一种通过弥散强化来提高泡沫铝的力学性能的方法

摘要

本发明涉及一种采用弥散强化手段提高泡沫铝的力学性能的方法，特别是一种用粉末冶金法引入第二相颗粒来明显改善泡沫铝基体材料的力学性能的方法。铝粉颗粒应当先与第二相颗粒混合均匀，然后与氯化钠颗粒混合均匀。将铝粉颗粒与第二相颗粒混合物和氯化钠颗粒与少量有机溶剂乙醇机械混合均匀。将混合后的粉末装入模具中，利用液压机单向压制成预制块，把预制块烧结并自然冷却至室温，将烧结好的坯料在75℃-95℃水浴中浸泡8-15小时制得我们所需要的第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫。与用纯铝粉末在相同工艺条件下制备的开孔泡沫铝相比，采用第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度增加了40％-90％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用弥散强化手段提高泡沫铝的力学性能的方法，特别是一种用粉末冶 金法引入第二相颗粒来改善泡沫铝基体材料的力学性能，使其力学性能明显提高的方法。

背景技术

泡沫金属是一种由金属基体和气孔组成的新型材料。一般金属都具有密实的多晶体结构， 其中的孔隙，如缩孔、疏松、气孔等，是作为一种缺陷来对待的，当缺陷多时，就会影响材 料的性能，甚至成为废品。而泡沫金属恰恰是利用了材料的这种缺陷，当金属材料的这种缺 陷数量达到一定程度(及孔隙率为40-98％，孔径为0.5-6mm或更大)后，可在牺牲其强度等力 学性能的同时，获得其它如热、声、能量吸收、轻质等优越性能而成为一种新型结构功能材 料。

泡沫金属材料因其具有优异的物理性能、化学性能、力学性能与可回收性等，被认为是 一类很有发展前景的新材料，可用做环境保护的降噪材料，振动和冲击能量吸收器，粉尘和 流体过滤器，发电机排气的消音器，室内保温、阻燃和隔音装饰材料，多孔电极，高温垫圈 和耐磨垫，催化剂载体，屏蔽电磁波的材料等。

最近十几年中，金属泡沫特别是铝泡沫，由于它们在挤压、弯曲、和有用的热学和声学 性能方面的高空隙率力学性能，受到越来越多的关注。既然泡沫铝的力学性能与空隙率有直 接的关系，空隙率越高，力学性能越低。因此高空隙率导致在轻结构和冲击衰减性能方面不 满意的结果。为了提高铝泡沫的力学性能，一些措施如优化的孔洞之间的结合和制备复合物 泡沫已经被采用。而本发明中通过颗粒增强来提高泡沫铝的力学性能的方法还没有被报道过。

发明内容

本发明采用商业纯度的铝粉末、第二相颗粒和氯化钠颗粒作为基底材料。铝粉颗粒先与 第二相颗粒机械混合均匀，然后与氯化钠颗粒混合均匀。将铝粉颗粒与第二相颗粒混合物和 氯化钠颗粒按预定比例混合，然后在一定压力下压实，烧结，采用热水浴去除氯化钠颗粒后， 获得第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫。

生产第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的工艺方法的具体操作步骤如下：

(1)采用商业纯度的铝粉末、第二相颗粒和氯化钠颗粒作为基底材料，

(2)将铝粉末先与第二相颗粒混合均匀，然后与氯化钠颗粒混合均匀。

(3)将上述混合物与有机溶剂添加剂机械混合均匀，

(4)将步骤(3)混合后的粉末装入模具中，利用液压机在230-450MPa的压力下单向 压制成预制块，

(5)将预制块放入炉内在650℃-670℃保温烧结15-25小时，自然冷却至室温，

(6)将烧结好的坯料在75℃-95℃水浴中加热8-15小时制得第二相颗粒增强的开孔铝 基复合物泡沫。

其中，铝粉粒径无严格要求，氯化钠颗粒通过分样筛选取合适粒径。第二相颗粒增强的 铝基复合物泡沫孔径的大小与氯化钠颗粒粒径相同。

优选地，第二相颗粒可以是三氧化二铝颗粒、二硼化钛或碳化硅，或者是其混合物。

为了制备第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫，铝粉颗粒先与第二相颗粒混合均匀， 第二相颗粒占总混合物的体积分数为10％。

