CN108486400A - 一种金属基空心球复合泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属基空心球复合泡沫材料及其制备方法。所述复合泡沫材料包括金属基体和陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在金属基体中。所述制备方法操作简单，成本较低。所制备的铝基/氧化铝空心球复合泡沫材料中铝基体与空心球界面结合良好，空心球粒径较大且所占体积分数较大，压缩应力应变曲线中平台应力可达46MPa，且平台阶段既平又长，是非常优异的轻质能量吸收材料。在冲击载荷下，这种复合泡沫的平台应力可提高至60MPa左右，在抗冲击防爆等领域有非常大的优势和应用前景。

Description

一种金属基空心球复合泡沫材料及其制备方法

技术领域

本发明属于泡沫金属技术领域，涉及一种金属基-陶瓷空心球复合泡沫材料及其制备方法，尤其涉及一种使用搅拌铸造方法制备有大粒径陶瓷空心球的金属基复合泡沫材料。

背景技术

泡沫金属具有轻质、隔音降噪、减震吸能、隔热保温等优点，在航空航天、轨道交通、汽车制造及室内装饰等领域有广泛的应用。采用传统的熔体发泡法、熔体吹气法或者粉末压实熔化发泡法等制备的闭孔泡沫金属，泡孔形状不够规则，且力学性能较低。若将陶瓷空心球植入金属基体中，不仅可通过调整空心球添加量和粒径来控制泡沫的孔隙率和孔径，且空心球均为规则球形，作为结构材料使用时，有利于试样整体的均匀受力。更重要的是，这种金属基空心球复合泡沫由于相对密度较高，及脆性陶瓷材料的作用，力学性能相较传统泡沫铝有很大提高。而在动态抗冲击方面，陶瓷球内密封气体的反压及陶瓷球壁的破碎可以有效吸收冲击能量，使得这种金属基空心球复合泡沫在军工防爆及航空航天领域有很大的应用前景。

目前关于金属基空心球复合泡沫及其制备已有一些技术基础。中国发明专利CN104498759A公开了将多种空心球材料混合后加入增粘的合金液中，然后采用电磁搅拌制备得金属基轻质复合材料的方法。多种不同材质不同粒径的空心球和增粘用的材料同时存在于基体中，因而这种复合泡沫的孔结构不好控制。同时，增粘过程、电磁搅拌及冷却器冷却等工序较为复杂。中国发明专利CN106435242A提出了采用真空渗流法制备金属基陶瓷复合材料的方法，这种方法需依靠空心球堆积铸模内的真空保证金属液的渗流，且渗流过程中需保持空心球堆积方式不变，设备成本较高，操作难度较大。中国发明专利CN103614586A提出了采用压力渗流法制备铝基氧化铝空心球复合泡沫的方法，由于空心球粒径较小(0.3-2mm)，需要金属液有较大的渗流压力(20-40MPa)才会完全浸渗，且金属液补缩能力差，对设备要求很高，而小粒径的空心球也不利于复合泡沫的能量吸收性能。中国发明专利CN104588617A中的原材料与CN104498759A中的相似，只是采用真空吸铸与保压渗流结合的方法达到金属液的完全浸渗。中国发明专利CN1792504A提出了采用真空渗流制备高镁-铝合金-膨胀矿石复合材料的方法，依然存在真空条件的设备及制备成本问题。综上所述，目前对于低成本制备含有大粒径陶瓷空心球的金属基复合泡沫的技术还比较欠缺。因而，有必要进一步开发适合大批量生产的低成本金属基复合泡沫制备工艺，并提高其中陶瓷空心球的粒径和均匀度，扩展其在动态冲击领域的应用。

发明内容

本发明提出了嵌有大粒径的均匀陶瓷空心球的金属基复合泡沫材料，和一种采用搅拌铸造法制备这种金属基空心球复合泡沫材料的工艺。

一种金属基空心球复合泡沫材料，其特征在于，包括金属基体和陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在金属基体中。

