CN111992720A - 一种多孔金属增强液态金属的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：该多孔金属的孔为相互连通的网络结构，液态金属填充在多孔金属中。本发明中将多孔金属作为支撑件，该支撑件力学性能优异，且多孔金属的孔有利于液态金属的填充，保证该复合材料力学强度优异的同时具有良好的导热效果，抗拉强度为70MPa以上，抗压强度为20MPa以上，且导热效果好，可以作为功能结构件使用。

Description

一种多孔金属增强液态金属的复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种多孔金属增强液态金属的复合材料及其制备方法。
背景技术
液体金属材料由于同时具备高效热导和对流冷却散热等特性而备受关注。液体金属是一类性能独特的金属，熔点一般在200℃以下，可以像水一样自由流动，但却拥有金属的特性，具有极大导热能力和较高吸纳热量能力，导热系数远大于传统的金属(如铜、铝等)，是甲醇、水等导热剂的数十倍，更是气体导热剂的上千倍，因此可实现对大功率器件的快速冷却，并减小散热器空间尺寸，满足散热器的微型化、集约化。液态金属散热器与普通风冷散热器在散热器原理上有相似之处，但液态金属散热器最重要的就是其中的液态金属，液态金属具备高效热导率，系统热量可以通过液态金属传导至散热器的远端。此外，液体金属熔点低(通过合适配方设计可以降到0℃以下)，沸点高(一般高于2000℃，液态汞除外)，具有良好的物态稳定性，在工作温度区间内不存在蒸发或反应事故，不会导致器件老化、腐蚀，可以保证散热系统的高效，长期，稳定运行。液体金属这些特性很好地满足了高效散热技术对未来热交换介质材料的各项要求，具有广阔的应用前景，包括国防、军工、太阳能、3C、废热、医疗及仪器工业等方面。
虽然液态金属具有许多其他金属无可比拟的优越性能，但其强度较低，无法满足结构件对力学性能需求。例如铟锡合金(In55Sn45)的室温抗拉强度仅为20MPa，几乎不具备结构承载能力，不能单独作为功能结构件使用，因此限制了液态金属的实际应用。
目前，通过液态金属和其他材料进行复合从而提高材料力学性能的研究较少，主要是在液态金属中添加一定比例金属颗粒，如钛粉、铜粉等，或石墨烯，但这些方法存在很多不足，如制备工艺复杂、样品重复性差、无法保证添加颗粒的均匀分布等，从而影响复合体最终性能。
因此，针对现有的液态金属需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种力学性能优异，能够单独作为功能结构件使用且导热效果好的多孔金属增强液态金属的复合材料。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：该多孔金属的孔为相互连通的网络结构，液态金属填充在多孔金属中。传统液态金属中添加一定比例金属颗粒，如钛粉、铜粉等，或石墨烯，但力学性能不佳，本申请中将多孔金属作为支撑件，该支撑件力学性能优异，且多孔金属的孔有利于液态金属的填充，保证该复合材料力学强度优异的同时具有良好的导热效果。
根据不同的使用环境所需要的力学性能，该网络结构可以有多种形状，作为优选，所述网络结构为三维空间周期性阵列的点阵结构，所述点阵结构为体心立方晶胞结构或者正多面体晶胞结构；或者所述网络结构为不规则的多面体孔洞在空间聚集形成。正多面体晶胞结构可以为正四面体、正六面体、正八面体等。
为了控制力学性能和导热性的均衡，通过控制孔的大小的实现，作为优选，所述网络结构为三维空间周期性阵列的点阵结构，所述点阵结构由金属杆排列组成，所述金属杆的长度0.1～20mm、直径0.2～5mm。
作为优选，所述多孔金属表面形成有多孔涂层，所述多孔涂层的厚度10～100μm、孔径0.1～30μm、孔隙率10～50％。多孔涂层的厚度、孔径、孔隙率对导热性和结合强度具有关键影响，多孔涂层的厚度10～100μm、孔径0.1～30μm、孔隙率10～50％在该范围内可以实现导热率和结合强度的均衡。在多孔金属表面制备多孔涂层，多孔涂层一方面可提高多孔金属的导热率，另一方面多孔涂层结构为后续液态金属的导入提供通道，以获得更高的结构结合强度。
