CN111283170A - 具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，将网格结构和金属空心球结合组成具有结构设计的排布结构单元，按照基体、结构单元相间排列的堆叠方式在模具内完成堆叠，随后在0.9～1.1Tm下保温0.5～2h，施加一定压力，保温结束后在低温0.5～0.8Tm保温1～6h，随炉冷却后取出样品。本发明提供的技术方法，工艺简便，能够缩短生产周期，且制得的复合材料内部裂纹等缺陷较少，获得的复合材料内部有结合良好的界面，空心球基本按照结构设计的结构进行排布，能够实现金属空心球复合材料的性能可设计性，且能够提高力学性能，界面的引入能够提高复合材料的吸能性能。

Description

具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属空心球复合材料的制备方法，具体是一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法。
背景技术
传统金属泡沫材料是含有大量孔隙结构的金属材料，金属空心球复合材料在金属泡沫材料的基础上进一步发展，材料内部含有大小和分布均匀的孔洞结构，因此具有轻质高强、耐冲击、辐射屏蔽等一系列优异的性能，在电磁屏蔽、装甲防护以及减振降噪等领域具有巨大的应用前景。传统泡沫金属材料的孔隙通常由发泡剂等引入，具有分布不均匀、尺寸不均匀、开孔与闭孔孔隙混合等特点，孔隙的尺寸和分布难以控制，因此导致泡沫金属性能的均匀性较差。而金属空心球复合材料因孔隙由空心球引入，孔隙尺寸可根据不同需求进行设计，能够针对不同的服役条件，对空心球的分布和尺寸进行调控，从而实现对性能的控制，能够适应舰船减振降噪、核电站屏蔽辐射等多个技术领域的发展需求。
目前制备金属空心球复合材料的制备方法有粉末冶金方法和铸造法等。粉末冶金方法制备金属空心球复合材料工艺更为复杂，所需的制备环境更为严格，制得的复合材料容易出现由于无粉体补充而产生的孔洞、裂纹等缺陷。铸造法制备金属空心球复合材料的制备流程较为简便，且铸造工艺中消除基体气孔的方法也已成熟，采用铸造法制备金属空心球复合材料能够大幅降低成本，生产周期缩短，适用于复合材料的大批量生产。
目前国内对于金属空心球复合材料制备过程中空心球的分布与结构调控的研究较少，或仅对金属空心球的结构进行研究而不引入基体，因此在金属空心球复合材料的制备中，空心球多为密排或随机排列，难以实现性能的有效设计和调控，缺少有效的手段对空心球进行结构的排布和固定。
发明内容
本发明提供了一种将网格结构引入金属空心球复合材料，制备具有增强结构的复合材料的方法，以提高强度并实现空心球结构排布。
本发明是这样实现的：
一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对制备的金属空心球复合材料进行结构设计和完成挤压铸造前材料的准备，所述材料包括基体、网格增强结构和金属空心球；所述两层网格增强结构和粘结在两层网格增强结构中间的金属空心球组成一个结构单元，所述各个结构单元之间和与模具上下两侧接触面上设置有基体；将基体和结构单元按照所设计的次序和数目依次放入铸造模具中；
步骤二：采用挤压铸造实现材料的成形，在电阻炉内对模具进行加热，在高温下保温0.5～2h，并在平行于材料堆叠方向上施加一定大小的力；
步骤三：完成复合材料的冶金结合和界面的形成，降低炉内温度，在较低温度下进行1～6h的保温，完成材料中金属空心球、网格增强结构与基体间的冶金结合，获得均匀连续界面；
步骤四：样品随炉冷却后取出。
本发明还包括这样一些特征：
所述步骤一中的网格增强结构的材料为不锈钢、铝合金、形状记忆合金、碳纤维和SiC纤维；
所述步骤一中的金属空心球的材料为不锈钢、形状记忆合金和钛合金；
所述步骤一中的基体的材料为铝合金和不锈钢合金，并在制备前预先进行切割和打磨处理；
所述步骤一中的网格增强结构与金属空心球进行复合组成结构单元前，在浓度为2～5％的聚乙烯醇水溶液中进行浸润处理；
所述步骤一中的结构单元为金属空心球在随机排布、简单立方、面心立方、体心立方等结构拆分到的某一平面后的预排布结构单元；
所述步骤二中的高温是0.9～1.1倍的Tm，Tm为该种金属的熔点；
所述步骤二中力的大小为0.01～0.03MPa；
所述所述步骤三中低温是0.5～0.8倍的Tm，Tm为该种金属的熔点.
