一种功能梯度泡沫铝及其制备方法技术

本发明专利技术涉及多孔金属和金属基复合材料交叉技术领域，尤其涉及一种功能梯度泡沫铝及其制备方法。本发明专利技术的梯度泡沫铝包括至少一层纯泡沫铝层和至少一层碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层；相邻纯泡沫铝层的孔隙率不同；相邻碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层的孔隙率不同和/或碳纳米管的含量不同。本发明专利技术将密度梯度与成分梯度相结合，制备出基体材料和密度同时变化的功能梯度泡沫铝，可根据材料的服役环境针对性的设计梯度材料，充分发挥梯度泡沫材料的优势，具有良好的吸能效果；在整体孔隙率相同的情况下，本发明专利技术的梯度泡沫铝较均匀泡沫铝具备更高的应力水平和更高的吸能量，从而增加其缓冲吸能性能。加其缓冲吸能性能。加其缓冲吸能性能。

【技术实现步骤摘要】
一种功能梯度泡沫铝及其制备方法


[0001]本专利技术涉及多孔金属和金属基复合材料交叉
，尤其涉及一种功能梯度泡沫铝及其制备方法。

技术介绍

[0002]泡沫金属内部由大小、形状不同的孔洞和金属骨架组成，以此实现结构材料的功能化，其具有轻质、高比强度和比刚度、能量吸收、阻尼、良好的声学、热学和电磁屏蔽等特点，被广泛应用于航空航天、石油化工、医学、车辆、建筑等方面，成为当今材料领域的研究热点之一。泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和起泡特征，是一种全新型战略功能结构材料，具有密度小、高吸收冲击能力强、耐高温耐候性强等优势；但是纯泡沫铝由于孔壁强度较低，导致其屈服强度较低，因此在实际服役过程中受到极大的限制。在公开号为CN107675015A的申请人在先申请文件中，将具有高比强度、高比模量、低密度的碳纳米管作为增强相加入泡沫铝中，制备得到泡沫铝基复合材料，可显著提高泡沫的屈服强度和吸能性能。
[0003]梯度泡沫材料是一种通过设计本身的密度、孔径大小或材料组分的分布，从而能够在一定程度上改变其能量吸收和抗冲击等性能的材料。梯度泡沫铝材料可分为密度梯度、孔径梯度以及成分梯度泡沫铝等。具体的，密度梯度泡沫铝是指沿着某一方向，通过改变单位体积孔洞的数量从而改变密度；孔径梯度泡沫铝是指沿着某一方向改变胞孔尺寸的大小；成分梯度泡沫铝是指沿着某一方向，孔壁材料的材质发生改变。制备梯度泡沫材料常用的方法有渗流铸造法、熔体发泡法、粉体发泡法、摩擦搅拌加工法等。其中，渗流铸造法制备的梯度泡沫相对密度较低，但是密度变化范围小；熔体与粉体发泡法难以精准控制孔隙率与孔径大小；摩擦搅拌加工法受设备限制，加工效率低且成本高。目前，通过上述方法制备所得泡沫金属往往只具备密度、孔径或成分三种梯度中的一种梯度，难以充分发挥梯度泡沫材料的优势。
[0004]公开号为CN109136618A的中国专利技术专利公开了一种梯度泡沫铝材料的制备方法。该方法先通过包套轧制法制备出坯料，再将这些坯料按照一定顺序进行叠放并固定在一起，再进行轧制复合处理，最后进行高温发泡以制备出梯度泡沫铝材料。该方法最后需要通过发泡法制备出梯度泡沫，发泡法难以精准控制泡沫的孔径和孔隙率，得到的泡沫结构较差。此外该方法制备的梯度泡沫仅具有孔径梯度或仅具有成分梯度，性能较差。
[0005]公开号为CN106583739A的中国专利技术专利公开了一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法。该泡沫铝夹心板由上下金属面板和中间的泡沫铝芯层构成，面板与泡沫芯层之间不存在清晰界面，为一定厚度的梯度界面区域。该泡沫夹心板通过粉体发泡法制备，难以精准控制泡沫的孔隙率、孔径大小，结构较差。此外，该泡沫铝夹心板的基体材料主要是纯铝或铝合金，其强度较差。
[0006]公开号为CN106984818A的中国专利技术专利公开了一种具有梯度界面的纳米泡沫铝复合夹心板及其制备方法。该复合夹心板包括上下金属面层、上下中层和芯层，芯层为具有
梯度界面的泡沫铝夹心层，上下中层为纳米材料与泡沫铝复合层，通过粉体发泡法制备，即将各种金属粉末与发泡剂混合后，通过高温加热发泡制得，但该方法无法精准控制泡沫的孔隙率、孔径大小，泡孔结构较差。此外，在该复合夹心板制备过程中，每放入一种混合粉末后进行一次预压，然而预压会一定程度上恶化相邻两层之间基体的结合性，导致在压缩载荷下两层泡沫结合处会首先发生变形。
[0007]因此，针对现有的梯度泡沫铝的结构和性能较差等缺点，提供一种制备工艺简单稳定，强度高、吸能性好的梯度泡沫材料，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对以上技术问题，本专利技术提供一种孔隙均匀、质轻、强度好、结合性好和吸能性好的功能梯度多孔泡沫铝材料及其制备方法。
[0009]本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种功能梯度泡沫铝，梯度泡沫铝包括至少一层纯泡沫铝层和至少一层碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层；相邻纯泡沫铝层的孔隙率不同；相邻碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层的孔隙率不同和/或碳纳米管的含量不同。
