CN116060622A - 一种具有空心壳层结构的隔热材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有空心壳层结构的隔热材料及其制备方法。隔热材料包括铝合金基体和双层空心球，所述双层空心球填充在所述铝合金基体中，其中，所述双层空心球由陶瓷空心球和金属壳层组成，所述金属壳层包覆在所述陶瓷空心球外部。本申请提供的具有空心壳层结构的隔热材料充分利用了空心球结构在金属基复合材料中的增强作用和隔热特性，具有低密度、高比强度、低热导率、结构可设计等功能特性，拓宽了金属材料的应用领域和场景。通过引入空心球结构，降低了材料的热导率，使得金属材料具有了良好的隔热特性。通过在陶瓷空心球内坯外部复合金属壳层，使得该种隔热材料同时具有了增强作用，能适用于更为复杂、对强度有一定要求的工作场景。
Description
技术领域
本发明涉及复合隔热材料领域，尤其涉及一种具有空心壳层结构的隔热材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着核电事业的蓬勃发展，新型核电技术不断升级，迫切需要研制新型的高性能核电隔热材料。例如：新一代核电装备的反应堆体系中的隔热筒构件，要求在构件厚度较小的情况下，构件材料具备较低的导热系数。金属隔热材料具有耐高温、耐腐蚀、保温效果好的优点，在核电领域得到广泛应用。金属基空心球复合材料是一种以铸造、粉末冶金等成形方法，将毫米级金属空心球引入金属基体中的一种金属多孔复合材料，兼具轻质、高强、减震降噪、隔热、屏蔽等功能特性优势。金属复合材料，是指利用复合技术或多种、化学、力学性能不同的金属在界面上实现冶金结合而形成的复合材料，其极大地改善单一金属材料的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨损性、电性能、磁性能等诸多性能，因而被广泛应用到产品广泛应用于石油、化工、船舶、冶金、矿山、机械制造、电力、水利、交通、环保、压力容器制造、食品、酿造、制药等工业领域。但是现有的复合金属材料其稳定性、耐腐蚀性、隔热性及通气性均比较差。
专利CN109927369A公开了一种隔热复合金属材料，金属材料本体各组分质量份为：Al：80-90份，Fe：5-8份，Cu：15-18份，Cr：3-5份，Mo：2-6份，Ni：2-8份，C：2-5份，Co：2-5份及不可除去的杂质，金属材料本体上表面由内至外依次设有储氢材料层和坡莫合金层，金属材料本体底层由内至外依次设有陶瓷纤维板、粉末冶金材料层以及轴承合金，坡莫合金层上表面以及轴承合金下表面均黏贴有一层隔热膜，隔热膜的外表面还设有聚合物复合层以及纳米层。该隔热复合材料具有较高的稳定性、耐腐蚀性、通气性等优点，但在隔热效果和强度上仍然不足以满足核电装备中对核电隔热材料的需求。
如何制备一种新型的核电隔热材料，使其能够满足核电工作环境下的隔热效果和材料强度，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的方案基于上述思路，以不同材质的双层空心球取代传统的单层金属空心球，从而获得了一种具有双层空心壳层的金属基复合材料。通过改变双层空心壳层中的材料，充分利用其层间材料差异性对复合材料性能的影响，并以此为基础，开发新型的具有空心壳层结构的隔热材料。这对于提高核电工作环境下的隔热效果、减少热量损失、保护核心构件具有重要作用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一方面，本发明提供一种具有空心壳层结构的隔热材料，所述隔热材料包括铝合金基体和双层空心球，所述双层空心球填充在所述铝合金基体中，其中，所述双层空心球由陶瓷空心球和金属壳层组成，所述金属壳层包覆在所述陶瓷空心球外部。
进一步地，所述金属壳层的强度高于铝合金基体。
进一步地，所述金属壳层的材质为不锈钢；所述陶瓷空心球的材质为氧化铝陶瓷。
进一步地，所述陶瓷空心球的外径为2～3mm，并且所述的金属壳层的厚度大于或等于陶瓷空心球的壁厚。
进一步地，所述陶瓷空心球与金属壳层的结合方式为机械结合；所述的金属壳层与铝合金基体的结合方式为冶金结合。
另一方面，本申请还提供一种具有空心壳层结构的隔热材料的制备方法，用于制备上述隔热材料，包括如下步骤：
1)筛选若干球形度高的陶瓷空心球作为内坯，在陶瓷空心球表面涂覆金属粉末；
2)对涂覆有金属粉末的陶瓷空心球进行烧结，得到双层空心球；
3)将双层空心球以随机分布的方式放入模具，将铝合金粉末填入模具内双层空心球之间的空隙中；
4)将填充有双层空心球和铝合金粉末的模具进行热压烧结，匀速升温至一定温度，保温一定时间，冷却，得到具有空心壳层结构的隔热材料。
进一步地，步骤1)中所述陶瓷空心球和金属粉末的质量比为1:2，步骤2)中所述烧结的温度为1100～1250℃。
