一種多孔鋁基複合金屬材料及其製作方法與流程

2023-06-02 00:28:46 1

【技術領域】

本發明涉及材料生產技術領域，尤其是一種多孔鋁基複合金屬材料及其製作方法。

【技術背景】

金屬基複合材料發展的最初是為了滿足航空領域對特殊材料的需求，至今已有五十年的歷史，金屬基複合材料發展至今，研究者在選擇增強相和製備工藝上進行了大量的探索和實驗，現代科學技術通常情況下用到的增強相有以下幾種類型：單絲、長纖維晶須、短纖維和顆粒，製作工藝的主要方法包括：擴散結合、粉末冶金、霧化和液態金屬，研製綜合性能良好要求的材料，這種材料的綜合性能集高強度、高韌性、高耐磨性、低密度和良好的抗疲勞性等於一體。金屬基複合材料按照基體不同分為鋁基、鋅基、鈦基和銅基等複合材料，目前可達到批量應用的產品多為鋁基複合材料，這種複合材料具有高的比強度和比剛度，有密度小、可塑性好的特點，是金屬複合材料中最重要且常用的材料之一。多孔金屬材料是近幾十年發展起來的一種新型結構和功能材料，其內部彌散分布大量直徑為2-3μm的孔洞，根據其孔洞的特性可分為開孔材料和閉孔材料，閉孔材料具有比重小，剛度和比強度好，吸振及吸音的特性，開孔材料除了具備閉孔材料的特性外，還具有滲透性、通氣性好的特性，我國從八十年代開始研究多孔金屬材料，多孔材料的製備工藝很多。

多孔材料因其特性可作為結構材料，也可作為功能材料，應用領域十分廣泛，因此有廣泛的研究前景。

技術實現要素：

鑑於以上提出的問題，本發明提供了一種多孔鋁基複合金屬材料及其製作方法，這種多孔材料的孔隙率高，有較高的比表面積，具備良好的減震、吸音、吸收能量的作用，製作方法安全。

本發明的技術方案如下：

一種多孔鋁基複合金屬材料，所述多孔鋁基複合金屬材料包含的原料及其質量百分數為鐵12-13％、鈣2-3％、鈦0.08-0.10％、碳化矽0.2-0.4％、釔0.5-0.7％、錫0.1-0.2％、其餘為鋁；其中，在製作多孔鋁基複合金屬材料的過程中添加了增稠劑、發泡劑和活性添加劑；

其中，所述增稠劑是由粉煤灰、氧化錳、氧化鋁按照1-3:0.5-0.8:1的質量比混合製成，所述發泡劑是由碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣按照0.1-0.3:0.5-0.8:0.9-1的質量比混合製成，所述活性添加劑是由碳酸氫銨、羥甲基纖維素按照1:0.2-0.3的質量比混合製成。

進一步地，所述多孔鋁基複合金屬材料包含的鐵的質量百分數為12.5％。

進一步地，所述增稠劑是由粉煤灰、氧化錳、氧化鋁按照2:0.7:1的質量比混合製成，所述發泡劑是由碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣沫按照0.2:0.6:0.95的質量比混合製成，所述活性添加劑是由碳酸氫銨、羥甲基纖維素按照1:0.25的質量比混合製成，

本發明還提供多孔鋁基複合金屬材料的製作方法，其包括以下步驟：

(1)將上述製作多孔鋁基複合金屬材料的各原料分別破碎，放入真空球磨機中製成粉末，所述粉末的粒度為60-80μm，將粉末中加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑後混合均勻，再將其壓製成塊體a；

其中，所述增稠劑的使用量為所述粉末質量的5-6％；所述發泡劑的使用量為所述粉末質量的4-6％；所述活性添加劑的使用量為所述粉末質量的3-4％；

(2)將塊體a放入燒結爐中，通入氮氣，以9-11℃/min的速率進行升溫，升溫至1000-1100℃後，隨爐自然冷卻，得到材料b；其中，所述氮氣的體積流量為100-150ml/min；

(3)將材料b放入質量濃度為20-25％的醋酸溶液中浸泡10-15min後，即得到多孔鋁基複合金屬材料。

進一步地，所述增稠劑的使用量為所述粉末質量的5.5％。

進一步地，所述發泡劑的使用量為所述粉末質量的5％。

進一步地，所述活性添加劑的使用量為所述粉末質量的3.5％。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