[0011]进一步的，纯泡沫铝层和碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层的孔隙率为40～80％，孔径大小为1.2～3mm；碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层中碳纳米管的质量分数为0～5％。优选的，碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层中碳纳米管的含量大于0、小于等于5％。
[0012]进一步的，碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层中，碳纳米管作为增强相，增强相还可为石墨烯、碳化硅和氧化铝中任意一种。
[0013]进一步的，梯度泡沫铝包括2～8层，纯泡沫铝层位于外层，碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层位于内层。
[0014]进一步的，梯度泡沫铝包括至少两层纯泡沫铝层，梯度泡沫铝的上下面层为纯泡沫铝层。
[0015]进一步的，梯度泡沫铝从外层至内层的孔隙率大小呈渐变式分布。
[0016]另一方面，本专利技术还提供上述功能梯度泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：
[0017](1)根据梯度泡沫铝的组成梯度及层数，分别称取纯铝粉、碳纳米管与铝粉的复合粉末及造孔剂；
[0018](2)分别将纯铝粉与造孔剂混合均匀，复合粉末与造孔剂混合均匀，并在混合过程中添加质量分数3～5％的乙醇，将不同层中的混合料按顺序依次记为组1、2
……
；
[0019](3)将每组混合料按顺序依次放入模具中，冷压整体成型，脱模，得预制体；
[0020](4)水浴预制体去除造孔剂，干燥，烧结，冷却，得功能梯度泡沫铝。
[0021]进一步的，各层中纯铝粉或复合粉末及造孔剂的质量根据各层的体积和孔隙率计算：铝粉质量＝铝粉密度
×
体积
×
(1-孔隙率)；复合粉末质量＝复合粉末密度
×
体积
×
(1-孔隙率)；造孔剂质量＝造孔剂密度
×
体积
×
孔隙率。
[0022]进一步的，铝粉粒度为150-400目，纯度大于99％；造孔剂为尿素颗粒，粒径为1.2～3mm。
[0023]进一步的，步骤(3)中每组混合料按顺序放入模具中后，在400～700MPa压力下压制3～10min成型。
[0024]进一步的，步骤(4)中水浴温度70～90℃；烧结温度550～700℃，保温90～240min，在氩气环境下烧结。
[0025]本专利技术的功能梯度泡沫铝及其制备方法，具有以下有益效果：
[0026](1)本专利技术的功能梯度泡沫铝，将密度梯度与成分梯度相结合，即在纯泡沫铝层和碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层结合的同时还调整孔隙率和孔径大小，制备出基体材料和密度同时变化的功能梯度泡沫铝，可根据材料的服役环境针对性的设计梯度材料，充分发挥梯度泡沫材料的优势，具有良好的吸能效果；在整体孔隙率相同的情况下，本专利技术的梯度泡沫铝较均匀泡沫铝具备更高的应力水平和更高的吸能量，从而增加其缓冲吸能性能。
[0027](本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能梯度泡沫铝，其特征在于，所述梯度泡沫铝包括至少一层纯泡沫铝层和至少一层碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层；相邻所述纯泡沫铝层的孔隙率不同；相邻所述碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层的孔隙率不同和/或碳纳米管的含量不同。2.根据权利要求1所述的功能梯度泡沫铝，其特征在于，所述纯泡沫铝层和所述碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层的孔隙率为40～80％，孔径大小为1.2～3mm；所述碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层中碳纳米管的质量分数为0～5％。3.根据权利要求1所述的功能梯度泡沫铝，其特征在于，所述梯度泡沫铝包括2～8层，所述纯泡沫铝层位于外层，所述碳纳米管增强泡沫铝基复合材料层位于内层。4.根据权利要求3所述的功能梯度泡沫铝，其特征在于，所述梯度泡沫铝包括至少两层纯泡沫铝层，所述梯度泡沫铝的上下面层为纯泡沫铝层。5.根据权利要求3所述的功能梯度泡沫铝，其特征在于，所述梯度泡沫铝从外层至内层的孔隙率大小呈渐变式分布。6.一种制备权利要求1-5中任一项所述功能梯度泡沫铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据梯度泡沫铝的组成梯度及层数，分别称取纯铝粉、碳纳米管与铝粉的复合粉末及造孔剂；(2)分别将纯铝粉与造孔剂混合均匀，复合粉末与造孔剂混合均匀，并在混合过程中添加质量分数3～5％的乙醇，将不同层中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旭东，成莹，邹田春，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：