CN112647010A - 一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及泡沫铝基复合材料，特指一种高强韧高中子吸收颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。本发明将具有高强韧高中子吸收性能的(B4C+HfB2)/6016Al复合材料进行发泡处理，利用TiH2颗粒作为发泡剂，采用累积叠轧法制备泡沫预制体，实现了泡沫铝的强韧化，大截面积实现了对中子的高效吸收、借助高度弥散的原位纳米增强体实现对透过微米增强体间隙射线的有效捕获，并通过纳米增强体的高弥散强韧化作用、显著提高复合材料强韧性，利用发泡结构，减轻铝基复合材料的密度，实现了中子吸收材料的轻量化与小型化，获得高强韧高中子吸收的泡沫铝基复合材料。

Description

一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及泡沫铝基复合材料，特指一种高强韧高中子吸收颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
技术背景
泡沫铝是一种多孔隙低密度的新型功能泡沫金属材料，它具有质量轻、结构强度适宜的特点，并兼有金属和气泡特征。泡沫铝密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、渗透性好，具有良好的阻尼特性和电磁屏蔽能力，同时还具有金属固有的防火、防潮、无毒、无味等特点，应用领域十分广泛。但作为结构材料，泡沫铝自身强度较低，无法在较大受力条件下使用。
累积叠轧是一种新型的材料大塑性变和致密化制备技术，广泛应用于金属材料的晶粒细化、复合材料的致密化。
随着中子屏蔽材料的进一步发展，功能/结构一体化设计逐渐成为发展趋势，其要求中子屏蔽材料不仅具备中子吸收功能，还能充当结构材料。中子屏蔽材料采用一体化设计可大幅简化屏蔽结构，实现屏蔽结构的轻量化与小型化。但作为结构材料，泡沫铝自身强度较低，无法在较大受力条件下使用。因此，制备具有较高强度又能具有优良中子吸收性能的泡沫铝基复合材料是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有的高中子吸收铝基复合材料密度高、抗冲击能力差等不足，提出的一种新型高强韧中子屏蔽泡沫铝基复合材料及其制备方法，采用微纳增强的铝基复合材料并对其进行发泡处理获得高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料，充分发挥泡沫金属的低密度、高抗冲击特性的同时，通过引入增强体、提高泡沫金属的强韧性和中子吸收能力。
本发明采用高中子吸收、高稳定的微米级B4C外加增强体与高中子捕获能力的含B、Hf元素的原位纳米HfB2增强体相结合的铝基复合材料，采用TiH2为发泡剂，通过累积叠轧法制备泡沫铝预制体，经高温发泡，保温，获得高强韧高中子吸收的泡沫铝基复合材料。
本发明采用累积叠轧法制备泡沫铝基复合材料，该方法将两条以上铝板上下叠置，并在铝板之间分散适量发泡剂粉(TiH2颗粒)。叠合后的铝板经有效减量轧制后再切成两段或两端以上，再经表面预处理后重新叠合并进行轧制；通过重复这一操作，发泡剂颗粒将很好地分布在整个预制体的厚度中。所述预制体形成并可用于随后的发泡热处理。
一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料及其制备方法，其特征在于：采用微米级B4C和纳米级HfB2增强的铝基复合材料作为发泡材料，提高材料的强韧性。TiH2颗粒作为发泡剂，通过累积叠轧技术，制备泡沫铝基复合材料预制体，并进行发泡处理，获得高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料。
基于累积叠轧工艺，制备方法通过以下的具体步骤进行：
(1)首先将外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料切割成若干块平行于轧制方向的铝板，然后退火；
(2)在退火后的铝板边缘钻四个孔，用铜线固定末端，用丙酮脱脂，用圆形不锈钢刷刮刷；
(3)将第一块铝板放于垫片上，将筛分后的TiH2粉体均匀地分散在第一块铝板上，将第二块铝板缓慢地放置在铺满TiH2粉体的铝板上，再将筛分后的TiH2粉体均匀地分散在第二块铝板上，直至堆叠完最后一块铝板，形成上下堆叠结构；
(4)用铜线将堆成的板带两端固定，将堆叠好的铝板轧制复合，达到66％以上的下压量，得到粘接板；
(5)将粘接板切成两半，275℃退火45min，在丙酮中脱脂，刮刷，上下堆叠，在不添加粉料的情况下，进行第二次轧制复合，使堆叠的带材厚度减少50％；
