CN112941355A - 一种实心球泡沫铝复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实心球泡沫铝复合材料及其制备方法，所述实心球泡沫铝复合材料包括泡沫铝基体和实心陶瓷球，所述实心陶瓷球分布在所述泡沫铝基体中。本发明的复合材料在泡沫铝基体内部分布实心陶瓷球，实心陶瓷球的硬度高于泡沫铝，切割工具从软质泡沫铝接触到硬质实心陶瓷球时受力增大，会发生退让，致使复合材料很难一次性切开，且切割工具触及实心陶瓷球时作用力方向会因球形表面发生偏转，提高了复合材料的防切割性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种实心球泡沫铝复合材料及其制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种多孔泡沫金属材料，一般通过铝合金发泡成型工艺生产，在金属内形成均匀分布的气泡，从而使泡沫铝具备了轻质、高比刚度、阻尼减振、隔声降噪、吸能防撞击、隔热耐火耐腐蚀等诸多优异的性能。目前泡沫铝材料在航空航天、汽车船舶、机械建筑和包装运输等防护减震领域得到了广泛的应用。
但是铝合金硬度较低，防切割能力差，而泡沫铝结构材料中又具有气泡，用水刀、砂轮、车刀、转头等切割工具可以轻易切开泡沫铝。导致泡沫铝材料在使用过程中容易切割损坏，限制了其应用场景。因此，如何提高泡沫铝材料的防切割性能是目前急需解决的技术难题。
发明内容
本发明解决的问题是如何提高泡沫铝材料的防切割性能。
为解决上述问题，本发明提供一种实心球泡沫铝复合材料，包括泡沫铝基体和实心陶瓷球，所述实心陶瓷球分布在所述泡沫铝基体中。
可选地，所述实心陶瓷球的直径介于1mm-20mm之间。
可选地，在所述泡沫铝基体中，相邻所述实心陶瓷球的最大球心距离D1与相邻所述实心陶瓷球的最小球心距离D2满足关系：2≥D1/D2≥1。
可选地，所述实心陶瓷球的总体积占所述复合材料体积的5％-60％。
相对于现有技术，本发明实心球泡沫铝复合材料具有以下有益效果：
(1)复合材料在泡沫铝基体内部分布实心陶瓷球，实心陶瓷球的硬度高于泡沫铝，切割工具从软质泡沫铝接触到硬质实心陶瓷球时受力增大，会发生退让，致使复合材料很难一次性切开，且切割工具触及实心陶瓷球时作用力方向会因球形表面发生偏转，提高了复合材料的防切割性能。
(2)复合材料包括泡沫铝金属网格结构、泡沫铝中的孔洞结构和实心陶瓷球结构，各结构对冲击波的传导速度不同，能延长复合材料中冲击波的作用时间，降低冲击波的峰值，提高复合材料的吸能性能，实心陶瓷球还具有分散冲击波的作用，可以将冲击波均匀分散到泡沫铝基体中时，通过泡沫铝的压缩变形和粉碎损耗消耗冲击波能量，提高复合材料的抗冲击防爆轰性能。
(3)复合材料中选用直径较大的实心陶瓷球，切割工具易接触到实心陶瓷球，各实心陶瓷球的直径可以相同或不同，不同直径的实心陶瓷球组合使用可以填补间隙，提高实心陶瓷球空间占比，且实心陶瓷球直径不同，切割工具受力接触时发生不同程度偏转，可以提高复合材料整体的防切割性能。
(4)复合材料中实心陶瓷球的体积可以根据应用场景进行调整，当实心陶瓷球所占体积较小时，复合材料更加轻质，实心陶瓷球所占体积增大，复合材料的防切割和防爆性能提高。
(5)复合材料中实心陶瓷球分布均匀，可以保证材料各部位结构和性能的一致性高，适于产业使用。
本发明还提供一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至660℃-750℃，熔化得到铝液；
向铝液中加入增粘剂，搅拌分散；
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球，搅拌分散；
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，搅拌分散；
加入发泡剂和实心陶瓷球的铝液在630℃-700℃下保温，静置5min-10min；
冷却后得到实心球泡沫铝复合材料。
可选地，所述向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球，搅拌分散步骤中，所述实心陶瓷球加入前在800℃-1200℃温度下预热30min-120min。
可选地，所述向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球，搅拌分散步骤中，搅拌速度为2000rpm-5000rpm，搅拌时间为2min-10min。
可选地，所述向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，搅拌分散步骤中，搅拌速度为1500rpm-2500rpm，搅拌时间为10s-90s。
可选地，所述向铝液中加入增粘剂，搅拌分散步骤中，搅拌速度为600rpm-1500rpm，搅拌时间为2min-10min。
可选地，所述增粘剂为Ca或CaC2，所述增粘剂的粒径为2mm-3mm，所述发泡剂为TiH2、ZrH2或HfH2，所述发泡剂的粒度为200目-300目。
相对于现有技术，本发明实心球泡沫铝复合材料制备方法具有以下有益效果：
(1)该制备方法通过发泡工艺将实心陶瓷球固定在泡沫铝中，实心陶瓷球与泡沫铝基体的连接强度高，复合材料成型后实心陶瓷球位置固定，不会移动，复合材料结构和性能稳定。
(2)本方法步骤简单，生产效率高，通过本方法可以制备出不同形状的复合材料，且复合材料中实心陶瓷球均匀分布，复合材料性能稳定，一致性高，适于工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例中实心球泡沫铝复合材料的结构图；
图2为本发明实施例中实心球泡沫铝复合材料制备方法的流程图。
附图标记说明：
1-泡沫铝基体，2-实心陶瓷球，3-空心陶瓷球。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
结合图1所示，本发明的实施例公开一种实心球泡沫铝复合材料，包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2分布在泡沫铝基体1中。泡沫铝为通孔泡沫铝或闭孔泡沫铝，实心陶瓷球2的材料为氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝或氧化锆。实心陶瓷球2的硬度高于泡沫铝，切割复合材料时，切割工具从软质泡沫铝接触到硬质实心陶瓷球2受力增大，会发生退让，致使复合材料很难一次性切开，且切割工具触及实心陶瓷球2时作用力方向会因球形表面发生偏转，进一步提高了复合材料的防切割性能。
