CN111101012B - 一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属梯度泡沫材料制备技术领域，为解决目前梯度泡沫材料的工艺复杂、成本高、孔径尺寸及梯度难控制的问题，提供一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法。发泡剂与增粘剂、金属材料颗粒经球磨混匀置于作为转子的可密封坩埚中，外部作定子的可拆卸式电磁感应装置加热，生成包含规则孔径泡孔的液态基体材料；转子沿转轴旋转使熔融金属中产生沿径向分布的压力，泡孔在压力作用下被压缩和发生可控运动，至其内部压力与熔融液体中的压力平衡，自然冷却得闭孔梯度泡沫材料。制备方法简单，对各种造孔方法友好；调控方法简单，通过调节转子的转速即可实现径向泡沫梯度的调控；所得梯度泡沫材料有更好的机械稳定性，在冲击防护、防火等有广泛的应用前景。

Description

一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法
技术领域
本发明属于梯度泡沫材料制备技术领域，具体涉及一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法。
背景技术
由于具有金属固有的导电性、延展性，又兼备多孔材料的特性，如密度小、比表面积大、能量吸收性能好、耐热耐火等，因而泡沫金属在过去的几十年成为国际材料科学界的一个热门研究课题。其应用范围也逐渐扩大，可应用于气液分离与过滤、防火隔热、电极基体、吸能材料、吸声降噪、电磁屏蔽等方面。
梯度泡沫材料是指沿材料的某一方向内部泡沫的孔径随某一梯度而变化，材料相关性质也随梯度变化。梯度泡沫材料在吸能方面优于传统的均匀密度的泡沫金属材料，因而在冲击防护领域引起了广泛的关注。
泡沫材料的制备方法包括烧结法、粘结法、渗流铸造法、沉积法等。在此基础上通过改变冷却速度、压力梯度、控制发泡剂用量等方法来制作梯度泡沫材料。本发明专利提出了一种更为简便易行的方法。
发明内容
本发明提供了一种闭孔梯度泡沫金属材料的制备方法。该制备方法简便易行、梯度可控。
本发明由如下技术方案实现：一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法，发泡剂与增粘剂、金属材料颗粒经球磨方式混合均匀后置于作为转子的可密封坩埚中，经外部作为定子的可拆卸式电磁感应装置加热，生成包含规则孔径泡孔的液态基体材料；转子沿转轴旋转使熔融金属中产生沿径向分布的压力，泡孔在压力的作用下将逐渐被压缩，直至其内部压力与熔融液体中的压力平衡，自然冷却得到闭孔梯度泡沫材料。
具体方法为：
（1）室温下，将重量百分比为0.5%-15%的发泡剂、3%-10%的增粘剂与75%-96.5%的金属颗粒加入混合球磨机中进行球磨，控制球磨时间为2-30小时，球磨转速为200-500rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂附着于金属颗粒表面，金属颗粒为Al、Mg、Cu、Fe、Ni或其合金；
（2）将混合均匀的混合物倒入转子坩埚炉体中，加盖密封，开启作为定子的电磁感应装置，根据金属材质和质量选择加热功率至金属熔融及发泡剂分解产生气体；随后以100~1000rpm的转速旋转坩埚；
（3）维持感应加热与坩埚转速不变10 min - 2 h，使泡孔稳定，随后关闭并撤离感应加热装置，维持转速不变直至转子内的金属自然冷却至100℃以下，停止转动，自然冷却后得到孔径沿径向分布的闭孔梯度泡沫材料。
通常而言，制备泡沫材料的方法包括烧结法、粘结法、铸造法及沉积法等，以上技术方案中选择了采取球磨的方法混合发泡剂与金属颗粒基底材料，但上述选择并不意味着对本发明进行限制，凡是能够充分均匀混合发泡剂与金属颗粒基底材料的方法都适用于本发明。
通常而言，制备泡沫材料有多种加热方法，以上技术方案中，采用电磁感应的方式加热坩埚中的金属基底材料与发泡剂；但上述选择并不意味着对本发明进行限制，凡是能够加热坩埚中的金属复合物至熔融态的加热方法皆适用于本发明。
上述发泡剂可选取碳酸镁、碳酸钙、氢化钛、白云石 (CaMg(CO3)2)、氢化锆或它们的混合物。
通过在100 - 1000 rpm的范围内调控转子坩埚的转速生成一定梯度的孔径在100μm - 8 mm的金属泡沫。
转子旋转时，根据流体力学原理，感应炉径向的压力分布为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为孔内压强，
Figure 1
为金属溶液密度，ω为转速，γ为金属溶液中某点距转轴的距离。沿径向压力将逐渐增大，在压力作用下泡孔直径将减小，直至其内部压力与流体压力达到平衡；同时通过调节增粘剂含量控制粘度，进一步控制泡孔在压力作用下沿径向的运动，得到沿径向梯度分布的泡孔；自然冷却后得到成型的梯度泡沫材料。本发明获得的金属梯度材料具有更好的一体化结构与力学性能，并可以调节转速得到所需的泡沫孔径梯度。
作为转子的坩锅的转速为调控项，可根据所需的泡孔大小、泡孔分布梯度设定适合的转速。其原理在于旋转时转子中沿径向的压力逐渐增大，在压力作用下泡孔直径减小，直至其内部压力与流体压力达到平衡；同时增粘剂产生的高粘度控制了泡孔在压力作用下沿径向的运动。由此得到沿径向梯度分布的泡孔；自然冷却后得到成型的梯度泡沫材料。
与现有技术相比：本发明制备方法简单，主要设备是内部作为转子的可密封坩埚与外部装备了加热装置的定子；对各种造孔方法友好；调控方法简单，通过调节转子的转速即可实现径向泡沫梯度的调控；与其他梯度泡沫材料的制备方法相比，本发明所述方法更简单，所制备的梯度泡沫材料具有更好的机械稳定性，在冲击吸能、绝热防护、吸音降噪等领域具有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。
实施例1：制备泡沫铝的方法如下：
（1）室温下，将重量百分比为5%的碳酸钙颗粒、5%的钙颗粒与90%的铝金属颗粒加入混合球磨机中进行球磨，控制球磨时间为5小时，球磨转速为300 rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂与增粘剂附着于金属铝颗粒表面；
（2）将混合均匀的混合颗粒倒入转子坩埚炉体中，加盖密封，开启作为定子的电磁感应装置，升温至复合颗粒熔融。随后以200 rpm的转速旋转坩埚。
（3）维持感应加热与坩埚转速不变20 min，使泡孔稳定，随后关闭并撤离感应加热装置，维持转速不变直至转子内的金属自然冷却至100℃以下，停止转动，自然冷却后得到孔径沿径向分布的闭孔梯度泡沫铝,其内侧孔隙率约90%，外侧孔隙度约70%。
其中孔隙都为泡沫金属中孔洞体积与泡沫金属制品表观体积之比，即孔隙度=孔洞体积/泡沫金属制品表观体积。
实施例2：制备泡沫铝合金的方法如下：
（1）室温下，将重量百分比为8%的碳酸镁颗粒、5%的钙颗粒与87%的铝合金颗粒加入混合球磨机中进行球磨，控制球磨时间为2小时，球磨转速为500 rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂与增粘剂附着于铝合金颗粒表面；
（2）将混合均匀的复合颗粒倒入转子坩埚炉体中，加盖密封，开启作为定子的电磁感应装置，升温至金属熔融。随后以600 rpm的转速旋转坩埚。
（3）维持感应加热与坩埚转速不变15 min，使泡孔稳定，随后关闭并撤离感应加热装置，维持转速不变直至转子内的金属自然冷却至100℃以下，停止转动，自然冷却后得到孔径沿径向分布的闭孔梯度泡沫铝合金,其内侧孔隙率约95%，外侧孔隙度约75%。
实施例3：制备泡沫钢的方法如下：
（1）室温下，将重量百分比为5%的氮化铬、10%的碳酸钙粉末与85%的钢粉加入混合球磨机中进行球磨，控制球磨时间为2小时，球磨转速为200 rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂与增粘剂附着于钢粉表面；
（2）将混合均匀的复合粉末倒入转子坩埚炉体中，加盖密封，开启作为定子的电磁感应装置，升温至金属熔融。随后以300 rpm的转速旋转坩埚。
（3）维持感应加热与坩埚转速不变0.5 h，使泡孔稳定，随后关闭并撤离感应加热装置，维持转速不变直至转子内的金属自然冷却至100℃以下，停止转动，自然冷却后得到孔径沿径向分布的闭孔梯度泡沫钢，其内侧孔隙率约95%，外侧孔隙度约65%。

