CN113618063B - 一种通孔新型金属基复合泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通孔新型金属基复合泡沫材料及其制备方法，本方案中复合泡沫材料包括用以形成金属管阵列的金属管、填充于金属管间隙的粉末，其制备方法为：用纤维将金属管固定成为金属管阵列，将粉末与金属管阵列骨架交替叠加填充于模具中，压制成型；至少重复以上步骤两次，得到预制体压坯；真空烧结预制体压坯并保温，得通孔新型金属基复合泡沫材料，所制备的泡沫金属孔隙结构、孔隙分布、孔径大小可控，无需使用造孔剂进行造孔，泡沫金属的机械力学性能好。

Description

一种通孔新型金属基复合泡沫材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫金属领域，具体涉及一种通孔新型金属基复合泡沫材料及其制备方法。

技术背景

泡沫金属作为一种功能-结构一体化复合材料，能够充分发挥金属和多孔结构的综合性能优势。一方面，泡沫金属具有金属材料本身的显著优势，如良好的强韧性、导电性、导(耐)热性以及可焊接性、可回收性等；另一方面，立体三维多孔结构的存在能够赋予泡沫金属一系列区别于传统致密材料的新型结构/功能特性，如相对密度低、比强度高、比表面积高，以及优良的冲击能量吸收、吸声、隔热、散热以及过滤分离性能等。泡沫金属材料优异的综合性能，使其成为航空航天、汽车制造、国防军工、能源化工、建筑行业、生物医学等重要军事、工农业、医学领域的关键支撑材料。

目前，泡沫金属的主要制备方法有熔体发泡法、渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法、粉末冶金造孔剂法、中空球烧结法、去合金法等。其中，熔体发泡法、渗流铸造法和熔模铸造法等液态法具有操作简便、成本低和孔隙率高等显著优点，但是此类方法制备多孔材料的周期长，且金属泡沫孔径大小及孔分布难以精准控制。另外，渗流铸造法和熔模铸造法制备过程中的金属液体难以充分填充至造孔填料的间隙，导致基体内部产生缺陷，恶化金属多孔材料的性能。粉末冶金法利用固相烧结实现多孔材料的制备，其制备温度远低于铸造法。制备温度的降低有效拓宽了造孔剂的种类和范围。

现有技术中，公开号为CN201510163987.3的发明专利公开了一种粉末冶金法制备泡沫锌基材料的方法，以碳酸钙为发泡剂，以锌粉和镁粉为金属基体，对预制体进行表面清洁后，将其放入到电阻炉中加热发泡，最后将样品冷却，得到泡沫锌基材料，采用CaCO₃代替TiH₂，降低了制备成本，且制备出的泡沫锌基材料具有孔径小的特点，但制备的泡沫金属的开孔结构通常呈不规则形状，泡沫金属孔隙结构、孔径大小不可控，且孔隙形状易无规则，呈现不均匀分布，造成孔壁厚度不均匀，两者的综合作用极易导致孔壁产生应力集中，从而降低泡沫金属的机械力学性能。另外，现有粉末冶金技术制备的泡沫金属孔隙率主要依赖于造孔剂的含量，过多的造孔剂容易导致样品在去除造孔剂后变形甚至坍塌。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种通孔新型金属基复合泡沫材料及其制备方法，所制备的泡沫金属孔隙结构、孔隙分布、孔径大小可控，孔隙不易坍塌，泡沫金属的机械力学性能好。

本发明的技术方案是，提供一种通孔新型金属基复合泡沫材料，包括用以形成金属管阵列的金属管、填充于所述金属管间隙的粉末，所述金属管阵列包括等距阵列、等差阵列、梯度阵列以及其他规则或不规则阵列，所述相邻的金属管之间的间距为0-10 mm，优选地，所述相邻的金属管之间的间距为0-8 mm，更为优选地，所述相邻的金属管之间的间距为2-5 mm。

