| 专利名称： | 一种高强泡沫铝复合材料及其制备方法 | ||
| 专利名称(英文)： | A kind of high-strength foamed aluminum composite material and its preparation method | ||
| 专利号： | CN201610128262.5 | 申请时间： | 20160308 |
| 公开号： | CN105671352A | 公开时间： | 20160615 |
| 申请人： | 苏州珍展科技材料有限公司 | ||
| 申请地址： | 215000 江苏省苏州市吴江市吴江经济技术开发区运河路东侧 | ||
| 发明人： | 黄文成 | ||
| 分类号： | C22C1/08; C22C21/00; C22C32/00; B29C39/10; B29C39/44 | 主分类号： | C22C1/08 |
| 代理机构： | 北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246 | 代理人： | 连平 |
| 摘要： | 本发明公开了一种高强泡沫铝复合材料，其在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10-25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。本发明还公开了该高强泡沫铝复合材料的制备方法。其孔结构的均匀性和完整性好，强度和韧性大，耐疲劳性能和耐高温性能好，弹性模量大，比刚度大大提高，且制备方法灵活可设计性强，可用于汽车、轨道交通、航天军工领域的高阻尼减震吸能部件。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a high-strength foamed aluminum composite material, the foamed aluminum substrate surface with a layer of epoxy resin coating, for the density of the foamed aluminum 0.4-1g/cm 3, phao hole average size is 2-5mm, the foamed aluminum is dispersed in the aluminum matrix and which is a reinforced particles; wherein percentage content of the volume of the reinforced particles for 10-25%, and the aluminum base body is reinforced particles of forming a high-strength metallurgical interface. The invention also discloses the method for the preparation of foamed aluminum composite material. The uniformity of the structure hole and good integrity, strength and toughness, fatigue resistance and has good high-temperature resistant property, large modulus of elasticity, than the rigidity is greatly improved, flexible and strong design method for preparing, can be used for the automobile, rail transportation, aerospace military fields high damping cushion endergic part. | ||
1.一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树 脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由 铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为 10-25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
2.如权利要求1所述的一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，所述铝基体为纯 铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金。
3.如权利要求1所述的一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，所述增强颗粒为 SiC、Al2O3、B4C、AlN或SiO2。
4.如权利要求1至3任一所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制 成混合粉末； (2)将混合粉末冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气 炉中进行真空除气； (3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件； (4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材； (5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用； (6)将环氧树脂和固化剂分别置于50-70℃水浴池中预热2-3小时，然后将两者 按照1:1的质量比进行混合，待用； (7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
5.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (1)中，所述TiH2的添加量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的0.2-2％。
6.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (1)中，所述铝基体粉的平均粒径大小为40-50μm，TiH2颗粒的平均粒径为20-40μm， 增强颗粒的粒径大小为10-20μm。
7.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (2)中，冷压成型的压力为100-200MPa，保压时间为5-20min，粗坯的相对致密度为 70-85％。
8.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (2)中，真空除气的温度为380-450℃，除气时间为50-100h，保持真空度在0.5Pa 以下。
9.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (4)中，所述固溶温度为490-530℃，固溶时长为1-4h，时效温度为150-200℃，时 效时长为4-12h。
10.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步 骤(7)中，所述泡沫铝基材与添加固化剂的环氧树脂的质量比为1-2:1。
1.一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树 脂涂层，所述泡沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由 铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为 10-25％，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。
