CN114798385B - 一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料及其制备方法。所制备的复合材料以体积分数计，铵盐为4.86％～48.8％，多孔金属基体为51.2％～95.14％，铵盐均匀填充于多孔金属基体的孔隙中，具有良好的自发汗冷却效果。同时本发明采用反复负压浸渍法、重结晶法及重结晶与反复负压浸渍结合法三种方法进行所述复合材料的制备。

Description

一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于自发汗冷却复合材料制备技术领域，具体涉及一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料及其制备方法。

背景技术

自发汗冷却复合材料是将冷却工质填充入多孔基体中，在材料受热时，复合材料中的冷却工质发生相变或分解，进而吸收大量的热量以达到冷却基体的目的。就目前所应用的自发汗冷却复合材料来看，以难熔金属为基体的自发汗冷却复合材料具有密度大和低温脆性等问题，而以无机非金属材料为基体的自发汗冷却复合材料同样具有脆性大、机加工性能差、导电性差及与其他金属部件焊接性能差等问题，均在实际应用中受到限制。

另外，对于自发汗冷却复合材料的制备方法，目前最为常见的为熔渗法和混粉烧结法两种，然而两种方法都存在一定的应用局限性。例如，熔渗法需要将冷却工质熔化后填充入基体当中，但许多冷却工质在加热时未熔化就先发生了分解，导致熔渗法无法应用。同样，混粉烧结法也存在冷却工质的使用温度与基体材料烧结温度不匹配的问题而限制了其使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料及其制备方法，能够有效解决复合材料制备时温度不匹配导致冷却工质无法合理填充于基体中的技术困难。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料，该铵盐填充多孔金属自发汗复合材料中，以体积百分比计，铵盐为4.86％～48.8％，多孔金属基体为51.2％～95.14％，且多孔金属基体的孔隙中32.4％～97.6％的孔隙被均匀填充有铵盐。

优选地，多孔金属基体的孔隙率为15％～50％。

优选地，所述铵盐选自溴化铵、氯化铵和碳酸氢铵中的一种或几种。

进一步优选地，几种可以是含有溴化铵/氯化铵二元复合盐、溴化铵/碳酸氢铵二元复合盐、氯化铵/碳酸氢铵二元复合盐及溴化铵/氯化铵/碳酸氢铵三元复合盐。

优选地，所述多孔金属基体选自多孔钛合金、多孔铝合金或多孔不锈钢。

优选地，该复合材料的密度为3.05g/cm³-3.98g/cm³。

优选地，该复合材料的背壁到达400℃的时间较纯多孔合金基体延后了30s-80s。

本发明公开了上述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的其中一种制备方法，采用反复负压浸渍工艺，包括以下步骤：

1)在常温及-0.08Mpa的负压条件下，将多孔金属基体浸渍于铵盐的过饱和溶液中，然后取出干燥除水后称重；

2)重复步骤1)操作，直至浸渍取出后的体系质量不再增加，制得铵盐填充多孔金属自发汗复合材料。

本发明还公开了上述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的又一种制备方法，采用重结晶工艺，包括：

在温度为60℃～90℃、压力为-0.08Mpa的条件下，将多孔金属基体浸渍于铵盐的过饱和溶液中，在该加热及负压条件下，铵盐溶液沸腾发生气化，待溶液中的溶剂完全气化后，取出多孔金属基体并清除其表面多余的铵盐，制得铵盐填充多孔金属自发汗复合材料。

本发明还公开了上述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的第三种制备方法，采用反复负压浸渍工艺和重结晶工艺结合的方法进行制备，包括：

1)在60℃-90℃及-0.08Mpa的负压条件下，将多孔金属基体浸渍于铵盐在该温度下的过饱和溶液中，在加热及负压条件下铵盐溶液沸腾发生气化，待溶液中的溶剂完全气化后，取出样品并清除其表面多余的铵盐，此时铵盐填充多孔金属基体中32.4％-50.6％的孔隙；