优选地，还包括用于固定所述金属管阵列的纤维，所述纤维可以为金属纤维、高分子纤维、天然纤维中的一种或几种，所述金属纤维的元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌的一种或几种，所述高分子纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚对苯二甲酸丁二酯纤维、聚对苯二甲酸丙二酯、尼龙纤维和涤纶纤维等，所述天然纤维包括蚕丝、麻、棉丝等。

优选地，所述金属管的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种，所述粉末的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种，更为优选地，所述金属管的基体金属元素与所述粉末的基体金属元素相同，当金属管与粉末含有不止一种元素时，所述相同的基体金属元素占所述金属管总质量的30%-99%，相应地，其他元素的百分比总和占所述金属管总质量的1%-70%，所述相同的基体金属元素占所述粉末总质量的30%-99%，相应地，其他元素的百分比总和占所述粉末总质量的1%-70%。

优选地，所述金属管为合金金属管、单质金属管中的一种或几种，优选地，所述金属管为金属毛细管；

所述金属管的内径为0.01 mm-10 mm，更为优选地，所述金属管的内径为0.1 mm-5mm，进一步优选地，所述金属管的内径为1 mm-3 mm，所述金属管的管壁厚度为0.01 mm-10mm，优选地，所述金属管的管壁厚度为0. 1 mm-8 mm，更为优选地，所述金属管的管壁厚度为1 mm-5 mm，所述金属管可以为钢管、铝管、铜管、镍管、钨管、镁管、铁管、钛管、钼管、锌管等金属管或其合金金属管中的一种或几种，但不限于以上材质的金属管。

优选地，所述粉末为金属粉末、非金属粉末中的一种或几种，所述金属粉末为单质金属粉末、合金粉末中的一种或几种，所述金属粉末的金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌中的一种或几种，所述单质非金属粉末中的非金属元素为元素周期表中常见的非金属元素，主要包括硼、碳、硅、磷中的一种或几种，优选地，所述粉末的粉末尺寸直径为1 μm-500 μm，更为优选地，所述粉末的粉末尺寸直径为20 μm-100 μm。

进一步地，还提供一种通孔新型金属基复合泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

S1. 用纤维将金属管排列形成固定的金属管阵列；

S2. 用清洗剂超声清洗所述金属管阵列，60-80℃下真空干燥，得金属管阵列骨架；

S3. 将粒径为1 μm-500 μm的粉末放入混料或球磨装置中，在惰性气体如氩气中混料或球磨，将混合粉末与所述金属管阵列骨架交替叠加填充于模具中，每次金属管被混合粉末覆盖后，使用机械压制并超声振动使混合粉末充分填充于金属管之间的间隙中；

S4. 所述步骤S3至少重复两次，得到预制体压坯，此步骤便于调整不同层级之间金属管阵列的排布方式、金属管的孔径、类别等，以形成孔隙结构、孔隙分布、孔径大小可控的金属管阵列-粉末预制体；

S5. 真空烧结所述预制体压坯并保温，冷却后，得到所述通孔新型金属基复合泡沫材料，具体保温温度的设定依据金属管-粉末复合体系中各类物质的熔点而定，更为优选地，依据体系中基体组元的熔点而定，最后得到的金属基复合泡沫材料的孔径大小主要由金属管的内径决定，即介于0.01-10 mm之间。通过综合调控与选择金属管的内径、壁厚、金属管阵列中相邻两个金属管的间距、金属管阵列的排列方式，即可以获得孔隙分布、孔隙尺寸以及孔隙率可控的具有均匀孔隙分布、非均匀孔隙分布、梯度孔径分布以及梯度密度分布等多种特征的金属基通孔复合泡沫材料。

