CN109722557A - 一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料及其注气发泡制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料及其注气发泡制备方法，闭孔泡沫铝材料内部元胞结构的元胞壁均呈内凹状，从而具备负泊松比特性。具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝在受到外界载荷时材料会自动集中于加载处，能够充分利用材料的力学特性，与正泊松比的普通泡沫铝相比能够更有效地抵抗变形并吸收能量。该闭孔泡沫铝的制备方法如下：先通过注气发泡法制成普通的闭孔泡沫铝材料，然后在铝熔点之下的温度下经过三轴压缩从而制成具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料。

Description

一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料及其注气发泡制备 方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝材料及其制备方法，尤其涉及一种具有负泊松比特性的的闭孔泡沫铝材料及其注气发泡制备方法。

背景技术

负泊松比材料又称为拉胀材料（Auxetic），是一类泊松比为负数的特殊材料，当材料发生拉伸变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向膨胀；而当材料发生压缩变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向收缩。由于负泊松比材料具有独特的负泊松比特性和材料集中效应，使其在剪切模量、抗断裂韧性、压痕阻力以及能量吸收和抗冲击性能方面都比相同组成、相同密度的正泊松比材料更加优异。目前用于防护结构的负泊松比材料主要为负泊松比微结构材料，大多数细观结构呈内凹状，尽管其具有很强的抗冲击性能，但是其加工方法的复杂性以及高昂的成本限制了其进一步应用的可能性。

另一方面，泡沫铝是一种以铝或铝合金为骨架、含大量胞孔的三维多孔金属材料，具有低密度、高比刚度、缓冲抗震、耐腐蚀以及独特的表面效应等优点，而且其多孔结构和金属特性让泡沫铝在能量吸收、吸音隔音和电磁屏蔽等方面具有优异的性能，使其在汽车、航空、建筑等方面得到了广泛的应用。泡沫铝按照胞孔单元是否相互连通可分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝两大类，由于开孔泡沫铝连通的孔隙结构，使其在吸声方面得到广泛使用，闭孔泡沫铝由于孔隙是相互独立性的，通常用于隔音，此外闭孔泡沫铝的比刚度、比强度相比于开孔泡沫铝更高，缓冲吸能特性也更强。闭孔泡沫铝主要是通过熔体发泡法、注气发泡法以及粉末冶金法等方法进行制备，在产生气泡时要确保气泡相对稳定并且不溢出，开孔泡沫铝则主要是通过渗流铸造法和熔模铸造发进行制备。对于泡沫铝材料，相对密度是其一个重要的结构特征参数，它对泡沫铝材料的力学性能（如杨氏模量、屈服强度等）有较大影响。相对密度越大，其强度越高。

泡沫铝的泊松比为正值，若能通过一定的制备方法使其负泊松比变为负值，则独特的负泊松比特性能使其受到冲击载荷作用时，材料会从四周自动集中于加载处，提高了局部的相对密度，从而进一步提高局部强度，使材料能够通过吸收更多的能量。此外具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝的刚度也会随着冲击载荷的增加而非线性的提高，能够承受更大的载荷，因此具有巨大的科学和工程意义。

当泡沫铝材料作为一种缓冲吸能部件或材料使用时，本发明所涉及到具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝是通过传统正泊松比闭孔泡沫铝制备而成，其内部元胞壁呈现内凹状，所以可以实现单位长度材料微观结构中更小的孔隙空间，这不仅可以提高泡沫铝材料的总体相对密度，而且当传统的泡沫铝材料作为一种缓冲吸能的填充材料被填充到其他构件中时，由于泡沫铝的孔隙空间较大，当受到压缩时即使到达致密区(材料被压实)的横向膨胀较小，使泡沫铝与构件之间存在较大空白间隙，减弱了构件缓冲吸能的能力，而具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝正好相反，较小的孔隙空间，当其被压缩到致密区时，可以产生较大的横向膨胀，大大减小了泡沫铝与构件之间的空白间隙，提高了构件缓冲吸能的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料及其注气发泡制备方法，制备的闭孔泡沫铝材料能够产生材料集中的特性，极大的提高其强度、吸能等力学性能等。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料，比闭孔泡沫铝材料元胞的元胞壁呈内凹状，使得闭孔泡沫铝材料具备负泊松比特性。

本发明还公开了一种该具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，包含以下步骤：

步骤1），将金属铝熔化，并在预设的第一温度阈值下保温，所述预设的第一温度阈值大于铝的熔点温度；

步骤2），向铝熔体中加入金属或陶瓷颗粒以增大粘度，持续搅拌使其均匀分散；

步骤3），然后通过旋转喷吹搅拌桨向铝熔体中吹入气体，使得气泡在搅拌作用下被打碎并均匀分散，形成膨胀的铝熔体；

步骤4），将膨胀的铝熔体冷却至预设的第二温度阈值并保温，使得铝熔体逐渐凝固得到具有泡沫结构的闭孔泡沫铝，所述预设的第二温度阈值小于铝的熔点温度；

步骤5），对闭孔泡沫铝进行三轴压缩使其发生塑性变形，产生内凹形的闭孔结构；

步骤6），将三轴压缩后的闭孔泡沫铝冷却至常温，获得具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料。

作为本发明一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法进一步的优化方案，所述预设的第一温度阈值为730摄氏度温度。

作为本发明一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法进一步的优化方案，所述预设的第二温度阈值的范围为500～600摄氏度。

作为本发明一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法进一步的优化方案，步骤2）中所述金属或陶瓷颗粒采用金属Ca颗粒、SiC或A1₂O₃陶瓷颗粒。

