CN111088443B - 一种铜基复合泡沫材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜基复合泡沫材料。该铜基复合泡沫材料是依靠加热熔化的液态铜或铜合金自身的重力作用经一定时间渗透进入紧密堆积的Al2O3空心微珠间的缝隙中凝固而获得。具体技术方法是：先将Al2O3空心微珠填料装入模具中，使其紧密堆积，然后在Al2O3空心微珠上部放上铜合金棒，一起放入加热炉中加热到指定温度，铜合金熔化后加入覆盖剂，经一定时间后取出冷却、脱模，最后获得铜基复合泡沫。本发明制备的铜基复合泡沫密度为3.5‑3.9g/cm3，比重不到铜合金的一半。此外，该铜基复合泡沫材料抗压强度为99.6MPa，平均平台应力达到97.8MPa，吸能能力达到76.6MJ/m3，比吸能达到20.2kJ/kg，是一种良好的吸能缓冲、防撞减振、吸声降噪、抗冲击防护材料。

Description

一种铜基复合泡沫材料
技术领域
本发明涉及泡沫金属领域，用于开发缓冲吸能、吸声降噪、抗冲击防护的金属基复合泡沫材料，具体涉及一种铜基复合泡沫材料。
背景技术
空心微珠的出现大大促进了金属泡沫材料的发展。1953年，美国Standard Oil公司的Franklin申请了第一项涉及空心微珠的专利。随后，Mclaughlin研究出了使用玻璃制造单孔空心微珠颗粒的工艺。60年代初，美国Emerson and Cuming公司和美国3M公司相继开发了环氧空心球、玻璃空心微珠。1962年，美国海军应用科学实验室制定了开发固体浮力材料的计划，大大促进了复合泡沫材料研究的发展，并于1965年在第二届美国海军军事海洋学研讨会上公开提出了“复合泡沫(syntactic foam)”一词，自此，将空心微珠引入固体材料制成轻质复合泡沫材料的研究工作开始起步。后来，随着粉煤灰空心微珠可以在燃煤电厂排出的主要固体废物中大批量获得，致使空心微珠颗粒的价格大大降低，使得复合泡沫的研究和应用得到了极大的发展。
金属基复合泡沫材料具有传统泡沫金属的各种特性，如多孔、轻质、吸声隔音、高比强度、吸收冲击能及电磁屏蔽等，在汽车、航空航天及船舶等领域具有广阔的应用前景。目前主要应用有豪华汽车的保险杠、前后纵梁、支柱等部件；高铁动车厢体；航天飞船的着陆吸能抗振装置；空军空投减振装置；深海潜艇吸声降噪壳体；军用车辆的防爆减振装置等。人类使用铜及其合金已有数千年的历史，铜合金具有优异的性能，如极佳的导电、导热性，良好的塑性，较高的耐腐蚀性等，从而被广泛地应用于电子产品、轻工、机械、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。但由于铜的比重较大(纯铜的密度为8.96g/cm3)，因此在许多领域限制了铜合金的应用，所以开发新型轻质的铜基复合泡沫材料是扩展铜合金应用领域的新途径。
发明内容
本发明目的是提出一种铜基复合泡沫材料。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种铜基复合泡沫材料，加热使铜合金熔化，依靠液态铜合金的重力产生的压强，在一定的时间内，渗透填充入空心微珠间的缝隙中。
所述铜基复合泡沫材料的基体铜合金为铸造铝黄铜；空心微珠材料为Al2O3空心微珠，粒径为0.5-1mm。
按照上述所说，具体制备过程为：将Al2O3空心微珠填充到模具中，填充高度70-100mm；将模具放进电阻炉中，设定温度并保温一段时间；将铜合金放置到模具中的Al2O3空心微珠上方，设定温度为960-1100℃，待铜合金熔化后加入覆盖剂；根据渗透时间的不同，铜合金液渗入进Al2O3空心微珠之间的缝隙中；取出模具，在大气中冷却，脱模。
按照上述方案，Al2O3空心微珠均匀分布在铜合金中，形成闭孔结构的铜基复合泡沫材料。
按照上述方案，铜基复合泡沫材料密度降低为3.5-3.9g/cm3，比重比原基体合金降低55.4％-57.8％。
本发明的有益效果
本发明制备铜基复合泡沫的方法简单，设备要求较低，制备速度较快。
本发明制备的铜基复合泡沫材料大大降低了铜的比重，密度为3.5-3.9g/cm3，比重不到铜合金的一半。
本发明制备的铜基复合泡沫材料准静态压缩吸能能力最高达到76.6MJ/m3，比吸能达到20.2kJ/kg，平均平台应力达到97.8MPa，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许多泡沫金属材料，如发泡法制备的泡沫铝。
附图说明
图1是本发明的一种铜基复合泡沫材料的宏观形貌图。