优选地，所述真空烧结的升温速率为0.5-100 ˚C /min，保温温度为400-2000 ˚C，保温时间为1-3 h。

优选地，所述保温温度等于所述金属管及混合粉末或预合金粉末中基体组元熔点温度的0.5-1倍，以便粉末与金属管实现原子尺度的冶金结合。

优选地，所述清洗剂为丙酮、无水乙醇中的一种或几种，以除去金属管表面的油污和杂质。

优选地，所述纤维为金属纤维、高分子纤维、天然纤维中的一种或几种，所述金属纤维的元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌的一种或几种，所述高分子纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚对苯二甲酸丁二酯纤维、聚对苯二甲酸丙二酯、尼龙纤维和涤纶纤维等，所述天然纤维包括蚕丝、麻、棉丝等。

本方案中，利用纤维将具有中空通孔结构的金属管以一定距离的间隔排列成为金属管阵列，选择与之匹配的粉末体系，然后将混合粉末和金属管阵列交替叠加填充到模具中，得到具有一定尺寸的预制坯，随后对压坯进行真空烧结，粉末与金属管表面形成牢固的原子尺度的冶金结合，从而有效地使金属管阵列形成一个有机整体，通过调整金属管的尺寸、排列方式，最终获得孔隙尺寸、孔隙分布、孔结构以及孔隙率可控调节的新型金属基复合泡沫，泡沫材料的力学性能被提升，加强在实际应用中，冲击能量吸收、吸声、隔热、散热以及过滤分离性能的提升。

本方案中粉末的选择原则为：粉末包含如铝、镁、铁、钛、铜、镍、钼、钨、锌等元素周期表中常见的金属组元，还包含与金属管发生放热反应并最后可以固溶于金属管基体金属元素中的组元，如铝、镁、铁、钛、铜、镍、钼、钨、锌、硼、碳、硅、磷等其他元素周期表中常见的金属/非金属组元，优选地，混合粉末与金属管具有相同的基体金属元素，加强在实际应用中，冲击能量吸收、吸声、隔热、散热以及过滤分离性能的提升。

具体的，通过本方案所述的制备方法制备通孔新型金属基复合泡沫材料的机理在于：首先是利用中空通孔结构的金属管提供主要的孔隙率。另外，在烧结过程中，混合粉末因元素互扩散而在部分粉末区域率先达到过饱和固溶度而开始形成金属间化合物，此过程伴随着热量的释放，这提高了元素的扩散速率而加快烧结，在后续的过程中元素继续扩散使得金属间化合物逐渐消失，最终非基体元素固溶于基体元素中而在原位置留下孔隙，并且在粉末间、粉末与金属管的界面处通过扩散形成烧结颈而实现原子尺度的冶金结合。

本发明的有益效果在于：

1. 本方案引入了具有中空通孔结构的金属管作为泡沫金属骨架，通过调整中空通孔结构的金属管的排列方式，设计具有不同组合结构的金属管阵列，使得金属基复合泡沫材料的孔隙结构、孔隙分布、孔径大小可控，通过调控金属管的内径、壁厚和形状，能够实现对金属基复合泡沫材料孔隙尺寸、分布、形状的精准控制；

2. 本方案通过引入了具有中空通孔结构的金属管制备泡沫金属，避免了铸造法或传统粉末冶金造孔剂法由于造孔剂残留而污染金属基体等问题。

3. 传统粉末冶金法制备的泡沫金属孔隙结构、孔径大小不可控，易造成孔壁厚度不均匀，与其相比，通过引入中空通孔结构的金属管作为支撑骨架，金属管连续均匀的孔结构可以减少泡沫金属出现应力集中的现象，提升了泡沫金属的力学性能。

附图说明

图1为本方案的制备流程图；

图2为实例4制得的孔隙均匀分布的泡沫铝复合材料的示意图；

图3为根据本发明实例4制得的孔隙分布均匀的通孔泡沫铝的实物图；

图4为根据本发明实例4制得的孔隙分布均匀的泡沫铝的应力-应变曲线；

图5为本发明实例9制得的梯度孔径分布的泡沫钼复合材料的示意图；

图6为本发明实例10制得的梯度密度分布的泡沫钨复合材料的示意图；

图7为对比例1所制备的复合材料的应力-应变曲线；

图8为对比例2所制备的复合材料的应力-应变曲线；

图9为本方案与粉末冶金造孔剂法制备的泡沫铝的效果应用结果。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

