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颗粒增强泡沫复合材料的制备方法

阅读:1075发布:2020-06-17

专利汇可以提供颗粒增强泡沫复合材料的制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 碳 化 硅 颗粒增强 泡沫 铝 基 复合材料 的制备方法,将增强的铝基复合材料加热 熔化 后,保持在620-650℃,将固态发泡剂(由反应剂TiH2和分散剂Al粉组成)加入熔体中,立即以高转速搅拌1-2分钟,冷却后得到泡沫材料。本发明通过发泡剂加入量,发泡剂中反应剂和分散剂的配比,发泡时间和 温度 可控制孔隙率和孔径大小。,下面是颗粒增强泡沫复合材料的制备方法专利的具体信息内容。

1.一种颗粒增强泡沫复合材料的制备方法,其特征 在于:该种方法所采取的工艺步骤为:
1).采用搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料铸锭,将SiC颗粒与铝合金熔体充分润湿,浇注材料铸锭,SiC的加入量为铝合金 基体材料体积百分比的15-20%;
2).将铸锭放在坩埚中升温熔化,设置炉温720-740℃,铸锭熔 化后上降低温度,并在620-645℃下使熔体保温,并用工具上下搅 拌复合熔体,以使SiC颗粒在熔体中均匀分布;
3).将重量百分比0.5-1.5%的发泡剂加入到熔体中,发泡剂是由 TiH2粉(反应剂)+Al粉(分散剂)混合而成,发泡剂中TiH2粉与 Al粉的比例为1∶(0.5-1.5),之后,立即以500-1000rpm转速搅拌 1-2分钟,使发泡剂均匀弥散分布于熔体中;
4).搅拌停止后,使熔体随炉冷却,30分钟内可完成发泡过程。
2.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的 制备方法,其特征在于:发泡过程是在预热的模具中完成,上述第4) 项步骤为,搅拌停止后,立即将熔体浇注到600℃下预热的模具中,封 闭模具开口,并留适当间隙,然后在熔点附近即580-600℃下保温30 分钟,发泡过程体积增加将充填整个模具型腔,最后得到一定形状的 泡沫材料制件。

说明书全文

发明涉及一种轻质、高强度颗粒增强泡沫复合材料的 制备方法,它使泡沫材料的使用性能及应用领域都得到了很大程度上的 提高和扩大。

泡沫金属材料是近几十年内发展起来的一种新型功能材料,由于其 多孔结构和金属特征,具有重量轻,和许多优良的功能特性如减振、吸 音、防火和可渗透性。在航空、航天、运输、建筑等领域有广泛地应用 前景。如利用减振特性,用于制估精密仪器的基义攻防护罩,运输包装内衬;利用吸音特性,制做高速列车发动机室的隔音墙,汽车发动机 消音器;以及用做新型的防火、隔音建筑装饰材料。也可作为轻质结构 材料,如飞机夹层材料,空心支撑体的增强添料。

一般泡沫铝或铝合金材料的强度和刚度非常低,在一些场合下,不 能满足应用要求。同时,低的学性能也限制了其各种独特功能性能的 发挥。如30-60%孔隙率的ZL104胞状铝抗拉强度仅为3-4MPa,抗压 强度为7-11MPa,而基体ZLi04合金可达300MPa。泡沫金属材料的力 学性能(模量、强度等)存在以下的关系:X=C·Xs·(ρ/ρs)n,式中, X、Xs分别为胞状材料和基体合金的某一力学性能,C为几何形态参数, ρ、ρs分别状材料和基体合金的密度,指数n是形变模式的特征参数。 可见高强度基体对提高胞状材料的强度是有益的。对于提高泡沫铝的强 度,已经采取了一些措施,如:(1)使用某些含增稠剂,使胞状铝 中形成金属氧化物,增加其强度;(2)对于含Cu、Mg的泡沫铝,通过 热处理强化;(3)在泡沫中添加玻璃或金属增强纤维等。

SiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料是近年来发展的一种新的金属基复 合材料。在普通的铝合金中加入高强度、高硬度的陶瓷颗粒,由于碳化 硅颗粒的增强作用,使材料的室温和力学性能如抗的强度、屈服强度和 刚度明显提高。具备提高其泡沫材料力学性能的内在潜力。同时与其它 类型的金属基材料相比,SiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料成本低、制备 工艺简单,已经形成规模生产能力,具备了被广泛应用的前提。

本发明的目的正是根据SiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的性能特点 提出了一种轻质、高强度碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方 法,该种方法不需要采用任何熔体增粘剂

本发明的目的是通过以下措施来实现的:

首先,该种适用于制造泡沫金属材料的碳化硅颗粒增强铝基复合材 料,其特征在于,在铝合金中加入了SiC增强颗粒,其加入量的体积百 分为15-20%。

采用上述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造泡沫金属材料的方 法,所采取的工艺步骤及其特点为:

1.采用搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料铸锭,使SiC颗 粒与铝合金熔体充分润湿,浇注材料铸锭;

2.将铸锭放在坩埚中升温熔化,设置炉温720-740℃,铸锭熔化后 上降低温度,并在620-650℃下使熔体保温,并用工具上下搅拌熔 体,以使SiC颗粒在熔体中均匀分布;

3.将重量百分比0.5-1.5%的发泡剂加入到熔体中,发泡剂是由TiH2粉(反应剂)+Al粉(分散剂)混合而成,发泡剂中TiH2粉与Al粉比例 为1∶(0.5-1.5),之后,立即以500-1000rpm转速搅拌1-2分钟,使 发泡剂均匀弥散分布于熔体中;