进一步，所述陶瓷空心球的直径范围为1-10mm，所述空心球占复合泡沫材料总体积的50％-60％。

进一步，所用金属基体不限于铝或铝合金，也可以是铁、铜、镁、锌、铅、钛等金属及其合金。

进一步，所述陶瓷空心球由氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化锆陶瓷或其他金属氧化物中的一种或多种组成。

下面以铝合金作为金属基体为例对本发明的制备方法进行说明。

为了保证金属基空心球复合泡沫材料中多孔结构的均匀度，首先将1-10mm外径的氧化铝空心球用筛网进一步筛分成1-1.5mm……3.5-4mm,4-4.5mm,4.5-5mm……9.5-10mm的空心球，并去掉外壁不完整的空心球。为了使浸渗过程中铝液有较好的流动性，优先采用A356铝合金基体。

以制备直径60mm，高度50mm的圆柱试样为例，所采用的带边翼对开式坩埚的内径为60mm，深度为100mm，如图2所示。考虑到坩埚内经，所用的搅拌棒3为直径8mm的陶瓷棒。压板5为直径58mm，厚度10mm的不锈钢板，上表面开有螺纹孔，与一个直径10mm，长度300mm的不锈钢顶杆通过螺纹相连接。根据任意松散堆积状态的体积要求，将空心球体积预设为总体积的60％。根据所需孔径要求，选取一种空心球粒径，并根据试样尺寸和空心球体积分数计算所需的A356铝合金质量和氧化铝空心球质量。具体的制备过程如图1所示，按如下步骤进行：将图2坩埚的两半通过螺钉连接，为了避免铝液的渗出，连接时在边翼和底部各夹一薄层石棉。在图2的坩埚内壁及压板上刷一层氧化锌涂料，以利于制备结束后的试样脱模。

1)将特定质量的铝合金置于坩埚中在电阻炉熔化并保温，温度设定为670-740℃。

2)将称量好的陶瓷空心球置于一个陶瓷坩埚中在另一个电阻炉中预热，预热温度为1200-1300℃，保温0.5-1h，以去除陶瓷空心球表面附着的杂质，提高陶瓷空心球与基体金属的润湿性能，然后降低温度至620℃保温0.5-2h待用。

为了防止压板使用时与材料有温差，将压板也在电阻炉中预热，预热温度为620℃，预热时间0.5-2小时。

3)预热后的陶瓷空心球被缓慢加进熔化的铝合金液中，边添加边用陶瓷棒3进行搅拌，搅拌速度控制在30-200rpm，这个过程只需保证每个空心球表面涂覆有一层铝液涂覆即可。

4)空心球添加完毕后(可能会因空心球粒径的不同，添加量有小的差异，但剩余空心球不会太多)，强烈搅拌，搅拌速度200-600rpm，目的是将下层铝液翻起。期间空心球之间的空气可通过坩埚缝隙和熔体表面逸出。

5)将顶杆旋进压板中，将压板置于复合材料上方，并通过顶杆给压板施加压力。施压过程中多余的铝熔体可通过压板与坩埚壁之间的间隙溢出，由于铝液密度大于空心球密度，因而这时就可认为铝液已充分浸渗到空心球之间；

6)将顶杆旋出，压板保持放在复合材料上方，将所得复合材料在670-740℃保温60min，期间可通过顶杆再施加3-5次压力。

7)待步骤6)所得复合材料随炉冷却后，旋开连接坩埚的螺钉，即可得铝基空心球复合泡沫材料。

进一步，为了保证搅拌过程空心球之间的气体能够及时逸处，坩埚形状如图2所示。坩埚所用材料为不锈钢，两半坩埚通过螺钉连接，连接时为了保证铝液不渗出，连接部分的钢板处夹有一层石棉。

进一步，保温过程中为了避免空心球的上浮，用与坩埚内径相匹配的压板置于复合泡沫材料上方。

进一步，为了进一步在压板上方施加压力，并使在不加压期间可以盖上炉盖保温，设计了与压板之间螺旋连接的配套顶杆。

进一步，所述复合材料随炉冷却后，旋开两半坩埚之间的连接螺钉，即可得铝基空心球复合泡沫材料。

与现有技术相比，这种搅拌铸造法工艺流程简单，成本较低。通过两方面改进提高了复合泡沫的质量：1)初次搅拌时陶瓷空心球表面铝液的涂覆，可确保球与球之间至少有一层铝液相隔，避免了有铝液浸渗不到的情况。2)通过搅拌之后的压实过程，阻止了空心球的上浮，通过将多余铝液从压板缝隙溢出，保证了任意松散堆积状态下空心球的最大体积分数。所制备的试样尺寸可根据要求进行坩埚尺寸的设计和扩充，较简单的操作步骤也有利于将这种制备工艺转化为大规模工业化生产。