Claims (5)

1.一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法，其特征在于：发泡剂与增粘剂、金属材料颗粒经球磨方式混合均匀后置于作为转子的可密封坩埚中，经外部作为定子的可拆卸式电磁感应装置加热，生成包含规则孔径泡孔的液态基体材料；转子沿转轴旋转使熔融金属中产生沿径向分布的压力，泡孔在压力的作用下将逐渐被压缩和发生可控运动，直至其内部压力与熔融液体中的压力平衡，自然冷却得到闭孔梯度泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法，其特征在于：具体方法为：
（1）室温下，将重量百分比为0.5%-15%的发泡剂、3%-10%的增粘剂与75%-96.5%的金属颗粒加入混合球磨机中进行球磨，控制球磨时间为2-30小时，球磨转速为200-500 rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂附着于金属颗粒表面；
（2）将混合均匀的金属与发泡剂颗粒倒入转子坩埚炉体中，加盖密封，开启作为定子的电磁感应装置，依金属材质和质量选择加热功率至金属熔融；随后以100~1000 rpm的转速旋转坩埚；
（3）维持感应加热与坩埚转速不变10 min - 2 h，使泡孔稳定，随后关闭并撤离感应加热装置，维持转速不变直至转子内的金属自然冷却至100℃以下，停止转动，自然冷却后得到孔径沿径向分布的闭孔梯度泡沫材料。
3.根据权利要求2所述的一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述金属颗粒为Al、Mg、Cu、Fe、Ni或其合金。
4.根据权利要求2所述的一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法，其特征在于：通过在100-1000 rpm的范围内调控转子坩埚的转速生成孔径在100 μm - 8 mm的特定梯度泡沫。
5.根据权利要求2所述的一种闭孔梯度泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述发泡剂为碳酸镁、碳酸钙、氢化钛、白云石 CaMg(CO3)2 、氢化锆或其以任意比例混合的混合物。
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