一种泡沫铝卷毯的生产装置及其制备方法

摘要

一种泡沫铝卷毯的生产装置及其制备方法，该生产装置包括机体、组装其内的卷绕机构和电弧式金属蒸发器，其技术要点是：卷绕机构的基底材料开卷轴辊和收卷轴辊旁分别设置轴辊半径测量传感器，正对利用导向辊张紧的基底材料上、下表面均匀排列至少上、下两排电弧式金属蒸发器，每排至少并列4个电弧式金属蒸发器，在各导向辊旁分别设置张力测量传感器。该装置不仅结构简单、操作方便、使用安全，而且利用该生产装置制备泡沫铝卷毯的方法，从根本上解决了生产结构稳定的、大面积的孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝问题，与湿电镀法相比，具有显著提高产品质量，明显降低废品率，确保生产安全，对环境无污染的优点。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种生产泡沫铝的工艺，特别涉及一种生产孔径细小、均匀、孔隙率高、大面积的通孔泡沫铝卷毯的生产装置及其利用该生产装置制备泡沫铝卷毯的方法。

背景技术

泡沫铝是多孔泡沫金属中最常见、应用前景最好的一种材料，它是一种利用金属表面的物理特性产生特殊作用的结构功能材料。由于它具有特殊的结构，所以，其应用领域涉及材料结构和物理学的若干重要领域。结构方面的应用，主要在汽车、航天、建筑等多种工业中；功能应用包括：阻尼内耗、声学、热物理、多孔介质中流动、电磁学等。

多孔泡沫金属材料有五十多年的历史，因其最初采用汞作发泡剂发泡，该发泡法工艺控制很困难，故多孔泡沫金属的研制工作停止了近二十年。直到找到新的发泡剂，多孔泡沫金属的研制才进入一个新的阶段。随着人们逐渐认识到这是一种十分重要的高科技新材料，有着十分广泛的应用前景，多孔泡沫金属材料已成为世界各国争先开发的材料。日本、美国、西欧连年投入大量资金研究该项目，并在制备方法上，在制备过程的重要参数的模拟方面取得了某些重要进展，在一些专利文献上公开了许多这方面的技术内容，使多孔泡沫金属材料在近十几年内有了长足的进展。新的制备方法的不断涌现、控制技术日趋完善。

现有的多孔泡沫金属材料的主要制备方法可以分为三大类：

一、发泡法制备工艺(液态、固态)；二、渗流铸造法制备工艺；三、电沉积工艺。

第一类：液态金属发泡法制备工艺是：把铝或铝合金熔化后，在一定温度下保温，搅拌，加增粘剂，再加发泡剂，或者在坩埚中凝固，或者浇注到模型中凝固，即可得到泡沫铝；固态发泡法又可称为粉末冶金法。把纯铝粉或铝合金粉末同一定比例的发泡剂均匀混合在一起，压实成坯料，放在可控气氛炉中，按一定工艺烧结，就可生产出泡沫铝。从上述生产工艺就可知道，用这种方法生产的泡沫铝的孔径大小，均匀程度以及孔隙率，均有很大的不确定性。因此，废品率较高。这种方法生产的泡沫铝，孔互不连通，被称为闭孔泡沫铝。

第二类：渗流铸造法制备泡沫铝的工艺是用一定尺寸的固体颗粒(如溶盐、玻璃、陶瓷等)堆积在一起，然后，把熔融的铝液浇注到固体颗粒的缝隙中，冷凝后再把固体颗粒除掉，就得到了泡沫铝。这种方法生产的泡沫铝的孔相互连通，称为通孔泡沫铝。它的孔径的均匀性可以做到，但其孔隙率较低。

第三类：电沉积工艺又可称为电镀工艺。可分为湿电镀法和干电镀法。在水溶性电镀液中电镀是生产泡沫镍的主要工艺方法。在非水溶性电镀液中电镀可用来生产泡沫铝。而干电镀法是无电镀液电镀，或称物理气相沉积法。

第一、二类两种工艺生产的泡沫铝的结构特征如下：孔径比较大为φ0.3～8mm，且不均匀，空隙率为60~90％，比表面积1000~4500m/m。实际生产中，结构控制较困难，废品率较高，因此，成本较高。由于泡沫铝的性能主要取决于它的结构，因此，用这两种方法生产的泡沫铝的各种性能已很难再提高。如何控制泡沫铝的孔结构，使它更稳定、更细小、更均匀，降低废品率，一直是生产厂商追求的目标。

