CN114905040B - 一种密度梯度泡沫金属及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密度梯度泡沫金属及其制备方法和应用。本发明的密度梯度泡沫金属的制备方法，包括如下步骤：S1：将金属粉末和发泡剂粉末混合，得到混合粉末；S2：对混合粉末进行冷压，得到冷压预制体；S3：将冷压预制体加热发泡至饱和状态，得到饱和预制体；S4：对饱和预制体进行挤压、冷却，得到密度梯度泡沫金属。本发明的制备方法能够更加简便地实现泡沫金属的梯度密度化，制备得到的密度梯度泡沫金属力学性能显著提升，应用范围广泛。

Description

一种密度梯度泡沫金属及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及泡沫金属技术领域，尤其是涉及一种密度梯度泡沫金属及其制备方法和应用。

背景技术

泡沫金属具有比强度高、比刚度高、孔隙率大、可变形量大和呼吸性能好等特性，可作为能量吸收、抗冲击和减震的防护结构，广泛应用于航天、航空、汽车等领域。此外，还有一些学者提出了具有杀菌消毒功能的载银泡沫金属的制备方法，该方法对未来医学行业将有较大帮助。

为了提高泡沫材料的力学性能，有学者提出了泡沫梯度化以实现多目标优化设计的思路。对此，也有学者对其进行相关的仿真及力学分析，探讨发现该思路的可行性，如《冲击载荷下梯度泡沫金属的力学性能研究》发现不同泡沫结构在动态冲击载荷作用下的力学性能和能量更好。

目前，已有的泡沫金属梯度密度化最常用的方式是利用离心机来实现，或者提前制作一个梯度化的预制块，再将熔融金属压力渗入其中，从而达到梯度密度化。CN1245096A公开了泡沫金属中间层法制备梯度功能材料，其工艺流程是采用预先处理的陶瓷粉粒、熔融的基体金属作为原料，预先搅拌混合后浇入装有泡沫金属中间层和具有预热温度的离心型模中，高速旋转，通过对泡沫金属中间层及过程的控制，获得完整梯度结构的梯度功能材料；然而，上述制备方法流程相对复杂。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密度梯度泡沫金属及其制备方法和应用，该制备方法能够更加简便地实现泡沫金属的梯度密度化，制备得到的密度梯度泡沫金属力学性能显著提升，应用范围广泛。

本发明提供一种密度梯度泡沫金属的制备方法，包括如下步骤：

S1：将金属粉末和发泡剂粉末混合，得到混合粉末；

S2：对混合粉末进行冷压，得到冷压预制体；

S3：将冷压预制体加热发泡至饱和状态，得到饱和预制体；

S4：对饱和预制体进行挤压、冷却，得到密度梯度泡沫金属。

本发明的制备方法是基于压力法来达到泡沫金属的梯度密度；在受到挤压时，在受压最大处会形成较大的梯度密度，而沿着其轴向，随着压力的减小，梯度密度则减小。基于此，利用泡沫金属发泡环节中，在达到饱和状态时用压力机对其施加压力，泡沫金属能沿接触面向下，梯度密度逐渐减小，进而制备得到密度梯度泡沫金属。

步骤S1中，金属粉末和发泡剂粉末按预设比例进行混合，所述预设比例能够使饱和预制体的密度为密度梯度泡沫金属的最小密度。具体地，步骤S1中，先确定目标产品的规格和性能要求，再选定其梯度密度中的最小密度作为一个基底要求，目的在于保证后续在压力机作用下能够形成所需的梯度密度，然后对其进行计算以及称重，得到金属粉末与发泡剂粉末的比例，即为预设比例。也就是说，步骤S1中的预设比例通过计算获得，确定达到目标需求的金属粉末与发泡剂粉末的比例，确保在发泡之后，泡沫金属的梯度密度与目标需求最小的一个梯度密度相等。

此外，步骤S1中，利用混料机进行混合，控制混料机的转速为100-300转/分；该合适的转速能够使混合后的混合粉末发泡完全，孔隙比较均匀。

步骤S2包括：将混合粉末倒入发泡模具中，利用压力机对混合粉末进行冷压，得到冷压预制体。本步骤中，冷压压实是使得混合粉末均匀压实成一个预制块，保证混合粉末均匀分布在发泡模具，确保目标产品的规整，同时减少浪费。

步骤S3中包括：将发泡模具和冷压预制体加热至发泡温度以上，保温使冷压预制体发泡至饱和状态，得到饱和预制体。具体地，可以在发泡模具的外圈套上电阻炉等加热部件，然后将冷压预制体与发泡模具一起进行加热，达到发泡的所需温度后持续一定时间，使得冷压预制体发泡完全；此外，可以在发泡模具上设置标记线，依此判断泡沫金属的发泡完全程度。

