一种泡沫铝与陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种泡沫铝与陶瓷复合材料及其制备方法，属于泡沫金属材料领域。所述复合材料以泡沫铝为基体，表面沉积物为Al2O3，泡沫铝成分为铝和硅，复合材料整体质量为100％，Al元素质量分数为50～65％，氧元素质量分数为25～35％，硅元素重量分数为7～15％，碳元素质量分数0～5％。所述制备方法为以硝酸铝溶液为电解液，惰性电极为阳极与直流电源正极相连，泡沫铝作阴极与直流电源负极相连，用绝缘材料包裹住导线与泡沫铝的连接处，沉积得到一种泡沫铝与陶瓷复合材料。所述方法操作简单、制备周期短、效率高、可实现大规模生产；制备的复合材料在保持原有泡沫金属的性能同时，增强了泡沫金属的综合力学性能。

A foam aluminum and ceramic composite and its preparation method

The invention relates to a foam aluminum and ceramic composite material and a preparation method, and belongs to the field of foam metal material. The composite material with aluminum foam as the substrate, the surface sediments of Al2O3, aluminum foam composition of aluminum and silicon, the overall quality of the composite materials was 100%, the mass fraction of Al element is 50 ~ 65%, mass fraction of oxygen element is 25 ~ 35%, the silicon weight fraction is 7 ~ 15%, the carbon mass fraction of 0 ~ 5%. The preparation method for aluminum nitrate as electrolyte inert electrode as the anode is connected with DC power anode, aluminum foam as the cathode and a DC power supply connected with the anode of insulating material, connection wire wrap and aluminum foam, a deposition of aluminum foam and ceramic composite materials. The method has the advantages of simple operation, short preparation period, high efficiency and large scale production. The composite material keeps the performance of the foam metal while enhancing the comprehensive mechanical properties of the foam metal.

