CN109719297B - 一种多孔金属复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多孔金属技术领域，具体涉及一种多孔金属复合材料及其制备方法，多孔金属复合材料包括如下原料：PA、多孔合金粉、硅烷偶联剂和抗氧化剂，其中，所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：(1)取铝粉、镍粉和纳米碳纤维进行加热熔融，形成合金液体；(2)利用气雾法将合金液体制成合金粉末；(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧。最终制得的多孔金属粉具有高孔隙率(30％‑40％)的特点，通过硅烷偶联剂处理后，与PA具有较好的相容分散性，从而可以制得机械性能好以及耐腐蚀的多孔金属复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及多孔金属技术领域，具体涉及一种多孔金属复合材料及其制备方法。
背景技术
多孔材料是一种新兴材料体系。近年来多孔材料的发展取得了高速的发展，其最显著的特点是多孔材料具有密度小、比表面积大、透气性好、吸附容量大等优点。
而多孔金属既拥有金属材料本身所具有的优良性能，又因为大量空隙结构的存在使其拥有优良的功能特性。与多孔陶瓷相比，多孔金属具有强度及韧性高、导电导热性好、抗冲击能力强、可焊接、易加工等优点。与多孔塑料相比，多孔金属具有耐高温、强度高、导电导热性好、可焊接、易加工等优点，多孔因而在工程中得到广泛的应用。正因为多孔金属材料具有结构材料利功能材料的特点，所以被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域，推动了现代工业技术的进步。
但是金属的特性导致将多孔金属加工成特定形状的产品时，是需要对金属进行在熔融的，因此容易破坏其多孔性质，不具有较好的加工性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种多孔金属复合材料，将多孔合金粉末与PA进行结合形成的复合材料具有优良的加工性，不需要对多孔金属粉末进行再熔融，并且得到的复合材料兼具多孔金属的刚性和PA的韧性，还具有良好的耐腐蚀性；本发明的另一目的在于提供该多孔金属复合材料的制备方法，该制备方法简单高效，利于工业化生产。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种多孔金属复合材料，包括如下重量份数的原料：
其中，所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比50-60：40-50:1-3的比例称取铝粉、镍粉和纳米碳纤维进行混合，在氮气保护范围下加热熔融，形成合金液体；
(2)利用气雾化法将合金液体制成合金粉末；
(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧，即得到所述的多孔合金粉。
本发明多孔合金粉的制备机理为：铝的熔点在660℃左右，镍的熔点在1453℃左右，碳纤维的熔点在3500℃左右，在加热熔融过程中，镍和铝均熔化成液体，碳纤维以固态形式存在于合金液体中，而后在气雾化法的过程中，镍和铝重新变成固体将碳纤维包覆在内，形成合金粉末，通过在空气中灼烧，可将裸露在合金粉末的碳纤维燃烧去除，提高合金粉末的多孔性，并且在合金粉末的表面形成氧化膜，增强合金粉末的耐腐蚀性。最终制得的多孔金属粉具有高孔隙率(30％-40％)的特点，通过硅烷偶联剂处理后，与PA具有较好的相容分散性，从而可以制得机械性能好以及耐腐蚀的多孔金属复合材料。
其中，所述纳米碳纤维的直径为120-180nm，长度为21.3-33.4μm。通过控制纳米碳纤维的长度和直径，可以改善纳米碳纤维在合金粉末中的分布状况，利于灼烧后形成稀疏多孔的合金粉末。
其中，所述步骤(1)中，加热熔融的温度为1500-1600℃。
其中，所述气雾化法的具体条件为：雾化介质为氩气，雾化介质的气流压强为1.4-1.8MPa，合金液体的流速为0.6-1.0kg/min。控制气雾化法的具体条件可以控制生成合金粉末的粒径、表面形貌等性质，得到的合金粉末形态均一，纳米碳纤维充分延伸出合金粉末外，利于后续的灼烧处理。
其中，所述步骤(3)中，灼烧的具体操作为：采用400-500℃的火焰灼烧合金粉末，灼烧时间为3-5min。采用的灼烧温度可以使铝镍合金中的铝适度软化，纳米碳纤维的燃烧更加充分，并且生成的气体易于逸出，扩大形成的孔径，留下较多的通路，因此可以具有较高的孔隙率。
其中，所述多孔合金粉末的粒径为200-300目。
其中，所述PA为PA6、PA66、PA1010、PA12中的至少一种。优选地，所述PA由相对粘度为2.3的PA66和相对粘度为1.8的PA12按重量比1:1的比例组成。该PA具有较好的加工性能和机械性能，合金粉末可以充分分散于PA中，形成具有高机械性能和耐腐蚀性的多孔金属复合材料。
其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
其中，所述抗氧化剂由抗氧化剂1010和抗氧化剂168按重量比1:1的比例组成。