2)在常温及-0.08Mpa的负压条件下，将第1)步制备好的样品浸渍于铵盐的过饱和溶液中，然后取出干燥除水后称重；

3)重复步骤2)操作，直至浸渍取出后的体系质量不再增加，制得铵盐填充多孔金属自发汗复合材料，经过此步骤后，最终铵盐填充多孔金属60.7％-97.6％的孔隙。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料，将体积分数为4.86％～48.8％的铵盐填充到多孔金属中，该复合材料选择多孔钛合金、多孔铝合金及多孔不锈钢等多孔金属作为基体材料，以解决目前自发汗冷却复合材料基体密度大、低温脆性、焊接及机加工性能差等问题。同时，采用铵盐作为冷却工质，其分解温度适合、分解焓大，在使用过程中与基体材料无化学反应发生，因此具有冷却效率高，原料易得，成本低的优点，可以使复合材料起到很好的自发汗冷却的效果。

本发明制备的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料特定实验条件下复合材料背壁到达400℃的时间较纯多孔合金延后了71.1s，具有良好的热防护效果。

本发明还公开了制备上述铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的方法，包括反复负压浸渍法、重结晶法及重结晶与反复负压浸渍结合法。其中反复负压浸渍法的特点在于通过反复填充最终铵盐占据多孔金属的孔隙较多，复合材料中冷却工质较多而使其热防护效果较好，但其一次填充率较低导致制备周期过长；而重结晶法的特点在于一次填充率比较高，一次重结晶法的铵盐填充量相当于4-5次反复负压浸渍法的铵盐填充量，但重结晶法无法进行二次填充导致最终的铵盐填充量不如反复负压浸渍法。而重结晶与反复负压浸渍结合法则可以综合两种方法的优点。

因此，本发明公开的三种溶液法制备复合材料的方法具有适用范围广、工艺流程简单、成本低及能源消耗小等优点，可以很好的完成本发明所述自发汗复合材料的制备，同时可推广应用于其他复合材料的制备。

附图说明

图1为本发明制备的氯化铵填充多孔TC4合金自发汗复合材料XRD图谱；

图2为本发明制备的氯化铵填充多孔TC4合金自发汗复合材料的SEM和元素分布图；其中，(a)为表面SEM图，(b)为表面元素分布图，(c)为断面SEM图，(d)断面元素分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的制备，包括如下步骤：

1)、选择多孔轻金属合金中综合性能较好的多孔TC4合金作为基体材料，选择氯化铵作为其冷却工质。

2)、采用真空烧结法制备多孔TC4合金样品，所制备的样品为直径35mm，厚度6mm的圆片，样品质量16.13g，开气孔率20.2％。

3)、采用反复负压浸渍法进行氯化铵填充多孔TC4合金自发汗复合材料的制备，具体制备流程为：将8g的氯化铵与20ml的去离子水混合，在室温条件下搅拌30min制备成氯化铵过饱和溶液。将多孔TC4合金样品置于装有氯化铵过饱和溶液的烧杯中并将烧杯放置于真空干燥器中，用真空泵使真空干燥器维持-0.08Mpa以下的负压条件。6h后取出多孔TC4合金样品并进行干燥除水，待水除尽后对样品进行称量及表面清洁，再重复上述过程。重复十次后，再一次进行负压浸渍样品质量不再发生明显变化，最终渗入氯化铵0.68g，占复合材料总质量的4.1％，多孔TC4中有54.2％的孔隙被氯化铵填充，最终得到的复合材料实际密度为3.97g/cm³。

由图1可知，所制备的氯化铵填充多孔TC4合金自发汗复合材料除氯化铵及钛合金两相外，无其他杂质相生成。

图2中(a)、(b)分别为复合材料的表面SEM图及表面元素分布图，可见氯化铵均匀且大量的分布于多孔TC4合金基体的表面；图2中(c)、(d)分别为复合材料的断面SEM图及断面元素分布图，可见氯化铵较为均匀的分布在多孔TC4合金基体的内部(图2(c)中橙色区域内为分布在多孔TC4合金中的氯化铵)，此种结构可以起到较好的自发汗冷却效果。

实施例2：

一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的制备，包括如下步骤：

1)、选择多孔轻金属合金中综合性能较好的多孔TC4合金作为基体材料，选择氯化铵作为其冷却工质。

2)、采用真空烧结法制备多孔TC4合金样品，所制备的样品为直径20mm，厚度6mm的圆片，样品质量6.44g，开气孔率20.6％。

3)、采用重结晶法进行氯化铵填充多孔TC4合金自发汗复合材料的制备，具体制备流程为：将30.1g的氯化铵与50ml的去离子水在抽滤瓶中混合，在70℃条件下搅拌1h制备成氯化铵饱和溶液。将多孔TC4合金样品放于抽滤瓶中，用真空泵使抽滤瓶维持-0.08Mpa以下的负压条件并使抽滤瓶保持在70℃。6h后取出多孔TC4合金样品并进行表面清洁，最终渗入氯化铵0.28g，占复合材料总质量的4.16％，多孔TC4中有46.7％的孔隙被氯化铵填充，最终得到的复合材料实际密度为3.57g/cm³。

