CN112359238B - 一种多孔铝合金制备工艺和铝合金超导热板 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金领域，具体涉及一种多孔铝合金制备工艺，采用1020铝粉和5083铝粉混合置于模具中，加压加热后得到多孔铝合金材料，其中，1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：0.8‑1.2，1020铝粉的粒径为60‑120目；5083铝粉的目数比1020铝粉目数大10‑20目。该工艺采用1020铝粉和5083铝粉作为原料，通过压合、真空加热工艺使5083铝粉中的镁成分缓慢的扩散到5083铝粉表面，并挥发出镁蒸汽，使1020铝粉和5083铝粉表面的氧化膜被镁蒸汽还原去除且活化，使1020铝粉和5083铝粉能够在高温下扩散结合，形成孔隙率更高的多孔结构。

Description

一种多孔铝合金制备工艺和铝合金超导热板
技术领域
本发明属于合金领域，具体涉及一种多孔铝合金制备工艺和铝合金超导热板。
背景技术
CN201610792401.4公开了一种开孔海绵结构的铝质材料的制备方法，包括以下步骤：将纯铝粉和主要成份为铝的粘接剂进行混合处理，得到混合均匀的混合物；在防氧化环境中，对所述混合物进行加热处理，使加热温度达到粘接剂熔化而纯铝粉未熔化的程度；熔化后的液态粘接剂在表面张力的作用下聚集在所述纯铝粉颗粒的连接处，经冷却处理后，粘接剂凝固，将铝粉颗粒连接在一起，得到海绵结构的铝质材料；其中，所述防氧化环境包括：向所述混合物中加入去氧化剂，再对混合物进行加热处理。
其性能如下：
铝块 实施例1 实施例2 实施例3
孔隙率(％) 0 48 42 51
表观密度(g/cm<sup>2</sup>) 2.7 1.3 1.2 1.2
导热系(w/m·k) 200 50 50 50
这个方案存在的问题是：粘接剂在加热过程中会熔化。粘接剂熔化一方面会造成混合物塌缩，尺寸缩小；另一方面，熔化的液态粘接剂会填充粉末之间的空隙，造成制作完成的材料孔隙率变小。本方案所要解决的问题是：如何制备出一种更少塌缩，尺寸更精准，孔隙率更高的铝合金多孔材料，进而制作出性能更好的铝合金超导热板。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔铝合金制备工艺，该工艺采用1020铝粉和5083铝粉作为原料，通过压合、真空加热工艺使5083铝粉中的镁缓慢的扩散到5083铝粉表面并挥发出镁蒸汽，使1020铝粉和5083铝粉表面的氧化膜被镁蒸汽还原去除且活化，使1020铝粉和5083铝粉能够在高温下通过扩散结合，形成孔隙率更高的多孔结构。
本发明的技术方案为：
一种多孔铝合金制备工艺，采用1020铝粉和5083铝粉混合加压加热后得到多孔铝合金材料，其中，1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：0.8-1.2，1020铝粉的粒径为60-120目；5083铝粉的目数比1020铝粉目数大10-20目。
一般来说，1020铝粉的粒径优选为80目，5083铝粉的粒径优选为90-100目。
在上述的多孔铝合金制备工艺中，包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉和5083铝粉混合均匀，置于模具中压实，压缩量为混合物初始体积的20-30％；
步骤2：将混合物与模具一起送入真空炉中进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温3±1小时。
在上述的多孔铝合金制备工艺中，在粉体中还添加有相当于1020铝粉重量1-2％的Zn-Al合金粉末，所述Zn-Al合金粉末中Zn的重量百分比为95％，余量为Al；当粉体中加入了Zn-Al合金粉末，第一温度阶梯至第二温度阶梯的升温时间控制在5±1min。
在上述的多孔铝合金制备工艺中，所述Zn-Al合金粉末粒径小于300目，Zn-Al合金粉末通过胶黏剂粘附在5083铝粉表面。
在上述的多孔铝合金制备工艺中，所述粉体中含3重量份1020铝粉、1重量份5083铝粉、0.045重量份的Zn-Al合金粉末。
此外，本发明还公开了一种铝合金超导热板，采用上所述工艺制备得到的多孔铝合金作为超导热板内部的毛细结构。
需要特别说明的是：本发明的工艺制备得到的多孔铝合金不仅仅可应用于超导热板，在其他导热领域、电池材料领域、应用于过滤、催化剂及催化剂载体等都具有潜在的应用前景。
在上述的铝合金超导热板中，所述板体内部的毛细结构包含沿产品的长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
本发明的有益效果如下：
本发明采用1020铝粉和5083铝粉作为原料，通过压合、真空加热工艺使5083铝粉中的镁缓慢的扩散到5083铝粉表面并挥发出镁蒸汽，使1020铝粉和5083铝粉表面的氧化膜被镁蒸汽还原去除且活化，使1020铝粉和5083铝粉能够在高温下通过扩散结合，形成孔隙率更高的多孔结构。本方案在工艺过程中，并不涉及钎料，主料不会部分熔化，其在工艺过程中的尺寸变化控制方面更为精准。同时，由于没有使用钎料，主料不会塌缩，空隙不会被液体填充，制作完成的多孔铝合金孔隙率更高。
本方案生产所带来的一个衍生问题在于：结构强度不大。为了改善这个问题，我们一方面控制压缩量，通过控制压缩量到20-30％，可以提高铝合金粉末结合强度；