按照第二相颗粒增强的铝基复合物泡沫的空隙率和所制备产品体积的要求，根据以下公 式计算出所需铝粉颗粒，第二相颗粒混合物和氯化钠颗粒的质量，并用电子天平称出。

m_混合物＝V×(1-P)×ρ_混合物

m_氯化钠＝V×P×ρ_氯化钠

其中，V和P分别指预制备的颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的体积和空隙率，而ρ_混合物是 致密状态下铝粉颗粒与第二相颗粒混合物的密度(致密状态下铝粉颗粒与三氧化二铝颗粒的 混合物的密度为2.81g/cm³、致密状态下铝粉颗粒与二硼化钛颗粒的混合物的密度为 2.75g/cm³、致密状态下铝粉颗粒与碳化硅颗粒的混合物的密度为2.88g/cm³)，ρ_氯化钠是氯化 钠的密度2.17g/cm³。

在称出的铝粉颗粒与第二相颗粒混合物和氯化钠颗粒中添加少量有机溶剂，并且进行机 械混合。所述有机溶剂优选地为乙醇，该有机溶剂的作用是便于粉末和颗粒之间充分粘结， 防止分层。优选地，添加有机溶剂的量为为混合物总重量的1％-3％。

将混合好的粉末装入模具，利用液压机在230-450MPa的压力下单向压制成预制块。

把预制块放入炉内，在无气氛保护下烧结，温度为650℃-670℃，保温时间15-25小时。

去除烧结压块中的氯化钠颗粒。把烧结好的压块放入75℃-95℃水浴中8-15小时，目的 是溶解掉压块中的氯化钠颗粒。制得所需要的第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫。

本发明的第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的空隙率在48％-86％之间，为三维相互 连通的空间网络结构，平均孔径在0.10-4.0毫米之间。

采用本发明的工艺技术，通过在泡沫铝的基体中引入第二相颗粒，如三氧化二铝颗粒、 二硼化钛或碳化硅等后，泡沫铝的力学性能有了很大的提高。与用纯铝粉末在相同工艺条件 下制备的开孔泡沫铝相比，采用第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度增加了 40％-90％。

附图说明

图1为本发明中的工艺流程图。

图2为本发明生产的第二相颗粒增强的大孔径开孔铝基复合物泡沫的形貌特征照片：其 中(a)平均孔径1.25毫米；(b)平均孔径1.75毫米；(c)平均孔径2.50毫米。

图3为本发明生产的第二相颗粒增强的小孔径开孔铝基复合物泡沫的形貌特征照片：其 中(a)平均孔径0.12毫米；(b)和(c)平均孔径0.18毫米；(d)平均孔径0.33毫米。

图4为本发明生产的三氧化二铝颗粒增强的小孔径开孔铝基复合物泡沫和同样工艺条件 下制备的小孔径开孔纯铝泡沫的准静态压缩应力-应变行为，其中(a)为三氧化二铝颗粒增强 的小孔径开孔铝基复合物泡沫，(b)为小孔径开孔纯铝泡沫。

具体实施方式

实施例1：

选用纯度为99％、粒径为30微米的商业铝粉末，平均粒径为15微米的三氧化二铝颗粒 和平均粒径为1.25毫米的工业用氯化钠，制备空隙率为79％的泡沫铝。首先制备铝粉颗粒与 三氧化二铝颗粒的混合物，然后根据制备产品的体积要求，称取特定质量的上述混合物和氯 化钠颗粒，加入少量乙醇，机械混合直至均匀，在260MPa的压力下单向压制成预制块，然 后把预制块放入炉内烧结，在无气氛保护条件下于666℃保温烧结23小时。把烧结好的压块 放入95℃热水浴中9小时，目的是溶解掉压块中的氯化钠颗粒。制得第二相颗粒增强的开孔 铝基复合物泡沫。

该种第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度为1.80Mpa，而相应的用同样工 艺制备的平均孔径为1.25毫米，空隙率为80％的开孔纯铝泡沫铝屈服强度为1.33MPa。通过 增加三氧化二铝增强颗粒后，屈服强度由1.32MPa增加到1.96MPa，强度提高了47.5％。

实施例2：

选用纯度为99％、平均粒径为30微米的商业铝粉末，平均粒径为15微米的三氧化二铝 颗粒和平均粒径为0.18毫米的工业用氯化钠，制备空隙率为65％的泡沫铝。首先制备铝粉颗 粒与三氧化二铝颗粒的混合物，然后根据制备产品的体积要求，称取特定质量的上述混合物 和氯化钠颗粒，加入少量乙醇，机械混合直至均匀，在285MPa的压力下单向压制成预制块， 然后把预制块放入炉内烧结，在无气氛保护条件下于663℃保温烧结22小时。把烧结好的压 块放入95℃热水浴中14小时，目的是溶解掉压块中的氯化钠颗粒。制得第二相颗粒增强的 开孔铝基复合物泡沫。

