一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料及其制备方法，所述复合泡沫材料是由通孔泡沫铝以及填充在泡沫铝孔隙中内的若干空心微球的多孔环氧树脂构成；所述复合泡沫材料的制备方法是选取合适孔隙率和孔径的通孔泡沫铝，取合适粒径的空心微球并填充入泡沫铝孔隙中，将内部填充空心微球的泡沫铝装入模具内，将环氧树脂及固化剂进行混合，再再泡沫铝与空心微球复合体浸入环氧树脂混合液中并处于70℃水浴模具中，待复合体孔隙内全部填充入环氧树脂后取出固化后，即制得强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔高分子聚合物与泡沫金属构成的高性能复合泡沫材料，特别是一种强缓冲耗能用空心微球/环氧树脂填充通孔泡沫铝形成的复合泡沫及制备方法。
技术介绍
泡沫铝是以铝或铝合金等为原料，经发泡处理后在其内部形成大量气泡或孔隙的一种多孔材料，具有独特的结构、物理和力学特性。根据其内部气泡是否相互贯穿联通，分为通孔和闭孔泡沫铝。泡沫铝具有轻质、高比强度、高比刚度、比表面积大等特点，同样具有吸声降噪、缓冲减震、渗透性强等优点，被广泛应用于建筑设计、耐撞性设计、缓冲耗能、安全防护等领域。泡沫铝由于其特殊的胞孔结构，受压时应力应变曲线上存在一段较长的应力平台阶段，其作为填充体在强动载荷下耐撞性和冲击防护结构设计方面具有重要应用。应力平台阶段可以极大程度对冲击能量进行吸收耗散的同时反馈回稳定有序的缓冲载荷或加速度，由其填充而成的各类的复合结构在航空航天、舰船兵工工业、爆炸冲击防护等重要领域内发挥着重要作用。然而，泡沫铝主要依靠胞元结构不可逆的坍塌失效对能量进行耗散，在强动载荷下可能产生完全压实或粉碎区；另外，由于泡沫铝中含有大量的孔洞，因此存在强度、模量不高的缺点，不宜单独作为结构材料使用。因此，需要提高当前泡沫铝的强度和能量吸收效率。采用热固性或粘弹性高分子聚合物填充泡沫铝而制成的复合材料是一种较为有效的方式。CN103113715B公开了一种环氧树脂/泡沫铝复合结构，在该结构中，使用了环氧树脂与闭孔泡沫铝进行复合。由于此技术方案只在闭孔泡沫铝表面附加环氧树脂以增强其屈服强度，未能考虑泡沫铝内部孔隙强度的增强，复合材料强度会表现出严重的不均匀性。CN102501357B、CN104439166A、CN103613920A和CN105462029A分别公开了一类采用环氧树脂、液态橡胶、聚氨酯、聚乙烯等高聚物的一种或几种混合物填充通孔泡沫铝而制成的泡沫铝基复合材料。另外，文献表明程和法等通过向开孔泡沫铝中填充硅橡胶而制备了铝/硅橡胶复合材料，于英华等选用松香、环氧树脂和环氧树脂纳米蒙脱土高分子材料作为泡沫铝孔洞的填充相，都证明了泡沫铝复合材料的性能有所提高。该类技术主要侧重于提高泡沫铝的阻尼、抗压强度和降噪特性。但是，对于强动载荷下的缓冲耗能而言，泡沫材料作为填充体需要有较长且平稳的平台应力，上述直接采用高聚物或其他热固性高分子材料填充的泡沫铝均会使应力平台阶段变短，材料承受冲击时的反馈载荷迅速上升，难以实现稳定可控的缓冲效果。另外，很多精密缓冲器件中泡沫铝一般处于有约束的密闭空间，高聚物的不可压缩性和侧向膨胀效应会使得上述各种复合材料在侧向约束下迅速被压实，从而丧失缓冲吸能的作用。因此采用上述提供的泡沫铝基复合材料在强缓冲耗能领域内的适用范围也相对有限。从上面的论述可知，可以考虑向三维通孔泡沫铝结构中填充内部分散有大量空心微球的环氧树脂或其他高聚物，得到一种泡沫铝与多孔高聚物相互交织的复合泡沫材料：在提高泡沫铝抗压、吸能等力学特性的同时，提供充分且平稳的应力平台阶段和压缩行程，从而实现被保护物体产生安全稳定的缓冲加速度的技术要求。这种方法将在很大程度上改善泡沫铝的性能，达到功能结构一体化要求，从而拓宽其使用范围。
技术实现思路
本专利技术所要解决的具体技术问题是：在强动载荷下实现缓冲耗能时，泡沫铝抗压强度和缓冲耗能性不足的问题，并提供一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料及其制备方法，该方法工艺简单，成本低廉，所得复合泡沫材料具有更高抗压强度和缓冲性能。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下。一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料，所述复合泡沫材料是以通孔泡沫铝为基体，在所述通孔泡沫铝的基体孔隙中填充入内部分散有若干空心微球的多孔环氧树脂复合泡沫材料构成；所述泡沫铝的孔隙率是50~90%，孔径是3~8mm；所述内部分散的若干空心微球是粉煤灰漂珠、珍珠岩漂珠和玻璃微球中的一种或一种以上的混合物，其粒径是50~400um。其中，所述环氧树脂是E-44；所述固化剂是T31、#650或是#651。