湿电镀工艺是当前生产泡沫镍的主要工艺方法。电沉积法生产的泡沫金属的孔结构主要取决于所选择的基底材料。也就是说所选用的泡沫塑料的结构是什么样，泡沫金属的结构就是甚么样。这就从根本上解决了泡沫金属的结构稳定性问题。结构稳定了，性能的稳定性问题就迎刃而解了。由于它的结构取决于泡沫塑料的结构，因此，废品率低，成本较低。然而，水溶性电镀液电镀只能用来镀镍、铁、铜、钴、铬等金属。电沉积法生产泡沫金属，在一些国外专利中曾报导过，如EP-B1-0151064、US5503941专利中提到生产泡沫镍；DE10123585专利中涉及到生产可膨胀金属和泡沫金属，但均为铜、镍、钴、铁等金属，不包括铝；EP921210专利中涉及到用覆盖和烧结的方法生产多孔镍-铝合金复合材料，其中，镍层是采用电沉积方法，而铝层则是采用有机化合物热分解法沉积的。

本发明人曾针对上述发泡法或渗流铸造法存在的结构控制较困难，废品率较高的问题，提出一种采用电沉积法，以非水溶性镀液——无水有机烷基铝电解液生产泡沫铝的方法，从根本上解决了泡沫铝的结构稳定性问题，制备出孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝。但是，因有机镀液都是易燃的，故其是安全生产的最大的隐患。另外，有机镀液对环境的污染问题也不容忽视。因此，该制备方法需进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫铝卷毯的生产装置及其制备方法，该装置结构简单、操作方便、使用安全，它从根本上解决了生产结构稳定的、大面积的孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝问题，与湿电镀法相比，具有显著提高产品质量，明显降低废品率，确保生产安全，对环境无污染的优点。

本发明的目的是这样实现的：该生产装置包括机体、组装其内的卷绕机构和电弧式金属蒸发器，其技术要点是：卷绕机构的基底材料开卷轴辊和收卷轴辊旁分别设置轴辊半径测量传感器，正对利用导向辊张紧的基底材料上、下表面均匀排列至少上、下两排电弧式金属蒸发器，每排至少并列4个电弧式金属蒸发器，在各导向辊旁分别设置张力测量传感器。

上述生产装置机体内的电弧式金属蒸发器的靶材为工业纯铝，工作电流为25-120A、负偏压电源电压为500-1000V、电流为20-40A。

采用上述的生产装置制备泡沫铝卷毯的方法，采用如下操作步骤：

选用泡沫塑料作为基底材料，经脱脂、去应力、去气、收卷、真空塑封的预处理后，置于机体中的开卷轴辊上，除去塑封，卷头固定在收卷轴辊上，关闭机体门，开启真空阀门抽真空，当达到10^--10^-4Pa后，通入氩气，氩气压力为1.33×10~1.33×10^-Pa。启动卷绕机构，与此同时，引燃电弧式金属蒸发器，开启负偏压电源，基底材料以设定的线速度移动，均匀的沉积上需要量的铝后，关闭卷绕机构，关闭电弧式金属蒸发器，关闭负偏压电源，关闭真空阀门，放气，打开机体门，取出制成的泡沫铝卷毯。

上述方法中基底材料为有机泡沫材料，选用聚亚安脂、聚脂、聚苯乙烯、多酚、聚乙烯、聚丙乙烯。

采用上述方法制备的泡沫铝卷毯为提高其强度和韧性，可以在无氧(如真空、堕性气体、氮气或氮氢混合气)条件下，于400-500℃温度下进行高温分解热处理。除去里面的有机泡沫材料也可以用其它的热处理方法，代替高温分解法。热处理条件也可选择烧结电沉积的金属铝，使泡沫铝卷毯结构强度增强。

由于本发明采用经预处理的泡沫材料作为基底材料，利用专用生产装置制备泡沫铝卷毯，不用易燃的有机镀液，消除了安全生产的最大的隐患和有机镀液对环境的污染问题，所以该装置不仅结构简单、操作方便、使用安全，而且利用该生产装置制备泡沫铝卷毯的方法，从根本上解决了生产结构稳定的、大面积的孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝问题，与湿电镀法相比，具有显著提高产品质量，明显降低废品率，确保生产安全，对环境无污染的优点。本发明制备出的泡沫铝卷毯的主要结构特性主要根据实际需要确定，并依此选择基底材料、电弧式金属蒸发器工作电流和负偏压电源的控制、基底材料的运动速度等。其主要结构特性经实际检测结果如下：

