将EPP泡沫粒子中空气完全置换掉；

2)挂胶：取出置换掉空气的EPP泡沫粒子放入滤网中，将滤网浸没在盛满聚乙烯醇的容器中，再取出，在EPP泡沫粒子表面粘上一层聚乙烯醇；

3)粘粉：利用喷粉器在粘有聚乙烯醇的EPP泡沫粒子表面均匀喷洒上一层厚度为0.3mm的钛粉，钛粉粒径200目，纯度95％；

4)干燥：将表面粘有聚乙烯醇和钛粉的EPP泡沫粒子放入干燥箱中，90℃干燥3h，得到干燥EPP泡沫粒子；

5)混料：按干燥EPP泡沫粒子与钛粉体积比50:50的比例将干燥EPP泡沫粒子和钛粉装入滚筒式混料机中，200转/min混料15min；

6)烧结：将混好的EPP泡沫粒子和钛粉盛入坩埚中，放入气氛烧结炉，置于氩气保护下，以10℃/min加热至1200℃保温30min，随炉冷却至室温，得到闭孔泡沫钛，闭孔泡沫钛的孔隙率约为50％。

实施例6，参照图1，一种闭孔梯度泡沫铜的制备方法，包括以下步骤：

1)换气：将EPS泡沫粒子放入活塞式抽放气管道中，EPS泡沫粒子粒径为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm，推动活塞以挤出空气，拉回活塞充入氩气，待EPS泡沫粒子形状恢复，反复抽放气3次，将EPS泡沫粒子中空气完全置换掉；

2)挂胶：取出置换掉空气的不同粒径EPS泡沫粒子放入滤网中，将滤网浸没在盛满聚乙烯醇的容器中，再取出，在EPS泡沫粒子表面粘上一层聚乙烯醇；

3)粘粉：利用喷粉器在粘有聚乙烯醇的EPS泡沫粒子表面均匀喷洒上一层厚度为0.1mm的铜粉，铜粉粒径200目，纯度99.5％；

4)干燥：将表面粘有聚乙烯醇和铜粉的EPS泡沫粒子放入干燥箱中，100℃干燥2h，得到干燥EPS泡沫粒子；

5)混料：按粒径从大到小的顺序，分别将5种粒径的干燥EPS泡沫粒子按体积比50:50与铜粉装入滚筒式混料机中，以150r/min混料10min；

6)烧结：将混好的EPS泡沫粒子和铜粉，按照粒径从大到小的顺序分别盛入坩埚中，放入气氛烧结炉，置于氩气保护下，以8℃/min加热至850℃保温30min，随炉冷却至室温，得到孔径梯度排列的闭孔泡沫铜，闭孔泡沫铜的孔隙率约为50％。

如图4所示，其中图4(a)为实施例1、2、3、4、5所制备出的均匀排布孔的泡沫金属剖开示意图，泡沫金属由金属基体1和球状孔2构成，球状孔2的孔径相同，对应于实施例1、2、3，其金属基体1为铜；对应于实施例4，其金属基体1为铝；对应于实施例5，其金属基体1为钛；图4(b)为实施例6所制备出的闭孔梯度泡沫铜剖开示意图，泡沫金属也由金属基体1和球状孔2构成，其金属基体1为铜，球状孔2从下到上按五种不同的孔径进行排布。

Claims (5)

1.一种闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)换气：将高分子泡沫粒子放置在活塞式抽放气管道中，推动活塞将高分子泡沫粒子中的空气挤出，然后通入氩气使得高分子泡沫粒子形状复原，如此反复抽放气3～5次，将高分子泡沫粒子中空气完全置换掉；

2)挂胶：取出置换掉空气的高分子泡沫粒子放入滤网中，将滤网浸没在盛满粘接剂的容器中，再取出，在高分子泡沫粒子表面粘上一层粘接剂；

3)粘粉：利用喷粉器在粘有粘接剂的高分子泡沫粒子表面均匀喷洒上一层厚度为0.1～0.3mm的第一金属粉末；

4)干燥：将表面粘有粘接剂和第一金属粉末的高分子泡沫粒子放入干燥箱中，80～100℃干燥2～4h，得到干燥高分子泡沫粒子；

5)混料：按干燥高分子泡沫粒子与第二金属粉末体积比50～70:50～30的比例将干燥高分子泡沫粒子和第二金属粉末装入滚筒式混料机中，第二金属粉末和第一金属粉末相同，100～200转/min混料10～30min；

6)烧结：将混好的干燥高分子泡沫粒子和第二金属粉末盛入坩埚中，放入气氛烧结炉，置于保护气氛下，以5～10℃/min的升温速率升至第二金属粉末的烧结温度，保温30min，随炉冷却至室温，得到闭孔泡沫金属。

2.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于：所述的高分子泡沫粒子为EPP、EPS或STMMA。

3.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于：所述的粘接剂为聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于：所述的第一金属粉末、第二金属粉末为铜、铝或钛。

5.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中活塞式抽放气管道容积为1L，氩气充入速率为5～15L/min。