2.如权利要求1所述的一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，所述铝基体为纯 铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金。
3.如权利要求1所述的一种高强泡沫铝复合材料，其特征在于，所述增强颗粒为 SiC、Al2O3、B4C、AlN或SiO2。
4.如权利要求1至3任一所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制 成混合粉末； (2)将混合粉末冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气 炉中进行真空除气； (3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件； (4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材； (5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用； (6)将环氧树脂和固化剂分别置于50-70℃水浴池中预热2-3小时，然后将两者 按照1:1的质量比进行混合，待用； (7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
5.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (1)中，所述TiH2的添加量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的0.2-2％。
6.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (1)中，所述铝基体粉的平均粒径大小为40-50μm，TiH2颗粒的平均粒径为20-40μm， 增强颗粒的粒径大小为10-20μm。
7.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (2)中，冷压成型的压力为100-200MPa，保压时间为5-20min，粗坯的相对致密度为 70-85％。
8.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (2)中，真空除气的温度为380-450℃，除气时间为50-100h，保持真空度在0.5Pa 以下。
9.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (4)中，所述固溶温度为490-530℃，固溶时长为1-4h，时效温度为150-200℃，时 效时长为4-12h。
10.如权利要求4所述的一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，步 骤(7)中，所述泡沫铝基材与添加固化剂的环氧树脂的质量比为1-2:1。
翻译：技术领域：
本发明涉及复合材料技术领域，具体的涉及一种高强泡沫铝复合材料。
背景技术：
泡沫铝是近年来发展起来的一种新型材料，由于其独特的结构特点，使其具有许 多良好的功能特性，在诸多应用领域显示出良好的应用前景，成为力学和材料科学等 领域的研究热点。
虽然高分子材料的阻尼性能优于泡沫铝，但在力学性能方面，金属材料的强度远 高于高分子材料，为此，这些年具有阻尼性能泡沫金属的研究逐渐成熟，近期又出现 了具有阻尼性能的泡沫金属复合材料的研究和应用，特别是填充高分子材料的泡沫铝 复合材料。这种泡沫铝基础上填充高分子相所组成的复合材料，有望综合两者的优势 而获得新型的泡沫铝复合材料。
中国专利(201210557431.9)公开了一种环氧树脂与闭孔泡沫铝复合材料，其是 将闭孔泡沫铝块体碱液除脂和去污后，采用盐酸中和碱液，然后将环氧树脂E-44以及 固化剂按1:1的质量比进行混合，上述闭孔泡沫铝块与已添加固化剂的环氧树脂在处 于70℃水浴的模具中国按体积比1：或3:1进行配比，待有气泡上浮后，将模具从水 浴中取出，常温下放置一周，制得弥散嵌入式环氧树脂与闭孔泡沫铝复合材料。该材 料屈服强度高，节约了生产中的资源和能源，生产成本低，对环境无破坏，但是韧性 差，易开裂。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高强泡沫铝复合材料，其强度高，韧性大，孔结构均匀 完整，质量轻，耐磨耐腐蚀性好。
本发明的另一个目的是提供该高强泡沫铝复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡 沫铝的密度为0.4-1g/cm3，泡孔平均尺寸为2-5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀 弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10-25％，增强颗粒与 铝基体形成高强度结合的冶金界面。
作为上述技术方案的优选，所述铝基体为纯铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合 金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金。
作为上述技术方案的优选，所述增强颗粒为SiC、Al2O3、B4C、AlN或SiO2。
一种高强泡沫铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制 成混合粉末；
(2)将混合粉末冷压成型制成粗坯，将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气 炉中进行真空除气；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材；
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于50-70℃水浴池中预热2-3小时，然后将两者 按照1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述TiH2的添加量为铝基体粉末和增强 颗粒总质量的0.2-2％。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述铝基体粉的平均粒径大小为40-50μm， TiH2颗粒的平均粒径为20-40μm，增强颗粒的粒径大小为10-20μm。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，冷压成型的压力为100-200MPa，保压时 间为5-20min，粗坯的相对致密度为70-85％。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，真空除气的温度为380-450℃，除气时 间为50-100h，保持真空度在0.5Pa以下。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述固溶温度为490-530℃，固溶时长 为1-4h，时效温度为150-200℃，时效时长为4-12h。
作为上述技术方案的优选，步骤(7)中，所述泡沫铝基材与添加固化剂的环氧树 脂的质量比为1-2:1。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明选用合适大小的增强颗粒，并合理控制增强颗粒与铝基体的比例，提 高了泡沫铝中孔结构的均匀性和完整性，进一步提高了泡沫铝的强度和韧性；
(2)本发明采用粉末冶金预制件发泡的方法，通过增强颗粒与铝基体预混合、热 变形加工等步骤使得粗坯致密化，消除了发泡铝中的孔隙缺陷，增强颗粒的重排和分 布均匀化，使得得到的泡沫铝复合材料颗粒分布均匀，孔结构均匀；