本专利技术还提供有一种多孔环氧树脂填充泡沫铝而形成复合泡沫材料制备方法，所述制备方法是按下列步骤进行的：（1）对通孔泡沫铝表面进行前处理，所述前处理是采用5wt%～10wt%HCL溶液处理1～10分钟，再在5wt%～10wt%的NaOH溶液中浸泡1～10分钟，由水冲洗使泡沫铝的冲洗液呈中性后，再置于10～120℃的温度下烘干1～3h；（2）根据材料性能需要，先采用合适目数的分样筛筛选漂珠，得到合适粒径范围内的空心微球，由浓度为1.0-2.0mol/L氢氧化钠溶液清洗空心微球，去除微球表面杂质，然后用蒸馏水清洗后置入烘箱中烘干，获得干燥空心微球，待用；（3）将上述步骤（1）前处理的通孔泡沫铝置于模具内，将步骤（2）获得空心微球灌入模具内泡沫铝得上方，整个装置固定在震动台上，设置振幅0.5~2.0mm，震动频率80~150Hz，震动1~10分钟，直至通孔泡沫铝孔隙内全部填充入空心微球，去除多余空心微球，获得内部填充空心微球的泡沫铝复合试样，待用；（4）将原料环氧树脂E-44及其固化剂，分别置于60℃水浴池中预热1小时，按1:1的质量比进行混合，获得环氧树脂混合液，待用；（5）将上述步骤（4）获得的环氧树脂混合液浇入到上述步骤（3）中放置空心微球/开孔泡沫铝复合试样的模具中，使复合试样完全浸入环氧树脂混合液中，并使上述模具处于60℃的水浴中，直至空心微球/泡沫铝复合试样的内部孔隙完全填充满环氧树脂，将模具从水浴中取出，常温下放置48小时，脱模后即制得一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料。实施上述本专利技术所提供的一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料及其制备方法，与现有技术相比，现有高聚物/泡沫铝复合材料主要侧重于材料阻尼特性和弹性阶段性能的提高，未涉及强缓冲耗能情况下复合材料的塑性动力学响应和可压缩性；本专利技术提供的多孔环氧树脂填充通孔泡沫铝形成的复合泡沫材料，实际上是利用环氧树脂增强泡沫铝的吸能和抗压性能，但由于环氧树脂浸入泡沫铝孔隙之前，孔隙内已分散嵌入大量空心微球，因此实际上形成的是泡沫铝和多孔环氧树脂两种多孔材料相互交织穿插的新型泡沫材料。一方面，空心微球的堆积和环氧树脂固化后的抗压特性会极大地提高复合泡沫的抗压强度和吸能性能；另一方面，在泡沫铝胞元塑性坍塌吸收能量时，内部填充的环氧树脂和空心微球也随之压溃坍塌，额外吸收能量的同时提供了大量的压缩空间，致使宏观上来讲复合泡沫仍然拥有较长且平稳的应力平台阶段和压缩行程，克服了高聚物填充泡沫铝材料在密闭空间内容易压实且应力平台不稳定的缺点。提供的制备方法简单，材料成本低，具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术50%孔隙率泡沫铝基玻璃微球/环氧树脂填充而成的复合泡沫。图2是本专利技术63%孔隙率泡沫铝基空心粉煤灰漂珠/环氧树脂填充而成的复合泡沫。图3是本专利技术63%孔隙率泡沫铝基空心珍珠岩漂珠/环氧树脂填充而成的复合泡沫。图4是本专利技术63%孔隙率泡沫铝基空心粉煤灰漂珠/环氧树脂、空心珍珠岩漂珠/环氧树脂填充而成的复合泡沫与63%孔隙率通孔泡沫铝准静态力学性能对比图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式作出进一步的说明。实施一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料，所述复合泡沫材料是以通孔泡沫铝为基体，在所述通孔泡沫铝的基体孔隙中填充入内部分散有若干空心微球的多孔环氧树脂复合泡沫材料构成；所述泡沫铝的孔隙率是50~90%，孔径是3~8mm；所述内部分散的若干空心微球是粉煤灰漂珠、珍珠岩漂珠和玻璃微球中的一种或一种以上的混合物，其粒径是50~400um。

【技术特征摘要】
1.一种强缓冲耗能用泡沫铝基复合泡沫材料，所述复合泡沫材料是以通孔泡沫铝为基体，在所述通孔泡沫铝的基体孔隙中填充入内部分散有若干空心微球的多孔环氧树脂复合泡沫材料构成；所述泡沫铝的孔隙率是50~90%，孔径是3~8mm；所述内部分散的若干空心微球是粉煤灰漂珠、珍珠岩漂珠和玻璃微球中的一种或一种以上的混合物，其粒径是50~400um。2.根据权利要求1所述的泡沫铝复合多孔材料，所述环氧树脂是E-44。3.根据权利要求1所述的泡沫铝复合多孔材料，所述固化剂是T31、#650或是#651。4.一种多孔环氧树脂填充泡沫铝而形成复合泡沫材料制备方法，所述制备方法是按下列步骤进行的：（1）对通孔泡沫铝表面进行前处理，所述前处理是采用5wt%～10wt%HCL溶液处理1～10分钟，再在5wt%～10wt%的NaOH溶液中浸泡1～10分钟，由水冲洗使泡沫铝的冲洗液呈中性后，再置于10～120℃的温度下烘干1～3h；（2）根据材料性能需要，先采用合适目数的分样筛筛选漂珠，得到合适粒径范围内的空心...

【专利技术属性】
技术研发人员：范志强，徐鹏，张冰冰，蔡宣明，高玉波，张建军，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14