一種泡沫鋁-金屬管件複合材料的製備方法與流程
2023-05-07 05:27:12
本發明涉及一種泡沫鋁-金屬管件複合材料製備方法，具體涉及一種泡沫鋁-金屬管件複合材料的製備方法。
背景技術：
泡沫鋁與傳統材料相比具有高的孔隙率以及高比強度、比剛度、能量吸收率等力學特性，同時還具有隔熱、阻尼、阻燃等多功能特性，作為結構功能一體化材料在航天航空、安全防護、減振降噪等領域具有廣泛的應用前景。其高達80％以上的應力平臺區使得其成為緩衝吸能的理想材料，在衝擊能量吸收領域極具應用潛力。但鋁基體材料本身具有較低的強度，加上其製備過程中不可避免引入的孔隙結構缺陷，使得其具有較低的強度，一般僅為幾個兆帕。國內外大量研究企圖通過合金化的方式提高其機械強度，但成本較高且提升幅度有限，在主承載結構件應用方面仍然受限。因此，進一步大幅度提高泡沫鋁的強度使得其作為承載工程結構件應用依然是國內外科研工作者追求的目標。
本發明提出的泡沫鋁-金屬管件複合材料和泡沫鋁相比在強度、剛度及能量吸收率方面均得到了大幅提升，在繼承了泡沫鋁固有的力學及功能特性的基礎上在強度方面得到了顯著的改善，在作為功能材料應用的同時也可以滿足其高的機械性能方面的需求，可極大地拓寬其應用範圍。
技術實現要素：
本發明的目的在於通過將金屬管件與泡沫鋁進行有機結合，獲得一種新型泡沫鋁-金屬管件複合材料，該複合材料充分利用金屬管件的軸向承載能力對泡沫鋁不同方向進行選擇性強化，使得其和泡沫鋁相比具有更加優異的力學承載能力，且密度並不發生太大變化，甚至更低。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案分和具體步驟如下：
1)泡沫鋁1的加工。首先將泡沫鋁(開孔或者閉孔)按需求採用切割機或線切割加工成所需尺寸結構，再按設計要求在需要強化的方向採用鑽孔或線切割加工一系列通孔結構，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個方向或某個方向，孔的數目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結構，亦或局部分布。孔的尺寸與金屬管件結構截面尺寸一致，可預留適當縫隙，縫隙尺寸小於0.1mm。
2)金屬管件2的加工。將金屬管件結構採用線切割或切割機加工成與1)中孔隙尺寸一致的金屬管件，備用；
3)結構複合。首先將切割好的金屬管件表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對應孔隙之中。再將其靜置24小時或者恆溫箱中40～60℃環境下兩小時完成固化。最後清理試樣表面環氧膠及汙物即可獲得泡沫鋁-金屬管件複合材料。圖2所示為其剖面示意圖。
或者將2)中的全部或部分金屬管件內部3也填充泡沫金屬，獲得泡沫金屬填充金屬管件結構，然後再與1)中的結構按步驟3)進行複合。其中泡沫金屬採用切割機或者線切割切割，尺寸與金屬管件 內徑一致，縫隙控制在小於0.1mm，並在其表面均勻塗覆環氧膠後將其填充到金屬管件之中。
本發明的泡沫鋁為不同孔隙率的閉孔、開孔泡沫鋁及其合金。
所述的膠粘劑為環氧樹脂或聚氨酯類粘接劑。
所述的金屬管件為碳鋼、不鏽鋼、純鋁、鋁合金、鎳合金或鈦合金管。
所述金屬管件截面形狀為圓形、正方形、矩形或橢圓形截面。
所述泡沫鋁-金屬管件複合材料製備方法為將金屬管件結構選擇性的通過鑽孔、粘接鑲嵌到泡沫鋁中，可以在泡沫鋁的某一個或多個方向，或者局部實現複合，利用金屬管件結構優異的軸向承載特性實現複合強化，其金屬管件結構可按不同陣列排列實現不同程度的強化。
本發明所述泡沫鋁-金屬管件複合材料製備方法可以通過改變金屬管件結構的材料屬性、幾何尺寸、數目、分布來實現不同強度各向同性及各向異性泡沫鋁-金屬管件複合材料的製備。
本發明和其它技術相比具有如下優點：
1)本發明獲得的泡沫鋁-金屬管件複合材料可以結合泡沫鋁的能量吸收特性以及金屬管件結構的軸向承載能力，揚長避短，即可以解決泡沫鋁高強度的應用目標需求，又可以解決金屬管件結構軸向外其它方向承載能力差及失穩的問題。二者相互耦合實現強化，新型複合材料具有更加優異的綜合力學性能，同時泡沫鋁的隔聲(閉孔)、吸聲(開孔)、散熱(開孔)、隔熱(閉孔)、減振降噪、阻燃等多功能 特性得以繼承。