一种通孔新型金属基复合泡沫材料，包括用以形成金属管阵列的金属管、填充于所述金属管阵列间隙的粉末；

所述金属管的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种，所述粉末的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种。

所述金属管为合金金属管、单质金属管中的一种或几种，优选地，所述金属管的内径为0.01 mm-10 mm，更为优选地，所述金属管的内径为0.1 mm-5 mm，进一步优选地，所述金属管的内径为1 mm-3 mm，所述金属管的管壁厚度为0.01 mm-10 mm，优选地，所述金属管的管壁厚度为0.1 mm-8 mm，更为优选地，所述金属管的管壁厚度为1 mm-5 mm，所述金属管可以为钢管、铝管、铜管、镍管、钨管、镁管、铁管、钛管、钼管、锌管等单质金属管或其合金金属管中的一种或几种；

所述粉末为金属粉末、非金属粉末中的一种或几种，所述金属粉末为单质金属粉末、合金粉末中的一种或几种，所述金属粉末的金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌中的一种或几种，所述非金属粉末包括单质非金属粉末，所述非金属粉末的非金属元素包括硼、碳、硅、磷中的一种或几种，优选地，所述粉末尺寸直径为1 μm-500 μm，更为优选地，所述粉末尺寸直径为20 μm-100 μm。

实施例2

一种通孔新型金属基复合泡沫材料，包括用以形成金属管阵列的金属管、填充于所述金属管阵列间隙的粉末；

所述金属管的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种，所述粉末的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种。

所述金属管为合金金属管、单质金属管中的一种或几种，优选地，所述金属管的内径为0.01 mm-10 mm，更为优选地，所述金属管的内径为0.1 mm-5 mm，进一步优选地，所述金属管的内径为1 mm-3 mm，所述金属管的管壁厚度为0.01 mm-10 mm，优选地，所述金属管的管壁厚度为0. 1 mm-8 mm，更为优选地，所述金属管的管壁厚度为1 mm-5 mm，所述金属管可以为钢管、铝管、铜管、镍管、钨管、镁管、铁管、钛管、钼管、锌管等单质金属管或其合金金属管中的一种或几种；

所述粉末为金属粉末、非金属粉末中的一种或几种，所述金属粉末为单质金属粉末、合金粉末中的一种或几种，所述金属粉末的金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌中的一种或几种，所述非金属粉末包括单质非金属粉末，所述非金属粉末的非金属元素包括硼、碳、硅、磷中的一种或几种，优选地，所述粉末尺寸直径为1 μm-500 μm，更为优选地，所述粉末尺寸直径为20 μm-100 μm。

所述金属管与粉末含有不止一种元素，所述金属管的基体金属元素与所述粉末的基体金属元素相同，所述相同的基体金属元素占所述金属管总质量的30%-99%，优选地，占所述金属管总质量的50%-85%，更为优选地，占所述金属管总质量的65%-80%，所述相同的基体金属元素占所述混合粉末总质量的30%-99%，优选地，占所述混合粉末总质量的50%-85%，更为优选地，占所述混合粉末总质量的65%-80%。

实施例3

一种通孔新型金属基复合泡沫材料，包括用以形成金属管阵列的金属管、填充于所述金属管间隙的混合粉末；

还包括用于固定所述金属管阵列的纤维，所述纤维为金属纤维、高分子纤维、天然纤维中的一种或几种。

所述金属管的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种，所述粉末的基体金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种。

所述金属管为合金金属管、单质金属管中的一种或几种，优选地，所述金属管的内径为0.01 mm-10 mm，更为优选地，所述金属管的内径为0.1 mm-5 mm，进一步优选地，所述金属管的内径为1 mm-3 mm，所述金属管的管壁厚度为0.01 mm-10 mm，优选地，所述金属管的管壁厚度为0.1 mm-8 mm，更为优选地，所述金属管的管壁厚度为1 mm-5 mm，所述金属管可以为钢管、铝管、铜管、镍管、钨管、镁管、铁管、钛管、钼管、锌管等单质金属管或其合金金属管中的一种或几种；

