CN109513907A - 一种二十四面螺旋体结构泡沫铝的制备方法 - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明公开一种二十四面螺旋体结构泡沫铝的制备方法，以二十四面螺旋体为基础的轻质结构材料，其制备方法是选用PLA材质3D打印二十四面螺旋体结构；然后将高固相，低粘度的石膏浆料充入PLA二十四面体螺旋体空隙中、经干燥形成所需预制型；再将预制型中的PLA低温烧结清除残渣后置于金属模具中，直接浇入配制好的铝合金液，对其施加压力，使金属液充填于预制块的孔隙中；冷却后清除掉成型块中的石膏残渣，即获得具有一定孔隙的三维贯通的二十四面螺旋体结构泡沫铝。本发明可以直接通过控制二十四面螺旋体结构的参数化设计，实现孔径大小、孔隙率、气孔形状分布及泡沫铝的表观密度等精确可控，使制备的泡沫铝更适合工业的需要。

Description

一种二十四面螺旋体结构泡沫铝的制备方法
技术领域
本发明涉及一种泡沫铝的制备方法，具体的涉及一种二十四面螺旋结构泡沫铝的制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种在铝合金基体中分布着大量孔洞的新型轻质结构功能材料，与实体金属铝相比，具有高孔洞度、重量轻、消音、减震、电磁屏蔽等特点。常被用于制作减震吸能材料、轻质航空材料、热交换器、消音材料、阻火器、医用植入材料等，具有十分广阔的应用前景。常用的泡沫铝制备方法很多，主要包括：铸造法、发泡法、凝固法及粉末冶金法。但是现有的泡沫铝制备方法孔隙分布情况与尺寸控制都不能达到精确控制，孔尺寸随机分布，孔隙率、孔结构的均匀性和连通性也较差。同时孔隙结构的成型不够稳定，易产生裂纹，坍塌等缺陷，而不规则的孔洞同时会降低成品的机械性能。
发明内容
本发明提供一种二十四面螺旋结构泡沫铝的制备方法，基于一种三周期极小曲面二十四面螺旋体曲面结构，除力学性能好的优点，在防撞击性能上较其他结构具备明显优势外，还具备光滑连续、三维连通的孔隙结构。该方法可以通过改变结构参数如周期参数、曲面壁厚和曲率达成对成品的孔结构、孔隙率的任意控制和调整，可以保证孔结构的均匀一致，便于获取特定工况下的最佳孔隙度，制备出孔隙连通率高，孔隙率可控，且强度较高的二十四面螺旋结构泡沫铝。其中，该制备方法包含以下几个步骤：
步骤一、利用熔融沉积式3D打印机直接打印所设计的PLA材料的二十四面体螺旋结构，分层厚度0.1~0.2mm，打印速度60mm/s，周期参数1~4，曲面厚度0.5~2mm；
步骤二、将步骤一所获得的螺旋结构固定于模具中，把混合好的石膏浆料灌于模具中，缓凝剂为多聚磷酸钠，环氧树脂为胶粘剂，其质量比为45~50：40~45：10~15。同时施加一定的机械振动（所述的缓凝剂和粘结剂用于减少石膏型收缩和裂纹倾向，防止开裂，同时增强石膏的强度）；待浆料硬化后，置于180~200℃的烘干箱中融化PLA材质，时间10~20min，然后倾倒PLA熔体，再进行清洗，再置于焙烧炉中焙烧，在3℃/min升温至200℃，再以10~20℃/min升温至650-700℃，保温4~6h，再以5~6℃/min，降温至300℃，保温3~5h制得即可得到二十四面螺旋体结构的多孔预制块。
步骤三、选用ZL104 铝合金，含铝85-90%，Si 8-10%，Mg 0.1-0.5%，Mn0.1-0.5%（进一步优选方案中含铝89.94%，Si9.49%，Mg0.31%，Mn0.36%）。将铝合金在真空下加热到690±10℃进行熔化；
步骤四、将获得步骤二所获得的多孔预制块放在模具中，预制块的预热温度为250~350℃，再将步骤三所获得的铝合金液直接浇注到预制块上，铝液的浇注温度650~700℃，同时并对其施加0.02~0.04MPa的压力，使铝合金液充填于预制块的孔隙中，获得铝和石膏的复合材料。
步骤五、将步骤四所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行三次，即可制备二十四面螺旋结构泡沫铝。
本发明具有如下有益效果：
本发明所述的模型的支撑结构二十四面螺旋体结构是一种三周期极小曲面结构，具备光滑连续、连通性良好、三维贯通的孔隙结构，相较于一般多孔结构如蜂窝结构，受力扩散更加均匀，整体更加稳定以及空间排列更加多样性。同时可以通过设计及调整二十四面螺旋体结构的参数如周期参数，曲率和曲面厚度等控制泡沫铝的孔结构及孔隙大小等。
通过本发明的步骤制备出的具有二十四面螺旋体结构泡沫铝，以螺旋体曲面结构作为支撑体，能使金属相铝合金与其优良特质如高强度、耐冲击性、低相对密度、热声隔离性能等相结合。同时能够通过对螺旋曲面结构的参数化设计，构造相互连通并且规则的三维多孔结构，任意控制和调整孔结构、孔隙率，孔隙率可在80%~95%范围内调整，同时厚度可调，增强机械性能，使所制备的泡沫铝在工业领域上有更大的应用空间。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步的说明：
图1为二十四面螺旋体最小单元格示意图。
图2为二十四面螺旋体结构一制备的结构泡沫铝示意图。
图3为二十四面螺旋体结构二泡沫铝示意图。
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。
实施例一
步骤一、利用熔融沉积式3D打印机直接打印所设计的PLA材料的二十四面体螺旋结构，分层厚度0.1mm，4×4×4cm范围的立方体，周期参数2，曲面厚度1mm；
步骤二、将步骤一所获得的螺旋结构固定于模具中，把混合好的石膏浆料灌于模具中，缓凝剂为多聚磷酸钠，胶粘剂为环氧树脂，其石膏浆料、多聚磷酸钠、环氧树脂质量比为45：45：10。同时施加一定的机械振动；待浆料硬化后，置于200℃的烘干箱中融化PLA材质，时间20min，然后倾倒PLA熔体，再进行清洗，再置于焙烧炉中焙烧，在3℃/min升温至200℃，再以10℃/min升温至700℃，保温5h，再以5℃/min，降温至300℃，保温3h制得即可得到二十四面螺旋体结构的多孔预制块；
步骤三、将铝合金在真空下加热到690±10℃进行熔化；
步骤四、将获得步骤二所获得的多孔预制块放在模具中，预制块的预热温度为250℃，再将步骤三所获得的铝合金液（ZL104 铝合金，含铝89.94%，Si9.49%，Mg0.31%，Mn0.36%）直接浇注到预制块上，铝液的浇注温度680℃，同时并对其施加0.03MPa的压力，使铝合金液充填于预制块的孔隙中，获得铝和石膏的复合材料；
步骤五、将步骤四所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行三次，即可制备二十四面螺旋结构泡沫铝，孔隙率为86.89%，如图2所示。
实施例二
步骤一、利用熔融沉积式3D打印机直接打印所设计的PLA材料的二十四面体螺旋结构，分层厚度0.1mm，4×4×4cm范围的立方体，周期参数3，曲面厚度1mm；
步骤二、将步骤一所获得的螺旋结构固定于模具中，把混合好的石膏浆料灌于模具中，缓凝剂为多聚磷酸钠，环氧树脂为胶粘剂，其质量比为45：45：10。同时施加一定的机械振动；待浆料硬化后，置于200℃的烘干箱中融化PLA材质，时间20min，然后倾倒PLA熔体，再进行清洗，再置于焙烧炉中焙烧，在3℃/min升温至200℃，再以10℃/min升温至700℃，保温5h，再以5℃/min，降温至300℃，保温3h制得即可得到二十四面螺旋体结构的多孔预制块；
步骤三、将铝合金在真空下加热到690±10℃进行熔化；
步骤四、将获得步骤二所获得的多孔预制块放在模具中，预制块的预热温度为250℃，再将步骤三所获得的铝合金液（铝合金液 ZL104 铝合金，含铝89.94%，Si9.49%，Mg0.31%，Mn0.36%）直接浇注到预制块上，铝液的浇注温度680℃，同时并对其施加0.03MPa的压力，使铝合金液充填于预制块的孔隙中。获得铝和石膏的复合材料；
步骤五、将步骤四所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行三次，即可制备二十四面螺旋结构泡沫铝。孔隙率为85.4%，如图3所示。