进一步地，步骤3)中所述双层空心球和铝合金粉末的质量比为8:5。
进一步地，所述步骤4)中匀速升温的速率为10℃/min，所述热压烧结的温度为580～600℃。
进一步地，所述步骤4)中热压烧结的压强为5MPa，保温时间为1～3h。
本发明所提供的具有空心壳层结构的隔热材料，充分利用了空心球结构在金属基复合材料中的增强作用和隔热特性。通过引入空心球结构，降低了材料的热导率，使得金属材料具有了良好的隔热特性。通过在陶瓷空心球内坯外部复合金属壳层，使得该种隔热材料同时具有了增强作用，能适用于更为复杂、对强度有一定要求的工作场景。本发明不仅通过材料的选择实现了金属材料热导率的降低，并且空心球结构上的复合设计，实现了隔热性能与增强作用的统一，本发明提供的空心球增强隔热材料具有低密度、高比强度、低热导率、结构可设计等功能特性，能够应用于如核电隔热材料等多种技术领域和场景。
附图说明
下面对说明书附图所表达的内容做简要说明：
图1为本申请提供的具有空心壳层结构的隔热材料的内部结构示意图；
图2为本申请实施例1所制备的具有空心壳层结构的隔热材料中双层空心球与铝基体之间冶金结合层的电镜表征图；
图3为本申请实施例1所制备的具有空心壳层结构的隔热材料的隔热性能测试结果；
图4为本申请实施例1所制备的具有空心壳层结构的隔热材料的力学性能测试结果。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供一种具有空心壳层结构的隔热材料，如图1所示，这种具有空心壳层结构的隔热材料以陶瓷空心球为内坯，在内坯外部设有金属壳层，同时在金属壳层外部以铝合金为基体。
这种空心球增强隔热材料的实现形式是，金属壳层的增强作用，以及陶瓷空心球、金属壳层等低热导率组元的隔热作用。在增强方面，球壳是一种耐压结构，并且，金属壳层因其高的强度在复合材料中能够起到增强相的作用。在隔热方面，单层空心球复合材料的热导率可以通过Maxwell方程进行理论计算和预测。根据Maxwell方程：
其中，σ210为单层空心球复合材料的热导率，0、1、2分别指单层空心球的内部空气、空心球壳层和金属基体，σ和g分别为复合材料中组元的热导率和体积分数。在本发明提供的空心球增强隔热材料，即双层空心球复合材料中，可以通过再次应用Maxwell方程获得双层空心球复合材料的热导率：
其中，σ3210为一种双层空心球复合材料的热导率，0、1、2、3分别指陶瓷空心球的内部空气、陶瓷空心球壳层、金属壳层和铝合金基体。可见，选用具有低热导率的组元、增大低热导率组元在复合材料中的体积分数，可以有效降低复合材料的热导率。
因此，在材料的选择上，选用陶瓷空心球作为复合材料的内部造孔剂。以氧化铝为代表的陶瓷材料具有较低的热导率，能有效作用于隔热材料。且陶瓷空心球具有薄壁的优点，较小的壁厚直径比能有效保证空心球内部热导率最低的空气的含量，能够大幅降低材料的热导率；陶瓷空心球还具有高的外部球形度，有助于提高外层金属壳层的球形度，增强双层空心球结构的抗压特性，进而提升材料的强度。选用强度高于铝合金基体作为金属空心球内坯的外部金属壳层，这是因为高强度的金属材料粉体在制备外部金属壳层时表现出好的成形性，有助于形成具有高球形度的金属壳层和提高金属壳层的抗压特性。本发明实施例中的金属材料优选为不锈钢，不锈钢的强度高于铝合金基体，有助于外部金属壳层在基体中发挥强化作用。
本发明提供的具有空心壳层结构的隔热材料通过以下方法制备：
选用经过筛选后直径为2-3mm、球形度高的氧化铝陶瓷空心球作为内坯，通过利用黏结剂溶液在陶瓷空心球表面涂覆不锈钢金属粉末，并在1100～1250℃条件下进行烧结的方法，在内坯表面复合上一层316L不锈钢金属层。陶瓷空心球和不锈钢金属粉末的质量比为1：2。
将制备好的具有复合双层结构的空心球以随机分布的方式放入模具中，之后将铝合金粉末分布填充在模具内空心球空隙中。双层空心球和铝合金粉末的质量比为8:5，以确保空心球在复合材料中的体积分数为60％。
将装有原材料的模具放入热压烧结炉中进行热压烧结，以10℃/min的速率升温至580～600℃，当温度稳定后，在该温度下保温1～3h后随炉冷却，烧结过程中保持压强为5MPa。得到具有空心壳层结构的隔热材料。
在制备的复合材料中，空心球外部金属壳层以冶金结合方式与铝合金基体结合，在界面处形成反应扩散层(冶金结合层)以加强复合材料组元间的结合并协调材料的内部变形。
以下结合具体实施例，对上述制备方法的流程进行具体说明。
实施例1
取30g直径为2.46～2.87mm的氧化铝陶瓷空心球作为内坯，使用4％聚乙烯醇水溶液作为黏结剂，在其上涂覆60g316L不锈钢粉末后，在1200℃下烧结并保温1.5h，制备成具有金属-陶瓷复合结构的双层空心球。
取出40g双层空心球用酒精清洗并进行烘干，之后和25g1100纯铝粉充分混合，放入直径为40mm的石墨模具中进行烧结。