所述粉末为金属粉末、非金属粉末中的一种或几种，所述金属粉末为单质金属粉末、合金粉末中的一种或几种，所述金属粉末的金属元素包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌中的一种或几种，所述非金属粉末包括单质非金属粉末，所述非金属粉末的非金属元素包括硼、碳、硅、磷中的一种或几种，优选地，所述混合粉末的粉末尺寸直径为1 μm-500 μm，更为优选地，所述混合粉末的粉末尺寸直径为20 μm-100 μm。

所述金属管与粉末含有不止一种元素，所述金属管的基体金属元素与所述粉末的基体金属元素相同，所述相同的基体金属元素占所述金属管总质量的30%-99%，优选地，占所述金属管总质量的50%-85%，更为优选地，占所述金属管总质量的65%-80%，所述相同的基体金属元素占所述混合粉末总质量的30%-99%，优选地，占所述混合粉末总质量的50%-85%，更为优选地，占所述混合粉末总质量的65%-80%。

实施例4

一种通孔铝基复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

如图1所示的制备流程，将尺寸均为30 μm的Al粉和Mg粉按照质量百分比为9:1的比例均匀混合。将内径为1.4 mm，管壁壁厚为0.5 mm的纯铝管以0.8 mm为间隔排列成一个阵列，同时用纯铝纤维对该阵列进行固定，随后将纯铝管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥备用。再将混合均匀的Al-Mg粉末/纯铝管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将Al-Mg混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将纯铝管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于纯铝管阵列上，在纯铝管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到纯铝管的间隙。上述过程重复6次得到预制体压坯，预制坯中粉末和纯铝管阵列的最终排列方式如图2所示。随后，利用真空烧结，将压坯以3 ˚C/min的升温速率，升温至550 ˚C，并保温120 min。随炉冷却后即得到孔隙分布均匀和孔隙率为55%的通孔铝基复合泡沫材料，如图3所示。其中，该泡沫材料小孔隙的尺寸约为31 μm，大孔隙的尺寸约为1.4 mm。所得复合泡沫的平均平台应力可达42.6MPa，平台应力阶段的应变可达51.2%，如图4所示。

实施例5

一种通孔钢铝复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

将尺寸均为20 μm的Al粉和Mg粉按照质量百分比为9:1的比例均匀混合，并将内径为0.5 mm，管壁壁厚为0.3 mm的不锈钢管用聚丙烯纤维以0.2 mm为间隔排列成一个阵列，随后将不锈钢管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥，再将混合好的Al-Mg粉/不锈钢管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将Al-Mg混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将不锈钢管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于不锈钢管阵列上，在不锈钢管阵列被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到不锈钢管的间隙。上述过程重复6次得到预制体压坯。将压坯在真空烧结炉内以3 ˚C/min 的加热速率加热至500 ˚C保温60 min，随后以2 ˚C/min的加热速率升温至650 ˚C保温60 min。随炉冷却后即得到孔隙率为64%的通孔不锈钢基复合泡沫材料，其中小孔隙的尺寸约为23 μm，大孔隙的尺寸约为0.5 mm。

实施例6

一种通孔铁基复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

将尺寸均为5 μm的Fe粉、Al粉以及Si粉按照质量百分比为90:8:2比例均匀混合，并将内径为1 mm，管壁壁厚为0.3 mm的铁管用铁纤维丝以0.8 mm为间隔排列成一个阵列，随后将铁管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥，再将混合好的Fe-Al-Si混合粉末/铁管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将铁管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于铁管阵列上，在铁管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到铁管的间隙。上述过程重复6次得到预制体压坯。将压坯在真空烧结炉内以3 ˚C/min 的加热速率升至550 ˚C，并保温60 min；随后以2 ˚C/min的加热速率升温至1100 ˚C保温60 min。随炉冷却后即得到孔隙率为62%的通孔铁基复合泡沫材料，其中小孔隙的尺寸约为6.8 μm，大孔隙的尺寸约为1 mm。