(6)在室温下，重复6～8次累积叠轧循环，以实现TiH2发泡剂基本均匀的分布，得到泡沫铝基复合材料预制体；
(7)在670℃的预热炉中对泡沫铝基复合材料预制体进行加热，加热时间为340s，600℃保温10min，将材料从炉中取出，获得高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料板。
步骤(1)中，外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料以Al-Hf和Al-B合金作为反应物，6016Al作为基体，按照生成所需体积分数的纳米HfB2颗粒进行化学配比；将6016Al置于坩埚中，利用感应线圈进行加热熔化，待温度达到870℃时，加入Al-Hf和Al-B合金；开启径向磁场装置和超声场装置，径向磁场功率为110kw，电流为45A，超声场功率为13kw，反应30min，将熔体温度降至780～800℃，之后加入B4C颗粒，速度为20g/min，待复合完成后，静置、除气、除渣，待温度降至720℃后浇注成型。最终获得复合材料。
步骤(1)中，退火是在380℃退火2小时。
所述的高中子吸收、高稳定的微米级B4C外加增强体中的微米B4C粉末是指B4C含量为99.5％以上，颗粒平均尺寸10～300μm的微米B4C陶瓷颗粒，外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料中B4C颗粒的体积分数为5～30vol％，优选10vol％。
所述的含B、Hf元素的原位纳米增强体是由引入的中间合金或反应物在熔体中原位反应生成的HfB2，增强体颗粒尺寸通常为2～100nm，原位纳米颗粒占外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al铝基复合材料的体积分数为0.2～25vol％，优选0.5vol％
所述的TiH2颗粒平均尺寸为30μm-50nm，最大尺寸为52μm；每一层TiH2粉体的用量为外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料的0.8wt。
所述的累积叠轧是在室温下进行的，轧制道次为6～8次，单次下压量不低于50％，以保证复合板间实现良好结合。
本发明将具有高强韧高中子吸收性能的(B4C+HfB2)/6016Al复合材料进行发泡处理，利用TiH2颗粒作为发泡剂，采用累积叠轧法制备泡沫预制体，实现了泡沫铝的强韧化，大截面积实现了对中子的高效吸收、借助高度弥散的原位纳米增强体实现对透过微米增强体间隙射线的有效捕获，并通过纳米增强体的高弥散强韧化作用、显著提高复合材料强韧性，利用发泡结构，减轻铝基复合材料的密度，实现了中子吸收材料的轻量化与小型化，获得高强韧高中子吸收的泡沫铝基复合材料。
附图说明
图1为本发明的累积叠轧工艺流程图。
具体实施方式
实例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法
实施实例
将(10vol％B4C+0.5vol％HfB2)/6016Al复合材料切割成5块150mm×50mm×0.5mm表面光滑的铝板，放入退火炉在380℃退火2小时；退火后取出铝板，在每块铝板距边缘5mm的位置上钻四个直径为1mm的小孔，分别用铜线固定末端，用丙酮脱脂，用圆形不锈钢刷刮刷；将1块铝板放于垫片上，通过实验室筛分，将0.8wt％的TiH2粉体均匀地分散在铝板上，将另一块铝板缓慢地放置在铺满TiH2粉体的铝板上，按照此步骤，将5块铝板上下堆叠；用铜线将堆成的铝板两端固定，将堆叠好的铝板轧制复合，使第一次得到的粘接板厚度达到0.8mm；将得到的厚度为0.8mm的粘接板带切成两半，275℃退火45min，在丙酮中脱脂，刮刷，上下堆叠，厚度为1.6mm，在不添加粉料的情况下，轧制复合，使板带厚度达到0.8mm。在室温下，重复8次累积叠轧循环得到泡沫铝基复合材料预制体，单次下压量为50％。在670℃的预热炉中对泡沫铝基复合材料预制体进行加热，加热时间为340s，600℃保温10min，将材料从炉中取出，获得高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料板。泡沫铝基复合材料板的孔隙率为33％，发泡孔径为0.35mm，拉伸强度为170MPa。

Claims (10)

1.一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，采用微米级B4C和纳米级内生HfB2颗粒增强的铝基复合材料作为发泡材料，提高材料的强韧性；TiH2颗粒作为发泡剂，通过累积叠轧技术，制备泡沫铝基复合材料预制体，并进行发泡处理，获得高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料，具体步骤如下：