由于所用的氧化铝空心球粒径在1-10mm之间，且空心球堆积达到了较高的紧密度，使得复合泡沫中的空心球体积分数在50％-60％，去除空心球壁厚影响后，整体孔隙率可达40％左右。试样中空心球粒径尺寸较为均匀，这也有利于材料力学性能的提高。较大的空心球粒径，较高的空心球体积分数，使得这种复合泡沫的压缩应力应变曲线上有一个平且长的平台阶段，这说明这种复合泡沫有优异的能量吸收性能，可在较大的变形范围内使被保护物体所承受的应力变化不大。完全的闭孔，较高的平台应力和较好的能量吸收性能，使得本专利研发的这种金属基空心球复合泡沫在抗冲击防爆领域有很好的应用前景，这是这种复合泡沫相对现有泡沫材料很大的一个优势。

附图说明

图1是本发明金属基空心球复合泡沫材料制备方法的工艺流程图。

图2是本发明方法中所用坩埚的结构示意图。

图3(a)用3.5-4mm氧化铝空心球制备的金属基复合泡沫的横截面形貌照片，(b)用4.5-5mm氧化铝空心球制备的金属基复合泡沫的横截面形貌照片。

图4是含3.5-4mm粒径氧化铝空心球的金属基复合泡沫的准静态压缩应力应变曲线图。

图5是本发明制备的金属基复合泡沫材料的动态压缩性能曲线图。

其中：1—陶瓷空心球，2—铝或铝合金熔体，3—陶瓷搅拌杆，4—顶杆，5—压板，6—连接两半坩埚的螺孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

选用3.5-4mm的氧化铝空心球和A356铝合金作为原材料。经过测量，3.5-4mm的氧化铝空心球的平均密度为1.027g/cm³，平均壁厚为174μm。利用如图2所示的坩埚制备直径为60mm，高度为50mm的复合泡沫试样。

在坩埚中放置155g(试样总体积的40％理论上应该是152g，考虑到后续去除表层氧化皮等铝的损失，实际熔化的铝会多一点)A356合金，将坩埚置于电阻炉中，逐渐升温到690℃，并在690℃保温。同时，在另一个电阻炉中，将90g(试样总体积的60％理论上应该是87g，考虑到加球时可能会有些许损失，所以实际预热的球会多一点)的3.5-4mm的氧化铝空心球及压板在620℃预热1h，其中空心球放置在一个陶瓷坩埚中。待铝液全部熔化后，夹起陶瓷坩埚壁向铝溶液中加球，同时慢速搅拌铝溶液，加球速度只需保证已加的空心球表面都有一层铝液涂覆即可。由于预热的空心球较多(实际体积分数会稍小于60％)，当有球在搅拌条件下也达不到铝液涂覆状态时，停止加球(一般会剩余一些球)。然后强烈搅拌铝熔体，将下层铝液和球翻起，避免上下部的密度不均匀。接下来将顶杆旋进压板上的螺纹孔，并将压板置于复合泡沫上方，通过顶杆给压板施加压力。待有铝液从压板与坩埚壁之间的间隙溢出时，认为铝液已充分浸渗到空心球之间。旋出顶杆，盖上炉盖，保温1h左右。加球过程中可能会导致坩埚内温度稍有降低，保温过程中待坩埚里温度均匀，铝液充分浸渗后，可通过顶杆再给试样施加3-5次压力。最后，试样随炉冷却后，旋开连接坩埚的螺钉，即可得到铝基空心球复合泡沫。

