熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法技术

熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，属于泡沫金属材料及加工技术领域，具体涉及一种熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法及使用该复合发泡剂制备的增强泡沫铝复合金属材料。其特征在于：将重量百分比5%~20%的发泡剂、0.5%~6%的增强剂及76%~85%的纯铝或铝合金颗粒加入混合球磨机中进行球磨，通过混合球磨工艺将发泡剂颗粒和薄片状石墨烯GNFs以镶嵌吸附方式附着于Al颗粒，形成复合发泡剂。试验表明，相同制备条件下添加本发明专利技术熔体发泡增强泡沫铝Al/TiH2/GNFs复合发泡剂制备的增强泡沫铝复合金属材料，孔泡细化由平均直径1.38mm降低至0.81mm，力学性能提升＞25%。

Preparation method of melt foaming reinforced foam aluminum composite foaming agent

The invention relates to a preparation method of melt foaming reinforced foam aluminum composite foaming agent, which belongs to the field of foam metal materials and processing technology. In particular, it relates to a preparation method of melt foaming reinforced foam aluminum composite foaming agent and reinforced foam aluminum composite metal material prepared by using the composite foaming agent. The characteristics are as follows: adding 5%~20% foaming agent, 0.5%~6% reinforcing agent and 76%~85% pure aluminium or aluminium alloy particles into the mixed ball mill for ball milling, and adhering the foaming agent particles and flaky graphene GNFs to Al particles by inlaying adsorption, forming a composite foaming agent. The experimental results show that under the same preparation conditions, the reinforced foam aluminum composite metal material prepared by the melt foaming reinforced aluminum foam Al/TiH2/GNFs composite foaming agent of the invention is reduced from the average diameter of 1.38mm to 0.81mm, and the mechanical property is increased by 25%.