该种第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度为6.11Mpa，而相应的用同样工 艺制备的平均孔径为0.18毫米，空隙率为65％的开孔纯铝泡沫铝屈服强度为3.42MPa。通 过增加三氧化二铝增强颗粒后，屈服强度从3.42MPa增加6.11MPa，增加了78.7％。

实施例3：

选用纯度为99％、平均粒径为30微米的商业铝粉末，平均粒径为10微米的二硼化钛颗 粒和平均粒径为1.75毫米的工业用氯化钠，制备空隙率为64％的泡沫铝。首先制备铝粉颗粒 与二硼化钛颗粒的混合物，然后根据制备产品的体积要求，称取特定质量的上述混合物和氯 化钠颗粒，加入少量乙醇，机械混合直至均匀，在270MPa的压力下单向压制成预制块，然 后把预制块放入炉内烧结，在无气氛保护条件下于664℃保温烧结22小时。把烧结好的压块 放入95℃热水浴中11小时，目的是溶解掉压块中的氯化钠颗粒。制得第二相颗粒增强的开 孔铝基复合物泡沫。

该种第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度为8.42Mpa，而相应的用同样工 艺制备的平均孔径为1.75毫米，空隙率为64％的开孔纯铝泡沫铝屈服强度为5.23MPa。通过 增加二硼化钛增强颗粒后，屈服强度从5.23MPa增加8.42MPa，增加了61.0％。

实施例4：

选用纯度为99％、平均粒径为30微米的商业铝粉末，平均粒径为10微米的二硼化钛颗 粒和平均粒径为0.18毫米的工业用氯化钠，制备空隙率为69％的泡沫铝。首先制备铝粉颗粒 与二硼化钛颗粒的混合物，然后根据制备产品的体积要求，称取特定质量的上述混合物和氯 化钠颗粒，加入少量乙醇，机械混合直至均匀，在290MPa的压力下单向压制成预制块，然 后把预制块放入炉内烧结，在无气氛保护条件下于661℃保温烧结22小时。把烧结好的压块 放入大约95℃热水浴中13小时，目的是溶解掉压块中的氯化钠颗粒。制得第二相颗粒增强 的开孔铝基复合物泡沫。

该种第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度为3.53Mpa，而相应的用同样工 艺制备的平均孔径为0.18毫米，空隙率为69％的开孔纯铝泡沫铝屈服强度为2.31MPa。通过 增加二硼化钛增强颗粒后，屈服强度从2.31MPa增加3.53MPa，增加了52.8％。

实施例5：

选用纯度为99％、平均粒径为30微米的商业铝粉末，平均粒径为18微米的碳化硅颗粒 和平均粒径为1.75毫米的工业用氯化钠，制备空隙率为75％的泡沫铝。首先制备铝粉颗粒与 碳化硅颗粒的混合物，然后根据制备产品的体积要求，称取特定质量的上述混合物和氯化钠 颗粒，加入少量乙醇，机械混合直至均匀，在265MPa的压力下单向压制成预制块，然后把 预制块放入炉内烧结，在无气氛保护条件下于665℃保温烧结22.5小时。把烧结好的压块放 入大约95℃热水浴中10小时，目的是溶解掉压块中的氯化钠颗粒。制得第二相颗粒增强的 开孔铝基复合物泡沫。

该种第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度为3.78MPa，而相应的用同样工 艺制备的平均孔径为1.75毫米，空隙率为75％的开孔纯铝泡沫铝屈服强度为2.48MPa。通过 增加碳化硅增强颗粒后，屈服强度从2.48MPa增加3.78MPa，增加了52.4％。

实施例6：

选用纯度为99％、平均粒径为30微米的商业铝粉末，平均粒径为18微米的碳化硅颗粒 和平均粒径为0.12毫米的工业用氯化钠，制备空隙率为64％的泡沫铝。首先制备铝粉颗粒与 碳化硅颗粒的混合物，然后根据制备产品的体积要求，称取特定质量的上述混合物和氯化钠 颗粒，加入少量乙醇，机械混合直至均匀，在300MPa的压力下单向压制成预制块，然后把 预制块放入炉内烧结，在无气氛保护条件下于662℃保温烧结21小时。把烧结好的压块放入 95℃热水浴中15小时，目的是溶解掉氯化钠颗粒。制得第二相颗粒增强的开孔铝基复合物 泡沫。

该种第二相颗粒增强的开孔铝基复合物泡沫的屈服强度为5.34Mpa，而相应的用同样工 艺制备的平均孔径为0.12毫米，空隙率为64％的开孔纯铝泡沫铝屈服强度为3.53MPa。通过 增加碳化硅增强颗粒后，屈服强度从3.53MPa增加5.34MPa，增加了51.3％。