如上所述的多孔金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：取硅烷偶联剂和多孔合金粉末进行混合分散，然后与PA和抗氧化剂一同加入螺杆挤出机中进行熔融挤出成线，冷却切粒，即得到所述的多孔金属复合材料。
本发明的有益效果在于：本发明多孔合金粉的制备机理为：铝的熔点在660℃左右，镍的熔点在1453℃左右，碳纤维的熔点在3500℃左右，在加热熔融过程中，镍和铝均熔化成液体，碳纤维以固态形式存在于合金液体中，而后在气雾化法的过程中，镍和铝重新变成固体将碳纤维包覆在内，形成合金粉末，通过在空气中灼烧，可将裸露在合金粉末的碳纤维燃烧去除，提高合金粉末的多孔性，并且在合金粉末的表面形成氧化膜，增强合金粉末的耐腐蚀性。最终制得的多孔金属粉具有高孔隙率(30％-40％)的特点，通过硅烷偶联剂处理后，与PA具有较好的相容分散性，从而可以制得机械性能好以及耐腐蚀的多孔金属复合材料。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种多孔金属复合材料，包括如下重量份数的原料：
其中，所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比55：45:2的比例称取铝粉、镍粉和纳米碳纤维进行混合，在氮气保护范围下加热熔融，形成合金液体；
(2)利用气雾化法将合金液体制成合金粉末；
(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧，即得到所述的多孔合金粉。
其中，所述纳米碳纤维的直径为150nm，长度为28.4μm。
其中，所述步骤(1)中，加热熔融的温度为1550℃。
其中，所述气雾化法的具体条件为：雾化介质为氩气，雾化介质的气流压强为1.6MPa，合金液体的流速为0.8kg/min。
其中，所述步骤(3)中，灼烧的具体操作为：采用450℃的火焰灼烧合金粉末，灼烧时间为4min。
其中，所述多孔合金粉末的粒径为250目。
其中，所述PA由相对粘度为2.3的PA66和相对粘度为1.8的PA12按重量比1:1的比例组成。
其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
其中，所述抗氧化剂由抗氧化剂1010和抗氧化剂168按重量比1:1的比例组成。
如上所述的多孔金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：取硅烷偶联剂和多孔合金粉末进行混合分散，然后与PA和抗氧化剂一同加入螺杆挤出机中进行熔融挤出成线，冷却切粒，即得到所述的多孔金属复合材料。
实施例2
一种多孔金属复合材料，包括如下重量份数的原料：
其中，所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比50：40:1的比例称取铝粉、镍粉和纳米碳纤维进行混合，在氮气保护范围下加热熔融，形成合金液体；
(2)利用气雾化法将合金液体制成合金粉末；
(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧，即得到所述的多孔合金粉。
其中，所述纳米碳纤维的直径为120nm，长度为21.3μm。
其中，所述步骤(1)中，加热熔融的温度为1500℃。
其中，所述气雾化法的具体条件为：雾化介质为氩气，雾化介质的气流压强为1.4MPa，合金液体的流速为0.6kg/min。
其中，所述步骤(3)中，灼烧的具体操作为：采用400℃的火焰灼烧合金粉末，灼烧时间为3min。
其中，所述多孔合金粉末的粒径为200目。
其中，所述PA由相对粘度为2.3的PA66和相对粘度为1.8的PA12按重量比1:1的比例组成。
其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
其中，所述抗氧化剂由抗氧化剂1010和抗氧化剂168按重量比1:1的比例组成。
如上所述的多孔金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：取硅烷偶联剂和多孔合金粉末进行混合分散，然后与PA和抗氧化剂一同加入螺杆挤出机中进行熔融挤出成线，冷却切粒，即得到所述的多孔金属复合材料。
实施例3
一种多孔金属复合材料，包括如下重量份数的原料：
其中，所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比60：50:3的比例称取铝粉、镍粉和纳米碳纤维进行混合，在氮气保护范围下加热熔融，形成合金液体；
(2)利用气雾化法将合金液体制成合金粉末；
(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧，即得到所述的多孔合金粉。
其中，所述纳米碳纤维的直径为180nm，长度为33.4μm。
其中，所述步骤(1)中，加热熔融的温度为1600℃。
其中，所述气雾化法的具体条件为：雾化介质为氩气，雾化介质的气流压强为1.8MPa，合金液体的流速为1.0kg/min。
其中，所述步骤(3)中，灼烧的具体操作为：采用500℃的火焰灼烧合金粉末，灼烧时间为5min。
其中，所述多孔合金粉末的粒径为300目。
其中，所述PA由相对粘度为2.3的PA66和相对粘度为1.8的PA12按重量比1:1的比例组成。
