CN109487109A - 一种基于3d打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，将石膏、纳米Al2O3颗粒和生石灰按比例均混得到固相打印材料，将去离子水和聚丙烯醇按比例配制得到液相打印材料；通过3D打印将固相打印粉末逐层铺设，液相打印材料按设定路径喷射打印，得到与目标孔结构相反的石膏渗流前驱体；石膏渗流前驱体经干燥、渗流及水溶除石膏，得到高孔隙率微细层状结构多孔铝；本发明通过纳米Al2O3颗粒增强石膏，以及减小铺粉层厚度的方法，得到的高孔隙率、微细孔径层状结构多孔铝，制备工艺简单，孔结构精准可控，可实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及采用一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，属于多孔金属制备领域。
背景技术
多孔铝是结构功能一体化材料，具有轻质、高强、减震吸能、电磁屏蔽、吸声、过滤等特性。尤其是其吸声功能，在高铁、地铁、城市快速路、游泳池、发动（电）机房等热、湿、露天恶劣环境的噪声控制领域，具有广阔的应用前景。
多孔铝的吸声性能与其孔结构密切相关，研究表明，在较高孔隙率80-84%、孔径0.1-1mm 、层状周期孔结构（大孔层-小孔层周期排列）条件下，多孔铝的吸声性能最好。
目前，通孔多孔铝主要依靠渗流铸造生产，但渗流多孔铝存在以下问题：（1）孔隙率较低，只有65%左右，远达不到最佳吸声性能的80-84%高孔隙率范围；（2）渗流前驱体的制备，特别是微细层状周期孔结构的渗流前驱体的制备很难控制，很难制备出具有微细层状孔结构的多孔铝。
传统的三维印刷（3D打印），能快速通过设定好的程序精确制备所需要的目标物体，经常用来打印复杂的石膏模型，但三维印刷打印普通石膏时，由于石膏强度较低，故所需相应的石膏粉铺粉层过厚，无法得到1 mm以下的精细孔结构。
发明内容
本发明针对目前现有技术的不足，提供一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，通过在打印原料中添加纳米Al2O3颗粒增强石膏、减小铺粉层厚度的方法等，实现微细层状结构吸声多孔铝的制备，具体的是以半水硫酸钙（石膏）为主要原料、纳米Al2O3颗粒作为颗粒增强相、生石灰粉作为促凝剂、聚丙烯醇作为粘结剂以及去离子水作为原料，通过目标孔结构得到前驱体轮廓，将石膏、纳米Al2O3颗粒、生石灰、聚丙烯醇、去离子水通过三维印刷打印制备具有相反孔结构的高孔隙率渗流前驱体，然后将得到的渗流前驱体经干燥、预热后与熔融铝合金液进行渗流得到石膏/铝合金复合体，最后将复合体通过水溶除石膏后得到具有高孔隙率微细层状周期孔结构的多孔铝，其具体步骤如下：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数分别为85-93%的高纯半水硫酸钙、1-5%的纳米Al2O3颗粒、2-14%的生石灰粉通过三维混料器混合5-10 min，得到高纯半水硫酸钙、Al2O3颗粒、生石灰均匀混合的固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数分别为85-94%的去离子水、6-15%的聚丙烯醇通过磁力搅拌5-10min进行均匀混合，制成液相打印材料；
（2）3D打印：根据多孔铝的目标孔结构：孔隙率80-84%、孔径0.1-1mm，确定与目标孔结构相反的前驱体孔结构，并绘制三维结构图，生成轮廓数据，确定打印路径；将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料进行3D打印，固相打印材料逐层铺设，单层铺设厚度为0.1-0.5mm，在固相打印材料上按设定的路径喷射液相打印材料，得到与目标层状孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体放入50-60℃的干燥箱中，干燥4-6h；
（4）渗流：将步骤（3）中干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，一起于450-500℃并保温20-30 min进行预热，并将熔融铝合金液浇铸入模具中进行渗流，渗流压力为3-5个大气压，得到石膏/铝合金复合体；
（5）石膏溶除：将步骤（4）中得到的石膏/铝合金复合体，通过水溶除复合体中石膏，得到孔隙率为80-84%，孔径为0.1-1mm的高孔隙率微细层状结构多孔铝。
步骤（1）半水硫酸钙粒径20-40μm，Al2O3粒径为30-50nm，生石灰粉粒径5-10μm。
步骤（2）固相打印材料和液相打印材料按照2-5:1的质量比进行打印。
步骤（4）中进行渗流的铝合金为Al与Si、Mg、Cu等元素组成的二元或多元合金。
步骤（4）熔融铝合金液是将铝合金加热到其液相线温度以上20-50℃并保温20-30min制得。
本发明的有益效果：
（1）本发明针对高孔隙率微细层状结构多孔铝在渗流制备时，渗流前驱体制备困难、孔结构难以控制等问题，以石膏、生石灰为主要原料，纳米Al2O3颗粒作为增强相；纳米Al2O3颗粒均匀分散于石膏中，提高石膏的强度，减小铺粉层厚度。