实施例7

一种通孔镍基复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

将尺寸均为20 μm的Ni粉和Mg粉按照质量百分比为9:1的比例均匀混合，并将内径为1 mm，管壁厚度为0.3 mm的镍管用尼龙纤维以大约1 mm的间隔排列成一个阵列，随后将镍管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥，再将混合好的Ni-Mg粉末/镍管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将Ni-Mg混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将镍管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于镍管阵列上，在镍管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到镍管阵列的间隙。上述过程重复6次得到预制体压坯。将压坯在真空烧结炉内以5 ˚C/min 的加热速率升温至450˚C；随后以2 ˚C/min的加热速率升温至1000 ˚C，并保温60 min。冷却后即得到孔隙率为65%的通孔镍基复合泡沫材料，其中小孔隙的尺寸约为24.6 μm，大孔隙的尺寸约为1 mm。

实施例8

一种通孔钛基复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

将尺寸均为25 μm的Ti粉和Al粉按照质量百分比为9:1比例均匀混合，并将内径为2 mm，管壁厚度为0.5 mm的钛管用钛丝以大约0.6 mm的间隔排列成一个阵列，随后将钛管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥，再将混合好的Ti-Al粉/钛管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将Ti-Al混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将钛管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于钛管阵列上，在钛管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到钛管的间隙。上述过程重复6次得到预制体压坯。将压坯在真空烧结炉内以5 ˚C/min 的加热速率升温至600 ˚C；随后以2 ˚C/min的加热速率升温至1100 ˚C，并保温60 min。冷却后即得到孔隙率为60%的通孔钛基复合泡沫材料，其中小孔隙的尺寸约为26.7 μm，大孔隙的尺寸约为2 mm。

实施例9

一种具有孔径梯度结构的通孔钼基复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

将尺寸均为10 μm的Mo粉和Ni粉按照质量百分比为7:3比例均匀混合，选择内径分别为0.1、1、3、5、7、10 mm，管壁壁厚均为0.8 mm的6种钼管。用蚕丝以大约0.6 mm的间隔，分别将不同内径的钼管排列成6种阵列。每一组阵列中的钼管只具有一个固定的内径值，例如，将内径为0.1 mm的钼管组合在一起，成为一个阵列。随后将钼管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥，再将混合好的Mo-Ni粉/不同内径的钼管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将Mo-Ni混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将内径为0.1 mm的钼管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于钼管阵列上，在钼管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到钼管的间隙。随后，再将内径为1 mm的钼管阵列置于上一步骤已经铺好的粉末之上，再将粉末铺于该钼管阵列上，在钼管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到钼管的间隙。按照上述步骤，依次将内径为3 mm的钼管阵列、内径为5 mm的钼管阵列、内径为7 mm的钼管阵列、内径为10 mm的钼管阵列与混合粉末交替叠加，即可得到孔径沿粉末-钼管叠加方向呈梯度变化的预制体压坯。最后将压坯在真空烧结炉内以5 ˚C/min 的加热速率升温至850 ˚C；随后以2 ˚C/min的加热速率升温至1500 ˚C，并保温60 min。如图5所示，随炉冷却后即得到孔隙率为59%的孔径呈梯度分布的具有通孔结构的钼基复合泡沫材料，其中小孔隙的尺寸约为12.5 μm，大孔隙的尺寸从0.1 mm到10 mm呈梯度分布。

