CN108838398B - 一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料及其制备方法与应用，该材料是通过将增粘剂和发泡剂加入到铝合金熔体中，经搅拌、冷却、研磨后再在Kagome蜂窝结构模具中发泡制得其制备方法，具体包括以下步骤：将合金铝加热熔融成熔体后，在搅拌下加入增粘剂和发泡剂；将上述步骤处理后的熔体中的发泡剂发泡前冷却凝固为固体后，再将所述固体研磨成粉末状；将上述步骤得到的粉末加入预先制好的Kagome蜂窝结构模具中，加热熔融、保温发泡，冷却得到所述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。与现有技术相比，该材料不仅具有吸能降噪、轻质、高比刚度、高比强度、耐热等通性外，还具备良好的吸能散热功能。

Description

一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料科学技术领域，具体涉及一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法。
背景技术
随着科学的不断发展及社会的日益进步，对于新型具有特殊功能的材料的探索与研究受到愈来愈多关注，这也成为未来材料科学领域发展的必然趋势；同时，随着人们对产品品质需求地不升提升，对于材料性能也提出了更多的要求，逐渐从单一的性能向多功能转换。
高孔隙率泡沫金属是一种以金属为基体，采用发泡等生产工艺制造而成的具有大量孔洞结构的金属材料，其独特的微观结构决定了泡沫金属具有独特的力学和其他多功能特性，泡沫铝材料具有轻质、高比强度、高比刚度，耐热和高效吸能等优点，在冶金、建筑、交通、化工和通讯等领域得到广泛的应用。然而，由于结构原因导致其总体散热能力不佳，这使得其在部分领域的应用受到了限制。
点阵夹芯结构是由哈弗大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授及MIT的Gibson教授等人提出的一种新型结构，它是通过模拟分子点阵构型而设计出来的含静定/静不定多孔有序微结构的仿生结构，类似于现有技术中的空间网架的缩小版。这类结构中“truss”的长度一般在10mm-100mm。该结构具有超轻、比刚度高、比强度大可控等优化设计能力以及吸能、降噪、隔热、制动、优良得散热性能等多功能性。目前，一些研究者提出了点阵材料的多种拓扑结构，主要包括四面体型、金字塔型、Kagome构型、八面体及Lattice block构架等，其制备方法主要是基于金属纤维编制工艺基础之上的网系叠层点焊方案、熔模铸造方案或轧制-电镀焊接方案。相关研究表明，Kagome点阵夹芯结构相对于四面体型、金字塔型具有更强的强度和抗屈曲性能，更优良得散热性能，在受剪切作用时表现出更好的各向同性且能量吸收和耗散也更多。
基于此，若能将Kagome点阵夹芯结构应用到高孔隙率泡沫金属领域将有望解决高孔隙率泡沫金属存在的总体散热能力不佳问题，然而现有技术中尚未有相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种既具有泡沫金属特性又具备蜂窝结构的良好散热性能、高比刚度及轻质特点的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，所述材料是通过将增粘剂和发泡剂加入到铝合金熔体中，经搅拌、冷却、研磨后再在Kagome蜂窝结构模具中发泡制得。
本发明的有益效果在于：本发明方案的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，在相同的质量下，夹芯结构材料吸收的能量是相同质量实体的三倍，且在相等的冲量作用下夹芯结构吸收的能量大于实体结构吸收能量的两倍；对其进行剪切实验表明该结构在塑性屈服的前后都表现出很好的各相同性特征，且夹芯结构中芯体的所占比例越大则整个结构的刚度越大，抗冲击能力也将越强。
本发明还包括上述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、将合金铝加热熔融成熔体后，在搅拌下加入增粘剂和发泡剂；
S2、将所述步骤S1处理后的熔体在发泡剂发泡前冷却凝固为固体，再将所述固体研磨成粉末状；
S3、将所述步骤S2得到的粉末加入预先制好的Kagome蜂窝结构模具中，加热熔融、保温发泡，冷却得到所述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
进一步地，所述增粘剂为Mg或Zr。
进一步地，所述发泡剂为碳酸镁和碳酸钙的混合物。
优选地，所述碳酸镁和碳酸钙的质量之比为2:1～9:1。
进一步地，所述步骤S1中，所述加热熔融操作的温度为650～750℃。
进一步地，所述步骤S1中，加入的增粘剂和发泡剂为经过除气和/或干燥等预处理操作处理后的增粘剂和发泡剂。
优选地，所述除气的预处理是通过超声波震荡法实现。
优选地，所述干燥预处理是通过真空加热法实现。
进一步地，所述步骤S1中，所述搅拌操作的速度为800～1200r/s，优选为1000r/s。
优选地，所述发泡剂和增粘剂的加样时间不超过90s。
进一步地，所述步骤S3中，所述保温操作的时间不超过8min，优选为4-6min。