另外，该复合材料具有泡沫铝金属网格结构、泡沫铝中的孔洞结构和实心陶瓷球2结构，各结构对冲击波的传导速度不同，其中实心陶瓷球2对冲击波具有很快的传导速度，泡沫铝金属网格结构对冲击波的传导速度较缓，泡沫铝中的孔洞结构对冲击波传导速度最慢，各结构传播冲击波的速度差异能延长冲击波的作用时间，降低冲击波的峰值，提高复合材料的吸能性能。实心陶瓷球2还具有分散冲击波的作用，可以将冲击波均匀分散到泡沫铝中时，通过泡沫铝的压缩变形和粉碎损耗消耗冲击波能量，提高复合材料的抗冲击防爆轰性能。
进一步地，限定复合材料中实心陶瓷球2的体积比例，保证复合材料仍然具有泡沫铝轻质的优点。实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的5％-60％，复合材料中实心陶瓷球2的体积可以根据应用场景进行调整，当实心陶瓷球2所占体积较小时，复合材料更加轻质，实心陶瓷球2所占体积增大，复合材料的防切割和防爆性能提高。
选用的实心陶瓷球2的直径介于1mm-20mm之间，选用直径较大的实心陶瓷球2，切割时易接触到实心陶瓷球2。复合材料中各实心陶瓷球2的直径可以相同或不同，不同直径的实心陶瓷球2组合使用可以填补间隙，提高实心陶瓷球2体积占比。且实心陶瓷球2直径不同，切割工具受力接触时发生不同程度偏转，可以提高复合材料整体的防切割性能。
为了适于产业使用，该复合材料中实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，具体而言，在泡沫铝基体1中，相邻实心陶瓷球2的最大球心距离D1与相邻实心陶瓷球2的最小球心距离D2满足关系：2≥D1/D2≥1。由此，可以保证各实心陶瓷球2之间的间距相近，分布均匀，从而使复合材料各部位结构和性能的一致性高，适于产业使用。
结合图2所示，本发明的实施例还提供一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S10：将铝或铝合金加热至660℃-750℃，熔化得到铝液。加热温度烧高于铝或铝合金的熔点，使铝液具有较好的流动性。
S20：向铝液中加入增粘剂，增粘剂为Ca或CaC2，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的1.5％-5％。搅拌分散，搅拌速度为600rpm-1500rpm，搅拌时间为2min-10min，将增粘剂分散在铝液中，控制铝液粘度，利于实心陶瓷球2和发泡剂分散。
S30：向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝或氧化锆，实心陶瓷球2的直径为1mm-20mm，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的5％-60％。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm-5000rpm，搅拌时间为2min-10min，施加较大的搅拌强度，使实心陶瓷球2均匀分散在铝液中。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为800℃-1200℃，预热时间为30min-120min。预热可以去除实心陶瓷球2内的水分，提高浸润性，利于实心陶瓷球2表面与泡沫铝结合。
S40：向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2、ZrH2或HfH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的0.5％-4％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm-2500rpm，搅拌时间为10s-90s。加入发泡剂后搅拌强度较低，减少消耗发泡剂产生的气泡。
上述步骤S30和S40的顺序可以互换，也可以同步进行，即将实心陶瓷球2和发泡剂一起加入到铝液中，控制搅拌强度，保证实心陶瓷球2和发泡剂分散均匀，并尽量减少对气泡的消耗。
S50：加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在630℃-700℃下保温，发泡剂在高温下分解，产生氢气，静置5min-10min，铝液中充满气泡。
S60：铝液在模具中冷却，得到实心球泡沫铝复合材料，其包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2分布在泡沫铝基体1中。复合材料的形状由模具形状决定，可以制备出不同形状的复合材料，也可以进行切片得到板材。
该制备方法步骤简单，生产效率高，通过发泡工艺将实心陶瓷球2固定在泡沫铝中，实心陶瓷球2与泡沫铝基体1的连接强度高，复合材料成型后实心陶瓷球2位置固定，不会移动，且复合材料中实心陶瓷球2均匀分布，结构和性能稳定，一致性高，适于工业生产。
实施例1
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至660℃，熔化得到铝液；
向铝液中加入增粘剂Ca，增粘剂的粒径为2mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的1.5％，搅拌分散，搅拌速度为800rpm，搅拌时间为5min；
向含有增粘剂的铝液中加入预热的实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氧化铝，实心陶瓷球2的直径为5mm，搅拌分散，搅拌速度为3000rpm，搅拌时间为5min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1000℃，预热时间为50min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2，发泡剂的粒度为250目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的2％。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为10s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在630℃下保温，静置8min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的20％。
实施例2