孔隙2.5~30个/cm    孔径0.1~3.2mm         表面积500~7500m²/m³

厚度2~20mm         密度0.10~0.34g/cm²   镀层厚度10~20m

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种生产装置具体结构示意图。

图2是选用聚亚安酯泡沫作基底材料生产的泡沫铝卷毯的扫描电镜图片。

图3是选用聚乙烯作基底材料生产的泡沫铝卷毯的扫描电镜图片。

图4是选用聚苯乙烯作基底材料生产的泡沫铝卷毯实物图片。

具体实施方式

根据图1和实施方式详细说明本发明的具体结构和工作过程。该生产装置的规格应按照所制备的包括机体1、组装其内的卷绕机构和常规电弧式金属蒸发器3。其中卷绕机构由电机传动装置(图中未示出)驱动的基底材料6的开卷轴辊2、收卷轴辊4及其导向辊7等构成。开卷轴辊2和收卷轴辊4旁分别设置轴辊半径测量传感器4，用来监测基底材料6的卷取半径。正对利用导向辊7张紧的基底材料6的上、下表面，均匀排列至少上、下两排电弧式金属蒸发器，每排至少并列4个电弧式金属蒸发器。在各导向辊7旁分别设置张力测量传感器8，以控制该导向辊7对基底材料6的适宜张力。在机体1内的电弧式金属蒸发器3的靶材为工业纯铝，工作电流为25-120A、负偏压电源电压为500-1000V、电流为20-40A。其基底材料的选择、电弧式金属蒸发器工作电流和负偏压电源的控制、基底材料的运动速度等，主要根据制备出的泡沫铝卷毯的主要结构特性的实际需要确定。

实施例一：

选用聚亚安酯泡沫作为基底材料，平均孔径为0.60mm，孔隙率90％，厚度2mm，经脱脂、去应力、去气、收卷、真空塑封后，置于机体中的开卷轴辊上，除去塑封，卷头固定在收卷轴辊上，关闭机体门，开启真空阀门抽真空，当达到10^--10^-4Pa后，通入氩气，氩气压力为1.33×10~1.33×10^-Pa。启动卷绕机构，与此同时逐一引燃4排共16个电弧式金属蒸发器。此时，打开负偏压电源。蒸发器的工作电流27-35A、负偏压电源电压为500V、电流为40A。聚安酯泡沫基底材料以1m/h的线速度移动，均匀的沉积上一层铝。当基底材料用完后，关闭卷绕机构，逐一关闭电弧式金属蒸发器，关闭负偏压电源，关闭真空伐门，放气，打开炉门，取出制成的泡沫铝卷毯。一个生产周期结束。其结构如图1所示。孔径0.59mm，孔隙率89.4％。铝镀层厚度约18m。由图2所示的照片上可以看出铝骨架的中心是空的，换句话说铝骨架是由厚度为18m的铝管构成的。这就是说用这种方法生产的泡沫铝卷毯的孔隙率比实测的孔隙率大。因此，它的使用性能更佳。

实施例二

选用聚乙烯泡沫作为基底材料，平均孔径为0.80mm，孔隙率92％。厚度2.5mm。经脱脂、去应力、去气、收卷、真空塑封后，置于机体中的开卷轴辊上，除去塑封，卷头固定在收卷轴辊上，关闭机体门，开启真空阀门抽真空，当达到10^--10^-4Pa后，通入氩气，氩气压力为1.33×10~1.33×10^-Pa。启动卷绕机构，与此同时逐一引燃4排共16个电弧式金属蒸发器。此时，打开负偏压电源。蒸发器的工作电流35-50A、负偏压电源电压为1000V、电流为20A。聚安酯泡沫基底材料以10m/h的线速度移动，均匀的沉积上一层铝。当基底材料用完后，关闭卷绕机构，逐一关闭电弧式金属蒸发器，关闭负偏压电源，关闭真空伐门，放气，打开炉门，取出制成的泡沫铝卷毯。一个生产周期结束。其结构如图3所示，孔径0.65mm，孔隙率90.4％。铝镀层厚度约12m。

实施例三

选用聚苯乙烯泡沫作为基底材料，平均孔径为2.80mm，孔隙率94％。厚度20mm。经脱脂、去应力、去气、收卷、真空塑封后，置于机体中的开卷轴辊上，除去塑封，卷头固定在收卷轴辊上，关闭机体门，开启真空阀门抽真空，当达到10^--10^-4Pa后，通入氩气，氩气压力为1.33×10~1.33×10^-Pa。启动卷绕机构，与此同时逐一引燃6排共24个电弧式金属蒸发器。此时，打开负偏压电源。蒸发器的工作电流50-70A、负偏压电源电压为700V、电流为30A。聚苯乙烯泡沫基底材料以5m/h的线速度移动，均匀的沉积上一层铝。当基底材料用完后，关闭卷绕机构，逐一关闭电弧式金属蒸发器，关闭负偏压电源，关闭真空伐门，放气，打开炉门，取出泡沫铝卷毯。在无氧条件下400-500℃下进行热处理。一个生产周期结束。其结构如图3所示，孔径2.59mm，孔隙率94.4％。铝镀层厚度约20m。