进一步地，所述步骤S3中的冷却操作应尽快冷却。
本发明还包括将上述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料应用于抗冲击和/或吸能散热产品的制备中。
本发明的有益效果在于：本发明方案巧妙地结合了泡沫铝和蜂窝的优势，本发明方案的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料不仅具有吸能降噪、轻质、高比刚度、高比强度、耐热等通性外，还具备良好的吸能散热功能，且其重量被进一步降低；本发明方案制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在抗冲击和/或吸能散热领域将具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1-3制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的扫描电镜图；
图3为本发明实施例4制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的准静态压缩应力-应变曲线图；
图4为本发明实施例制得的不同孔径泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的准静态应力-应变曲线图；
图5为本发明实施例制得的不同相对密度泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的准静态应力-应变曲线图；
图6为本发明实施例1制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的的动态压缩应力-应变曲线图；
图7为本发明实施例制得的不同孔径泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的动态应力-应变曲线图；
图8为本发明实施例制得的不同相对密度泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的动态应力-应变曲线图；
图9为本发明实施例制得的不同孔径泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在准静态压缩下的吸能特性曲线图；
图10为本发明实施例制得的不同相对密度泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在准静态压缩下的吸能特性曲线图；
图11为本发明实施例制得的不同孔径泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在动态压缩下的吸能特性曲线图；
图12为本发明实施例制得的不同相对密度泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在动态压缩下的吸能特性曲线图；
图13为本发明方案制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料与对比例制得的其他蜂窝结构散热性能对比图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，所述材料是通过将增粘剂和发泡剂加入到铝合金熔体中，经搅拌、冷却、研磨后再在Kagome蜂窝结构模具中发泡制得。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，在相同的质量下，夹芯结构材料吸收的能量是相同质量实体的三倍，且在相等的冲量作用下夹芯结构吸收的能量大于实体结构吸收能量的两倍；对其进行剪切实验表明该结构在塑性屈服的前后都表现出很好的各相同性特征，且夹芯结构中芯体的所占比例越大则整个结构的刚度越大，抗冲击能力也将越强。
本发明还包括上述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、将合金铝加热熔融成熔体后，在搅拌下加入增粘剂和发泡剂；
S2、将所述步骤S1处理后的熔体在发泡剂发泡前冷却凝固为固体，再将所述固体研磨成粉末状；
S3、将所述步骤S2得到的粉末加入预先制好的Kagome蜂窝结构模具中，加热熔融、保温发泡，冷却得到所述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案巧妙地结合了泡沫铝和蜂窝的优势，本发明方案的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料不仅具有吸能降噪、轻质、高比刚度、高比强度、耐热等通性外，还具备良好的吸能散热功能，且其重量被进一步降低；本发明方案制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在抗冲击和/或吸能散热领域将具有良好的应用前景。
进一步地，所述增粘剂为Mg或Zr。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过加入增粘剂使得发泡剂在铝合金熔体中分布均匀。
