CN109396394B - 复合浮体材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合浮体材料及其制备工艺,其中,所述浮体材料内部为空心陶瓷球,外部为发泡铝合金。所述制备工艺包括以下步骤:①将浮体材料包括的组分熔融;②将熔融后的物料进行发泡;③浇注成型。本发明还公开了上述浮体材料的制备工艺,本发明的浮体材料不仅密度小,而且强度大,能满足各种工程应用的要求。
Description
技术领域
本发明涉及化学材料领域,特别是涉及复合浮体材料及其制备工艺。
背景技术
浮体材料是由无机轻质填充材料,填充到有机高分子材料中,经物理化学反应得到的固态化合物。从宏观上看,该材料是一种低密度、高强度、少吸水的聚合物基固体材料,具有密度低(0.20~0.7g/cm3)、吸水率低(不大于3%)、机械强度高(压缩强度1~100MPa)、耐腐蚀、可进行二次机械加工等特点,满足水下不同的应用要求。
该材料主要用于水下,基于其密度低耐压高的特性,主要为水下作业装备提供所需的浮力,根据需要可对其表面进行喷刷涂层或保护层处理,常制作加工成浮体、浮标等配重产品,也可直接进行机加工成形为产品零部件。具有既能满足产品结构的力学要求,又能大大降低产品重量等多种功能。该材料的应用实现了金属结构件难以实现的功能。目前,在水下深潜器、水下机器人等方面都已得到应用,并能在水下数千米的深度下安全使用。
国内海洋化工研究院最早研制并掌握深海用可加工固体浮体材料技术,已获得国家发明专利近十项,目前已形成水面到水下10000米用固体浮体材料系列化产品,系列产品已工程化,并获得了广泛地实际应用,如RECON-IV型水下机器人、海极号和海潜Ⅱ号水下机器人、我国首个自主和遥控混合型水下机器人“北极ARV”、“海龙号”3500米深海取样型无人遥控潜水器、4500米深海作业系统等都采用了海洋化工研究院制作的浮体,产品在海试及使用期间性能稳定可靠,获得了验证。同时,产品在远程潜器、水下集矿机、潜(浮)标、救生装置、声拖装置、浮缆、海底探测装置等领域也得到了广泛的应用。
近年来,随着浮体材料的广泛应用,对浮体材料的性能要求也越来越高,现有的浮体材料,强度低,不能满足水下工程应用的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的浮体材料中无法满足一种密度小且强度大的应用要求。
为解决上述技术问题,本采用的一个技术方案是:提供一种复合浮体材料,所述浮体材料内部为空心陶瓷球,外部为发泡铝合金。
本发明中,所述浮体材料密度为0~0.2g/cm3,强度为5~50Mpa。
本发明中,所述空心陶瓷球直径为10~16mm。
本发明中,所述制备工艺包括以下步骤:
①将浮体材料包括的组分熔融;
②将熔融后的物料进行发泡;
③浇注成型。
本发明中,所述制备工艺包括以下步骤:
①将二氧化硅气溶胶,助剂,铝合金材料混合均匀,混合后进行熔融;
②将熔融后的物料发泡;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球的模具中,冷却,即得。
本发明中,所述空心陶瓷球18~27质量份,二氧化硅气溶胶6~9质量份,铝合金材料20~30质量份,在本发明的一个具体实施例中,空心陶瓷球22质量份,二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料25质量份。
本发明中,所述助剂选自硝酸钾,磷酸钠、碳酸镁、碳酸钙中的一种或多种的混合物,进一步的,所述助剂为碳酸镁、碳酸钙的混合物,所述碳酸镁为3~5质量份,碳酸钙为6~8质量份,在本发明的一个具体实施例中,碳酸镁为4质量份,碳酸钙为7.2质量份。
本发明中使用助剂碳酸镁、碳酸钙的混合物可有效调节熔融物料的粘稠度。
在本发明的一个具体实施例中,所述铝合金材料包括硅0.15~0.3质量份,铁0.1~0.7质量份,铜0.05~0.3质量份,锰0.05~0.3质量份,镁2.2~2.8质量份,铬0.15~0.39质量份,锌0.11~0.35质量份,钛0.13~0.51质量份,铝70~99质量份,优选为,硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份。
本发明中,所述步骤②中发泡温度为600~800℃,发泡时间为10~40min,吹气速率为0.7~1.9L/min,在本发明的一个具体实施例中,发泡温度为650~780℃,发泡时间为22min,吹气速率为1.1L/min。
本发明中,所述吹气气体选自压缩空气、氮气、氧气中的一种或多种的混合物,在本发明的一个具体实施例中为氮气。
本发明所述合金材料为铝合金材料颗粒,所述铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm。
本发明中所述空心陶瓷球可为中空的空心陶瓷球。
本发明制得的浮体材料内部为一个到多个空心陶瓷球,外部为发泡铝合金材料。
本发明的浮体材料不仅密度小,而且强度大,能满足各种工程应用的要求。
具体实施方式
实施例1
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),碳酸镁4质量份,碳酸钙7.2质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例2
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶6质量份,铝合金材料颗粒30质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金包括硅0.15质量份,铁0.7质量份,铜0.05质量份,锰0.3质量份,镁2.2质量份,铬0.15质量份,锌0.35质量份,钛0.13质量份,铝70质量份),碳酸镁3质量份,碳酸钙8质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球18质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例3
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶9质量份,铝合金材料颗粒20质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金包括硅0.30质量份,铁0.1质量份,铜0.3质量份,锰0.05质量份,镁2.8质量份,铬0.39质量份,锌0.11质量份,钛0.51质量份,铝99质量份),碳酸镁5质量份,碳酸钙6质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球27质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例4