其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
其中，所述抗氧化剂由抗氧化剂1010和抗氧化剂168按重量比1:1的比例组成。
如上所述的多孔金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：取硅烷偶联剂和多孔合金粉末进行混合分散，然后与PA和抗氧化剂一同加入螺杆挤出机中进行熔融挤出成线，冷却切粒，即得到所述的多孔金属复合材料。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：
所述PA为相对粘度为1.8的PA12。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：
所述多孔合金粉由铝粉、镍粉按重量比55：45混合后替代。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：
所述多孔合金粉由铝粉、镍粉按重量比55：45混合后在空气中灼烧得到。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于：
所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比55：45的比例称取铝粉和镍粉进行混合，在氮气保护范围下加热熔融，形成合金液体；
(2)利用气雾化法将合金液体制成合金粉末；
(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧，即得到所述的多孔合金粉。
按照ASTM标准对实施例1-4和对比例1-3的多孔金属复合材料进行拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的测试，将实施例1-4和对比例1-3的多孔金属复合材料进行腐蚀性能的测试，测试方法为：将试样放置于质量分数为12％的HCl溶液中，在温度为90℃的条件下中，放置3h后进行检测失重率。
由实施例1和实施例4的对比可知，选择合适的PA树脂可以有效提高复合材料的机械性能；由实施例1和对比例1的对比可知，纯金属粉末与PA的相容性较差，并且纯金属也不具有良好的耐腐蚀性；由实施例1、对比例1和对比例2的对比可知，对纯金属粉末进行氧化后，复合材料的耐腐蚀性有所提升，但是力学性能是相对降低的，因为金属粉末表面的氧化膜会降低PA与金属粉末的相容性，因此机械性能较低；由实施例1和对比例3的对比可知，仅仅通过简单雾化法制得的多孔金属粉末与PA树脂的相容性仍较低，并且多孔金属粉末的多孔性不足，不利于提升复合材料的机械性能。
Claims (10)
1.一种多孔金属复合材料，其特征在于：包括如下重量份数的原料：
其中，所述多孔合金粉的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比50-60：40-50:1-3的比例称取铝粉、镍粉和纳米碳纤维进行混合，在氮气保护范围下加热熔融，形成合金液体；
(2)利用气雾化法将合金液体制成合金粉末；
(3)将所述合金粉末在空气中进行灼烧，即得到所述的多孔合金粉。
2.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述纳米碳纤维的直径为120-180nm，长度为21.3-33.4μm。
3.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述步骤(1)中，加热熔融的温度为1500-1600℃。
4.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述气雾化法的具体条件为：雾化介质为氩气，雾化介质的气流压强为1.4-1.8MPa，合金液体的流速为0.6-1.0kg/min。
5.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述步骤(3)中，灼烧的具体操作为：采用400-500℃的火焰灼烧合金粉末，灼烧时间为3-5min。
6.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述多孔合金粉末的粒径为200-300目。
7.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述PA为PA6、PA66、PA1010、PA12中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
9.根据权利要求1所述的一种多孔金属复合材料，其特征在于：所述抗氧化剂由抗氧化剂1010和抗氧化剂168按重量比1:1的比例组成。
10.权利要求1-9任意一项所述的多孔金属复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：取硅烷偶联剂和多孔合金粉末进行混合分散，然后与PA和抗氧化剂一同加入螺杆挤出机中进行熔融挤出成线，冷却切粒，即得到所述的多孔金属复合材料。
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