作为优选，所述多孔金属为镁合金、钛合金、铝合金、不锈钢、铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金中的一种；所述液态金属为InSn、InSnGa、InSnGaZn合金中的一种。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法，其特征在于包括以下制备流程：
1)多孔金属采用3D打印成型；
2)将打印好的多孔金属放入模具中，将加热融化后的液态金属熔体注入到模具内填充多孔金属，随后放置于空气中自然冷却得到复合材料。
作为优选，所述3D打印采用激光选区熔融、电子束选区熔融中的一种。
作为优选，所述多孔金属采用微弧氧化方法进行表面改性处理形成多孔涂层：将步骤1)中多孔金属悬挂浸入电解液作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，所述微弧氧化采用恒压模式，具体参数为：电压380～450V，电源频率800～1200Hz，正负占空比为30～50％，处理时间2～10min。
与微弧氧化恒流模式相比，恒压模式获得的膜层表面具有分布均匀、孔径一致的三维连通孔洞。
电源频率高低将直接影响微弧氧化膜层的生长速率、膜层结合力和单位能耗，一般的，低频率时制备的膜层呈现出更高的生长速率，而在高频率时则可获得更加致密、均匀、光滑的膜层，同时，微弧氧化膜层结合力和单位能耗随着频率的增加而增加；因此，为了实现膜层生长速率与结合力的均衡，将电源频率控制在800～1200Hz。
占空比是微弧氧化过程中的一项重要工艺参数，它决定了脉冲的单次放电时间，直接影响到微弧氧化过程中放电通道内的放电程度，进而决定了膜层性能结构等特点。一般的，在给定的电压和频率下，占空比增加，意味着一个脉冲周期内脉冲电压的持续工作时间延长，微弧氧化反应时间延长，生成的氧化物增加，膜层生长加快。同时，单个脉冲周期内，释放的能量和热量增加，冷却时间变短，导致膜层表面微孔孔径增大，膜层致密度下降。结合电压和频率，为了实现膜层的氧化物增加与膜层致密度的均衡，将正负占空比控制在30～50％。
处理时间和电压高低对涂层厚度有较大的影响，一般的，涂层厚度随着处理电压的升高和处理时间的延长而增大，但电压过大或处理时间过长时，厚度均匀程度难以控制，且易堵塞多孔结构，不利于后续液态金属的注入；结合电压的控制将处理时间控制在2～10min。
作为优选，所述电解液体系为纳米石墨烯粉末0.5～2g/L、六偏磷酸钠2～5g/L、氟化钾5～10g/L。
纳米石墨烯粉末的加入可大幅提高多孔金属材料表面导热率，纳米石墨烯粉末添加量过多不利于粉末在溶液中的分散，造成团聚现象；添加量过少对提升多孔材料表面导热率的效果不佳，因此将纳米石墨烯粉末控制在0.5～2g/L；六偏磷酸钠作为分散剂减弱纳米石墨烯粉末团聚的作用，但六偏磷酸钠添加量过多会使要分散的介质电荷逆转，无法形成稳定的双电层结构而影响分散效果，六偏磷酸钠添加量过少则对纳米石墨烯粉末无法起到明显的分散效果，因此，六偏磷酸钠控制在2～5g/L；氟化钾可以提高电解液的活性和导电率，使微弧氧化起弧更加容易，增加膜层生长速率及膜层厚度，但氟化钾添加量过多会使膜层表面微孔数量减少，降低膜层比表面积添加量过少膜层厚度下降，无法起到明显提高多孔金属材料表面导热率作用，因此，氟化钾控制在5～10g/L。
作为优选，所述步骤2)中加热融化后的液态金属采用重力自由充型或加压充型的方式注入到模具中。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本申请中将多孔金属作为支撑件，该支撑件力学性能优异，且多孔金属的孔有利于液态金属的填充，保证该复合材料力学强度优异的同时具有良好的导热效果，抗拉强度为70MPa以上，抗压强度为20MPa以上，且导热效果好，可以作为功能结构件使用。
附图说明
图1为本发明实施例1中3D打印成型的多孔Ti6Al4V照片；
图2为本发明实施例1中多孔Ti6Al4V的网络结构；
图3为图2中网络结构的点阵结构；
图4为本发明实施例1中多孔涂层的电镜扫描照片；