实施例3：

一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的制备，包括如下步骤：

1)、选择多孔轻金属合金中综合性能较好的多孔TC4合金作为基体材料，选择氯化铵和溴化铵两种无机盐的混合盐作为其冷却工质。

2)、采用真空烧结法制备多孔TC4合金样品，所制备的样品为直径40mm，厚度6mm的圆片，样品质量28.01g，开气孔率19.8％。

3)、采用反复负压浸渍法进行氯化铵/溴化铵混合盐填充多孔TC4合金自发汗复合材料的制备，具体制备流程为：将7.44g的氯化铵与20ml的去离子水混合，在室温条件下搅拌30min制备成氯化铵过饱和溶液；将7.64g的溴化铵与10ml的去离子水混合，在室温条件下搅拌30min制备成溴化铵过饱和溶液。最后将两种过饱和溶液混合并搅拌10min，得到NH₄Cl:NH₄Br＝1:1的混合盐过饱和溶液。将多孔TC4合金样品置于装有混合盐过饱和溶液的烧杯中并将烧杯放置于真空干燥器中，用真空泵使真空干燥器维持-0.08Mpa以下的负压条件。6h后取出多孔TC4合金样品并进行干燥除水，待水除尽后对样品进行称量及表面清洁，再重复上述过程。重复十次后，再一次进行负压浸渍样品质量不再发生明显变化，最终渗入混合盐1.22g，占复合材料总质量的4.2％，多孔TC4中有55％的孔隙被氯化铵填充，最终得到的复合材料实际密度为3.88g/cm³。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铵盐填充多孔金属自发汗复合材料，其特征在于，该复合材料中，以体积百分比计，铵盐为4.86％～48.8％，多孔金属基体为51.2％～95.14％，且多孔金属基体的孔隙中32.4％～97.6％的孔隙被均匀填充有铵盐；

多孔金属基体的孔隙率为15％～50％；铵盐作为冷却工质，选自溴化铵、氯化铵和碳酸氢铵中的一种或几种；所述多孔金属基体选自多孔钛合金、多孔铝合金或多孔不锈钢；

该复合材料的背壁到达400℃的时间较纯多孔合金基体延后了30-80s。

2.根据权利要求1所述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料，其特征在于，该复合材料的密度为3.05g/cm³-3.98g/cm³。

3.权利要求1～2中任意一项所述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的制备方法，其特征在于，采用反复负压浸渍法，包括以下步骤：

1)在常温及-0.08Mpa的负压条件下，将多孔金属基体浸渍于铵盐的过饱和溶液中，然后取出干燥除水后称重；

2)重复步骤1)操作，直至浸渍取出后的体系质量不再增加，制得铵盐填充多孔金属自发汗复合材料。

4.权利要求1～2中任意一项所述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的制备方法，其特征在于，采用重结晶法，包括：

在60℃～90℃及-0.08Mpa的条件下，将多孔金属基体浸渍于铵盐在该温度下的过饱和溶液中，在加热及负压条件下，铵盐溶液沸腾发生气化，待溶液中的溶剂完全气化后，取出多孔金属基体并清除其表面多余的铵盐，制得铵盐填充多孔金属自发汗复合材料。

5.权利要求1～2中任意一项所述的铵盐填充多孔金属自发汗复合材料的制备方法，其特征在于，采用反复负压浸渍法和重结晶法结合制备，包括：

1)在60℃-90℃及-0.08Mpa的负压条件下，将多孔金属基体浸渍于铵盐在该温度下的过饱和溶液中，铵盐溶液沸腾发生气化，待溶液中的溶剂完全气化后，取出样品并清除其表面多余的铵盐，此时铵盐填充多孔金属基体中32.4％-50.6％的孔隙；

2)在常温及-0.08Mpa的负压条件下，将第1)步制备好的样品浸渍于铵盐的过饱和溶液中，然后取出干燥除水后称重；

3)重复步骤2)操作，直至浸渍取出后的体系质量不再增加，制得铵盐填充多孔金属自发汗复合材料。