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至720℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂Ca，增粘剂的粒径为3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的2％。搅拌分散，搅拌速度为1200rpm，搅拌时间为8min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为碳化硼，实心陶瓷球2的直径为1mm。搅拌分散，搅拌速度为3500rpm，搅拌时间为10min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为900℃，预热时间为60min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2，发泡剂的粒度为200目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的3％。搅拌分散，搅拌速度为1600rpm，搅拌时间为45s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在650℃下保温，静置6min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的25％。
实施例3
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至700℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂CaC2，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的5％。搅拌分散，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间为4min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氮化硼，实心陶瓷球2的直径为10mm。搅拌分散，搅拌速度为4500rpm，搅拌时间为6min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为800℃，预热时间为120min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为ZrH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的3％。搅拌分散，搅拌速度为2200rpm，搅拌时间为15s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在650℃下保温，静置10min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的30％。
实施例4
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至710℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂Ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的3.5％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为2min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氮化硅，实心陶瓷球2的直径为1mm-20mm，各实心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为10min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1200℃，预热时间为30min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为HfH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的4％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为90s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在700℃下保温，静置5min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的60％。
实施例5
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至750℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂Ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的5％。搅拌分散，搅拌速度为700rpm，搅拌时间为9min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氮化铝，实心陶瓷球2的直径为5mm-10mm，各实心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为9min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为950℃，预热时间为65min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的2.5％。搅拌分散，搅拌速度为2200rpm，搅拌时间为65s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在640℃下保温，静置7.5min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的55％。
实施例6
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至690℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂CaC2，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的4.5％。搅拌分散，搅拌速度为1300rpm，搅拌时间为9min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氧化锆，实心陶瓷球2的直径为10mm-20mm，各实心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为5000rpm，搅拌时间为2min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1000℃，预热时间为90min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的2.6％。搅拌分散，搅拌速度为2200rpm，搅拌时间为25s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在650℃下保温，静置6min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的40％。