进一步地，所述发泡剂为碳酸镁和碳酸钙的混合物。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：选用碳酸镁和碳酸钙的混合物作为发泡剂，相对于TiH2作为发泡剂，由于TiH2分解温度低且分解速度快，很难得到稳定均匀的发泡，而碳酸镁和碳酸钙作为发泡剂其分解温度为650～750℃且分解速度小，分解产生的二氧化碳还能与铝液产生系列的化学反应生成氧化铝和碳化铝等固体颗粒，这些固体颗粒悬浮在熔体中，既增加了熔体的粘度又能生成连续致密的氧化薄膜，有效地阻止了气孔的合并或坍塌，提高了气孔的稳定性。
优选地，所述碳酸镁和碳酸钙的质量之比为2:1～9:1。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：增粘剂和发泡剂的不同比例和加入质量的不同将得到不同密度、熔点和吸能散热性能的材料，通过控制其加入的比例和加入的量来得到不同性质的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
进一步地，所述步骤S1中，所述加热熔融操作的温度为650～750℃。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在尽量不使发泡剂发泡的低温下加入发泡剂和增粘剂。
进一步地，所述步骤S1中，加入的增粘剂和发泡剂为经过除气和/或干燥等预处理操作处理后的增粘剂和发泡剂。
优选地，所述除气的预处理是通过超声波震荡法实现。
优选地，所述干燥预处理是通过真空加热法实现。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：以真空加热或超声波震荡的方法去除颗粒表面的气体及水分，以提高其在铝合金熔体中的沁润性，使其在熔体中可以均匀地分布，以期得到气孔均匀分布的泡沫铝材料。
进一步地，所述步骤S1中，所述搅拌操作的速度为800～1200r/s，优选为1000r/s。
优选地，所述发泡剂和增粘剂的加样时间不超过90s。
从上述描述可知，本发明有益效果在于：在较高搅拌速度下，尽可能短的时间内使发泡剂和增粘剂的颗粒全部加入到熔体中。
进一步地，所述步骤S3中，所述保温操作的时间不超过8min，优选为4-6min。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：加热熔融发泡保温处理过程中，初期滞留熔体中的多为刚产生且直径较小的气泡，因此，必须对保温时间进行控制，保温时间过长，则气泡会发生合并或破裂，使得材料的孔径显著增大，并影响孔结构的均匀性。由于CaCO3在选定的温度范围内分解速度缓慢，以保温时间分别为2min、4min、6min和8min进行制备实验，实验结果表明随着保温时间的延长制得的材料孔径逐渐增大，但在4-6分钟内孔径基本保持不变，6min时其孔隙率为最大，8min时孔径仍在增大，但孔隙率已开始减小，因此，要获得孔径均一、孔隙率大的泡沫材料保温时间不得超过8min。
进一步地，所述步骤S3中的冷却操作应尽快冷却。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：保温发泡结束后，应将熔融的铝液尽快冷却，以期将气泡滞留在机体内形成孔径均匀的泡沫铝材料。
本发明还包括将上述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料应用于抗冲击和/或吸能散热产品的制备中。
本发明的实施例一为：一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，其制备原料包括铝合金、增粘剂、发泡剂及Kagome结构铸造模具，将铝合金在650-750℃熔融，所述增粘剂为Mg，所述的发泡剂是由MgCO3和CaCO3混合而成，其比例为2：1，所述发泡剂的加入量控制在基体质量分数的1％-4％。
上述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法，包括以下步骤：
1、将市售的铝合金通过超声波或者真空加热以除去表面的油污水分，在200℃的烘箱中真空过夜烘干，将CaCO3和MgCO3分别加入到烧杯中，再在200℃真空烘干备用，将Mg粉末超声波后也放入真空烘箱中烘干备用。
2、将步骤1中已经烘干的铝合金在750℃加热熔融，形成熔体，之后再进行保温处理，使体系的温度下降到650-750℃的范围内，并维持这一温度范围。
3、在快速(1000r/s)的搅拌速度下，向其中加入已处理的增粘剂Mg搅拌均匀。
4、保证在90s以内向其中加入已配置好的MgCO3和CaCO3混合物，质量比为9:1，这一过程的温度可以稍低一些，以保证发泡剂不会迅速发泡，搅拌均匀后立马冷却，得到基本未发泡的泡沫铝粗胚。
5、将步骤4所制备的粗胚粉碎研磨为粉末，加入事先已经准备好的Kagome蜂窝结构模具中，加热到650-750℃进行保温发泡，保温时间控制为6min，6min的立即水冷，去除模具，即可得到泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
本发明实施例二为：一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法，其与实施例1的区别仅在于步骤4中的MgCO3和CaCO3的比例为4：1，从而得到了拥有不同的孔径的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
