一种高吸能性闭孔泡沫铝及其制备方法技术

本发明专利技术属于泡沫金属材料制备技术领域，具体涉及一种高吸能性闭孔泡沫铝及其制备方法。该制备方法步骤如下：步骤一：将原料熔化；步骤二：将增粘剂加入熔化的原料中并搅拌；步骤三：一定温度下向熔体中加入发泡剂进行搅拌；步骤四：发泡剂搅拌完成后将发泡罐密封并通入惰性气体，恒温恒压下直至泡沫铝达到最大膨胀高度；步骤五：恒压下将发泡腔冷却凝固，泄压得到闭孔泡沫铝。本发明专利技术通过针对性的调控材料成分和减小孔径分布范围，增大了气泡壁平均厚长比，并减少了厚长比值较低的弱气泡壁，使泡沫铝的平台应力提升的同时塑性变形能力增强，表现出高且平滑的平台变形阶段，使材料的比吸能和吸能效率同步提升。和吸能效率同步提升。和吸能效率同步提升。

【技术实现步骤摘要】
一种高吸能性闭孔泡沫铝及其制备方法


[0001]本专利技术属于泡沫金属材料制备
，具体涉及一种高吸能性闭孔泡沫铝及其制备方法。

技术介绍

[0002]闭孔泡沫铝是一种多孔材料，其中一相为气态，另一相为致密金属或合金。因其低密度、高比强度和高比刚度等特点，可作为结构材料应用；同时又具有隔声、隔热、阻尼、降噪、冲击能量吸收和电磁屏蔽等多种功能兼容的特性，可作为功能材料应用。作为结构和功能一体化材料，在航空航天、汽车行业、建筑工程、电子、机械等行业具有广泛应用前景。
[0003]目前，闭孔泡沫铝作为汽车发动机承载构件得到少量应用，但闭孔泡沫铝在能量吸收方面的应用越来越受到关注。闭孔泡沫铝作为优良的能量吸收材料主要是由于其在较低、恒定应力水平下产生的大应变，作为汽车保险杠等填充物具有很大应用市场。因此，闭孔泡沫铝更多的潜在吸能应用情景对其能量吸收能力和吸能效率提出更高要求，进一步提升闭孔泡沫铝的吸能性能显得十分必要。