（2）常规3D打印时，固相打印材料依靠喷头喷射出的液相打印材料凝结成形，由于成型过程没有热源固结，所以成型后的强度较低，需要较厚的铺粉层厚度，本发明采用纳米Al2O3颗粒增强石膏打印体的强度，使铺粉层厚度减小，能够打印更为精细的孔结构；3D打印工艺的尺寸精度与铺粉层厚度有关，铺粉层越薄，3D打印的尺寸精度越高，即可打印的最小孔径越小，本发明铺粉层厚度为小孔径层的最小孔径（大孔径层孔径的一半），3D打印及渗流后，获得高孔隙率微细层状结构多孔铝。
（3）本发明制备的多孔铝结构精细可控、制备工艺简单，可实现工业化生产。
附图说明
图1为实施例1高孔隙率微细层状周期结构多孔铝结构示意图；
1-0.5 mm孔径层，2-1mm孔径层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但是本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1
一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，具体步骤如下：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数为85%、粒径为40μm 的高纯半水硫酸钙，质量分数为1%、粒径为50nm的纳米Al2O3颗粒，以及质量分数为14%、粒径为10μm的生石灰粉，通过三维混料器均匀混合5min，得到高纯半水硫酸钙、Al2O3、生石灰均匀混合的固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数为94%的去离子水、质量分数为6%的聚丙烯醇，通过磁力搅拌5min进行均匀混合，制成液相打印材料；
（2）3D打印：
A、打印路径确定：根据所需要多孔铝的目标孔结构：孔隙率84%，小孔层孔径0.5mm，大孔层孔径1mm，小-大-小-大2周期4层结构，如图1所示，0.5 mm孔径层1，1mm孔径层2，每种孔径单层厚度5mm，确定与目标孔结构相反的前驱体孔结构，并绘制三维结构图，生成轮廓数据，确定打印路径；
B、前驱体打印：将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料放入3D打印机，固相打印材料逐层铺设，铺设厚度为0.5mm，根据打印路径，在固相打印材料上按设定的路径喷射打印液相打印材料，固相打印材料和液相打印材料按照2:1的质量比进行打印，得到与目标层状周期孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：
将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体体放入50℃的干燥箱中，干燥4h；
（4）渗流：
将步骤（3）中干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，一起于450 ℃并保温20min进行预热，并将熔融的AlSi12浇铸入模具中进行渗流，熔融的AlSi12液是将AlSi12加热到其液相线温度以上20℃并保温20min制得，渗流压力为5个大气压，得到石膏/AlSi12复合体；
（5）石膏溶除：
将步骤（4）中得到的石膏/AlSi12复合体，通过水溶除去复合体中石膏，得到孔隙率为84%，小孔层孔径为0.5mm，大孔层孔径为1mm，每种孔径单层厚度5mm的4层2周期（小-大-小-大）结构的高孔隙率微细层状周期结构多孔铝。
实施例2
一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，具体步骤如下：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数为88%、粒径为35μm的高纯半水硫酸钙，质量分数为2%、粒径为45nm的纳米Al2O3颗粒，以及质量分数为10%、粒径为8μm生石灰粉，通过三维混料器均匀混合6min，得到高纯半水硫酸钙、Al2O3、生石灰均匀混合的固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数为92%的去离子水、质量分数为8%的聚丙烯醇，通过磁力搅拌6min进行均匀混合，制成液相打印材料；
（2）3D打印：
A、打印路径确定：根据所需要多孔铝的目标孔结构：孔隙率83%、小孔层孔径0.4mm，大孔层孔径0.8mm，小-大-小-大2周期4层结构，每种孔径单层厚度4mm，确定与目标孔结构相反的前驱体孔结构，并绘制三维结构图，生成轮廓数据，确定打印路径；
B、前驱体打印：将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料放入3D打印机，固相打印材料逐层铺设，铺设厚度为0.4mm，根据打印路径，在固相打印材料上按设定的路径喷射打印液相打印材料，固相打印材料和液相打印材料按照3:1的质量比进行打印，得到与目标层状周期孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：
将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体体放入52℃的干燥箱中，干燥4.5h；