本发明有益效果：
1.节约成本，操作简便，能够适应大批量工业化生产；
2.制备得到的样品，外观质量良好，能够实现金属空心球的结构设计与排布，实现复合材料性能可设计性；
3.所制得的样品，内部存在良好的界面结合，能够有效提高复合材料的强度，提升材料的吸能性能。
附图说明
图1为本发明制备工艺示意图；其中1为模具，2为基体，3为网络增强结构，4为空心球。
图2为实施例1中制得复合材料宏观截面图；
图3为实施例3中空心球与基体间均匀界面的光学显微镜照片；
图4为实施例3中基体与网格结构间界面的光学显微镜照片。
具体实施方式
以下结合具体实施案例，对本发明进行详细说明。
本发明采用的技术方案是：一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，具体方法包括以下步骤：
步骤一、对制备的金属空心球复合材料进行结构设计，完成挤压铸造前材料的准备。两层网格增强结构之间粘结一层金属空心球，共同组成一个排布结构单元。在结构单元之间和与模具上下侧接触面上，均放置一定厚度的基体材料。将基体材料和结构单元按照所设计的次序和数目依次放入铸造模具中，完成挤压铸造前材料的准备。
步骤二、采用挤压铸造实现材料的成形。在电阻炉内对模具进行加热，加热过程中粘结剂挥发，在高温下保温0.5～2h，并在平行于材料堆叠方向上施加一定大小的力。
步骤三、完成复合材料的冶金结合和界面的形成。降低炉内温度，在较低温度下进行1～6h的保温，完成材料中金属空心球、网格结构与基体间的冶金结合，获得均匀连续界面。
步骤四、样品随炉冷却后取出。
本发明还包括这样一些特征：
1.步骤一中所述的网格增强结构，其材料种类包括各类不锈钢、铝合金、形状记忆合金、碳纤维、SiC纤维等材料所制备的预制网格结构；
2.步骤一中所述的金属空心球，其材料种类包括各类不锈钢、形状记忆合金、钛合金等材料；
3.步骤一中所述的网格增强结构，金属网格在进行复合组成排布结构单元前，在浓度为2～5％的聚乙烯醇水溶液中进行浸润处理；
4.步骤一中所述的排布结构单元为空心球在随机排布、简单立方、面心立方、体心立方等结构拆分到的某一平面后的预排布结构单元；
5.步骤一中所述的基体材料包括各种铝合金、不锈钢合金等，在制备前预先进行切割和打磨处理；
6.步骤二中所述的高温保温为在0.9～1.1倍Tm下的保温，Tm为该种金属的熔点；
7.步骤二中所述施加的一定大小的力，其范围为0.01～0.03MPa；
8.步骤三中所述的低温保温为在0.5～0.8倍Tm下的保温，Tm为该种金属的熔点。
本发明提出了一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，能够有效的对空心球进行结构的排布，同时提高复合材料承担载荷的能力和吸收能量的性能，为其工业化生产和应用提供了技术基础。
实施例1
步骤一、设计金属空心球复合材料由5个排布结构单元和6块尺寸为Φ49mm×5mm的A356基体构成，网格结构材料为316L不锈钢合金，合金丝直径240μm，金属空心球原材料为316L不锈钢合金，其外径3mm，在网格平面为最密排列。切割A356基体与316L网格结构，尺寸为Φ50mm×5mm，对表面的氧化膜进行打磨。将316L网格在浓度为3％的聚乙烯醇水溶液中浸润，然后将空心球固定在两层网格结构之间，固定出5个结构单元。按照基体、结构单元、基体……的顺序堆叠在内径Φ50mm的模具内，合模。
步骤二、将模具放置在电阻炉内，以10℃/min的升温速率加热至710℃，保温45min，同时延模具轴线施加0.02MPa的力。
步骤三、降低炉内温度至380℃，保温6h，使金属空心球、网格结构与基体间形成一定厚度的均匀连续界面。
步骤四、样品随炉冷却后取出。
实施例2
步骤一、设计复合材料由5个排布结构单元和6块尺寸为Φ49mm×5mm的工业纯铝基体构成，网格结构材料为NiTi形状记忆合金，合金丝直径200μm，空心球材料为TC4合金，其外径3mm，在网格平面为最密排列。切割工业纯铝基体与NiTi网格结构，尺寸为Φ50mm×5mm，对表面的氧化膜进行打磨。将304网格在浓度为3％的聚乙烯醇水溶液中浸润，然后将TC4空心球固定在两层网格结构之间，固定出5个结构单元。按照基体、结构单元、基体……的顺序堆叠在内径Φ50mm的模具内，合模。
步骤二、将模具放置在电阻炉内，以10℃/min的升温速率加热至650℃，保温60min，同时延模具轴线施加0.02MPa的力。
步骤三、降低炉内温度至400℃，保温2h，使金属空心球、网格结构与基体间形成一定厚度的均匀连续界面。