图5为本发明实施例1中多孔Ti6Al4V增强In55Sn45复合材料的照片；
图6为本发明实施例1中多孔Ti6Al4V增强In55Sn45复合材料的照片；
图7为本发明实施例2中纯Ti的网络结构；
图8为图7中网络结构的点阵结构；
图9为本发明实施例3中AZ91镁合金的网络结构；
图10为图9中网络结构的点阵结构。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
多孔金属增强液态金属的复合材料为Ti6Al4V增强In55Sn45，制备流程为：
1)选用Ti6Al4V为激光选区熔融3D打印成型的耗材粉末，通过solidworks软件建立多孔Ti6Al4V三维模型，多孔Ti6Al4V的点阵结构为正六面体晶胞结构，组成正六面体晶胞结构金属杆的长度10mm、直径3mm，多孔Ti6Al4V的孔隙率50％，将生成的相应文件导入Materialise magics，而后将设计完成的模型导入EOSPRINT，按照上述技术方案设定打印参数，启动打印任务，制备出与预期形状一致的多孔Ti6Al4V；将打印好的多孔Ti6Al4V进行微弧氧化表面改性处理，电解液体系为：纳米石墨烯粉末(粒度50～100nm)2g/L、六偏磷酸钠3g/L、氟化钾5g/L。采用微弧氧化的恒压模式，处理时间5min，电压设置420V，电源频率1000Hz，占空比为50％；形成多孔涂层的厚度50μm、孔10μm、孔隙率30％。
2)将带有涂层的多孔Ti6Al4V放入带有预制冒口的钢模具中，模具事先预热到200℃，采用吸铸的方式，将加热融化后的In55Sn45液态金属熔体吸入到钢模具内部，并填充带有微弧氧化涂层的多孔Ti6Al4V，随后放置于空气中自然冷却。
采用万能材料力学试验机对上述方式所得到的多孔Ti6Al4V结构增强的In55Sn45液态金属复合体结构材料进行室温拉伸性能测试，获得该复合体材料的抗拉强度为120MPa，抗压强度40MPa。
实施例2：
多孔金属增强液态金属的复合材料为纯Ti增强In50Sn50，制备流程为：
1)选用纯Ti为电子束选区熔融3D打印成型的耗材粉末，通过solidworks软件建立多孔纯Ti三维模型，多孔纯Ti的点阵结构为正十二面体晶胞结构，组成正十二面体晶胞结构金属杆的长度10mm、直径1.2mm，多孔钛的孔隙率50％，将生成的相应文件导入Materialise magics，而后将设计完成的模型导入EOSPRINT，按照上述技术方案设定打印参数，启动打印任务，制备出与预期形状一致的多孔纯Ti；将打印好的多孔纯Ti进行微弧氧化表面改性处理，电解液体系为：纳米石墨烯粉末(粒度50～100nm)1g/L、六偏磷酸钠3g/L、氟化钾5g/L。采用微弧氧化的恒压模式，处理时间5min，电压设置400V，电源频率800Hz，占空比为30％；形成多孔涂层的厚度30μm、孔径20μm、孔隙率30％。
2)将带有涂层的多孔纯Ti放入带有预制冒口的钢模具中，模具事先预热到200℃，采用吸铸的方式，将加热融化后的In50Sn50液态金属熔体吸入到钢模具内部，并填充带有微弧氧化涂层的多孔纯Ti，随后放置于空气中自然冷却。
采用万能材料力学试验机对上述方式所得到的多孔Ti结构增强的In50Sn50液态金属复合体结构材料进行室温拉伸性能测试，获得该复合体材料的抗拉强度为150MPa，抗压强度55MPa。
实施例3：
多孔金属增强液态金属的复合材料为AZ91镁合金(Mg-9Al-1Zn)增强In50Sn45Ga5，制备流程为：
1)选用AZ91镁合金(Mg-9Al-1Zn)为电子束选区熔融3D打印成型的耗材粉末，通过solidworks软件建立多孔AZ91三维模型，多孔AZ91镁合金的点阵结构为体心立方晶胞结构，组成体心立方晶胞结构金属杆的长度10mm、直径0.42mm，多孔钛的孔隙率70％，将生成的相关文件导入Materialise magics，而后将设计完成的模型导入EOSPRINT，启动打印任务，制备出与预期形状一致的多孔AZ91镁合金；然后将打印好的多孔AZ91镁合金进行微弧氧化表面改性处理，电解液体系为：纳米石墨烯粉末(粒度50～100nm)0.5g/L、六偏磷酸钠5g/L、氟化钾8g/L。采用微弧氧化的恒压模式，处理时间5min，电压设置450V，电源频率1200Hz，占空比为30％；形成多孔涂层的厚度80μm、孔径20μm、孔隙率40％。