（4）渗流：
将步骤（3）中干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，一起于460℃并保温22min进行预热，并将熔融的AlSi6浇铸入模具中进行渗流，熔融的AlSi6液是将AlSi6加热到其液相线温度以上30℃并保温25min制得，渗流压力为4个大气压，得到石膏/AlSi12复合体；
（5）石膏溶除：
将步骤（4）中得到的石膏/AlSi6复合体，通过水溶除去复合体中石膏，得到孔隙率为83%，小孔层孔径为0.4mm，大孔层孔径为0.8mm，每种孔径单层厚度4mm的4层2周期（小-大-小-大）结构的高孔隙率微细层状周期结构多孔铝。
实施例3
一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，具体步骤如下：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数为90%、粒径为30μm的高纯半水硫酸钙，质量分数为3%、粒径为40nm的纳米Al2O3颗粒，以及质量分数为7%、粒径为7μm的生石灰粉，通过三维混料器均匀混合7min，得到高纯半水硫酸钙、纳米Al2O3颗粒、生石灰均匀混合的固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数为89%的去离子水、质量分数为11%的聚丙烯醇，通过磁力搅拌8min进行均匀混合，制成液相打印材料；
（2）3D打印：
A、打印路径确定：根据所需要多孔铝的目标孔结构：孔隙率82%、小孔层孔径0.3mm，大孔层孔径0.6mm，小-大-小-大2周期4层结构，每种孔径单层厚度3.5mm，确定与目标孔结构相反的前驱体孔结构，并绘制三维结构图，生成轮廓数据，确定打印路径；
B、前驱体打印：将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料放入3D打印机，固相打印材料逐层铺设，铺设厚度为0.3mm，根据打印路径，在固相打印材料上按设定的路径喷射打印液相打印材料，固相打印材料和液相打印材料按照4:1的质量比进行打印，得到与目标层状周期孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：
将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体体放入55℃的干燥箱中，干燥5h；
（4）渗流：
将步骤（3）中干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，一起于480℃并保温25min进行预热，并将熔融的AlSi7Mg 浇铸入模具中进行渗流，熔融的AlSi7Mg液是将AlSi7Mg加热到其液相线温度以上50℃并保温20min制得，渗流压力为3个大气压，得到石膏/AlSi7Mg复合体。；
（5）石膏溶除：
将步骤（4）中得到的石膏/AlSi7Mg复合体，通过水溶除去复合体中石膏，得到孔隙率为82%，小孔层孔径为0.3mm，大孔层孔径为0.6mm，每种孔径单层厚度为3.5mm的4层2周期（小-大-小-大）结构的高孔隙率微细层状周期结构多孔铝。
实施例4
一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，具体步骤如下：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数为91%、粒径为25μm的高纯半水硫酸钙，质量分数为4%、粒径为35nm的纳米Al2O3颗粒，以及质量分数为5%、粒径为6μm的生石灰粉，通过三维混料器均匀混合8min，得到高纯半水硫酸钙、纳米Al2O3颗粒、生石灰均匀混合的固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数为86%的去离子水、质量分数为14%的聚丙烯醇，通过磁力搅拌9min进行均匀混合，制成液相打印材料；
（2）3D打印：
A、打印路径确定：根据所需要多孔铝的目标孔结构：孔隙率81%、孔径0.2mm，高12mm，确定与目标孔结构相反的前驱体孔结构，并绘制三维结构图，生成轮廓数据，确定打印路径；
B、前驱体打印：将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料放入3D打印机，固相打印材料逐层铺设，铺设厚度为0.2mm，根据打印路径，在固相打印材料上按设定的路径喷射打印液相打印材料，固相打印材料和液相打印材料按照5:1的质量比进行打印，得到与目标孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：
将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体体放入57℃的干燥箱中，干燥5.5h；
（4）渗流：
将步骤（3）中干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，一起于490℃并保温27min进行预热，并将熔融的AlSi7Cu4浇铸入模具中进行渗流，熔融的AlSi7Cu4液是将AlSi7Cu4加热到其液相线温度以上20℃并保温30min制得，渗流压力为3个大气压，得到石膏/AlSi7Cu4复合体；