【技术实现步骤摘要】
熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法
熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，属于泡沫金属材料及加工
，具体涉及一种熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法及使用该复合发泡剂制备的增强泡沫铝复合金属材料。
技术介绍
目前，泡沫铝材料性能的强化研究多集中于颗粒相增强和纤维相增强，且两种增强相均在泡沫铝材料制备过程的增粘工序引入。泡沫铝复合材料的颗粒增强相主要有SiC、Al2O3和TiB2等，研究人员在颗粒尺寸、含量对液态泡沫的稳定性和机械性能方面做了大量研究。在对液态泡沫的稳定性方面：增强相增加了熔体的粘度，降低熔体的流动性减缓了析液速率；附着在液膜表面的颗粒相会改变液膜的曲率半径降低毛细作用力对膜内液体的吮吸作用；液膜内部的颗粒相聚集堵塞并形成屏障，阻碍膜内熔体的流出，并阻碍液膜两侧气/液相界面的叠合，最终实现液态泡沫的稳定性强化。在力学性能强化方面，提高颗粒相的体积分数可在一定程度下提高泡沫铝复合材料的力学性能，但泡沫铝材料的光滑应力应变曲线形状也转变成锯齿状；纳米尺度的颗粒相对泡沫铝材料的增强效果要优于微米级颗粒相，且纳米尺度颗粒相对泡沫铝内部泡孔形态具有良好的优化效果。石墨烯纳米微片（graphenenanoflakes,GNFs）是目前已知强度最高的材料，其强度和弹性模量可达125GPa和1100Gpa。测试结果证明增强相GNFs的加入不仅增强了AMCs的抗拉强度，还提高材料的延伸率。但由于GNFs具有较高的表面能且与铝熔体润湿效果差，这使其容易在铝熔体中发生团聚造成增强相分散不均。因此，目前大多数研究报道中AMCs材料的制备方法为粉末冶金法，鲜有铝熔体中直接添加GNFs的相关研究报道。本申请即是对石墨烯纳米微片强化泡沫铝（graphenenanoflakesenhancedaluminumfoam,GNF~AF）材料的熔体发泡法制备技术的研究成果。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够实现GNFs分散均匀的熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，以及使用这种发泡剂通过熔体发泡法制备石墨烯纳米微片强化泡沫铝的制备方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，其特征在于：室温下，将重量百分比5%~20%的发泡剂、0.5%~6%的增强剂及76%~85%的纯铝或铝合金颗粒加入混合球磨机中进行球磨，球磨时间为3~24小时，球磨转速为100~500rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂颗粒和薄片状石墨烯GNFs以镶嵌吸附方式附着于Al颗粒，形成复合发泡剂，其中，发泡剂为TiH2、ZrH2或MgH2；增强剂为单层或少层薄片状石墨烯GNFs。优选的，发泡剂为300~425目的TiH2、ZrH2或MgH2；增强剂为单层或少层薄片状石墨烯GNFs，纯铝或铝合金颗粒粒度为50~400目。优选的，发泡剂为300~425目的TiH2，通过混合球磨工艺将发泡剂颗粒和薄片状石墨烯GNFs以镶嵌吸附方式附着于Al颗粒，形成复合发泡剂Al/TiH2/GNFs。优选的，各成分的重量百分比组成为发泡剂16%~20%，增强剂4%~5%，纯铝或铝合金颗粒76%~80%。优选的，所述发泡剂与增强剂的比例为4:1。试验表明，发泡剂TiH2添加量少发泡效果不明显，添加过多易造成孔泡过大。增强剂石墨烯添加过少强化效果不明显，添加过多容易造成石墨烯团聚，反而恶化材料的力学性能。每32g铝粉中，添加6~8gTiH2，1.5~2g石墨烯，效果较为理想。粉末冶金中球磨的主要用途在于均匀分散粉中的各项成分，避免成分不均衡造成发泡后泡沫铝孔隙不均匀，此方法中多采用分散剂用于改善成分的分散，且后置工序需要去除添加剂，工序复杂。本申请复合发泡剂中球磨的用处在于将TiH2和石墨烯镶嵌至Al颗粒上，形成复合颗粒结构，实验发现，适当延长球磨时间可实现更好的镶嵌。密度较大的Al颗粒可以作为载体将石墨烯引入至铝合金熔体，避免单独添加石墨烯造成的扬灰现象。本专利技术还涉及一种熔体发泡增强泡沫铝复合金属材料，其特征在于：将纯铝或铝合金颗粒在680℃~780℃熔融后，添加重量百分比0.8~2%的金属Ca颗粒并搅拌进行熔体增粘，调控合金熔体温度至660℃~710℃，添加5~10%的上述复合发泡剂至合金熔体中，并进行高速搅拌混合；搅拌结束后，关闭炉盖进行保温发泡；3~6分钟后从炉中取出冷却，得到孔径分布均匀的熔体发泡增强泡沫铝复合金属材料。优选的，添加重量百分比1.2%的金属Ca颗粒并搅拌进行熔体增粘。所述复合发泡剂的添加量占纯铝或铝合金总量的5~8%。单层或少层薄片状石墨烯GNFs增强剂的添加量约占合金熔体总量的0.2%。