步骤S4中，利用压力机进行挤压，压力机具有与密度梯度泡沫金属形状匹配的压制板；挤压时，控制饱和预制体的最底层不受挤压。具体地，可以根据目标需求的压力，在步骤S3发泡使得冷压预制体发泡到饱和状态时，此时的泡沫金属已经达到最开始需求的一个梯度密度，接着降下压力机及附带的压制板，选用适合的压力，对饱和预制体进行挤压，最先接触压制板的泡沫金属在压力作用下，在一定的空间内，其梯度密度从上层沿竖直方向逐渐减小，而最底层可为未受到挤压，保持原先的梯度密度；即，压力机进行挤压是依靠压制板的结构，给步骤S3中受热发泡到饱和状态下的泡沫金属一个合适的压力，在有限空间内，其与压力机所附带的压制板接触的一端在受到压力下孔隙会减小，从而最后实现沿竖直轴向梯度密度逐渐减小的泡沫金属。

此外，步骤S4中，冷却包括：水冷至温度降至密度梯度泡沫金属的固相线温度以下，此时确保泡沫金属成为固态形式；或者，也可以水冷至温度降至密度梯度泡沫金属的固相线温度以上且熔点温度以下，此时可以对密度梯度泡沫金属进行卷制等。

本发明还提供一种密度梯度泡沫金属，按照上述制备方法制得。

本发明还提供上述密度梯度泡沫金属作为航天材料、航空材料、汽车材料或香薰材料的应用。

本发明还提供一种香薰产品的制备方法，包括如下步骤：

A)对密度梯度泡沫金属进行卷制，卷制时控制外层泡沫金属的密度大于内层泡沫金属的密度，得到圆柱体状泡沫金属；

B)对圆柱体状泡沫金属进行再次冷却，随后对圆柱体状泡沫金属的两端进行封装，再向封装后的圆柱体状泡沫金属中滴加精油，得到香薰产品。

本发明的制备方法能够更加简便地实现泡沫金属的梯度密度化，制备得到的密度梯度泡沫金属力学性能显著提升，可广泛应用于航天、航空、汽车、香薰等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的密度梯度泡沫金属的制备工艺流程图；

图2为实施例1的发泡模具的结构示意图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为实施例1的泡沫金属在受热发泡状态下的结构示意图；

图5为实施例1的压制板的结构示意图；

图6为实施例1的密度梯度泡沫金属的结构示意图；

图7为实施例2的密度梯度泡沫金属的制备工艺流程图；

图8为实施例2的泡沫金属在受热发泡状态下的结构示意图；

图9为实施例2的压制板的结构示意图；

图10为实施例2的密度梯度泡沫金属的结构示意图。

附图标记说明：

1：电阻炉；201、401：左发泡模具；202、402：右发泡模具；3：冷压预制体；301：受热发泡接触面；501、502：压制板；601、602：密度梯度泡沫金属。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例的梯度密度化的泡沫金属的方法，包括如下步骤：

步骤1：确定金属粉末与发泡剂粉末的预设比例

首先，确定目标产品的规格和性能要求，选定目标产品梯度密度中的最小密度作为一个基底要求，目的在于保证后续在压力机作用下能够形成所需的梯度密度，通过计算得到金属粉末与发泡剂粉末的预设比例，该预设比例应当能够使后续制备的饱和预制体的密度为密度梯度泡沫金属目标产品的最小密度。

步骤2：混料处理

按上述确定的预设比例对金属粉末与发泡剂粉末进行称重，将预设比例的金属粉末和发泡剂粉末放入混料机中，以100-300转/分的转速进行转动混合，得到混合粉末。

步骤3：冷压压实

将左发泡模具201、右发泡模具202组装好，再将混合粉末倒入组装好的发泡模具中，利用压力机附带的具有一定形状的压制板501，将混合粉末压实压制成冷压预制体3。

步骤4：受热发泡

在组装好的发泡模具外圈套上电阻炉1，然后将冷压预制体3与左发泡模具201、右发泡模具202一起进行加热，达到发泡的所需温度后持续一定时间，使得冷压预制体3发泡完全。

步骤5：压力机挤压

选用目标需求的压力，在步骤4发泡使得冷压预制体3发泡到饱和状态时，此时的泡沫金属已经达到最开始需求的一个梯度密度，接着降下压力机及附带的压制板501，选用适合的压力，对饱和预制体进行挤压，最先接触压制板501的受热发泡接触面301在压力作用下，在一定的空间内，其梯度密度从上层沿竖直方向逐渐减小，而最底层可未受到挤压，保持原先的梯度密度。