（5）石膏溶除：
将步骤（4）中得到的石膏/AlSi7Cu4复合体，通过水溶除去复合体中石膏，得到孔隙率为81%，孔径为0.2mm，高12mm的高孔隙率微细层状结构多孔铝。
实施例5
一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，具体步骤如下：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数为93%、粒径为20μm的高纯半水硫酸钙，质量分数为5%、粒径为30nm的纳米Al2O3颗粒，以及质量分数为2%、粒径为5μm的生石灰粉，通过三维混料器均匀混合10min，得到高纯半水硫酸钙、纳米Al2O3颗粒、生石灰均匀混合的固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数为85%的去离子水、质量分数为15%的聚丙烯醇，通过磁性搅拌10min进行均匀混合，制成液相打印材料；
（2）3D打印：
A、打印路径确定：根据所需要多孔铝的目标孔结构：孔隙率80%、小孔层孔径0.1mm，大孔层孔径0.2mm，小-大-小-大2周期4层结构，每种孔径单层厚度2.5mm，确定与目标孔结构相反的前驱体孔结构，并绘制三维结构图，生成轮廓数据，确定打印路径；
B、前驱体打印：将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料放入3D打印机，固相打印材料逐层铺设，铺设厚度为0.1mm，根据打印路径，在固相打印材料上按设定的路径喷射打印液相打印材料，固相打印材料和液相打印材料按照3:1的质量比进行打印，得到与目标层状周期孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：
将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体放入60℃的干燥箱中，干燥6h；
（4）渗流：
将步骤（3）中干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，一起于500℃并保温30min进行预热，并将熔融的AlSi9Mg浇铸入模具中进行渗流，熔融的AlSi9Mg液是将AlSi9Mg加热到其液相线温度以上40℃并保温25min制得，渗流压力为3个大气压，得到石膏/AlSi9Mg复合体；
（5）石膏溶除：
将步骤（4）中得到的石膏/AlSi9Mg复合体，通过水溶除去复合体中石膏，得到孔隙率为80%，小孔层孔径为0.1mm，大孔层孔径为0.2mm，每种孔径单层厚度为2.5mm的4层2周期（小-大-小-大）结构的高孔隙率微细层状周期结构多孔铝。
Claims (5)
1.一种基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）打印原料的制备：
A、固相打印材料制备：将质量分数分别为85-93%的高纯半水硫酸钙、1-5%的纳米Al2O3颗粒、2-14%的生石灰粉通过三维混料器混合5-10min，得到固相打印材料；
B、液相打印材料制备：将质量分数分别为85-94%的去离子水、6-15%的聚丙烯醇通过磁力搅拌5-10min，制成液相打印材料；
（2）3D打印：将步骤（1）得到的固相打印材料和液相打印材料进行3D，固相打印材料逐层铺设，单层铺设厚度为0.1-0.5mm，在固相打印材料上按设定的路径喷射液相材料打印材料，得到与目标层状孔结构相反孔结构的多孔石膏渗流前驱体；
（3）前驱体干燥：将步骤（2）打印好的多孔石膏渗流前驱体在50-60℃干燥4-6h；
（4）渗流：将步骤（3）干燥过的多孔石膏渗流前驱体放入渗流模具中，450-500℃保温20-30min，将熔融铝合金液浇铸入模具中进行渗流，渗流压力为3-5个大气压，得到石膏/铝合金复合体；
（5）石膏溶除：将步骤（4）中得到的石膏/铝合金复合体，水溶除复合体中石膏，得到高孔隙率微细层状多孔铝。
2.根据权利要求1所述基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，其特征在于，步骤（1）半水硫酸钙粒径为20-40μm，纳米Al2O3粒径为30-50nm，生石灰粉粒径5-10μm。
3.根据权利要求1所述基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，其特征在于，步骤（2）固相打印材料和液相打印材料按照2-5:1的质量比进行打印。
4.根据权利要求1所述基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，其特征在于，步骤（4）铝合金为Al与Si、Mg、Cu组成的二元或多元合金。
5.根据权利要求1所述基于3D打印技术的高孔隙率微细层状结构多孔铝的制备方法，其特征在于，步骤（4）熔融铝合金液是将铝合金加热到其液相线温度以上20-50℃并保温20-30min制得。
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