所述冷却方式为水雾冷却。所述高速搅拌具体为以2500~4500转/分的转速搅拌30~90秒。搅拌结束后，在660~710℃保温2~6分钟进行发泡。所获得的熔体发泡增强泡沫铝复合金属材料中孔泡直径为0.75~0.9mm。与现有技术相比，本专利技术熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂及其制备方法所具有的有益效果是：采用混合球磨工艺制备复合发泡剂，通过调整材料配方和低能球磨工艺参数，优化复合发泡剂的性能。GNF~AF材料制备中，增强相GNFs是一种薄片结构，且该相具有比颗粒相和纤维相更高的比表面积。用可高塑性变形的Al颗粒为载体，通过混合球磨工艺将发泡剂TiH2、ZrH2或MgH2颗粒和薄片状GNFs以镶嵌吸附方式附着于Al颗粒引入至铝合金熔体。通过调整复合发泡剂的组成成分、球料比、球磨转速和球磨时间等因素，实现复合发泡剂内GNFs和发泡剂在Al颗粒表面均匀镶嵌包覆，将易团聚难润湿的GNFs材料引入至泡沫铝材料内，强化泡沫铝材料性能。由图4可以清晰的看出，通过上述混合球磨工艺制备的复合发泡剂中，薄片状GNFs石墨烯均匀镶嵌在铝颗粒上。利用辅助试剂颗粒为载体将易团聚的薄片状GNFs引入至铝合金熔体内，利用机械搅拌产生的剪切力促使复合发泡剂在熔体内的均匀分散，同时利用混合工序中发泡剂TiH2、ZrH2或MgH2颗粒热分解产生的高压气体促使GNFs在熔体内的均匀分散。初步研究结果发现GNFs增强相沉积在孔泡的内表面，且未呈现明显团聚现象，表明通过制备工艺的改进可以将GNFs通过熔体发泡法工艺加入至铝合金熔体中。薄片状GNFs以附着在Al颗粒表面的方式引入合金熔体，Al颗粒表面镶嵌的发泡剂TiH2、ZrH2或MgH2颗粒热分解产生的气体可推动GNFs向气/液界面运动，最终实现薄片状GNFs在泡壁内表面沉积形成一层框架结构，提高泡壁力学性能，改善孔泡形貌，实现泡沫铝材料内部孔隙结构的改善。试验表明，相同制备条件下添加本专利技术熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂制备的增强泡沫铝复合金属材料，孔泡细化由平均直径1.38mm降低至0.81mm，力学性能提升＞25%。附图说明图1为对比例和实施例1~4中制备的增强泡沫铝复合金属材料样品，经磨抛后获得的产品切面照片。图2为对比例和实施例1~4样品孔泡直径直方图。图3为对比例和实施例1~4样品力学性能数据图。图4为复合发泡剂中石墨烯镶嵌在Al颗粒表面的电镜微观照片。具体实施方式实施例1~8为本专利技术具体的实施方式，其中，实施例3为本专利技术最佳实施例。实施例1制备熔体发泡增强泡沫铝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，其特征在于：室温下，将重量百分比5%~20%的发泡剂、0.5%~6%的增强剂及76%~85%的纯铝或铝合金颗粒加入混合球磨机中进行球磨，球磨时间为3~24小时，球磨转速为100~500rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂颗粒和薄片状石墨烯GNFs以镶嵌吸附方式附着于Al颗粒，形成复合发泡剂，其中，发泡剂为TiH2、ZrH2或MgH2；增强剂为单层或少层薄片状石墨烯GNFs。

【技术特征摘要】
1.熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，其特征在于：室温下，将重量百分比5%~20%的发泡剂、0.5%~6%的增强剂及76%~85%的纯铝或铝合金颗粒加入混合球磨机中进行球磨，球磨时间为3~24小时，球磨转速为100~500rpm，通过混合球磨工艺将发泡剂颗粒和薄片状石墨烯GNFs以镶嵌吸附方式附着于Al颗粒，形成复合发泡剂，其中，发泡剂为TiH2、ZrH2或MgH2；增强剂为单层或少层薄片状石墨烯GNFs。2.根据权利要求1所述的熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，其特征在于：成分重量百分比组成为发泡剂16%~20%，增强剂4%~5%，纯铝或铝合金颗粒76%~80%。3.根据权利要求1或2所述的熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，其特征在于：所述发泡剂与增强剂的添加比例为4:1。4.根据权利要求1或2所述的熔体发泡增强泡沫铝复合发泡剂的制备方法，其特征在于：所述发泡剂粒度为300~425目，纯铝或铝合金颗粒粒度为50~400目。5.一种熔体发泡增强泡沫铝复合金属材料，其特征在于：将纯铝或铝合金颗粒在680...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨思一，安钰坤，赵而团，邢攸冬，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37