步骤6：水冷

将挤压好的泡沫金属迅速取出，然后水冷至泡沫金属的固相线温度以下，即制得带有梯度密度变化的密度梯度泡沫金属601。

实施例2

如图7至图10所示，本实施例的密度梯度泡沫金属的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：确定金属粉末与发泡剂粉末的预设比例

首先，确定目标产品的规格和性能要求，选定目标产品梯度密度中的最小密度作为一个基底要求，目的在于保证后续在压力机作用下能够形成所需的梯度密度，通过计算得到金属粉末与发泡剂粉末的预设比例，该预设比例应当能够使后续制备的饱和预制体的密度为密度梯度泡沫金属目标产品的最小密度。

步骤2：混料处理

按上述确定的预设比例对金属粉末与发泡剂粉末进行称重，将预设比例的金属粉末和发泡剂粉末放入混料机中，以100-300转/分的转速进行转动混合，得到混合粉末。

步骤3：冷压压实

将左发泡模具401、右发泡模具402组装好，再将混合粉末倒入组装好的发泡模具中，利用压力机附带的具有一定形状的压制板502，将混合粉末压实压制成冷压预制体3。

步骤4：受热发泡

在组装好的发泡模具外圈套上电阻炉1，然后将冷压预制体3与左发泡模具401、右发泡模具402一起进行加热，达到发泡的所需温度后持续一定时间，使得冷压预制体3发泡完全。

步骤5：压力机挤压

选用目标需求的压力，在步骤4发泡使得冷压预制体3发泡到饱和状态时，此时的泡沫金属已经达到最开始需求的一个梯度密度，接着降下压力机及附带的压制板502，选用适合的压力，对饱和预制体进行挤压，最先接触压制板502的受热发泡接触面301在压力作用下，在一定的空间内，其梯度密度从上层沿竖直方向逐渐减小，而最底层可未受到挤压，保持原先的梯度密度。

步骤6：水冷1

将步骤5中挤压好的泡沫金属迅速取出，然后水冷至固相线温度以上、熔点温度以下的一个温度区间内，即制得带有梯度密度变化的密度梯度泡沫金属602。

步骤7：卷制

取出步骤6水冷后的泡沫金属，在一定温度下用卷制机进行顺时针卷制并进行焊接或者胶粘，最后成型为一个圆柱体形态，该圆柱体形态的泡沫金属的外层梯度密度最大，内层梯度密度较小。

步骤8：水冷2

将步骤7卷制好的泡沫金属迅速进行再次水冷，水冷到泡沫金属的固相线温度以下，之后对泡沫金属的圆柱底面和顶面进行密封，顶面的密封面留孔，通过留孔将精油滴入，精油通过孔隙渗入并保留在泡沫金属之中，而外层的泡沫金属因为梯度密度较大，从而能够更大限度地保存精油而不使其泄露。此外，由于该泡沫金属不是完全密封，因此该泡沫金属进行一定的抛光打磨后可作为项链，并且起到香薰的作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种密度梯度泡沫金属的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将金属粉末和发泡剂粉末混合，得到混合粉末；

S2：对混合粉末进行冷压，得到冷压预制体；

S3：将冷压预制体加热发泡至饱和状态，得到饱和预制体；

S4：对饱和预制体进行挤压、冷却，得到密度梯度泡沫金属；

步骤S1中，金属粉末和发泡剂粉末按预设比例进行混合，所述预设比例能够使饱和预制体的密度为密度梯度泡沫金属的最小密度；

步骤S4中，利用压力机进行挤压，压力机具有与密度梯度泡沫金属形状匹配的压制板；挤压时，控制饱和预制体的最底层不受挤压。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，利用混料机进行混合，控制混料机的转速为100-300转/分。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：将混合粉末倒入发泡模具中，利用压力机对混合粉末进行冷压，得到冷压预制体。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中包括：将发泡模具和冷压预制体加热至发泡温度以上，保温使冷压预制体发泡至饱和状态，得到饱和预制体。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，冷却包括：水冷至温度降至密度梯度泡沫金属的固相线温度以下；或者，水冷至温度降至密度梯度泡沫金属的固相线温度以上且熔点温度以下。

6.一种密度梯度泡沫金属，其特征在于，按照权利要求1-5任一项所述的制备方法制得。

7.权利要求6所述的密度梯度泡沫金属作为航天材料、航空材料、汽车材料或香薰材料的应用。

8.一种香薰产品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A）对权利要求6所述的密度梯度泡沫金属进行卷制，卷制时控制外层泡沫金属的密度大于内层泡沫金属的密度，得到圆柱体状泡沫金属；

B）对圆柱体状泡沫金属进行再次冷却，随后对圆柱体状泡沫金属的两端进行封装，再向封装后的圆柱体状泡沫金属中滴加精油，得到香薰产品。