CN110252998A - 竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，首先在适当的容器中准备好熔融态的材料，然后将所要制备的不同结构要求的管状材料插入熔融态的材料中；再通过不同的控制手段制备出满足要求的泡沫，使得约束管的内径R与气泡的半径r之比λ的值处于特定值范围，静置待泡沫自行演化成所需的竹节或类竹节状结构；然后通过合适的方法使泡沫凝固即可得到所需的竹节或类竹节复合材料。相比于现有的单一结构的管状材料，本发明所制备的竹节及类竹节复合材料具备更好的力学性能，有更好的隔热、隔音及缓冲性能。

Description

竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是涉及一种具有填充材料结构的管式材料的制备方法，应用于复合材料技术领域。

背景技术

现有管状材料由于其中空状态，力学性能有很强的方向性；并且中间的空心使得空气流通，对热对流和声音的传播都无阻隔作用，大大限制了该种材料的使用范围，现有管状材料通常只具有单一结构的管状材料结构形式，隔热、隔音、缓冲性能和力学性能具有其局限性，影响了其在船舶、汽车、建筑、仿生材料等领域的广泛应用。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，通过在管状材料中吹入竹节或类竹节状泡沫填充后，能极大改善管状材料垂直轴向方向的性能，同时轴向上的抗拉压、抗弯性能也有显著增强。本发明填充的泡沫以其膜薄、液相分数低、消耗材料少等优点，有望成为船舶、汽车、建筑、仿生材料等领域不可或缺的材料之一。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a.将填充材料熔化或溶解，形成熔融态或者液态的材料，作为填充材料的初始形态，将材料液体装入容器，形成材料液体池，备用；

b.将管状材料的一端浸入到在所述步骤a中准备的材料液体池中，使材料液体进入管状材料内腔中；其中填充材料的熔点低于管状材料的熔点；管状材料优选采用金属、塑料、复合材料中的至少一种材料制成；优选管状材料的形状为圆管、方管或异形管形式，进一步优选管状材料的异形管形式包括在管状材料的不同段的尺寸和形状不同的管状结构；

c.以在所述步骤b中采用的管状材料为材料尺寸约束件，使材料液体池中的材料液体生成材料泡沫，并将泡沫输送到管状材料内腔中，静置待材料液体形成的泡沫在管状材料内腔中自行演化形成所需的竹节或类竹节状结构液膜；优选材料液体的液膜与管状材料内壁形成复合连接结构；作为本发明优选的技术方案，控制气泡生成的方法为：利用向材料液体池中通入气体进行发泡，根据气体流量计采集的气流信息，控制向材料液体池中通入气体的气体流速和吹气孔的尺寸大小，或采用向材料液体池添加发泡剂或者稳定剂调控发泡工艺过程；采用发泡剂发泡时通过对发泡剂的表面性质处理控制发泡过程；管状材料中的填充材料结构优选采用同一种单分散泡沫结构或者至少两种单分散结构的复合结构；

d.采用材料液体凝固工艺，使在所述步骤c中制备的液膜保持泡沫形状进行凝固，以管状材料为外部约束管部分，以凝固的泡沫形成填充材料，在管状材料中形成所需的竹节或类竹节状有序排列的立体填充材料复合结构，从而得到整体具有竹节或类竹节形式的轻质复合材料。作为本发明优选的技术方案，控制填充材料泡沫凝固的方法为：通过降温、光照和声波振动方法中的至少一种方法。在管状材料内腔中竹节或类竹节状排列的立体填充材料优选形成隔热结构、隔音结构或者受力缓冲结构。

作为本发明优选的技术方案，充满于管状材料内腔中的气泡的气泡等效直径与管状材料的内腔直径或其他特征尺寸的比值λ，λ不大于10.0；进一步优选λ取值处于区间[0.44,1.98]。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.相比于现有的管状材料和无序泡沫材料，本发明方法通过管式约束吹制单分散泡沫形成的竹节或类竹节材料有提高了现有材料各方向上的力学性能，同时使材料的隔热、隔音性能大幅提高；