实施例10

一种通孔钨基复合泡沫材料的制备方法，具体步骤如下：

将尺寸均为10 μm的W粉、Ni粉和Fe粉按照质量百分比为93:5:2的比例均匀混合，选择内径为2 mm，管壁壁厚为1 mm的钨管。在两根相邻钨管的间距选择方面，分别选择0.6、1、1.5、2、2.5和3 mm等6种间距。其中，每组钨管阵列的间距保持一致（固定值），例如，当选择0.6 mm的间距作为两根相邻钨管的间距时，那么这一阵列中所有两根相邻钨管的间距均为0.6 mm。按照上述排列，可以得到6种排列间距分别为0.6、1、1.5、2、2.5和3 mm的钨管阵列。随后将钨管阵列先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗并干燥，再将混合好的W-Ni-Fe粉/不同间隔尺寸的钨管阵列依次填充到模具中。在填充的过程中，先将W-Ni-Fe混合粉末铺于模具最底层，采用模压工艺将混合粉末压实，然后将间距为0.6 mm的钨管阵列置于压实的粉末之上，再将粉末铺于钨管阵列上，在钨管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到钨管的间隙。随后，再将相邻钨管间距为1 mm的钨管阵列置于上一步骤已经铺好的粉末之上，再将粉末铺于钨管阵列上，在钨管被混合粉末覆盖后采用模压和超声振动组合工艺将粉末充分填充到钼管的间隙。按照上述步骤，依次将间距分别为1.5 mm的钨管阵列、间距为2 mm的钨管阵列、间距为2.5 mm的钨管阵列、间距为3 mm的钨管阵列与混合粉末交替叠加，即可得到相对密度沿粉末-钨管阵列叠加方向呈梯度分布的预制体压坯。最后将压坯在真空烧结炉内以5 ˚C/min 的加热速率升温至1000 ˚C；随后以2˚C/min的加热速率升温至1430 ˚C，并保温60 min。随炉冷却后即得到孔隙率为58%的相对密度呈梯度分布的通孔钨基复合泡沫材料，如图6所示，其中小孔隙的尺寸约为12.6 μm，大孔隙的尺寸约为2 mm。

对比例1

一种制备孔结构可控泡沫金属的制备方法，采用硫代硫酸钠作为造孔剂，制备孔结构可控的铝泡沫，包括以下步骤：

S1、泡沫金属孔形结构设计，确定孔的形状与结构：在本对比实例一中，泡沫金属孔的形状设计为短棒状，根据待成型的泡沫金属的孔隙率（55%）和孔形状，选用硫代硫酸钠作为造孔剂的原料，并确定造孔剂重量为17.8 g，金属粉末的材质为铝，金属粉末的重最为20.4 g；

S2、根据步骤S1确定的造孔剂的重量称取硫代硫酸钠颗粒，直接称取短棒状硫代硫酸钠颗粒作为造孔剂；

S3、根据步骤S1确定的金属粉末的重量称取金属粉末，将金属粉末与步骤S2选取的造孔剂一起放入搅拌器中，金属粉末在搅拌的过程中按每50 cm³体积的试样加4 ml酒精的方式来添加酒精，金属粉末与造孔剂混合均匀，金属粉末均匀地包裹在造孔剂的外部，制得烧结原料；

S4、将步骤S3制备的烧结原料倒入冷压成型模具中，以200 MPa等静压压力压实，制得原料压坏，将原料压坯从冷压成型模具中取出，打磨去除原料压坯棱角的毛刺留待后步使用；

S5、将步骤S4制备的原料压坯放在60 ˚C的水浴中恒温加热18 h，硫代硫酸钠溶解，制得具有孔状结构的待烧结坏料，然后将待烧结坯在真空环境和100 ˚C的烘干温度下烘30分钟，留待后面使用；

S6、将待烧结坯料放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为550 ˚C，保温4 h，随炉冷却至室温即可制得孔结构可控的泡沫铝材料。

将制得孔隙率为55%的泡沫铝进行准静态压缩实验，得到应力-应变曲线如图7所示，从图7可以看出平均平台应力为11.82 MPa，所得泡沫铝的应力随着应变单调且平滑的增加，曲线上没有峰值，表现出典型的泡沫材料特征。