(3)本发明制得的环氧树脂/发泡铝复合材料耐疲劳性能和耐高温性能好，弹性 模量大，比刚度大大提高，且制备方法灵活可设计性强，可用于汽车、轨道交通、航 天军工领域的高阻尼减震吸能部件。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解 释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡 沫铝的密度为0.4g/cm3，泡孔平均尺寸为2mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥 散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为10％，增强颗粒与铝基体 形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的 0.2％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为100MPa，保压时间为5min的条件下冷压成型制成粗坯， 将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为380℃下进行真空除气为50h， 保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为490℃， 固溶时长为1h，时效温度为150℃，时效时长为4h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于50℃水浴池中预热2小时，然后将两者按照 1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例2
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡 沫铝的密度为1g/cm3，泡孔平均尺寸为5mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥散 在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为25％，增强颗粒与铝基体形 成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的 2％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为200MPa，保压时间为20min的条件下冷压成型制成粗坯， 将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为450℃下进行真空除气为 100h，保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为530℃， 固溶时长为4h，时效温度为200℃，时效时长为12h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于70℃水浴池中预热3小时，然后将两者按照 1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例3
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡 沫铝的密度为0.5g/cm3，泡孔平均尺寸为3mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥 散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为14％，增强颗粒与铝基体 形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的 0.6％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为120MPa，保压时间为8min的条件下冷压成型制成粗坯， 将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为400℃下进行真空除气为60h， 保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为500℃， 固溶时长为2h，时效温度为160℃，时效时长为6h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于55℃水浴池中预热2.2小时，然后将两者按照 1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例4
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡 沫铝的密度为0.6g/cm3，泡孔平均尺寸为3mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥 散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为18％，增强颗粒与铝基体 形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的 1.0％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为140MPa，保压时间为12min的条件下冷压成型制成粗坯， 将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为420℃下进行真空除气为70h， 保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为510℃， 固溶时长为2.5h，时效温度为170℃，时效时长为8h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于60℃水浴池中预热2.4小时，然后将两者按照 1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
实施例5
一种高强泡沫铝复合材料，在泡沫铝基材表面附着有一层环氧树脂涂层，所述泡 沫铝的密度为0.7g/cm3，泡孔平均尺寸为4mm，泡沫铝的孔壁是由铝基体以及均匀弥 散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒的体积百分含量为20％，增强颗粒与铝基体 形成高强度结合的冶金界面。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加质量为铝基体粉末和增强颗粒总质量的 1.4％的TiH2颗粒作为发泡剂，搅拌混合均匀制成混合粉末；
(2)将混合粉末在压力为160MPa，保压时间为14min的条件下冷压成型制成粗坯， 将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中在温度为430℃下进行真空除气为80h， 保持真空度在0.5Pa以下；
(3)将真空除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；
(4)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却得到泡沫铝， 然后进行固溶处理和时效硬化处理，得到泡沫铝基材，其中；所述固溶温度为520℃， 固溶时长为3h，时效温度为180℃，时效时长为10h。
(5)将步骤(4)得到的泡沫铝基材用0.1mol/L的氢氧化钠碱液进行除脂和去污 处理，然后用0.01mol/L的盐酸多碱液进行中和处理，放入密封干燥箱中备用；
(6)将环氧树脂和固化剂分别置于65℃水浴池中预热2.6小时，然后将两者按照 1:1的质量比进行混合，待用；
(7)将步骤(5)制得的泡沫铝基材从密封干燥箱中取出，放入模具中，将步骤 (6)制得的添加固化剂的环氧树脂浇入到模具中，使模具处于80℃水浴中，待有气泡 上浮后，将模具从水浴中取出，常温下放置一周，得到高强泡沫铝复合材料。