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫铝与陶瓷复合材料及其制备方法
：本专利技术涉及一种泡沫铝与陶瓷复合材料及其制备方法，具体通过液相等离子电沉积法制备出一种具有低密度、高强度和高压缩性的泡沫铝与陶瓷复合材料，属于泡沫金属材料领域。
技术介绍
：20世纪90年代初期，泡沫金属材料是在金属或金属合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，实际上是金属或金属合金与气体的复合材料，正是由于这种特殊的结构，使之既有金属的特性又有气泡特性，泡沫金属材料一般有如下特点：①孔径大多孔泡沫金属材料与粉末冶金多孔材料相比，孔径较大，贯通孔多。泡沫金属材料的孔径一般在0.1～10mm之间；②孔隙率高，多孔泡沫金属材料的孔隙率随其种类不同而不同，在40％～98％的范围内变化；③密度低随孔隙率的提高，泡沫金属材料的密度降低，一般为同体积金属的3/5～1/50不等。例如：孔隙率63％的泡沫铝，其密度可达1g/cm3以下，能够浮于水面上。因此，作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，甚至在航空航天技术中有着广泛的用途。泡沫金属材料正在随着人们对其的认识和研究的深入而快速发展。液相等离子体电沉积技术是一种新兴的表面处理方法，开始于二十世纪七十年代Markov对火花放电条件下铝阳极沉积氧化物的研究。后来，Snezhko、Kurze、Duradzhy等进一步研究了多种金属表面放电形成氧化层的可能性，并实现了初步工业化。液相等离子体电沉积是在传统的液相电化学氧化反应的基础上发展起来的，它包括等离子体氧化(又称微弧氧化、阳极火花沉积)和等离子体渗透两种模式。它是将Fe、Al、Ti、Mg等金属及其合金置于电解质溶液或有机溶液中，在强电场作用下，溶液中气体电离，金属表面氧化，产生等离子体，发生微区弧光放电，引发等离子体化学、电化学、热化学、扩散反应、高温相变等一系列复杂反应，在金属表面原位生成氧(碳、氮)化物。它突破了传统的法拉第区域进行阳极氧化的框架，使金属表面处在微弧形成的等离子体高温高压作用下，从而创造了一个特殊的界面物理化学反应环境，因此所得膜性能优异。然而还未有成功应用液相等离子电沉积技术制备泡沫金属复合材料的相关报道。
技术实现思路
：有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种泡沫铝与陶瓷复合材料，该复合材料在保持原有泡沫金属的性能同时，增强了泡沫金属的综合力学性能；目的之二在于提供一种泡沫铝与陶瓷复合材料的制备方法，该方法通过严格控制制备工艺，制备一种泡沫铝与陶瓷复合材料。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种泡沫铝与陶瓷复合材料，所述复合材料基体为泡沫铝，其通孔孔隙率为50～80％，平均孔径为1.0～2.0mm；表面沉积物为Al2O3，泡沫铝为铝硅合金，以该复合材料整体的质量为100％计，Al元素的质量分数为50～65％，氧元素的质量分数为25～35％，硅元素质量分数为7～15％，杂质碳元素质量分数为0～5％。一种所述泡沫铝与陶瓷复合材料的制备方法，所述方法具体步骤如下：配置浓度为300～500g/L的硝酸铝溶液作为电解液，以惰性电极作阳极与直流电源正极相连，将洁净的泡沫铝作阴极与直流电源负极相连，并用绝缘材料包裹住导线与泡沫铝的连接处，打开直流电源，调节电压观察到起弧现象后，将电压调节到130～170V，保持此电压沉积120～180s，关闭电源将样品从溶液中取出，清洗表面，得到一种泡沫铝与陶瓷复合材料。优选的，所述惰性电极为石墨电极。优选的，将泡沫铝依次在丙酮和乙醇中超声清洗5～10分钟得到洁净的泡沫铝。优选的，所述绝缘材料为生料带。有益效果(1)本专利技术通过液相等离子电沉积法制备该复合材料，陶瓷Al2O3颗粒可以在电沉积过程中均匀的填充泡沫金属的空隙，且在一般冲击条件下，该陶瓷Al2O3不会发生脱落，使得该复合材料的在整体上性能一致，可实现大尺寸块体泡沫金属的生产。(2)本专利技术所设计的制备装置较为简单，采用液相等离子电沉积法制备该复合材料，样品制备周期短，效率高，在成功探索出工艺参数的前提下，可实现大规模生产。(3)通过分析泡沫铝与陶瓷复合材料的准静态压缩应力-应变曲线，准静态压缩应力-应变曲线分为明显的三个阶段，符合多孔泡沫材料的压缩特性。随着电压的提高，电弧的增大会导致复合材料的屈服强度降低，同时会增加Al2O3陶瓷颗粒的沉积量，进入致密阶段后，材料的抗压强度与泡沫铝相当，并有超过泡沫铝的趋势。附图说明图1为泡沫铝基体表面的扫描电镜图。图2为实施例1制备的泡沫铝与陶瓷复合材料表面的扫描电镜图。图3为实施例2制备的泡沫铝与陶瓷复合材料表面的扫描电镜图。图4为实施例3制备的泡沫铝与陶瓷复合材料表面的扫描电镜图。图5为实施例1制备的泡沫铝与陶瓷复合材料的能谱线扫描结果。图6为实施例2制备的泡沫铝与陶瓷复合材料的能谱线扫描结果。图7为实施例3制备的泡沫铝与陶瓷复合材料的能谱线扫描结果。图8为实施例1使用的泡沫铝及实施例1～3制备的泡沫铝与陶瓷复合材料的准静态压缩的压缩应力-应变曲线。图9为图8应变量为0～0.3之间的放大图。具体实施方式以下实施例是对本专利技术的详细说明。实施例中样品制备和检测所使用的仪器设备型号如下：高频开关直流电源为扬州双鸿电子有限公司生产的TQ-KGZ01高频开关直流电源；扫描电子显微镜为FEI(公司)生产的Quanta650型FEG场发射扫描电子显微镜(EBSD、EDS)。技术指标：1.二次电子分辨率：1.0nm(30kV)，1.0nm(15kV)；2.电子枪：热场发射电子源；3.加速电压：200V～30kV；4.样品台移动范围：X＝Y＝150mm。实施例中利用INSTRON5966电子万能材料试验机测试泡沫金属与陶瓷复合材料的准静态压缩性能，应变速率为10-3·s-1。实施例中使用的泡沫铝是从苏州佳士德泡沫金属有限公司生产的。实施例1一种泡沫铝与陶瓷复合材料的制备过程如下：(1)将通孔孔隙率50％，平均孔径为1.0mm泡沫铝加工成20mm×10mm×5mm的样品，将泡沫铝样品依次在丙酮和酒精中超声清洗8分钟；(2)通过高频开关直流电源来控制电压，模式设置为恒压模式。将500g/L的硝酸铝溶液配置好后倒入杯壁夹有石墨条的烧杯中，用导线将两块石墨条连接并与电源正极相连，泡沫铝样品用导线固定并用生料带包裹住导线与泡沫铝样品的连接处并与电源负极相连；整个装置连接完毕后，打开直流电源，调节电压到130V，保持此电压进行沉积180s。关闭电源将样品从溶液中取出，用水清洗表面，得到一种泡沫铝与陶瓷复合材料。将泡沫铝与陶瓷复合材料切成的样品，进行SEM切面观察、样品成分分析以及准静态压缩试验。本实施例使用的泡沫铝的电镜扫描结果如图1所示，(a)放大倍数为100倍，(b)放大倍数为200倍；实施例1制备的泡沫铝与陶瓷复合材料的电镜扫描结果如图2所示，(a)放大倍数为100倍，(b)放大倍数为500倍，可以很明显地看到与泡沫铝相比，实施例1制备的泡沫铝与陶瓷复合材料的表面有一层明显的沉积物。能谱线扫描检测到氧元素含量为26.66wt％，铝元素含量为61.35wt％，硅元素含量为7.59wt％，碳元素含量为4.4wt％，如图5所示，表明在本实施例使用的泡沫铝表面沉积得到了陶瓷氧化铝。准静态压缩试验表明实施例1制备的泡沫铝与陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泡沫铝与陶瓷复合材料，其特征在于：所述复合材料基体为泡沫铝，其通孔孔隙率为50～80％，平均孔径为1.0～2.0mm；表面沉积物为Al2O3，泡沫铝为铝硅合金，以该复合材料整体的质量为100％计，Al元素的质量分数为50～65％，氧元素的质量分数为25～35％，硅元素质量分数为7～15％，杂质碳元素质量分数为0～5％。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫铝与陶瓷复合材料，其特征在于：所述复合材料基体为泡沫铝，其通孔孔隙率为50～80％，平均孔径为1.0～2.0mm；表面沉积物为Al2O3，泡沫铝为铝硅合金，以该复合材料整体的质量为100％计，Al元素的质量分数为50～65％，氧元素的质量分数为25～35％，硅元素质量分数为7～15％，杂质碳元素质量分数为0～5％。2.一种如权利要求1所述泡沫铝与陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：配置浓度为300～500g/L的硝酸铝溶液作为电解液，以惰性电极作阳极与直流电源正极相连，将洁净的泡沫铝作阴极与直流电...

【专利技术属性】
技术研发人员：程焕武，陈为为，牛特，陈世杰，张玉平，陈梦灵，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11