对比例2

一种制备孔结构可控泡沫金属的制备方法，采用球形尿素颗粒作为造孔剂，制备孔结构可控的铝泡沫，包括以下步骤：

S1、泡沫金属孔形结构设计，确定孔的形状与结构：在本对比实例二中，泡沫金属孔的形状设计为球形，根据待成型的泡沫金属的孔隙率（55%）和孔形状，选用尿素颗粒作为造孔剂的原料，并确定造孔剂重量为35.6 g，金属粉末的材质为铝，金属粉末的重最为40.8g；

S2、根据步骤S1确定的造孔剂的重量称取尿素颗粒，直接称取球形尿素颗粒作为造孔剂；

S3、根据步骤S1确定的金属粉末的重量称取金属粉末，将金属粉末与步骤S2选取的造孔剂一起放入搅拌器中，金属粉末在搅拌的过程中按每50 cm³体积的试样加4 ml酒精的方式来添加酒精，金属粉末与造孔剂混合均匀，金属粉末均匀地包裹在造孔剂的外部，制得烧结原料；

S4、将步骤S3制备的烧结原料倒入冷压成型模具中，以200 MPa等静压压力压实，制得原料压坏，将原料压坯冷压成型模具中取出，打磨去除原料压坯棱角的毛刺留待后步使用；

S5、将步骤S4制备的原料压坯放在60 ˚C的水浴中恒温加热18 h，尿素颗粒溶解，制得具有孔状结构的待烧结坏料，然后将待烧结坯在真空环境和100 ˚C的烘干温度下烘30分钟，留待后面使用；

S6、将待烧结坯料放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为600 ˚C，保温4 h，随炉冷却至室温即可制得孔结构可控的泡沫铝材料。

将制得孔隙率为55%的泡沫铝进行准静态压缩实验，得到应力-应变曲线如图8所示，从图8可以看出平均平台应力为13.45 MPa，所得泡沫铝的应力随着应变单调且平滑的增加，曲线上没有峰值，表现出典型的泡沫材料特征。

应用例

将实施例4所制备的三维开孔结构的泡沫金属应用于吸能、电磁屏蔽以及消声等领域，并与造孔剂法制备的通孔泡沫铝材料的相关性能进行对比，结果如图9所示。

以上详细描述了本发明的具体实施例。

应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员以本发明构思在现有技术上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，都应在本权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 用纤维将金属管排列形成固定的金属管阵列；

S2. 用清洗剂超声清洗所述金属管阵列并干燥，得金属管阵列骨架；

S3. 将粉末与所述金属管阵列骨架交替叠加填充于模具中，压制成型；

其中，所述粉末包含可以固溶于金属管基体金属元素中的组元，所述组元为铝、镁、铁、钛、铜、镍、钼、钨、锌中的一种或多种；

S4. 所述步骤S3至少重复两次，得到预制体坯；

S5. 真空烧结所述预制体坯并保温，得所述通孔金属基复合泡沫材料；

通过综合调控与选择金属管的内径、壁厚、金属管阵列中相邻两个金属管的间距、金属管阵列的排列方式，即可以获得孔隙分布、孔隙尺寸以及孔隙率可控的具有均匀孔隙分布、非均匀孔隙分布、梯度孔径分布以及梯度密度分布多种特征的金属基通孔复合泡沫材料。

2.根据权利要求1所述的一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述复合泡沫材料制备过程中不使用造孔剂。

3.根据权利要求1所述的一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述金属管的基体组元包括铝、镁、铁、钛、铜、镍、锰、钼、钨、锆、钽、锡、钴、铬、铌、钒、锌金属元素中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述金属管的内径为0.01 mm-10 mm，所述金属管的管壁厚度为0.01 mm-10 mm。

5.根据权利要求1所述的一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述真空烧结的升温速率为0.5-100˚C /min，保温温度为400-2000˚C，保温时间为1-3 h。

6.根据权利要求1所述的一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述保温温度等于金属管及混合粉末或预合金粉末中基体组元熔点温度的0.5-1倍。

7.根据权利要求1所述的一种通孔金属基复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述纤维为金属纤维、高分子纤维、天然纤维中的一种或几种。

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