技术实现思路

[0004]为了提高闭孔泡沫铝的吸能性能，本专利技术提供了一种闭孔泡沫铝及制备方法。具体制备方法包括以下步骤：
[0005]步骤1，原料熔化
[0006]将原料置于坩埚中熔化成熔体。
[0007]所述原料可以是Al、Al
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Cu合金、Al
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TiB2复合材料或Al
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TiB2‑
Cu复合材料，其中Al
‑
TiB2复合材料或Al
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TiB2‑
>Cu复合材料是已知的复合材料，可以通过熔体反应法，通过向铝液中加入钛源、硼源，经原位反应制成，也可以通过直接向铝或铝铜合金中添加TiB2陶瓷颗粒制成，本专利技术对原料的来源和制备方法不做要求。
[0008]所述原料中，TiB2的质量百分比≤10wt.％；Cu的质量百分比≤8wt.％。
[0009]所述的坩埚以铁质或石墨坩埚为佳。
[0010]步骤2，熔体增粘
[0011]在熔体中加入增粘剂，并进行搅拌。
[0012]其中增粘剂优选为金属钙，增粘剂在熔体温度为700～780℃下加入，加入量为原料质量的2％～3％。机械搅拌速度可为300～800r/min，搅拌持续5～10min。搅拌可使增粘剂分散均匀，特别是在增粘剂为金属钙的情况下，可以使金属钙实现充分氧化，达到熔体增粘的目的。
[0013]步骤3，加发泡剂
[0014]在增粘后的熔体中加入发泡剂，并进行搅拌，使发泡剂在熔体中分散均匀。搅拌速度可为900～1500r/min，搅拌持续3～5min。
[0015]优选的，发泡剂为TiH2，发泡剂在熔体温度稳定在670～700℃的条件下加入，加入
量为原料质量的1％～2％。发泡剂TiH2可在预处理后加入，预处理方法为将TiH2在380℃～420℃烘烧20～40min。发泡剂预处理的作用为减缓发泡剂的释放，减少进入发泡罐之前熔体的膨胀高度。
[0016]步骤4，加压发泡
[0017]加发泡剂搅拌完成后，迅速将熔体转移至发泡罐中密封，并通入惰性气体或氮气，控制发泡罐内压力恒定在0.15
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0.60MPa，控制温度恒定在670～700℃，此期间发泡剂分解，熔体生成泡沫铝，维持恒温恒压直至发泡剂充分分解使泡沫铝膨胀到最大高度。一般来说，达到最大膨胀高度时泡沫铝的体积膨胀率为100％～500％。
[0018]步骤5，带压冷却
[0019]继续保持发泡罐内的压力为步骤4中的恒定压力，降温冷却直至泡沫铝完全凝固，泄掉发泡罐内压力，获得所述高吸能性闭孔泡沫铝。其中降温冷却方式优选为比空冷更快的快速冷却方式，如循环风冷、循环水冷等。快速冷却可防止泡沫铝的泡孔结构在冷却过程中发生合并和重力排液，有助于减小孔径分布范围和提升气泡壁的厚长比。
[0020]上述制备过程中的加压发泡和带压冷却过程，配合发泡剂预处理、快速冷却等方法，可以减小制得的泡沫铝的孔径分布范围，提升气泡壁厚长比。获得高吸能性的闭孔泡沫铝材料，所述高吸能性闭孔泡沫铝的平均孔径在0.8mm
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6.5mm范围，其吸能效率明显高于相同成分、相同工艺在常压下制得泡沫铝。
[0021]通常来说，当泡沫铝材料的原料为Al
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Cu合金、Al
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TiB2复合材料或Al
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TiB2‑
Cu复合材料，即向铝基体里加入了合金元素或者TiB2颗粒时，获得的泡沫铝会相比纯铝原料的泡沫铝强度更大，但也会增加材料的脆性，使得材料的能量吸收性能下降。
[0022]但在本专利技术中，对于这些原料采用了加压发泡和带压冷却的制备方法，这些原料中合金元素或TiB2颗粒的添加增大了气泡壁的强度，结合加压发泡和带压冷却的过程，可以使气泡的孔径分布减小的同时，气泡壁的厚长比增大，并且已经断了的气泡壁还能产生滑动吸能。
[0023]泡沫金属的能量吸收部分取决于气泡壁的弯曲和断裂后气泡壁间的滑动作用，气泡壁的厚长比是增强其弯曲强度和增加滑动吸能的关键，本申请的制备方法在以Al
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Cu合金、Al
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TiB2复合材料或Al
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TiB2‑
Cu复合材料为原料时，是以通过施加压力和加入颗粒或合金元素等方式，针对性地调控材料成分和减小孔径分布范围，增大了气泡壁的平均厚长比，并减少了厚长比值较低的弱气泡壁，使泡沫铝的平台应力提升的同时塑性变形能力增强，表现出高且平滑的平台变形阶段，使材料的比吸能和吸能效率同步大幅提升。
[0024]本专利技术的制备方法和获得的高吸能性闭孔泡沫铝材料与现行技术相比，其优势如下：
[0025](1)工艺更稳定，泡沫铝结构可控性增强，随着加压发泡和带压冷却期间压力的增大，孔径分布范围变窄，平均孔径减小。
[0026](2)本专利技术制得的闭孔泡沫铝的能量吸收能力和吸能效率显著高于相同成分在常压条件制得的闭孔泡沫铝，并通过控制加压压力的大小稳定控制孔径尺寸等孔结构参数，实现对吸能量的主动控制。
[0027](3)本专利技术采用Al
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Cu合金、Al
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TiB2复合材料或Al
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TiB2‑
Cu复合材料为原料时，通过针对性的调控材料成分和减小孔径分布范围，增大了气泡壁的平均厚长比，并减少了厚
长比值较低的弱气泡壁，使泡沫铝的平台应力提升的同时塑性变形能力增强，表现出高且平滑的平台变形阶段，使材料的比吸能和吸能效率同步提升。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例1(b)和实施例2(a)获得的闭孔泡沫铝材料中气泡壁的显微照片。
[0029]图2为本专利技术气泡壁厚长比测量参数示意图。
[0030]图3为本专利技术具体实施方式中对比例3中常压制备的普通泡沫铝(a)和实施例1中加压制备的泡沫铝(b)的宏观结构和孔径分布对比图。
[0031]图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高吸能性闭孔泡沫铝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，原料熔化将原料置于坩埚中熔化成熔体；步骤2，熔体增粘在熔体中加入增粘剂，并进行搅拌；步骤3，加发泡剂在增粘后的熔体中加入发泡剂，并进行搅拌；步骤4，加压发泡将加入发泡剂后的熔体在发泡罐中密封，并通入惰性气体或氮气，控制发泡罐内压力恒定在0.15
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0.60MPa，控制温度恒定直至泡沫铝膨胀到最大高度；步骤5，带压冷却继续保持发泡罐内的压力为步骤4中的恒定压力，降温冷却直至泡沫铝完全凝固，泄掉发泡罐内压力，获得所述高吸能性闭孔泡沫铝。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原料是Al、Al
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Cu合金、Al
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TiB2复合材料或Al
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TiB2‑
Cu复合材料，所述原料中，TiB2的质量百分比≤10wt.％；Cu的质量百分比≤8wt.％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述坩埚为铁质或石墨坩埚。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，增粘剂为金属钙，增粘剂在熔体温度为700～780℃下加入，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹卓坤，王加奇，于洋，陈志元，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：