另外一个方面为了提高其结构强度，可添加Zn-Al合金粉末，Zn-Al合金粉末的特性为融化温度范围为380-450℃，其融化区间范围大，且能够向母材的毛细结构中快速渗透，所以其能够在5083铝粉中的镁扩散到表面形成蓬松的表层后，能够快速渗透到5083铝粉的表面毛细结构中，能够提高1020铝粉和5083铝粉的结合强度；融化区间大的优势在于其能够在合适的时间长度内充分的渗透到5083铝粉的表面毛细结构中。其快速渗透的特性也有一定的缺陷，就是不能充分的在整体结构中均匀分布，所以优选控制其粒径要足够小，以使其能够尽可能均匀地分布在粉末混合物中，只要其能够将周围的铝合金颗粒充分浸润即可。
附图说明
图1是本发明的实施例的模具的立体图；
图2是本发明的实施例的模具的上模的立体图；
图3是本发明的实施例的模具的中模的立体图；
图4是本发明的实施例的导热板的外形图，毛细槽状结构在该产品中沿宽度方向。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
一种多孔铝合金制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉和5083铝粉混合均匀，采用如图1所示的模具将混合物压实，压缩量为混合粉末初始体积的25％；1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：1，1020铝粉的粒径为80目；5083铝粉的粒径90目；
参考图1-3，模具包括上模1、下模2和中模3，上模1的下表面设有凸条4，凸条按照压缩量来进行设计，确保凸条压入后模腔的体积缩小25％。
步骤2：将压实的混合物与模具一起送入真空炉中采用电加热的方式进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温2小时。
最后逐渐降温到常温，得到多孔铝合金材料，将该多孔铝合金材料与对应的铝合金腔体焊接密封后，再将空腔内的空气抽除，灌入适量工作液体，得到超导热板，所述超导热板毛细结构包含沿产品长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
实施例2
一种多孔铝合金制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉、5083铝粉、Zn-Al合金粉末混合均匀，采用如图1所示的模具将混合物压实，压缩量为混合粉末初始体积的30％；1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：1，1020铝粉的粒径为80目；5083铝粉的粒径100目；Zn-Al合金粉末中Zn的重量百分比为95％，余量为Al；Zn-Al合金粉末相当于1020铝粉重量的1.5％，所述Zn-Al合金粉末粒径为400目，通过少量的胶黏剂粘附在5083铝粉表面，胶黏剂的分解温度一般为300-360℃，所以在烧结过程中胶黏剂会分解并被真空泵抽除，不会残留。
步骤2：将压实的混合物与模具一起送入真空炉中进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第一温度阶梯至第二温度阶梯的升温时间控制在5±1min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温3小时。
最后逐渐降温到常温，得到多孔铝合金材料，将该铝合金材料与对应的铝合金腔体焊接密封后，再将空腔内的空气抽除，灌入适量工作液体，得到超导热板，所述超导热板的毛细结构包含沿产品长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
实施例3
一种多孔铝合金制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉、5083铝粉、Zn-Al合金粉末混合均匀，采用如图1所示的模具将混合物压实，压缩量为混合粉末初始体积的20％；1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：1.2，1020铝粉的粒径为100目；5083铝粉的粒径110目；Zn-Al合金粉末中Zn的重量百分比为95％，余量为Al；Zn-Al合金粉末相当于1020铝粉重量的1％，所述Zn-Al合金粉末粒径为300目，通过少量的胶黏剂粘附在5083铝粉表面。
步骤2：将压实的混合物与模具一起送入真空炉中进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第一温度阶梯至第二温度阶梯的升温时间控制在5±1min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温。
最后逐渐降温到常温，得到多孔铝合金材料，将该铝合金材料与对应的铝合金腔体焊接密封后，再将空腔内的空气抽除，灌入适量工作液体，得到超导热板，所述板体结构的毛细结构包含沿产品长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
实施例4
一种多孔铝合金制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉、5083铝粉、Zn-Al合金粉末混合均匀，采用如图1所示的模具将混合物压实，压缩量为混合粉末初始体积的25％；1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：0.8，1020铝粉的粒径为60目；5083铝粉的粒径70目；Zn-Al合金粉末中Zn的重量百分比为90％，余量为Al；Zn-Al合金粉末相当于1020铝粉重量的2％，所述Zn-Al合金粉末粒径为350目，通过少量的胶黏剂粘附在5083铝粉表面。