2)泡沫鋁-金屬管件複合材料相比泡沫鋁複合強化效果顯著。研究結果表明，泡沫鋁-金屬管件複合材料其單位質量峰值壓縮強度可達到複合前的2.16倍，單位體積能量吸收可達到複合前的2.93倍，單位質量能量吸收率可達到複合前的2.24倍。本發明通過複合強化，可以使得泡沫金屬抗壓強度及能量吸收效率得到成倍的提升，且並不會帶來密度的增加，甚至會降低(將局部泡沫金屬用金屬管件代替)。
3)本發明通過改變金屬管件結構的材料屬性、尺寸、數目以及陣列分布即可獲得一系列不同強度的泡沫鋁-金屬管件複合材料，且複合強化過程簡單，加工製造成本低。
4)本發明金屬管件結構可以選擇性填充，可以在不同方向及局部實現複合達到強化目的，也可以在金屬管件內部填充泡沫鋁達到進一步複合強化，預留的孔隙管件結構還可以實現進一步多功能複合，如可作為散熱通道、鋪設電纜等。
附圖說明
圖1是本發明泡沫鋁-金屬管件複合結構示意圖；
圖2是本發明泡沫鋁-金屬管件複合結構截面a-b-c-d剖面示意圖。
圖中：1、泡沫鋁；2、金屬管件；3、金屬管件內部。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例1：1)泡沫鋁1的加工。首先將閉孔泡沫鋁塊體材料按需求採用切割機或線切割加工成所需尺寸結構，再按設計要求在需要 強化的方向採用鑽孔或線切割加工一系列通孔結構，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個方向，孔的數目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結構或局部分布。孔的尺寸與金屬管件結構截面尺寸一致，可預留適當縫隙，縫隙尺寸小於0.1mm。其中，泡沫鋁為閉孔泡沫鋁密度為0.54～0.81g/cm3,孔隙率70～80％，孔徑1～3mm。
2)金屬管件2的加工。將304不鏽鋼金屬圓管採用線切割或切割機加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中圓管直徑20mm，壁厚0.5mm。
3)結構複合。首先將切割好的金屬管件2表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對應孔隙之中。再將其靜置24小時或者恆溫箱中40～60℃環境下兩小時完成固化。最後清理試樣表面環氧膠及汙物即可獲得泡沫鋁-金屬管件複合材料。圖2所示為其剖面示意圖。
實施例2：1)泡沫鋁1的加工。首先將閉孔泡沫鋁塊體材料按需求採用切割機或線切割加工成所需尺寸結構，再按設計要求在需要強化的方向採用鑽孔或線切割加工一系列通孔結構，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個方向，孔的數目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結構或局部分布。孔的尺寸與金屬管件結構截面尺寸一致，可預留適當縫隙，縫隙尺寸小於0.1mm。其中，泡沫鋁為閉孔泡沫鋁密度為0.1～0.54g/cm3,孔隙率80～95％，孔徑1～3mm。
2)金屬管件2的加工。將2024鋁合金圓管採用線切割或切割機加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中圓管直徑20mm， 壁厚2mm。
3)結構複合。首先將切割好的金屬管件表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對應孔隙之中。再將其靜置24小時或者恆溫箱中40～60℃環境下兩小時完成固化。最後清理試樣表面環氧膠及汙物即可獲得泡沫鋁-金屬管件複合材料。圖2所示為其剖面示意圖。
實施例3：1)泡沫鋁1的加工。首先將泡沫鋁塊體材料按需求採用切割機或線切割加工成所需尺寸結構，再按設計要求在需要強化的方向採用鑽孔或線切割加工一系列通孔結構，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個方向，孔的數目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結構或局部分布。孔的尺寸與金屬管件結構截面尺寸一致，可預留適當縫隙，縫隙尺寸小於0.1mm。其中，泡沫鋁為滲流鑄造法製備的開孔泡沫鋁，密度為1.0g/cm3,相對密度為0.4，孔徑1～2mm。