所制备的铝基空心球复合泡沫的横截面形貌如图3(a)所示。经过检测，这种复合泡沫的整体密度为1.8g/cm³，其中氧化铝空心球占体积54％，去除空心球壁厚影响后，试样整体孔隙率为41％。如图4所示，这种复合泡沫的压缩平台应力为42MPa，密实化应变为0.55，密实化应变能为23MJ/m³，有非常好的压缩强度和能量吸收性能。如图5所示，当压缩过程的应变率提高至390s^-1时，这种复合泡沫的平台应力可达60MPa左右，因而，在轻质的前提下，它的抗冲击性能也很优异。

实施例2

本实施例相对于上个实施例只有空心球粒径发生了变化，因而制备过程不再赘述。选用4.5-5mm的氧化铝空心球和A356铝合金作为原材料。经过测量，4.5-5mm的氧化铝空心球的平均密度为0.938g/cm³，平均壁厚为326μm。利用如图2所示的坩埚制备直径为60mm，高度为50mm的复合泡沫试样。初始在坩埚熔化的A356铝合金质量依然为155g，预热的4.5-5mm氧化铝空心球的质量为83g。预热空心球、熔化铝——添加空心球并搅拌——加压——保温——冷却的过程与实施例1相同。

所制备的铝基空心球复合泡沫的横截面形貌如图3(b)所示。经过检测，这种复合泡沫的整体密度为1.8g/cm³，其中氧化铝空心球占体积52％，去除空心球壁厚影响后，试样整体孔隙率为33％。这种复合泡沫的压缩平台应力为41MPa，密实化应变为0.50，密实化应变能为20MJ/m³。因而，在轻质的前提下，这种铝基空心球复合泡沫有非常好的压缩强度和能量吸收性能。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种金属基空心球复合泡沫材料，其特征在于，包括金属基体和陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在金属基体中。

2.如权利要求1所述的金属基复合泡沫材料，其特征在于，所述陶瓷空心球的直径范围为1-10mm，所述空心球占复合泡沫材料总体积的50％-60％。

3.如权利要求1所述的金属基复合泡沫材料，其特征在于，所述金属基体是铝或铝合金，或是铁、铜、镁、锌、铅、钛及其合金。

4.如权利要求1所述的金属基复合泡沫材料，其特征在于，所述陶瓷空心球包括氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化锆陶瓷中的一种或多种。

5.一种金属基空心球复合泡沫材料的搅拌铸造制备方法，包括以下步骤：

1)将铝合金在坩埚中于670-740℃熔化；

2)按照需要制备的复合泡沫材料的体积，将陶瓷空心球在1200-1300℃预热0.5-1h，然后降低温度至620℃保温0.5-2h待用；

3)预热后的陶瓷空心球被缓慢加进铝熔体中，搅拌；

4)将一个与顶杆螺旋连接的压板置于复合材料上方，并通过顶杆给压板施加压力，施压过程中多余的铝熔体可通过压板与坩埚壁之间的间隙溢出；

5)将步骤4)所得复合材料在670-740℃保温60min，期间再施加3-5次压力；

6)待步骤5)所得复合材料随炉冷却后，得到铝基空心球复合泡沫材料。

6.如权利要求5所述的搅拌铸造制备方法，其特征在于，所述空心球的添加量按照任意松散堆积状态将体积分数设计为50％-60％。

7.如权利要求5所述的搅拌铸造制备方法，其特征在于，所述搅拌分两个阶段，加球阶段是慢速搅拌，搅拌速度为30-200rpm，使空心球表面涂覆有一层铝液，将所有空心球加完后，再强烈搅拌，搅拌速度为200-600rpm，将下层铝液搅动起来。

8.如权利要求5所述的搅拌铸造制备方法，其特征在于，所述坩埚的材质为不锈钢，两半坩埚通过螺钉连接，连接部分的钢板处夹有一层石棉。

9.如权利要求5所述的搅拌铸造制备方法，其特征在于，保温过程中为了避免空心球的上浮，用与坩埚内径相匹配的压板置于复合泡沫材料上方。

10.如权利要求8所述的搅拌铸造制备方法，其特征在于，所述复合材料随炉冷却后，旋开两半坩埚之间的连接螺钉，得到铝基空心球复合泡沫材料。