2)将带有涂层的多孔AZ91放入带有预制冒口的钢模具中，模具事先预热到200℃，采用吸铸的方式，将加热融化后的In50Sn45Ga5液态金属熔体吸入到钢模具内部，并填充带有微弧氧化涂层的多孔AZ91镁合金，随后放置于空气中自然冷却。
采用万能材料力学试验机对上述方式所得到的多孔AZ91结构增强的In50Sn45Ga5液态金属复合体结构材料进行室温拉伸性能测试，获得该复合体材料的抗拉强度为75MPa，抗压强度20MPa。

Claims (10)

1.一种多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：该多孔金属的孔为相互连通的网络结构，液态金属填充在多孔金属中。
2.根据权利要求1所述的多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：所述网络结构为三维空间周期性阵列的点阵结构，所述点阵结构为体心立方晶胞结构或者正多面体晶胞结构；或者所述网络结构为不规则的多面体孔洞在空间聚集形成。
3.根据权利要求2所述的多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：所述网络结构为三维空间周期性阵列的点阵结构，所述点阵结构由金属杆排列组成，所述金属杆的长度0.1～20mm、直径0.2～5mm。
4.根据权利要求1所述的多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：所述多孔金属表面形成有多孔涂层，所述多孔涂层的厚度10～100μm、孔径0.1～30μm、孔隙率10～50％。
5.根据权利要求1所述的多孔金属增强液态金属的复合材料，其特征在于：所述多孔金属为镁合金、钛合金、铝合金、不锈钢、铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金中的一种；所述液态金属为InSn、InSnGa、InSnGaZn合金中的一种。
6.一种权利要求1至5任一权利要求所述的多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法，其特征在于包括以下制备流程：
1)多孔金属采用3D打印成型；
2)将打印好的多孔金属放入模具中，将加热融化后的液态金属熔体注入到模具内填充多孔金属，随后放置于空气中自然冷却得到复合材料。
7.权利要求6所述的多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法，其特征在于：所述3D打印采用激光选区熔融、电子束选区熔融中的一种。
8.权利要求6所述的多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法，其特征在于：所述多孔金属采用微弧氧化方法进行表面改性处理形成多孔涂层：将步骤1)中多孔金属悬挂浸入电解液作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，所述微弧氧化采用恒压模式，具体参数为：电压380～450V，电源频率800～1200Hz，正负占空比为30～50％，处理时间2～10min。
9.权利要求8所述的多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法，其特征在于：所述电解液体系为纳米石墨烯粉末0.5～2g/L、六偏磷酸钠2～5g/L、氟化钾5～10g/L。
10.权利要求6所述的多孔金属增强液态金属的复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中加热融化后的液态金属采用重力自由充型或加压充型的方式注入到模具中。
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