專利名稱：一種通過彌散強(qiáng)化來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用彌散強(qiáng)化手段提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，特別是一種用粉末冶金法引入第二相顆粒來改善泡沫鋁基體材料的力學(xué)性能，使其力學(xué)性能明顯提高的方法。
背景技術(shù)：
泡沫金屬是一種由金屬基體和氣孔組成的新型材料。一般金屬都具有密實的多晶體結(jié)構(gòu)，其中的孔隙，如縮孔、疏松、氣孔等，是作為一種缺陷來對待的，當(dāng)缺陷多時，就會影響材料的性能，甚至成為廢品。而泡沫金屬恰恰是利用了材料的這種缺陷，當(dāng)金屬材料的這種缺陷數(shù)量達(dá)到一定程度(及孔隙率為40-98%，孔徑為0. 5-6mm或更大)后，可在犧牲其強(qiáng)度等力學(xué)性能的同時，獲得其它如熱、聲、能量吸收、輕質(zhì)等優(yōu)越性能而成為一種新型結(jié)構(gòu)功能材料。泡沫金屬材料因其具有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能與可回收性等，被認(rèn)為是一類很有發(fā)展前景的新材料，可用做環(huán)境保護(hù)的降噪材料，振動和沖擊能量吸收器，粉塵和流體過濾器，發(fā)電機(jī)排氣的消音器，室內(nèi)保溫、阻燃和隔音裝飾材料，多孔電極，高溫墊圈和耐磨墊，催化劑載體，屏蔽電磁波的材料等。最近十幾年中，金屬泡沫特別是鋁泡沫，由于它們在擠壓、彎曲、和有用的熱學(xué)和聲學(xué)性能方面的高空隙率力學(xué)性能，受到越來越多的關(guān)注。既然泡沫鋁的力學(xué)性能與空隙率有直接的關(guān)系，空隙率越高，力學(xué)性能越低。因此高空隙率導(dǎo)致在輕結(jié)構(gòu)和沖擊衰減性能方面不滿意的結(jié)果。為了提高鋁泡沫的力學(xué)性能，一些措施如優(yōu)化的孔洞之間的結(jié)合和制備復(fù)合物泡沫已經(jīng)被采用。而本發(fā)明中通過顆粒增強(qiáng)來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法還沒有被報道過。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用商業(yè)純度的鋁粉末、第二相顆粒和氯化鈉顆粒作為基底材料。鋁粉顆粒先與第二相顆粒機(jī)械混合均勻，然后與氯化鈉顆?；旌暇鶆颉X粉顆粒與第二相顆?；旌衔锖吐然c顆粒按預(yù)定比例混合，然后在一定壓力下壓實，燒結(jié)，采用熱水浴去除氯化鈉顆粒后，獲得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。生產(chǎn)第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的工藝方法的具體操作步驟如下(1)采用商業(yè)純度的鋁粉末、第二相顆粒和氯化鈉顆粒作為基底材料，(2)將鋁粉末先與第二相顆粒混合均勻，然后與氯化鈉顆粒混合均勻。(3)將上述混合物與有機(jī)溶劑添加劑機(jī)械混合均勻，(4)將步驟(3)混合后的粉末裝入模具中，利用液壓機(jī)在230_450MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊，(5)將預(yù)制塊放入爐內(nèi)在650°C -670°c保溫?zé)Y(jié)15-25小時，自然冷卻至室溫，(6)將燒結(jié)好的坯料在75°C-95°C水浴中加熱8-15小時制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。其中，鋁粉粒徑無嚴(yán)格要求，氯化鈉顆粒通過分樣篩選取合適粒徑。第二相顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合物泡沫孔徑的大小與氯化鈉顆粒粒徑相同。優(yōu)選地，第二相顆?？梢允侨趸X顆粒、二硼化鈦或碳化硅，或者是其混合物。為了制備第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫，鋁粉顆粒先與第二相顆?；旌暇鶆?，第二相顆粒占總混合物的體積分?jǐn)?shù)為10%。按照第二相顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合物泡沫的空隙率和所制備產(chǎn)品體積的要求，根據(jù)以下公式計算出所需鋁粉顆粒，第二相顆?；旌衔锖吐然c顆粒的質(zhì)量，并用電子天平稱