图2是本发明的一种铜基复合泡沫材料内部截面图。其中1-铜合金，2-Al2O3空心微珠。
图3是实施例1、2、3在渗透时间为30min，45min，60min下铜基复合泡沫的准静态压缩曲线。
图4是实施例1、2、3在渗透时间为30min，45min，60min下铜基复合泡沫的吸能能力曲线。
具体实施方式
以下用实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1，选择铜合金成分为：37.68wt％Zn，3.49wt％Pb，2wt％Al，余量Cu；直径为0.5-1mm的Al2O3空心微珠作为填充材料。具体制备过程为：
将Al2O3空心微珠填充到内径约为22mm，高为250mm的刚玉模具中，填充高度70mm；将刚玉模具放进电阻炉中，设定温度为700℃，并保温一段时间；将铜合金放置到刚玉模具中的Al2O3空心微珠上方，设定温度为1000℃，待铜合金熔化后加入覆盖剂(RJ-2熔剂)；渗透时间为30min，铜合金液渗入Al2O3空心微珠之间的缝隙中；取出模具，冷却，脱模。
按照上述方案，Al2O3空心微珠均匀分布在铜合金中，形成闭孔结构的铜基复合泡沫材料。
按照上述方案，铜基复合泡沫材料密度降低为3.8g/cm3，吸能能力达到76.6MJ/m3，比吸能达到20.2kJ/kg，平均平台应力达到97.8MPa，具有很优异的吸能特性。
实施例2，选择铜合金成分为：37.68wt％Zn，3.49wt％Pb，2wt％Al，余量Cu；直径为0.5-1mm的Al2O3空心微珠作为填充材料。具体制备过程为：
将Al2O3空心微珠填充到内径约为22mm，高为250mm的刚玉模具中，填充高度70mm；将刚玉模具放进电阻炉中，设定温度为700℃，并保温一段时间；将铜合金放置到刚玉模具中的Al2O3空心微珠上方，设定温度为1000℃，待铜合金熔化后加入覆盖剂(RJ-2熔剂)；渗透时间为45min，铜合金液渗入Al2O3空心微珠之间的缝隙中；取出模具，冷却，脱模。
按照上述方案，Al2O3空心微珠均匀分布在铜合金中，形成闭孔结构的铜基复合泡沫材料。
按照上述方案，铜基复合泡沫材料密度降低为3.6g/cm3，吸能能力达到62.6MJ/m3，比吸能达到17.4kJ/kg，平均平台应力达到85.9MPa，具有很优异的吸能特性。
实施例3，选择铜合金成分为：37.68wt％Zn，3.49wt％Pb，2wt％Al，余量Cu；直径为0.5-1mm的Al2O3空心微珠作为填充材料。具体制备过程为：
将Al2O3空心微珠填充到内径约为22mm，高为250mm的刚玉模具中，填充高度70mm；将刚玉模具放进电阻炉中，设定温度为700℃，并保温一段时间；将铜合金放置到刚玉模具中的Al2O3空心微珠上方，设定温度为1000℃，待铜合金熔化后加入覆盖剂(RJ-2熔剂)；渗透时间为60min，铜合金液渗入Al2O3空心微珠之间的缝隙中；取出模具，冷却，脱模。
按照上述方案，Al2O3空心微珠均匀分布在铜合金中，形成闭孔结构的铜基复合泡沫材料。
按照上述方案，铜基复合泡沫材料密度降低为3.9g/cm3，吸能能力达到66.5MJ/m3，比吸能达到17.1kJ/kg，平均平台应力达到94.7MPa，具有很优异的吸能特性。
上述实施例1、2、3仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种铜基复合泡沫材料，主要是通过熔融状态的铜合金液渗透进入紧密堆积的Al2O3空心微珠间的缝隙中制备而成的；
所述的铜合金为铸造铝黄铜，Al2O3空心微珠粒径为0.5-1mm，在模具中堆积高度为70-100mm；
铜合金在模具中产生的金属液静压强为6.2kPa；
具体制备过程为：将Al2O3空心微珠填充到模具中，填充高度70-100mm；将模具放进电阻炉中，设定温度并保温一段时间；将铜合金放置到模具中的Al2O3空心微珠上方，设定温度为960-1100℃，待铜合金熔化后加入覆盖剂；根据渗透时间的不同，铜合金液渗入进Al2O3空心微珠之间的缝隙中；取出模具，在大气中冷却，脱模；
所述铜基复合泡沫材料的密度降低为3.5-3.9g/cm3 ，比重比铜合金减轻超过一半；准静态压缩时，平均平台应力为85-100MPa，吸能能力为60-80MJ/m3 ，比吸能为15-25kJ/kg。
2.如权利要求1所述的铜基复合泡沫材料，其特征在于，渗透时间为30-70min。
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