以10℃/min的速率升温至580℃，在该温度下保温2h后随炉冷却，烧结过程中保持压强为5MPa。烧结结束得到铝基双层空心球复合材料。
氧化铝陶瓷空心球内坯与外部316L不锈钢金属壳层的结合方式为机械结合，316L不锈钢金属壳层与1100铝基体的结合方式为冶金结合，对制备得到的铝基双层空心球复合材料的剖面进行电镜表征，如图2所示，其冶金结合层的厚度约为24μm。
测试制备得到的铝基双层空心球复合材料在25℃、200℃、300℃和400℃下的热导率，并对铝基体和铝基单层陶瓷空心球复合材料在相同条件下的热导率进行比较，测试结果如图3所示，可以看到，相比于单纯的金属材料或传统单层复合材料，铝基双层空心球复合材料在不同温度条件下的隔热性能均有大幅度的提升。
测试制备得到的铝基双层空心球复合材料的压缩应力-应变曲线，并与铝基体、铝基单层陶瓷空心球复合材料的压缩应力-应变曲线进行比较，如图4所示，可以看到，铝基双层空心球复合材料的强度与弹性模量均高于单一的铝基体，且具有吸能平台同时其强度要明显好于单层陶瓷空心球复合材料。
实施例2
取50g直径为2～2.46mm的氧化铝陶瓷空心球作为内坯，使用4％聚乙烯醇水溶液作为黏结剂，在其上涂覆100g316L不锈钢粉末后，在1150℃下烧结并保温2h，制备成具有金属-陶瓷复合结构的双层空心球。
取出50g双层空心球用酒精清洗并进行烘干，之后和31g7075铝合金粉充分混合，放入直径为50mm的石墨模具中进行烧结。
以10℃/min的速率升温至600℃，在该温度下保温1h后随炉冷却，烧结过程中保持压强为5MPa。烧结结束得到铝基双层空心球复合材料。
氧化铝陶瓷空心球内坯与外部316L不锈钢金属壳层的结合方式为机械结合，316L不锈钢金属壳层与7075铝合金基体的结合方式为冶金结合，其冶金结合层的厚度约为16μm。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种具有空心壳层结构的隔热材料，其特征在于，所述隔热材料包括铝合金基体和双层空心球，所述双层空心球填充在所述铝合金基体中，其中，所述双层空心球由陶瓷空心球和金属壳层组成，所述金属壳层包覆在所述陶瓷空心球外部。
2.根据权利要求1所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料，其特征在于，所述金属壳层的强度高于铝合金基体。
3.根据权利要求2所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料，其特征在于，所述金属壳层的材质为不锈钢；所述陶瓷空心球的材质为氧化铝陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料，其特征在于，所述陶瓷空心球的外径为2～3mm，并且所述的金属壳层的厚度大于或等于陶瓷空心球的壁厚。
5.根据权利要求1所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料，其特征在于，所述陶瓷空心球与金属壳层的结合方式为机械结合；所述的金属壳层与铝合金基体的结合方式为冶金结合。
6.一种具有空心壳层结构的隔热材料的制备方法，用于制备权利要求1～5任一所述的隔热材料，其特征在于，包括如下步骤：
1)筛选若干球形度高的陶瓷空心球作为内坯，在陶瓷空心球表面涂覆金属粉末；
2)对涂覆有金属粉末的陶瓷空心球进行烧结，得到双层空心球；
3)将双层空心球以随机分布的方式放入模具，将铝合金粉末填入模具内双层空心球之间的空隙中；
4)将填充有双层空心球和铝合金粉末的模具进行热压烧结，匀速升温至一定温度，保温一定时间，冷却，得到具有空心壳层结构的隔热材料。
7.根据权利要求6所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述陶瓷空心球和金属粉末的质量比为1:2，步骤2)中所述烧结的温度为1100～1250℃。
8.根据权利要求6所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述双层空心球和铝合金粉末的质量比为8:5。
9.根据权利要求6所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中匀速升温的速率为10℃/min，所述热压烧结的温度为580～600℃。
10.根据权利要求6所述的一种具有空心壳层结构的隔热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中热压烧结的压强为5MPa，保温时间为1～3h。
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