出οm混合物=VX (I-P) X P混合物m氯化鈉=VXPX P氯化鈉其中，V和P分別指預(yù)制備的顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的體積和空隙率，而 P .胃^^是致密狀態(tài)下鋁粉顆粒與第二相顆?；旌衔锏拿芏?致密狀態(tài)下鋁粉顆粒與三氧化二鋁顆粒的混合物的密度為2. 81g/cm3、致密狀態(tài)下鋁粉顆粒與二硼化鈦顆粒的混合物的密度為2. 75g/cm3、致密狀態(tài)下鋁粉顆粒與碳化硅顆粒的混合物的密度為2. 88g/cm3)，P氣化
是氯化鈉的密度2. 17g/cm3。在稱出的鋁粉顆粒與第二相顆?；旌衔锖吐然c顆粒中添加少量有機(jī)溶劑，并且進(jìn)行機(jī)械混合。所述有機(jī)溶劑優(yōu)選地為乙醇，該有機(jī)溶劑的作用是便于粉末和顆粒之間充分粘結(jié)，防止分層。優(yōu)選地，添加有機(jī)溶劑的量為為混合物總重量的-3%。將混合好的粉末裝入模具，利用液壓機(jī)在230_450MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊。把預(yù)制塊放入爐內(nèi)，在無氣氛保護(hù)下燒結(jié)，溫度為650°C -670°C，保溫時間15_25 小時。去除燒結(jié)壓塊中的氯化鈉顆粒。把燒結(jié)好的壓塊放入75。C -95°C水浴中8_15小時，目的是溶解掉壓塊中的氯化鈉顆粒。制得所需要的第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。本發(fā)明的第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的空隙率在48% -86%之間，為三維相互連通的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，平均孔徑在0. 10-4. 0毫米之間。采用本發(fā)明的工藝技術(shù)，通過在泡沫鋁的基體中引入第二相顆粒，如三氧化二鋁顆粒、二硼化鈦或碳化硅等后，泡沫鋁的力學(xué)性能有了很大的提高。與用純鋁粉末在相同工藝條件下制備的開孔泡沫鋁相比，采用第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度增加了 40% -90% ο
圖1為本發(fā)明中的工藝流程圖。圖2為本發(fā)明生產(chǎn)的第二相顆粒增強(qiáng)的大孔徑開孔鋁基復(fù)合物泡沫的形貌特征照片其中(a)平均孔徑1. 25毫米；(b)平均孔徑1. 75毫米；(c)平均孔徑2. 50毫米。圖3為本發(fā)明生產(chǎn)的第二相顆粒增強(qiáng)的小孔徑開孔鋁基復(fù)合物泡沫的形貌特征照片其中(a)平均孔徑0. 12毫米；(b)和(c)平均孔徑0. 18毫米；(d)平均孔徑0. 33毫米。圖4為本發(fā)明生產(chǎn)的三氧化二鋁顆粒增強(qiáng)的小孔徑開孔鋁基復(fù)合物泡沫和同樣工藝條件下制備的小孔徑開孔純鋁泡沫的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變行為，其中(a)為三氧化二鋁顆粒增強(qiáng)的小孔徑開孔鋁基復(fù)合物泡沫，(b)為小孔徑開孔純鋁泡沫。
具體實施例方式實施例1 選用純度為99%、粒徑為30微米的商業(yè)鋁粉末，平均粒徑為15微米的三氧化二鋁顆粒和平均粒徑為1. 25毫米的工業(yè)用氯化鈉，制備空隙率為79%的泡沫鋁。首先制備鋁粉顆粒與三氧化二鋁顆粒的混合物，然后根據(jù)制備產(chǎn)品的體積要求，稱取特定質(zhì)量的上述混合物和氯化鈉顆粒，加入少量乙醇，機(jī)械混合直至均勻，在260MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊，然后把預(yù)制塊放入爐內(nèi)燒結(jié)，在無氣氛保護(hù)條件下于666°C保溫?zé)Y(jié)23小時。把燒結(jié)好的壓塊放入95°C熱水浴中9小時，目的是溶解掉壓塊中的氯化鈉顆粒。制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。該種第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度為l.SOMpa，而相應(yīng)的用同樣工藝制備的平均孔徑為1.25毫米，空隙率為80%的開孔純鋁泡沫鋁屈服強(qiáng)度為 1. 33MPa。通過增加三氧化二鋁增強(qiáng)顆粒后，屈服強(qiáng)度由1. 32ΜΙ^增加到1. 96MPa，強(qiáng)度提高了 47. 5%。實施例2 選用純度為99%、平均粒徑為30微米的商業(yè)鋁粉末，平均粒徑為15微米的三氧化二鋁顆粒和平均粒徑為0. 18毫米的工業(yè)用氯化鈉，制備空隙率為65%的泡沫鋁。首先制備鋁粉顆粒與三氧化二鋁顆粒的混合物，然后根據(jù)制備產(chǎn)品的體積要求，稱取特定質(zhì)量的上述混合物和氯化鈉顆粒，加入少量乙醇，機(jī)械混合直至均勻，在^5MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊，然后把預(yù)制塊放入爐內(nèi)燒結(jié)，在無氣氛保護(hù)條件下于663°C保溫?zé)Y(jié)22小時。 