(1)首先将外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料切割成若干块平行于轧制方向的铝板，然后退火；
(2)在退火后的铝板边缘钻四个孔，用铜线固定末端，脱脂、刮刷；
(3)将第一块铝板放于垫片上，将筛分后的TiH2粉体均匀地分散在第一块铝板上，将第二块铝板缓慢地放置在铺满TiH2粉体的铝板上，再将筛分后的TiH2粉体均匀地分散在第二块铝板上，直至堆叠完最后一块铝板，形成上下堆叠结构；
(4)用铜线将堆成的板带两端固定，将堆叠好的铝板轧制复合，达到66％以上的下压量，得到粘接板；
(5)将粘接板切成两半，退火、脱脂、刮刷，上下堆叠，进行第二次轧制复合，使堆叠的带材厚度减少50％；
(6)在室温下，重复6～8次累积叠轧循环，以实现TiH2发泡剂均匀分布，得到泡沫铝基复合材料预制体；
(7)在670℃的预热炉中对泡沫铝基复合材料预制体进行加热，加热时间为340s，600℃保温10min，将材料从炉中取出，获得高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料板。
2.如权利要求1所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料是以Al-Hf和Al-B合金作为反应物，6016Al作为基体，按照生成所需体积分数的纳米HfB2颗粒进行化学配比；将6016Al置于坩埚中，利用感应线圈进行加热熔化，待温度达到870℃时，加入Al-Hf和Al-B合金；开启径向磁场装置和超声场装置，径向磁场功率为110kw，电流为45A，超声场功率为13kw，反应30min，将熔体温度降至780～800℃，之后加入B4C颗粒，待复合完成后，静置、除气、除渣，待温度降至720℃后浇注成型，最终获得外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料。
3.如权利要求2所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述B4C颗粒是指B4C含量为99.5％以上，颗粒平均尺寸10～300μm的微米B4C陶瓷颗粒，外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料中B4C颗粒的体积分数为5～30vol％；加入B4C颗粒的速度为20g/min。
4.如权利要求3所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料中B4C颗粒的体积分数为10vol％。
5.如权利要求2所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在熔体中原位反应生成的HfB2增强体颗粒，增强体颗粒尺寸为2～100nm，增强体颗粒占外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al铝基复合材料的体积分数为0.2～25vol％。
6.如权利要求5所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，增强体颗粒占外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al铝基复合材料的体积分数为0.5vol％。
7.如权利要求1所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，退火是在380℃退火2小时。
8.如权利要求1所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(5)中，脱脂是用丙酮脱脂，刮刷是用圆形不锈钢刷刮刷；步骤(5)中，退火是275℃退火45min。
9.如权利要求1所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的TiH2颗粒平均尺寸为30μm-50nm，最大尺寸为52μm；每一层TiH2粉体的用量为外加B4C和内生HfB2颗粒增强的6016Al复合材料的0.8wt％。
10.如权利要求1所述的一种高强韧高中子吸收泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的累积叠轧是在室温下进行的，轧制道次为6～8次，单次下压量不低于50％，以保证复合板间实现良好结合。
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