实施例7
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至680℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂Ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的4.5％。搅拌分散，搅拌速度为1100rpm，搅拌时间为4min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氧化铝，实心陶瓷球2的直径为5mm-20mm，各实心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为3600rpm，搅拌时间为7.5min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的0.5％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为10s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在630℃下保温，静置5min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的5％。
实施例8
一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至750℃，熔化得到铝液。
向铝液中加入增粘剂Ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的2.8％。搅拌分散，搅拌速度为900rpm，搅拌时间为5min。
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球2，实心陶瓷球2的材料为氧化铝，实心陶瓷球2的直径为1mm-20mm。搅拌分散，搅拌速度为4800rpm，搅拌时间为8min。实心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1000℃，预热时间为90min。
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为TiH2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的1.6％。搅拌分散，搅拌速度为1900rpm，搅拌时间为25s。
加入发泡剂和实心陶瓷球2的铝液在680℃下保温，静置9min。
冷却，得到实心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和实心陶瓷球2，实心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，实心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的10％。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实心球泡沫铝复合材料，其特征在于，包括泡沫铝基体和实心陶瓷球，所述实心陶瓷球分布在所述泡沫铝基体中。
2.根据权利要求1所述的实心球泡沫铝复合材料，其特征在于，所述实心陶瓷球的直径介于1mm-20mm之间。
3.根据权利要求2所述的实心球泡沫铝复合材料，其特征在于，在所述泡沫铝基体中，相邻所述实心陶瓷球的最大球心距离D1与相邻所述实心陶瓷球的最小球心距离D2满足关系：2≥D1/D2≥1。
4.根据权利要求1-3任一所述的实心球泡沫铝复合材料，其特征在于，所述实心陶瓷球的总体积占所述复合材料体积的5％-60％。
5.一种实心球泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铝或铝合金加热至660℃-750℃，熔化得到铝液；
向铝液中加入增粘剂，搅拌分散；
向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球，搅拌分散；
向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，搅拌分散；
加入发泡剂和实心陶瓷球的铝液在630℃-700℃下保温，静置5min-10min；
冷却后得到实心球泡沫铝复合材料。
6.根据权利要求5所述的实心球泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球，搅拌分散步骤中，所述实心陶瓷球加入前在800℃-1200℃温度下预热30min-120min。
7.根据权利要求5或6所述的实心球泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述向含有增粘剂的铝液中加入实心陶瓷球，搅拌分散步骤中，搅拌速度为2000rpm-5000rpm，搅拌时间为2min-10min。
8.根据权利要求5或6所述的实心球泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，搅拌分散步骤中，搅拌速度为1500rpm-2500rpm，搅拌时间为10s-90s。
9.根据权利要求5或6所述的实心球泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述向铝液中加入增粘剂，搅拌分散步骤中，搅拌速度为600rpm-1500rpm，搅拌时间为2min-10min。
10.根据权利要求5或6所述的实心球泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述增粘剂为Ca或CaC2，所述增粘剂的粒径为2mm-3mm，所述发泡剂为TiH2、ZrH2或HfH2，所述发泡剂的粒度为200目-300目。
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| CN115029575A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-09-09 | 河北大学 | 一种梯度多孔复合材料的原位制备方法 |
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