步骤2：将压实的混合物与模具一起送入真空炉中进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第一温度阶梯至第二温度阶梯的升温时间控制在5±1min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温3小时。
最后逐渐降温到常温，得到多孔铝合金材料，将该铝合金材料与对应的铝合金腔体焊接密封后，再将空腔内的空气抽除，灌入适量工作液体，得到超导热板，所述板体结构的毛细结构包含沿产品的长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
实施例5
一种多孔铝合金制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉、5083铝粉、Zn-Al合金粉末混合均匀，采用如图1所示的模具将混合物压实，压缩量为混合粉末体积的25％；1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：1，1020铝粉的粒径为120目；5083铝粉的粒径140目；Zn-Al合金粉末中Zn的重量百分比为85％，余量为Al；Zn-Al合金粉末相当于1020铝粉重量的1％，所述Zn-Al合金粉末粒径为400目，通过少量的胶黏剂粘附在5083铝粉表面。
步骤2：将压实的混合物与模具一起送入真空炉中进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第一温度阶梯至第二温度阶梯的升温时间控制在5±1min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温3小时。
最后逐渐降温到常温，得到多孔铝合金材料，将该铝合金材料与对应的铝合金腔体焊接密封后，再将空腔内的空气抽除，灌入适量工作液体，得到超导热板，所述超导热板的毛细结构包含沿产品长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
对比例1
1、将球形1020铝粉(80目)与粘结剂粉(100目)以3：1的重量比例在室温条件下混合，得到混合均匀的原料混合物。
2、对原料混合按照专利CN201610792401.4所述工艺处理，得到海绵结构的铝质材料。
试验例
将实施例1-5、对比例1得到海绵结构的铝质材料进行孔隙率、比表面积、表观密度、导热性能、抗拉强度的检测，检测结果如表1所示。
其中，孔隙率的检测方法是：排液体积测量法(测量材料的外形尺寸，计算体积作为分母，将材料浸入液体中，排开液体的体积与计算体积的差作为分子，计算孔隙率)；
表观密度的检测方法是：根据尺寸和重量计算；
导热性能的检测方法参照文件《大学物理实验-导热系数的测定》；
抗拉强度的检测采用材料拉伸试验机(型号：WAW-300D)。
表1性能检测结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1
孔隙率 0.55 0.51 0.55 0.49 0.51 0.47
表观密度 1.25g/cm<sup>2</sup> 1.33g/cm<sup>2</sup> 1.27g/cm<sup>2</sup> 1.36g/cm<sup>2</sup> 1.29g/cm<sup>2</sup> 1.355g/cm<sup>2</sup>
导热系数 38.30W/mK 35.48W/mK 34.17W/mK 36.25W/mK 33.78W/mK 49.21W/mK
抗拉强度 5.3MPa 8.2MPa 7.0MPa 8.5MPa 7.7MPa 6.3MPa
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多孔铝合金制备工艺，其特征在于，采用1020铝粉和5083铝粉混合后在模具中加压加热得到多孔铝合金材料，其中，1020铝粉和5083铝粉的重量比为3：0.8-1.2，1020铝粉的粒径为60-120目；5083铝粉的目数比1020铝粉目数大10-20目；
包括如下步骤：
步骤1：将1020铝粉和5083铝粉混合均匀后置于模具中加压，压缩量为混合物初始体积的20-30%；
步骤2：将压紧的混合物与模具一起送入真空炉中进行烧结，烧结分为4个温度阶梯，第一温度阶梯为300℃±10℃烧结20±2min；第二温度阶梯为450±5℃烧结12±3min；第三温度阶梯为590±3℃烧结120±5min；第四温度阶梯为从590±3℃降温至300±10℃降温时间6±0.5h，最后在300±10℃氮气氛围下保温3±1小时；
在粉体中还添加有相当于1020铝粉重量1-2%的Zn-Al合金粉末，所述Zn-Al合金粉末中Zn的重量百分比为95%，余量为Al；当粉体中加入了Zn-Al合金粉末，第一温度阶梯至第二温度阶梯的升温时间控制在5±1min；
所述Zn-Al合金粉末粒径小于300目，Zn-Al合金粉末通过胶黏剂粘附在5083铝粉表面。
2.根据权利要求1所述的多孔铝合金制备工艺，其特征在于，所述粉体中含3重量份1020铝粉、1重量份5083铝粉、0.045重量份的Zn-Al合金粉末。
3.一种铝合金超导热板，其特征在于，采用如权利要求1或2所述工艺制备得到的多孔铝合金作为毛细结构。
4.根据权利要求3所述的铝合金超导热板，其特征在于，所述毛细结构包含有沿产品长度或宽度方向延伸的凸棱以构成毛细槽状结构。
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