本发明实施例三为：一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，其与实施例1的区别仅在于步骤4中的MgCO3和CaCO3的比例为7：1，从而得到了另一拥有不同的孔径的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
本发明实施例四为：一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，其与实施例1的区别仅在于步骤4中的MgCO3和CaCO3的比例为9：1，且增粘剂为Zr，从而得到了另一拥有不同的孔径的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
取上述实施例制得的产品进行表征及性能测试，具体如下：
1)微观结构表征：
将实施例1-3制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料在同一倍率下进行扫描电镜分析，结果如图1所示，其中，图1(a)、(b)和(c)依次为实施例1制得的产品，从图1中可以看出本发明方案制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料形貌好，孔径均一。通过扫描电镜分析可知，实施例1-3中制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的气泡孔径分别为0.6mm、1.1mm和2.0mm；取实施例2制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料进行扫描电子显微镜扫描分析，扫描结果如图2所示，图2中标尺为1mm。
2)性能测试：
a)取实施例1和2制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料进行准静态压缩性能及其影响因素测试实验：
将实施例1和2制备好的块状泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料加工成为Φ35mm*15mm的圆柱形试样，在电子万能材料试验机上进行准静态压缩试验。
其中，实施例1制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的准静态压缩应力-应变曲线如图3所示，由图3可以看出，本发明方案制得的蜂窝夹芯结构材料应力应变曲线表现出明显的“三阶段”特性，即线弹性段、屈服平台段和压实段。实施例2-4制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的准静态压缩应力-应变曲线与图3类似，未重复示出。
实施例1和2制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的应力应变与孔径的关系如图4所示；由图4可以看出，随着孔径的减小，泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的屈服应力逐渐增大，孔径为0.6mm的屈服应力大于1.1mm。
实施例1(相对密度为0.31)和2(相对密度为0.16)制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的应力应变与相对密度之间的关系，如图5所示；由图5可以看出，随着相对密度的增大，材料的屈服应力也相对的增大，但压缩至致密段的最大应变量减小，相对密度越大材料的强度越大。
b)动态压缩性能及其影响因素测试实验：
作为冲击防护材料，其应用场合往往需要经受高速的变形，冲击载荷作用时间短，冲击强度高，因此，在动态载荷作用下表现出的压缩性能明显不同于准静态状况，取实施例1-4进行动态压缩性能测试实验。
将实施例1-4制备好的块状样品加工成Φ30mm*10mm的圆柱体试样，采用霍普金森压杆装置(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)测量其动态压缩性能，以实施例4制得的产品的测试结果为例(实施例1-3的测试结果类似未重复示出)，实施例4制得的产品的测试结果如图6所示，由图6可以看出，无论是准静态压缩还是动态压缩本发明方案制得的材料的应力-应变曲线都表现出经典的三个阶段：线弹性段、平台段和致密段。且动态压缩下的应力-应变曲线明显高于准静态下的应力-应变曲线，动态压缩下的线弹性段的应变明显小于准静态压缩曲线中的应变，平台段动态压缩的应力随应变上升的速度比准静态下的更快，相同应变对应的动态下的应力值比准静态下的应力值大很多，而且随着应变的增大，对应的应力差也是越来越大，动态压缩曲线的平台段的长度远小于准静态压缩过程的平台段长度，且动态下的屈服强度约为准静态下的两倍。
取实施例1和实施例2制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料进行实验，相比不同之处在于其具有不同的孔径和相对密度，不同孔径材料的应力-应变曲线如图7所示，不同密度材料的应力-应变曲线如图8所示。
