CN110218893A - 重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用重力渗透技术制备铝基复合泡沫材料的方法。该铝基复合泡沫材料是利用液态铝或铝合金自身的重力压强作用，渗透进入密集紧凑堆积在陶瓷管中的氧化铝空心微珠间的间隙而制得的。技术方法：氧化铝空心微珠填料紧凑堆积；预热；铝合金熔化；渗透；固化。本发明制备的铝基复合泡沫材料抗压强度为63.2MPa，平均平台应力达到80.9MPa，吸能能力达到43.1MJ/m3，比吸能达到24.2kJ/kg(准静态下)，这种复合泡沫材料的压缩强度、吸能能力及比吸能均远超过了传统发泡法制备的泡沫铝材料，所以用于开发冲击防护、减振缓冲及防爆抗振的吸能材料极具应用前景。

Description

重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料
技术领域
本发明涉及泡沫金属领域，用于开发冲击防护、减振缓冲及防爆抗振的吸能金属基复合泡沫材料制备技术，具体涉及利用重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料。
背景技术
金属泡沫材料从泡沫铝的研究开始，已经有了60多年的研究历史。70年代后，随着陶瓷、玻璃及其他空心微球生产技术和规模的不断发展，在各种基体材料中添加空心微珠制备成复合泡沫材料的研究和应用也越来越受重视。与传统发泡法制备的泡沫金属相比，金属基复合泡沫材料突出优点是具有更高的吸能能力；可以自定义复合材料的密度；还具有更均匀的内部孔隙尺寸；另外，复合泡沫材料的尺寸稳定性和机加工性能也较好。因此，金属基复合泡沫材料在近二十年来引起了国内外学者的广泛研究和关注。
目前，镁、铝、钢、钛基复合泡沫材料得到了广泛的研究与关注。如最近美国纽约大学Nikhil Gupta教授等人开发出一种新的能浮在水上的轻质镁基复合泡沫材料，这种材料轻质耐热，有利于减少燃料的使用，有潜力用于打造永不沉没的船或车辆。该复合泡沫材料采用高强碳化硅空心颗粒增强镁合金基体，既有泡沫的超轻特性，又具有较佳的强度，密度仅为0.92g/cm3，低于水的1g/cm3，强度也足以应对苛刻的海洋环境。这种新型金属复合泡沫材料的轻量化和高浮力将使很多水陆两栖的车辆受益，例如美国海军陆战队研发的超重型两栖登陆艇。该复合材料内部的轻质高强的碳化硅空心球体使组织呈泡沫状结构，单个球体的壳体在破碎前能够承受超过1723MPa的压力，由于每个壳体在断裂时类似于能量吸收体，因而该复合泡沫材料是优异的冲击吸能防护材料。金属基复合泡沫材料具有传统泡沫金属的各种特性，如轻质、高比强度；作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、吸波及电磁屏蔽等多种物理性能，在吸能缓冲、防撞减振及防爆抗振的汽车、航空航天、军事装备及舰船等领域得到越来越广泛的应用。
发明内容
本发明目的是提出不同的渗透时间下，利用重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
利用重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料，包括以下步骤：
1)填料：将空心微珠填充到一端封头的陶瓷管中，使其紧凑堆积，填充高度为6-10cm。
2)预热：将填充了空心微珠的陶瓷管放进立式坩埚电阻炉中，设定温度为400-600℃，并保温约1h。
3)熔化：在预热结束后，将铝合金圆锭放在到陶瓷管中的空心微珠上方，设定立式坩埚电阻炉温度为680-850℃，待铝合金熔融成铝合金液后加入覆盖剂。
4)渗透：根据渗透时间的不同，利用自身重力使铝合金液渗透进入紧凑堆积的空心微珠之间的间隙中。
5)固化：渗透结束后，从立式坩埚电阻炉中取出陶瓷管，置于空气中，待液态金属完全凝固后，脱模即得到铝基复合泡沫材料。
所述的空心微珠为氧化铝，粒径为0.5-3mm，空心微珠在刚玉管中填充高度为6-10cm；当空心微珠粒径＜0.5mm时，铝合金液不能渗透进紧凑堆积的空心微珠之间的间隙中。
所述的陶瓷管为刚玉管，直径为20-25mm，高度为25cm。
所述的步骤4)中渗透时间分为30-40min，40-50min，50-60min，60-70min。
所述的铝合金液在刚玉管中的高度≥8cm，产生的金属液压强≥2.1kPa；当铝合金液在刚玉管中的高度＜8cm时，产生的金属液压强不足以使铝合金液渗透进紧凑堆积的空心微珠之间的间隙中。
所述的覆盖剂为NaCl与KCl按1:1配制。
本发明有益效果在于：
本发明的重力渗透技术制备的铝基复合泡沫材料结构更加稳定，孔隙率也较大，具备更高的吸能能力与比吸能，相对于搅拌铸造、挤压铸造及高压渗透铸造制备的金属基复合材料的方法来说，工艺简单，设备要求低，技术难度低，成本低廉。而且本发明不仅仅适用于铝基体，还可适用于其他金属基体(如锌，镁等)复合泡沫的制备。
本发明制备的铝基复合泡沫材料准静态压缩下最高吸能能力达到43.1MJ/m3，比吸能达到24.2kJ/kg，平均平台应力达到80.9MPa，这种复合泡沫材料的压缩强度、吸能能力及比吸能均远远超过了传统发泡法制备的泡沫金属材料。目前可应用的领域主要有，工业大型高速运转机器的底座吸能减振材料；豪华汽车的保险杠、前后纵梁、支柱等部件；航天飞船的着陆吸能抗振装置；深海舰艇触礁防撞吸能装置；军用车辆防爆减振的吸能装置等。