把燒結(jié)好的壓塊放入95°C熱水浴中14小時，目的是溶解掉壓塊中的氯化鈉顆粒。制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。該種第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度為6. llMpa，而相應(yīng)的用同樣工藝制備的平均孔徑為0. 18毫米，空隙率為65%的開孔純鋁泡沫鋁屈服強(qiáng)度為 3. 42MPa。通過增加三氧化二鋁增強(qiáng)顆粒后，屈服強(qiáng)度從3. 42MPa增加6. llMPa，增加了 78. 7%。實施例3 選用純度為99%、平均粒徑為30微米的商業(yè)鋁粉末，平均粒徑為10微米的二硼化鈦顆粒和平均粒徑為1. 75毫米的工業(yè)用氯化鈉，制備空隙率為64%的泡沫鋁。首先制備鋁粉顆粒與二硼化鈦顆粒的混合物，然后根據(jù)制備產(chǎn)品的體積要求，稱取特定質(zhì)量的上述混合物和氯化鈉顆粒，加入少量乙醇，機(jī)械混合直至均勻，在270MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊，然后把預(yù)制塊放入爐內(nèi)燒結(jié)，在無氣氛保護(hù)條件下于664°C保溫?zé)Y(jié)22小時。把燒結(jié)好的壓塊放入95°C熱水浴中11小時，目的是溶解掉壓塊中的氯化鈉顆粒。制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。
該種第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度為8. 42Mpa，而相應(yīng)的用同樣工藝制備的平均孔徑為1.75毫米，空隙率為64%的開孔純鋁泡沫鋁屈服強(qiáng)度為5. 23MPa。通過增加二硼化鈦增強(qiáng)顆粒后，屈服強(qiáng)度從5. 23MPa增加8. 42MPa,增加了 61. 0%。實施例4 選用純度為99%、平均粒徑為30微米的商業(yè)鋁粉末，平均粒徑為10微米的二硼化鈦顆粒和平均粒徑為0. 18毫米的工業(yè)用氯化鈉，制備空隙率為69%的泡沫鋁。首先制備鋁粉顆粒與二硼化鈦顆粒的混合物，然后根據(jù)制備產(chǎn)品的體積要求，稱取特定質(zhì)量的上述混合物和氯化鈉顆粒，加入少量乙醇，機(jī)械混合直至均勻，在^OMPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊，然后把預(yù)制塊放入爐內(nèi)燒結(jié)，在無氣氛保護(hù)條件下于661°C保溫?zé)Y(jié)22小時。把燒結(jié)好的壓塊放入大約95°C熱水浴中13小時，目的是溶解掉壓塊中的氯化鈉顆粒。制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。該種第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度為3. 53Mpa，而相應(yīng)的用同樣工藝制備的平均孔徑為0. 18毫米，空隙率為69%的開孔純鋁泡沫鋁屈服強(qiáng)度為2. 3IMPa0通過增加二硼化鈦增強(qiáng)顆粒后，屈服強(qiáng)度從2. 3IMPa增加3. 53MPa,增加了 52. 8%。實施例5 選用純度為99%、平均粒徑為30微米的商業(yè)鋁粉末，平均粒徑為18微米的碳化硅顆粒和平均粒徑為1. 75毫米的工業(yè)用氯化鈉，制備空隙率為75%的泡沫鋁。首先制備鋁粉顆粒與碳化硅顆粒的混合物，然后根據(jù)制備產(chǎn)品的體積要求，稱取特定質(zhì)量的上述混合物和氯化鈉顆粒，加入少量乙醇，機(jī)械混合直至均勻，在265MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊， 然后把預(yù)制塊放入爐內(nèi)燒結(jié)，在無氣氛保護(hù)條件下于665°C保溫?zé)Y(jié)22. 5小時。把燒結(jié)好的壓塊放入大約95°C熱水浴中10小時，目的是溶解掉壓塊中的氯化鈉顆粒。制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。該種第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度為3. 78MPa，而相應(yīng)的用同樣工藝制備的平均孔徑為1.75毫米，空隙率為75%的開孔純鋁泡沫鋁屈服強(qiáng)度為