Claims (6)

1.一种二十四面体螺旋体结构泡沫铝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用3D打印机对PLA材料打印成二十四面体螺旋结构；
步骤二、将步骤一所获得的二十四面体螺旋结构固定于模具中，把混合好的石膏浆料灌于模具中，机械振动；待浆料硬化后，置于180~200℃的烘干箱中保温1~2h，熔化PLA材质，倾倒后进行清洗，再置于焙烧炉中焙烧，得到二十四面螺旋体结构的多孔预制块；
步骤三、将铝合金在真空下加热到690±10℃进行熔化；
步骤四、将步骤二所获得的多孔预制块放在模具中，预热至250~350℃，再将步骤三所获得的铝合金液直接浇注到预制块上，铝液的浇注温度650~700℃，同时并对其施加0.02~0.04MPa的压力，使铝合金液充填于预制块的孔隙中，获得铝和石膏的复合材料；
步骤五、将步骤四所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行多次，即可制备二十四面螺旋体结构泡沫铝。
2.根据权利要求1所述的二十四面体螺旋体结构泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中3D打印参数为，分层厚度0.1~0.2mm，打印速度60mm/s，周期参数1~4，曲面厚度0.5~2mm。
3.根据权利要求1所述的二十四面体螺旋体结构泡沫铝的制备方法，其特征在于，步骤二中，石膏浆料包括半水石膏，缓凝剂为多聚磷酸钠，胶粘剂为环氧树脂，半水石膏、多聚磷酸钠、环氧树脂的质量比为45~50：40~45：10~15。
4.根据权利要求1所述的二十四面体螺旋体结构泡沫铝的制备方法，其特征在于，步骤二石膏焙烧过程中，起始温度低于200℃，先在3℃/min升温至200℃，再以10~20℃/min升温至650~700℃，保温4~6h，再以5~6℃/min，降温至300℃，保温3~5h制得。
5.根据权利要求1所述的二十四面体螺旋体结构泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述的铝合金为ZL104 铝合金，含铝85-90%，Si 8-10%，Mg 0.1-0.5%，Mn0.1-0.5%。
6.根据权利要求1所述的二十四面体螺旋体结构泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述的铝合金为ZL104 铝合金，含铝89.94%，Si9.49%，Mg0.31%，Mn0.36%。
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