附图说明
图1是本发明利用重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料的步骤流程图。其中1-立式坩埚电阻炉，2-铝合金基体棒，3-刚玉管，4-氧化铝空心微珠，5-熔融液态铝合金。
图2是实施例1、2、3、4利用重力渗透技术在渗透时间为30-40min，40-50min，50-60min，60-70min下制备的铝基复合泡沫应力应变曲线。
图3是实施例1、2、3、4利用重力渗透技术在渗透时间为30-40min，40-50min，50-60min，60-70min下制备的铝基复合泡沫吸能能力曲线。
图4是不同渗透时间下利用重力渗透技术制备的铝基复合泡沫的宏观形貌。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1，选择6061铝合金与1-2mm的氧化铝空心微珠作为实验原材料，选择刚玉管为陶瓷管。参照图1的工艺流程，重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料，包括以下步骤：
1)填料：将粒径为1-2mm的氧化铝空心微珠填充到一端闭合的刚玉管中，使其紧凑堆积，填充高度为5-6cm。
2)预热：将填充了粒径为1-2mm的氧化铝空心微珠的刚玉管放进立式坩埚电阻炉中，设定温度为500℃，并保温1h。
3)熔化：在预热结束后，将6061铝合金棒加入到刚玉管中，设定坩埚电阻炉温度为770℃，待铝合金熔融后(铝合金液在刚玉管中的高度约为15cm，产生的金属液压强约为3.9kPa，加入覆盖剂，保温。
4)渗透：渗透时间为30min，利用重力使熔融液态金属渗透进紧凑堆积空心微珠之间的间隙中。
5)固化：渗透结束后，从井式熔炼炉中取出刚玉管，置于空气中，待液态金属完全凝固后，冷却脱模制备得到铝基复合泡沫材料。最终制备的铝基复合泡沫的吸能能力达到43.1MJ/m3，比吸能达到24.2kJ/kg，平均平台应力达到80.9MPa，具有很优异的吸能特性。
实施例2，除在步骤4)中选择的渗透时间为40min，其它所有步骤及工艺参数同实施例1相同。
最终获得的铝基复合泡沫的吸能能力达到41.0MJ/m3，比吸能达到23.6kJ/kg，平均平台应力达到74.6MPa。
实施例3，除在步骤4)中选择的渗透时间为50min，其它所有步骤及工艺参数同实施例1相同。
最终获得的铝基复合泡沫的吸能能力达到39.4MJ/m3，比吸能达到23.4kJ/kg，平均平台应力达到76.0MPa。
实施例4，除在步骤4)中选择的渗透时间为60min，其它所有步骤及工艺参数同实施例1相同。
最终获得的铝基复合泡沫的吸能能力达到42.0MJ/m3，比吸能达到23.6kJ/kg，平均平台应力达到80.6MPa。由实施例1、2、3、4可以得出图2所示的不同渗透时间下铝基复合泡沫应力应变曲线以及图3所示的不同渗透时间下铝基复合泡沫吸能能力曲线。曲线说明重力渗透技术制备的铝基复合泡沫材料具有较高的压缩强度、吸能能力及比吸能，用于开发冲击防护、减振缓冲及防爆吸振的吸能材料极具诱惑力。
上述实施例1、2、3、4对本发明的方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.利用重力渗透技术制备一种铝基复合泡沫材料，其特征在于，利用熔融状态的铝合金液自身产生的重力压强作用，渗透入在陶瓷管中紧凑堆积的氧化铝空心微珠间的间隙中。
2.如权利1所述的铝基复合泡沫材料，其特征在于，所述的陶瓷管为刚玉管。
3.如权利1所述的铝基复合泡沫材料，其特征在于，所述的铝基体为铝或铝合金。
4.一种铝基复合泡沫材料的重力渗透方法，包括以下步骤：
1)填料：将空心微珠填充到一端封头的氧化铝陶瓷管中，填充高度为6-10cm，使其紧密堆积。
2)预热：将填充了空心微珠的陶瓷管竖直放进立式坩埚电阻炉中，并固定好陶瓷管，设定温度为400-600℃，并保温约1h。
3)熔化：在预热结束后，将圆柱形铝合金锭放到陶瓷管中的空心微珠上方，设定立式坩埚电阻炉温度为680-850℃，待铝合金熔融后加入覆盖剂。
4)渗透：根据渗透时间的不同，利用铝合金液自身重力压强作用使铝合金液渗透进紧凑堆积的空心微珠之间的间隙中。
5)固化：渗透时间结束后，从立式坩埚电阻炉中取出陶瓷管，置于空气中，待铝合金液完全凝固后，脱模即可得到铝基复合泡沫材料。
5.如权利4所述的重力渗透方法制备铝基复合泡沫材料，其特征在于，刚玉管直径为20-25mm，高度为25cm，氧化铝空心微珠的粒径为0.5-3mm，氧化铝空心微珠在刚玉管中填充高度为6-10cm。
6.如权利4所述的重力渗透方法制备铝基复合泡沫材料，其特征在于，铝合金的熔融渗透温度在680-850℃之间，铝合金液在刚玉管中的高度≥8cm，产生的金属液压强≥2.1kPa。
7.如权利4所述的重力渗透方法制备铝基复合泡沫材料，其特征在于，覆盖剂为NaCl与KCl按1:1配制。
8.如权利4所述的重力渗透方法制备铝基复合泡沫材料，其特征在于，渗透时间分为30-40min，40-50min，50-60min，60-70min。
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