作为本发明一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法进一步的优化方案，步骤3）中所吹入的气体为氢气、氧气、二氧化碳、氩气、空气中的任意一种。

作为本发明一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法进一步的优化方案，所述步骤5）中进行三轴压缩时，采用三轴压缩设备对闭孔泡沫铝的三轴同时进行压缩。

作为本发明一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法进一步的优化方案，所述步骤5）中进行三轴压缩的具体步骤如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步骤5.1），在第一法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第一距离阈值；

步骤5.2），在第二法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第二距离阈值；

步骤5.3），在第三法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第三距离阈值；

步骤5.4），重复步骤5.1）至步骤5.3）N次，N为预设的迭代次数阈值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

制成的闭孔泡沫铝材料在变形过程中呈现出负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，提高受载荷区域的密度，能够极大的提高其强度、吸能等力学性能。

附图说明

图1（A）、图1（B）分别是传统闭孔泡沫铝材料、本发明中具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的元胞结构理论示意图；

图2（A）、图2（B）分别传统闭孔泡沫铝材料、本发明中具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料受集中载荷时的变形示意图；

图3是本发明中具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料及其注气发泡制备方法，制备的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料能够产生材料集中的特性，极大的提高其强度、吸能等力学性能等。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

本发明公开了一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料，其内部元胞结构的元胞壁均呈内凹状，从而具备负泊松比特性。

图1（A）展示了传统闭孔泡沫铝材料的元胞结构理论示意图；图1（B）展示了本发明中具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的元胞结构理论示意图，其呈现内凹状。图1（A）和（B）中梁之间的平面也填充着铝材料，泡沫铝元胞的空间是密封的。

图2（A）展示了传统泡沫铝在受到集中载荷时的变形示意图，其材料流动方向为远离载荷方向；图2（B）展示了本发明中具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝在受到集中载荷时的变形示意图，其材料流动方向为靠近载荷方向，因此能够更有效地抵抗冲击。

图3展示了具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法：首先将金属铝熔化，并在铝熔点之上的温度下保温，向铝熔体中加入适量的金属或陶瓷颗粒（Ca、SiC、A1₂O₃等）以增大粘度，持续搅拌使其均匀分散。然后通过旋转喷吹搅拌桨向铝熔体中吹入气体（氢气、氧气、二氧化碳、氩气或者空气等），气泡在搅拌作用下被打碎并均匀分散。连续注入的气体使得铝熔体膨胀，将其在空气中冷却至其熔点之下的温度并保温，逐渐凝固得到具有泡沫结构的闭孔泡沫铝，使用三轴压缩设备对泡沫铝进行三轴压缩使其发生塑性变形，从而产生内凹形的闭孔结构，并冷却至常温，获得具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料。

发泡时保持在730摄氏度温度时，制得的闭孔泡沫铝均匀性最好。

三轴压缩时保持在500～600摄氏度时，制得的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝的负泊松比值最小。

进行三轴压缩时，可以采用三轴压缩设备对闭孔泡沫铝的三轴同时进行压缩，也可以分步进行压缩，具体步骤如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步骤5.1），在第一法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第一距离阈值；

步骤5.2），在第二法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第二距离阈值；

步骤5.3），在第三法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第三距离阈值；

步骤5.4），重复步骤5.1）至步骤5.3）N次，N为预设的迭代次数阈值。

制成的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝在变形过程中呈现出负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，提高受载荷区域的密度，能够极大的提高其强度、吸能等力学性能。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料，其特征在于，所述闭孔泡沫铝材料元胞的元胞壁呈内凹状，使得闭孔泡沫铝材料具备负泊松比特性。

2.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），将金属铝熔化，并在预设的第一温度阈值下保温，所述预设的第一温度阈值大于铝的熔点温度；

步骤2），向铝熔体中加入金属或陶瓷颗粒以增大粘度，持续搅拌使其均匀分散；

步骤3），然后通过旋转喷吹搅拌桨向铝熔体中吹入气体，使得气泡在搅拌作用下被打碎并均匀分散，形成膨胀的铝熔体；

步骤4），将膨胀的铝熔体冷却至预设的第二温度阈值并保温，使得铝熔体逐渐凝固得到具有泡沫结构的闭孔泡沫铝，所述预设的第二温度阈值小于铝的熔点温度；

步骤5），对闭孔泡沫铝进行三轴压缩使其发生塑性变形，产生内凹形的闭孔结构；

步骤6），将三轴压缩后的闭孔泡沫铝冷却至常温，获得具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料。

3.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，所述预设的第一温度阈值为730摄氏度。

4.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，所述预设的第二温度阈值的范围为500～600摄氏度。

5.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，步骤2）中所述金属或陶瓷颗粒采用金属Ca颗粒、SiC或A1₂O₃陶瓷颗粒。

6.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，步骤3）中所吹入的气体为氢气、氧气、二氧化碳、氩气、空气中的任意一种。

7.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，所述步骤5）中进行三轴压缩时，采用三轴压缩设备对闭孔泡沫铝的三轴同时进行压缩。

8.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的闭孔泡沫铝材料的注气发泡制备方法，其特征在于，所述步骤5）中进行三轴压缩的具体步骤如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步骤5.1），在第一法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第一距离阈值；

步骤5.2），在第二法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第二距离阈值；

步骤5.3），在第三法向方向对闭孔泡沫铝压缩预设的第三距离阈值；

步骤5.4），重复步骤5.1）至步骤5.3）N次，N为预设的迭代次数阈值。