步骤四、样品随炉冷却后取出。
实施例3
步骤一、设计复合材料由5个排布结构单元和6块尺寸为Φ49mm×5mm的工业纯铝基体构成，网格结构材料为316L不锈钢合金，合金丝直径240μm，空心球材料为316L不锈钢合金，其外径3mm，在网格平面为间隔1个同直径空位排列。切割工业纯铝基体与316L网格结构，尺寸为Φ50mm×5mm，对表面的氧化膜进行打磨。将316网格在浓度为3％的聚乙烯醇水溶液中浸润，然后将316L空心球固定在两层网格结构之间，固定出5个结构单元。按照基体、结构单元、基体……的顺序堆叠在内径Φ50mm的模具内，合模。
步骤二、将模具放置在电阻炉内，以10℃/min的升温速率加热至650℃，保温60min，同时延模具轴线施加0.03MPa的力。
步骤三、降低炉内温度至400℃，保温2h，使基体和空心球、网格结构和基体间形成一定厚度的均匀连续的界面。
步骤四、样品随炉冷却后取出。
综上所述：本发明提供的是一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法。首先将网格结构和金属空心球结合组成具有结构设计的排布结构单元，按照基体、结构单元相间排列的堆叠方式在模具内完成堆叠，随后在0.9～1.1Tm下保温0.5～2h，同时施加一定压力，保温结束后在低温0.5～0.8Tm保温1～6h，使空心球与基体、基体与网格结构间形成良好的界面结构，随炉冷却后取出样品。本发明提供的技术方法，工艺简便，能够缩短生产周期，且制得的复合材料内部裂纹等缺陷较少，获得的复合材料内部有结合良好的界面，空心球基本按照结构设计的结构进行排布，能够实现金属空心球复合材料的性能可设计性，且能够提高力学性能，界面的引入能够提高复合材料的吸能性能。

Claims (9)

1.一种具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：对制备的金属空心球复合材料进行结构设计和完成挤压铸造前材料的准备，所述材料包括基体、网格增强结构和金属空心球；所述两层网格增强结构和粘结在两层网格增强结构中间的金属空心球组成一个结构单元，所述各个结构单元之间和与模具上下两侧接触面上设置有基体；将基体和结构单元按照所设计的次序和数目依次放入铸造模具中；
步骤二：采用挤压铸造实现材料的成形，在电阻炉内对模具进行加热，在高温下保温0.5～2h，并在平行于材料堆叠方向上施加一定大小的力；
步骤三：完成复合材料的冶金结合和界面的形成，降低炉内温度，在较低温度下进行1～6h的保温，完成材料中金属空心球、网格增强结构与基体间的冶金结合，获得均匀连续界面；
步骤四：样品随炉冷却后取出。
2.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤一中的网格增强结构的材料为不锈钢、铝合金、形状记忆合金、碳纤维和SiC纤维。
3.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤一中的金属空心球的材料为不锈钢、形状记忆合金和钛合金。
4.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤一中的基体的材料为铝合金和不锈钢合金，并在制备前预先进行切割和打磨处理。
5.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤一中的网格增强结构与金属空心球进行复合组成结构单元前，在浓度为2～5％的聚乙烯醇水溶液中进行浸润处理。
6.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤一中的结构单元为金属空心球在随机排布、简单立方、面心立方、体心立方等结构拆分到的某一平面后的预排布结构单元。
7.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤二中的高温是0.9～1.1倍的Tm，Tm为该种金属的熔点。
8.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述步骤二中力的大小为0.01～0.03MPa。
9.根据权利要求1所述的具有网格增强结构的金属空心球复合材料的制备方法，其特征是，所述所述步骤三中低温是0.5～0.8倍的Tm，Tm为该种金属的熔点。
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