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),碳酸镁4质量份,碳酸钙7.2质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至600~800℃,发泡10~40min,物料中吹入压缩空气或氧气,调节吹气速率为0.7~1.9L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例5
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),硝酸钾3~5质量份,磷酸钠6~8质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例6
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),硝酸钾6~8质量份,碳酸镁3~5质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例7
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),硝酸钾3~5质量份,碳酸钙6~8质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例8
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),磷酸钠3~5质量份,碳酸钙6~8质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例9
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份),磷酸钠3~5质量份,碳酸镁6~8质量份,混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例10
一种复合浮体材料及其制备工艺,所述制备工艺包括以下步骤:
①称取二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料颗粒25质量份(铝合金材料颗粒的粒径为100~630μm,铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份)混合均匀,放入电阻炉中加热充分熔融。
②将熔融后的物料升温至650~780℃,发泡22min,在物料中吹入氮气,调节吹气速率为1.1L/min;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球22质量份(空心陶瓷球直径为10~41μm)的模具中,冷却,即得。
实施例11
对实施例1~10制备的浮体材料进行密度测试,各实施例制备的浮体材料简称浮体材料1~10。
测试结果如下:
实施例12
对实施例1~10制备的浮体材料进行抗压强度测试,各实施例制备的浮体材料简称浮体材料1~10。
首先,在使用万能试验机对样品做抗压强度测试前,用游标卡尺测量好样品受力面的长度和宽度,并计算出受力面面积S,然后通过万能试验机对样品进行缓慢地加压,得出其所能承受的最大压力P;则其抗压强度可按如下公式进行计算:
Sc=P/S
式中:P—试样遭到破坏时所承受的载荷,单位为N;
S—试样受压面面积,单位为mm2;
Sc—试样抗的压强度,单位为MPa。
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内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.复合浮体材料,其特征在于,所述浮体材料内部为空心陶瓷球,外部为发泡铝合金,所述浮体材料密度为0~0.2g/cm³,强度为5~7.61Mpa;所述空心陶瓷球直径为10~41μm;
所述复合浮体材料的原料包括如下重量份组分:空心陶瓷球18~27质量份,二氧化硅气溶胶6~9质量份,铝合金材料20~30质量份和助剂,所述助剂为碳酸镁、碳酸钙的混合物,所述碳酸镁为3~5质量份,碳酸钙为6~8质量份。
2.权利要求1所述的浮体材料的制备工艺,其特征在于,所述制备工艺包括以下步骤:
①将二氧化硅气溶胶,助剂,铝合金材料进行熔融;
②将熔融后的物料发泡;
③将发泡后物料,浇注到含空心陶瓷球的模具中,冷却,即得。
3.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,所述空心陶瓷球22质量份,二氧化硅气溶胶7.4质量份,铝合金材料25质量份。
4.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,所述碳酸镁为4质量份,碳酸钙为7.2质量份。
5.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,所述铝合金材料包括硅0.15~0.30质量份,铁0.1~0.7质量份,铜0.05~0.3质量份,锰0.05~0.3质量份,镁2.2~2.8质量份,铬0.15~0.39质量份,锌0.11~0.35质量份,钛0.13~0.51质量份,铝70~99质量份。
6.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,所述铝合金材料包括硅0.29质量份,铁0.42质量份,铜0.17质量份,锰0.13质量份,镁2.9质量份,铬0.18质量份,锌0.19质量份,钛0.17质量份,铝81质量份。
7.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,所述步骤②中发泡温度为600~800℃,发泡时间为10~40min,吹气速率为0.7~1.9L/min。
8.根据权利要求7所述的制备工艺,其特征在于,发泡温度为650~780℃,发泡时间为22min, 吹气速率为1.1L/min。
9.根据权利要求7所述的制备工艺,其特征在于,吹气气体选自压缩空气、氮气、氧气中的一种或多种的混合物。
10.根据权利要求9所述的制备工艺,其特征在于,所述吹气气体为氮气。
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