2)金屬管件2的加工。將304不鏽鋼方管採用線切割或切割機加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中方管截面尺寸為20*20mm，壁厚1mm。
3)結構複合。首先將切割好的金屬管件表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對應孔隙之中。再將其靜置24小時或者恆溫箱中40～60℃環境下兩小時完成固化。最後清理試樣表面環氧膠及汙物即可獲得泡沫鋁-金屬管件複合材料。圖2所示為其剖面示意圖。
實施例4：1)泡沫鋁1的加工。首先將泡沫鋁塊體材料按需求採用切割機或線切割加工成所需尺寸結構，再按設計要求在需要強化的方向採用鑽孔或線切割加工一系列通孔結構，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個方向，孔的數目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結構。孔的尺寸與金屬管件結構截面尺寸一致，可預留適當縫隙，縫隙尺寸小於0.1mm。其中，泡沫鋁為滲流鑄造法製備的開孔泡沫鋁，密度為1.0g/cm3,相對密度為0.4，孔徑1～2mm。
2)金屬管件2的加工。將TA18鈦合金管採用線切割或切割機加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中鈦合金管直徑25mm，壁厚1.8mm。
3)泡沫鋁填充圓管。首先將1)中所述開孔泡沫鋁切割成直徑25mm，高度與泡沫鋁板厚度一致的泡沫鋁柱(與TA18鈦合金管內徑一致)，再將其表面均勻塗覆一層環氧結構膠，最後將其填充到2)所述加工好的鈦合金管中，並將溢出的環氧膠清理，備用。
4)結構複合。首先將3)中所述泡沫鋁填充管件表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對應孔隙之中。再將其靜置24小時或者恆溫箱中40～60℃環境下兩小時完成固化。最後清理試樣表面環氧膠及汙物即可獲得泡沫鋁-金屬管件複合材料。圖2所示為其剖面示意圖。
實施例5：1)泡沫鋁1的加工。首先將閉孔泡沫鋁塊體材料按需求採用切割機或線切割加工成所需尺寸結構，再按設計要求在需要強化的方向採用鑽孔或線切割加工一系列通孔結構，如圖1示意圖所 示沿x，y，z三個方向，孔的數目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結構。孔的尺寸與金屬管件結構截面尺寸一致，可預留適當縫隙，縫隙尺寸小於0.1mm。其中，泡沫鋁為閉孔泡沫鋁密度為0.54～0.81g/cm3,孔隙率70～80％，孔徑1～3mm。
2)金屬管件2的加工。將2024鋁合金管採用線切割或切割機加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中鋁合金管直徑20mm，壁厚2mm。
3)泡沫鋁填充鋁管。首先將1)中所述開孔泡沫鋁切割成直徑16mm，高度與泡沫鋁板厚度一致的泡沫鋁柱(與所述鋁合金管內徑一致)，再將其表面均勻塗覆一層環氧結構膠，最後將其填充到2)所述加工好的2024鋁合金管中，並將溢出的環氧膠清理，備用。
4)結構複合。首先將3)中所述泡沫鋁填充鋁管表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的y和z方向對應的孔隙之中。再將2)中所述鋁合金管表層均勻塗覆一層環氧結構膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的x方向對應的孔隙之中。然後將其靜置24小時或者恆溫箱中40～60℃環境下兩小時完成固化。最後清理試樣表面環氧膠及汙物即可獲得泡沫鋁-金屬管件複合材料。圖2所示為其剖面示意圖。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員,在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依 據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬於本發明技術方案的範圍內。