本發明多孔鋁基複合金屬材料所用原料包括鐵、鈣、鈦、碳化矽、釔、錫、鋁，其中，加入碳化矽可使複合材料具有更好的熱穩定性，可使所得產品具有在溫度變化劇烈的環境中仍可穩定使用的特性，且具有優良的耐磨性和耐蝕性；加入鈦等元素，可在基體上形成彌散狀tial等化合物，形成強化材料的效果；加入一定量的鐵能有效強化基體，與鋁形成化合物相提高合金的機械強度和表面耐磨性能，加入一定量的錫能提高複合材料的抗蝕性能，使材料具有良好的韌性。

本發明所用的增稠劑包括粉煤灰、氧化錳、氧化鋁，發泡劑包括碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣沫，活性添加劑包括碳酸氫銨、羥甲基纖維素；粉煤灰是我國當前排量較大的工業廢渣之一，本發明將粉煤灰進行了可資源化利用，降低成本，還可提高多孔鋁基複合金屬材料的抗壓強度；本發明中加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑，使其經受熱產生氣體，封閉於內部體系中，從而形成多孔狀的材料。本發明的製作方法是將原料磨成粉末後加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑，再進行壓制，將壓制所得塊體於氮氣環境下進行燒結，最後於醋酸溶液中浸泡得到，這種製作方法所得的產品的孔洞均勻、連通，且孔隙率高，有較高的比表面積，氮氣環境可保證燒結環境穩定，經過醋酸浸泡不僅可洗脫產品中雜質，進一步提高產品的孔隙率。

總之，本發明提供了一種多孔鋁基複合金屬材料及其製作方法，這種多孔材料的孔隙率高，有較高的比表面積，具備良好的減震、吸音、吸收能量的作用，製作方法安全。

【具體實施方式】

下面的實施例可以幫助本領域的技術人員更全面的理解本發明，但不可以以任何方式限制本發明。

實施例1

一種多孔鋁基複合金屬材料，所述多孔鋁基複合金屬材料包含的原料及其質量百分數為鐵12％、鈣2％、鈦0.08％、碳化矽0.2％、釔0.5％、錫0.1％、其餘為鋁。製作方法包括以下步驟：

(1)將上述製作多孔鋁基複合金屬材料的各原料分別破碎，放入真空球磨機中製成粉末，所述粉末的粒度為60μm，將粉末中加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑後混合均勻，再將其壓製成塊體a；

其中，所述增稠劑是由粉煤灰、氧化錳、氧化鋁按照1:0.5:1的質量比混合製成，所述增稠劑的使用量為所述粉末質量的5％；

所述發泡劑是由碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣按照0.1:0.5:0.9的質量比混合製成，所述發泡劑的使用量為所述粉末質量的4％；

所述活性添加劑是由碳酸氫銨、羥甲基纖維素按照1:0.2的質量比混合製成，所述活性添加劑的使用量為所述粉末質量的3％；

(2)將塊體a放入燒結爐中，通入氮氣，以9℃/min的速率進行升溫，升溫至1000℃後，隨爐自然冷卻，得到材料b；其中，所述氮氣的體積流量為100ml/min；

(3)將材料b放入質量濃度為20％的醋酸溶液中浸泡10min後，即得到多孔鋁基複合金屬材料。

實施例2

一種多孔鋁基複合金屬材料，所述多孔鋁基複合金屬材料包含的原料及其質量百分數為鐵13％、鈣3％、鈦0.10％、碳化矽0.4％、釔0.7％、錫0.2％、其餘為鋁。製作方法包括以下步驟：

(1)將上述製作多孔鋁基複合金屬材料的各原料分別破碎，放入真空球磨機中製成粉末，所述粉末的粒度為80μm，將粉末中加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑後混合均勻，再將其壓製成塊體a；

其中，所述增稠劑是由粉煤灰、氧化錳、氧化鋁按照3:0.8:1的質量比混合製成，所述增稠劑的使用量為所述粉末質量的6％；

所述發泡劑是由碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣按照0.3:0.8:1的質量比混合製成，所述發泡劑的使用量為所述粉末質量的6％；

所述活性添加劑是由碳酸氫銨、羥甲基纖維素按照1:0.3的質量比混合製成，所述活性添加劑的使用量為所述粉末質量的4％；

(2)將塊體a放入燒結爐中，通入氮氣，以11℃/min的速率進行升溫，升溫至1100℃後，隨爐自然冷卻，得到材料b；其中，所述氮氣的體積流量為150ml/min；