4.搅拌停止后,使熔体随炉冷却,30分钟内可完成发泡过程。 此外,发泡过程可以在预热的模具中完成,搅拌停止后,立即将熔 体浇注到600℃下预热的模具中,封闭模具开口,并留适当间隙,然后 在熔点附近即580-600℃下保温30分钟,发泡过程体积增加将充填整 个模具型腔,得到一定形状的泡沫材料制件。

上述发泡剂中的TiH2粉与A1粉比例为1∶(0.5-1.5)。当发泡剂中 的TiH2粉∶Al粉=1∶0.5时,发泡剂的加入量与孔隙率的一般关系如表 1所示。

表1固态发泡剂加入量与胞状材料孔隙率的关系     固态发泡剂加入量(wt%)     孔隙率(%)             1.4        80             1.1        70             0.9        62

以下将结合实施例对本发明作进一步的详述:

实施例1

15Vol%SiC颗粒增强的Al-7Si-0.4Mg复合材料1kg。该种复合材料 是在铝合金中加入了SiC增强颗粒,其加入量为铝合金基体材料体积百 分比的15%,将SiC颗粒与铝合金熔体充分润湿,浇注出复合材料铸锭; 在采用该复合材料制造泡沫金属时采用的是直接发泡方法。直接发泡工 艺是将固态发泡剂如TiH2、ZrH2等加入金属熔体,分解产生气体。由于 气体易于从熔体中逃脱,所以在添加发泡剂时施加高速搅拌(转速达 1000rpm),这种方法使用效果比较好。将4克TiH2粉+6克Al粉,在 150℃下烘干2小时,充分均匀混合,用铝薄抱裹,制成发泡剂。铸锭在 石墨坩埚中重熔,炉温设置720℃。熔化后,设置温度降到645℃,并有 工具上下搅拌复合熔体,以使SiC颗粒在熔体中均匀分布。加入发泡, 750rpm搅拌2分钟,使发泡剂均匀弥散分布于熔体中,起出搅拌杆,发 泡在坩埚中进行,坩埚在炉中随炉冷却,30分钟内可完成发泡过程。得 到的泡沫材料的孔隙率为70%。

发泡过程在预热的模具中完成时,上述工序中,搅拌停止后,立即 将熔体浇注到600℃下预热的模具中,封闭模具开口,并留适当间隙, 然后在熔点附近即580-600℃下保温30分钟,发泡过程体积增加将充 填整个模具型腔,得到一定形状的泡沫材料制件。

表2:SiC颗粒增强Al-7Si-0.4Mg铸铝基复合材料泡沫金属的拉、 压强度   孔隙率    (%)   平均孔径     (mm      )                20Vol%SiC            15Vol%SiC 拉伸强度 (MPa) 压缩强度   (MPa)   压缩模量     (OPa)   拉伸强度     (MPa)  压缩强度   (MPa)   压缩模量     (Gpa)     85     4.5      3.58   5.78      0.43      3.36    4.74      0.28     75     3      4.32   12.78      1.14      4.23    7.84      0.58     70     2.5      7.47   16.25      1.72      6.99    13.35      1.65     65     2.5      9.16   25.34      2.57      7.78    23.36      1.98

表3:孔径大小对85%孔隙率的15Vol%SiC颗粒增强铸造铝基复合 材料泡沫拉、压强度的影响     平均孔径(mm)     拉伸强度(MPa)     压缩强度(MPa)     4.5     3.36     4.74     2.5     3.77     7.74

实施例2

20Vol%SiC颗粒增强的Al-7Si-0.4Mg复合材料1.25kg。将具有 180X180X40内腔的模具在600℃下预热。12克TiH2粉+6克Al粉,在 150℃下烘干2小时,充分均匀混合,用铝薄抱裹。铸锭在石墨坩埚中重 熔,炉温设置720℃。熔化后,设置温度降到640℃。加入发泡剂,以 600rpm搅拌2分钟,起出搅拌杆,立即浇到预热的模具中,将模具加上 盖,放到600℃下保温。30分钟后发泡完成,打开炉降温。得到状 泡材料的孔隙率为80%。

孔隙率和孔洞尺寸主要是通过固态发泡剂的加入量、搅拌速度、发 泡剂中TiH2和分散剂Al粉配比来控制。对于完全自由发泡过程,发泡 剂的加入量与孔隙率的一般关系可见表1,其中发泡剂中的TiH2粉∶Al粉=1∶0.5。

制备的泡沫材料力学性能与孔隙率、孔洞尺寸有关。表2是15Vol% 和20Vol。%SiC颗粒增强的Al-7Si-0.4Mg(ZLi01)复合材料泡沫在不同 孔隙率和孔径下的抗拉和抗压强度。表3是孔径大小对性能的影响。

本发明目的是提供了一种新型的轻质、高强度泡沫金属材料的铝基 复合材料,并采用了一种与之相适应的直接发泡工艺生产出了高质量的 铝基泡沫金属,因而具有更广泛的应用性。它具有更高的抗压,抗拉强 度和抗变形能力,由于复合材料熔体自身粘度较大,直接发泡工艺简单, 不需要采用任何增粘措施。分散剂的加入,使反应物TiH2更均匀地弥散 到熔体中,同时可以减缓反应速度,使泡沫材料中的孔洞大小和分布更 均匀。

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