2.48MPa。通過增加碳化硅增強(qiáng)顆粒后，屈服強(qiáng)度從2. 48MPa增加3. 78MPa,增加了 52. 4%。實施例6 選用純度為99%、平均粒徑為30微米的商業(yè)鋁粉末，平均粒徑為18微米的碳化硅顆粒和平均粒徑為0. 12毫米的工業(yè)用氯化鈉，制備空隙率為64%的泡沫鋁。首先制備鋁粉顆粒與碳化硅顆粒的混合物，然后根據(jù)制備產(chǎn)品的體積要求，稱取特定質(zhì)量的上述混合物和氯化鈉顆粒，加入少量乙醇，機(jī)械混合直至均勻，在300MPa的壓力下單向壓制成預(yù)制塊， 然后把預(yù)制塊放入爐內(nèi)燒結(jié)，在無氣氛保護(hù)條件下于662°C保溫?zé)Y(jié)21小時。把燒結(jié)好的壓塊放入95°C熱水浴中15小時，目的是溶解掉氯化鈉顆粒。制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。該種第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度為5. 34Mpa，而相應(yīng)的用同樣工藝制備的平均孔徑為0. 12毫米，空隙率為64%的開孔純鋁泡沫鋁屈服強(qiáng)度為
3.53MPa。通過增加碳化硅增強(qiáng)顆粒后，屈服強(qiáng)度從3. 53ΜΙ^增加5. 34MPa，增加了 51. 3%.
權(quán)利要求
1.一種采用彌散強(qiáng)化手段提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟(1)采用商業(yè)純度的鋁粉末、第二相顆粒和氯化鈉顆粒作為基底材料，(2)將鋁粉末先與第二相顆?；旌暇鶆?，然后與氯化鈉顆?；旌暇鶆?。(3)將上述混合物與有機(jī)溶劑添加劑機(jī)械混合均勻，(4)將步驟C3)混合后的粉末裝入模具中，利用液壓機(jī)在230-450MI^的壓力下單向壓制成預(yù)制塊，(5)將預(yù)制塊放入爐內(nèi)在650°C_670°C保溫?zé)Y(jié)15-25小時，自然冷卻至室溫，(6)將燒結(jié)好的坯料在75°C_95°C水浴中加熱8-15小時制得第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彌散強(qiáng)化手段來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，其特征在于其中所述的第二相顆粒選自工業(yè)用級別的三氧化二鋁顆粒、二硼化鈦或碳化硅， 或它們的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彌散強(qiáng)化手段來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，其特征在于添加的第二相顆粒量占基體材料總體積的10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彌散強(qiáng)化手段來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，其特征在于添加的有機(jī)溶劑為乙醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彌散強(qiáng)化手段來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，其特征在于添加的有機(jī)溶劑的量為混合物總重量的_3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彌散強(qiáng)化手段來提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，其特征在于可以通過調(diào)節(jié)鋁粉末與第二相顆粒的混合物和氯化鈉基底材料的體積比，對制備的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的空隙率在45% -90%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用彌散強(qiáng)化手段提高泡沫鋁的力學(xué)性能的方法，特別是一種用粉末冶金法引入第二相顆粒來明顯改善泡沫鋁基體材料的力學(xué)性能的方法。鋁粉顆粒應(yīng)當(dāng)先與第二相顆粒混合均勻，然后與氯化鈉顆?；旌暇鶆颉X粉顆粒與第二相顆?；旌衔锖吐然c顆粒與少量有機(jī)溶劑乙醇機(jī)械混合均勻。將混合后的粉末裝入模具中，利用液壓機(jī)單向壓制成預(yù)制塊，把預(yù)制塊燒結(jié)并自然冷卻至室溫，將燒結(jié)好的坯料在75℃-95℃水浴中浸泡8-15小時制得我們所需要的第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫。與用純鋁粉末在相同工藝條件下制備的開孔泡沫鋁相比，采用第二相顆粒增強(qiáng)的開孔鋁基復(fù)合物泡沫的屈服強(qiáng)度增加了40％-90％。
文檔編號C22C1/08GK102433468SQ201110416408
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者劉先松, 楊玉杰, 高尚 申請人:安徽大學(xué)