2.本发明方法通过在管状材料中吹入竹节或类竹节状泡沫填充后能极大改善管状材料垂直轴向方向的性能，同时轴向上的抗拉压、抗弯性能也有显著增强；填充的泡沫以其膜薄、液相分数低、消耗材料少，能得到轻质高强度材料；

3.本发明方法工艺简单，控制和操作便捷，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例一竹节及类竹节复合材料制备方法的示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，准备两种熔点不同的材料，采用不锈钢A制作圆管形的管状材料，将熔点较高的不锈钢管A作为圆管约束，将熔点较低的铝合金B制备填充材料，包括如下步骤：

a.将铝合金B加热至680℃熔化，形成熔融铝液，作为填充材料的初始形态，将铝液装入容器，形成铝液熔池，按照添加的助剂质量和熔池总质量的比作为质量分数，向铝液熔池中加入质量分数为1.0wt％的Ca进行增粘，再加入质量分数为2.0wt％的粒径为10μm的SiO₂颗粒作为稳定剂，形成铝合金熔体，备用；

b.将不锈钢A的管状材料的一端浸入到在所述步骤a中准备的铝合金熔体中，使铝合金熔体进入管状材料内腔中；

c.以在所述步骤b中采用的管状材料为材料尺寸约束件，使用转速1500r/min的搅拌器搅拌铝合金熔体5min，通过PC控制气体流量计调节气体流速，使材料液体池中的铝合金熔体生成泡沫，并将泡沫输送到管状材料内腔中，静置待材料液体形成的泡沫在管状材料内腔中自行演化形成所需的竹节或类竹节状结构液膜；铝合金熔体的液膜与不锈钢A的管状材料内壁形成复合连接结构；

d.通过PC控制气体流量计调节气体流速，使得作为约束的不锈钢A的圆管材料半径R与铝合金熔体B的气泡的半径r之比λ的值分别处于区间[0.44,1.25]、[1.05,1.53]、[1.10,1.24]、

[1.25,1.98]时，皆以20℃/min的速率进行降温，凝固后即分别对应不同λ的值区间得到图1中所示的a、b、c、d对应结构的复合材料，其中图1中a为竹节形式的轻质复合材料管状材料成品件，λ的值处于区间[0.44,1.25]时，气泡形成同一种单分散泡沫结构；其中图1中b为类竹节形式的轻质复合材料管状材料成品件，λ的值处于区间[1.05,1.53]时，气泡形成同一种单分散泡沫结构，从管状内壁相向生成的气泡相互叠合。其中图1中c为类竹节形式的轻质复合材料管状材料成品件，λ的值处于区间[1.10,1.24]时，气泡形成同一种单分散泡沫结构，从管状内壁相向生成的气泡相互交错叠合，且形成周期排列结构，在同一周期中，存在从管状内壁相向生成的气泡相互对接结合单元和管状内壁之间形成单体气泡单元两部分。其中图1中d为类竹节形式的轻质复合材料管状材料成品件，λ的值处于区间[1.25,1.98]时，形成两种单分散结构的复合结构，从管状内壁相向生成的两个气泡之间通过中间气泡连接，且形成周期排列结构。

本实施例采用材料液体凝固工艺，使在所述步骤c中制备的液膜保持泡沫形状进行凝固，以管状材料为外部约束管部分，以凝固的泡沫形成填充材料，在管状材料中形成所需的竹节或类竹节状有序排列的立体填充材料复合结构，从而得到整体具有竹节或类竹节形式的轻质复合材料。在管状材料内腔中竹节或类竹节状排列的立体填充材料优选形成隔热结构、隔音结构或者受力缓冲结构。