由图7可知，孔径较小的材料表现出更好的力学性能，弹性模量和屈服强度均较高，与准静态压缩下不同孔径材料的应力-应变曲线相比，动态下不同孔径应力应变曲线的平台段更接近，说明孔径的大小对材料力学性能的影响较准静态条件下小。由图8可知，随着材料的相对密度的增大，相对应的流动应力逐渐增大，这与准静态压缩的情况一致。
从上述压缩试验测试可知，由于本发明方案制得泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料具有独特的结构特性，在压缩载荷下表现出一个近似恒定应力的塑性应变过程。由于这一压缩形变行为，使得材料能在较低的应力水平下吸收大量的能量，是一种极具潜力的冲击缓冲材料。
c)准静态压缩下的吸能特性曲线及其影响因素实验
取实施例1和2制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料进行实验，分析不同孔径及不同相对密度下的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料准静态压缩下的吸能特性结果分别如图9和10所示，由图9可以看出，在相同的应变下，材料所吸收的能量随着孔径的减小而增大，由于材料是逐层被压破，未被压破的泡孔的数目较多，且能够继续起到支撑的作用；由图10可以看出，随着相对密度的增加，材料吸收的能量逐渐增大，相对密度越大，材料抵抗变形的能力越大，必须消耗更多的能量才能破坏孔结构，实现逐层压缩。因此，若要提高材料在准静态下的吸能能力，可通过细化孔径或增加材料的相对密度。
d)动态压缩下的吸能特性曲线及其影响因素实验
取实施例1和2制得的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料进行实验，分析不同孔径及不同相对密度下的泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料动态压缩下的吸能特性结果分别如图11和12所示，由图11可以看出，动态压缩时材料吸收的能量随着孔径的减小而增大，这与准静态条件下的情况相似；由图12可以看出，对不同相对密度材料在动态压缩下吸收能量的多少进行比较可知，随着相对密度的增加，在垂直于冲击方向上的截面内的泡孔结构数目减少，破坏所需要的功就越大，消耗的能量也将越多。
从上述实验可以看出，本发明方案制得的材料在抗冲击和/或吸能散热领域将具有良好的应用前景。
本发明对比例一为：一种泡沫铝材料的制备方法，其与实施例1的区别仅在于：步骤5中使用的Kagome蜂窝结构模具替换为三角形(triangle)、六边形(hexagon)或四方形(square)蜂窝夹芯材料并且保证所有材料中h/l＝20，利用等效介质模型测量其散热指标I得到了结构尺寸与蜂窝尺寸比为20时的4种蜂窝的散热性能随相对密度的变化曲线，参见图13所示。
由图13可以看出，4种材料的散热性能都随着相对密度的增大逐渐升高，其中，泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料升高得最为明显，可见本发明方案在散热方面相对于其他3种传统结构具有明显的优越性。
综上所述，本发明提供的一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料，该材料不仅具有吸能降噪、轻质、高比刚度、高比强度、耐热等通性外，还具备良好的吸能散热功能。
本发明方案中所使用的试剂及仪器直接从市面购置的普通试剂及仪器，为本领域的常用器材，无特殊要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1、将合金铝加热熔融成熔体后，在搅拌下加入增粘剂和发泡剂；
S2、将所述步骤S1处理后的熔体在发泡剂发泡前冷却凝固为固体，再将所述固体研磨成粉末状；
S3、将所述步骤S2得到的粉末加入预先制好的Kagome蜂窝结构模具中，加热熔融、保温发泡，冷却得到所述泡沫铝Kagome蜂窝夹芯结构材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述增粘剂为Mg或Zr。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述发泡剂为碳酸镁和碳酸钙的混合物。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碳酸镁和碳酸钙的质量之比为2:1～9:1。
5.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述加热熔融操作的温度为650～750℃。
6.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，加入的增粘剂和发泡剂为经过除气和/或干燥操作处理后的增粘剂和发泡剂。
7.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述发泡剂和增粘剂的加样时间不超过90s。
8.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述保温操作的时间不超过8min。
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