(3)將材料b放入質量濃度為25％的醋酸溶液中浸泡15min後，即得到多孔鋁基複合金屬材料。

實施例3

一種多孔鋁基複合金屬材料，所述多孔鋁基複合金屬材料包含的原料及其質量百分數為鐵12.6％、鈣2.3％、鈦0.085％、碳化矽0.25％、釔0.65％、錫0.13％、其餘為鋁。製作方法包括以下步驟：

(1)將上述製作多孔鋁基複合金屬材料的各原料分別破碎，放入真空球磨機中製成粉末，所述粉末的粒度為65μm，將粉末中加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑後混合均勻，再將其壓製成塊體a；

其中，所述增稠劑是由粉煤灰、氧化錳、氧化鋁按照2:0.75:1的質量比混合製成，所述增稠劑的使用量為所述粉末質量的5.5％；

所述發泡劑是由碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣按照0.22:0.6:0.95的質量比混合製成，所述發泡劑的使用量為所述粉末質量的4.5％；

所述活性添加劑是由碳酸氫銨、羥甲基纖維素按照1:0.24的質量比混合製成，所述活性添加劑的使用量為所述粉末質量的3.7％；

(2)將塊體a放入燒結爐中，通入氮氣，以10℃/min的速率進行升溫，升溫至1020℃後，隨爐自然冷卻，得到材料b；其中，所述氮氣的體積流量為120ml/min；

(3)將材料b放入質量濃度為21％的醋酸溶液中浸泡12min後，即得到多孔鋁基複合金屬材料。

實施例4

一種多孔鋁基複合金屬材料，所述多孔鋁基複合金屬材料包含的原料及其質量百分數為鐵12.5％、鈣2.6％、鈦0.09％、碳化矽0.3％、釔0.6％、錫0.16％、其餘為鋁。製作方法包括以下步驟：

(1)將上述製作多孔鋁基複合金屬材料的各原料分別破碎，放入真空球磨機中製成粉末，所述粉末的粒度為70μm，將粉末中加入增稠劑、發泡劑和活性添加劑後混合均勻，再將其壓製成塊體a；

其中，所述增稠劑是由粉煤灰、氧化錳、氧化鋁按照2:0.7:1的質量比混合製成，所述增稠劑的使用量為所述粉末質量的5.5％；

所述發泡劑是由碳酸鍶、聚苯乙烯、碳酸鈣按照0.2:0.6:0.95的質量比混合製成，所述發泡劑的使用量為所述粉末質量的5％；

所述活性添加劑是由碳酸氫銨、羥甲基纖維素按照1:0.25的質量比混合製成，所述活性添加劑的使用量為所述粉末質量的3.5％；

(2)將塊體a放入燒結爐中，通入氮氣，以10℃/min的速率進行升溫，升溫至1050℃後，隨爐自然冷卻，得到材料b；其中，所述氮氣的體積流量為130ml/min；

(3)將材料b放入質量濃度為23％的醋酸溶液中浸泡12min後，即得到多孔鋁基複合金屬材料。

實驗案例：

本發明經過大量的實驗操作，對下列幾組實驗所得的產品進行檢測，測試各項參數，記錄實驗數據，參數見表1；

第1至第4組依次對應本發明中實施例1至4，

第5組所述多孔鋁基複合金屬材料包含的原料為鋁合金，其餘方式與實施例4一致，

第6組在製作方法步驟(1)中不加入增稠劑和活性添加劑，其餘方式與實施例4一致。

表1多孔鋁基複合金屬材料參數

從上述表1中可以看出，採用本發明實施例1-4方法製得的多孔鋁基複合金屬材料的各項指標均好於第5組和第6組的材料，說明採用本發明原料和方法製得的材料，其孔徑均勻，孔隙率較大，且其抗壓強度好。

其中，第5組與第4組相比，製作多孔鋁基複合金屬材料的原料不同，並未使用本發明提供的組分和配比，是將鋁合金作為原料粉碎後，混合所述增稠劑、發泡劑和活性添加劑而得到的產品，這種產品的比表面積較小，孔隙率較低，抗壓強度也較第4組差，說明本發明的製作組分和配比能有效提高產品的各項特性；

第6組與第4組相比，材料的製作過程並未加入所述增稠劑和活性添加劑，其他方式與第4組相同，所得到的產品的比表面積較小，孔隙率較低，抗壓強度也較第4組差，說明本發明的製作方法經過加入本發明提供的增稠劑和活性添加劑之後，能有效提高產品的各項特性，提高產品的孔隙率。

雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施方案對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬於本發明要求保護的範圍。