本实施例竹节及类竹节材料的制备方法，适当的容器中准备好熔融态的铝合金材料，将所要制备的不锈钢管状材料插入熔融态的铝合金材料中；然后制备出满足要求的铝合金熔体泡沫，使得约束管的内径R与气泡的等效半径r之比λ的值处于特定值范围，静置待泡沫自行演化成所需的竹节或类竹节状结构；然后通过合适的方法使泡沫凝固即可得到所需的竹节或类竹节复合材料。本实施例在不锈钢管状材料中吹入竹节或类竹节状铝合金泡沫填充后能极大改善管状材料垂直轴向方向的性能，同时轴向上的抗拉压、抗弯性能也有显著增强。相比于现有的单一结构的管状材料，本实施例所制备的竹节及类竹节复合材料具备更好的力学性能，有更好的隔热、隔音及缓冲性能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在控制气泡生成时，利用向铝合金熔体中通入气体进行发泡，根据气体流量计采集的气流信息，控制向材料液体池中通入气体的气体流速和吹气孔的尺寸大小；或采用向材料液体池添加发泡剂或者稳定剂调控发泡工艺过程；并通过对发泡剂的表面性质处理控制发泡过程；管状材料中的填充材料结构优选采用同一种单分散泡沫结构或者至少两种单分散结构的复合结构。相比于现有的管状材料和无序泡沫材料，本实施例通过管式约束吹制单分散海角泡沫形成的竹节或类竹节材料有提高了现有材料各方向上的力学性能，同时使材料的隔热、隔音性能大幅提高。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，控制填充材料泡沫凝固的方法为：通过降温、光照和声波振动方法中的至少一种方法，以管状材料为外部约束管部分，以凝固的泡沫形成填充材料，在管状材料中形成所需的竹节或类竹节状有序排列的立体填充材料复合结构，从而得到整体具有竹节或类竹节形式的轻质复合材料。本实施例控制气泡单分散的手段包括但不限于控制气体流量计中的气体流速和吹气孔的尺寸大小，或采用发泡剂发泡时通过对发泡剂的表面性质处理控制发泡过程，使λ值满足要求。相比于现有的管状材料和无序泡沫材料，本实施例通过管式约束吹制单分散海角泡沫形成的竹节或类竹节材料有提高了现有材料各方向上的力学性能，同时使材料的隔热、隔音性能大幅提高。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将填充材料熔化或溶解，形成熔融态或者液态的材料，作为填充材料的初始形态，将材料液体装入容器，形成材料液体池，备用；

b.将管状材料的一端浸入到在所述步骤a中准备的材料液体池中，使材料液体进入管状材料内腔中；其中填充材料的熔点低于管状材料的熔点；

c.以在所述步骤b中采用的管状材料为材料尺寸约束件，使材料液体池中的材料液体生成材料泡沫，并将泡沫输送到管状材料内腔中，静置待材料液体形成的泡沫在管状材料内腔中自行演化形成所需的竹节或类竹节状结构液膜；

d.采用材料液体凝固工艺，使在所述步骤c中制备的液膜保持泡沫形状进行凝固，以管状材料为外部约束管部分，以凝固的泡沫形成填充材料，在管状材料中形成所需的竹节或类竹节状有序排列的立体填充材料复合结构，从而得到整体具有竹节或类竹节形式的轻质复合材料。

2.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤b中，管状材料采用金属、塑料、复合材料中的至少一种材料制成。

3.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤b中，管状材料的形状为圆管、方管或异形管形式，所述异形管形式包括在管状材料的不同段的尺寸和形状不同的管状结构。

4.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤c中，材料液体的液膜与管状材料内壁形成复合连接结构。

5.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤c中，控制气泡生成的方法为：利用向材料液体池中通入气体进行发泡，根据气体流量计采集的气流信息，控制向材料液体池中通入气体的气体流速和吹气孔的尺寸大小，或采用向材料液体池添加发泡剂或者稳定剂调控发泡工艺过程。

6.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤c中，管状材料中的填充材料结构是同一种单分散泡沫结构或者至少两种单分散结构的复合结构。

7.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤d中，控制填充材料泡沫凝固的方法为：通过降温、光照和声波振动方法中的至少一种方法。

8.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤d中，在管状材料内腔中竹节或类竹节状排列的立体填充材料形成隔热结构、隔音结构或者受力缓冲结构。

9.根据权利要求1所述竹节或类竹节形式的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤c中，充满于管状材料内腔中的气泡的等效直径与管状材料的内腔直径或其他特征尺寸的比值λ，λ不大于10.0。