铝基多孔复合材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了铝基多孔复合材料、其制备方法及应用，涉及梯度复合材料技术领域。制备方法包括：将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；将预制坯体进行热压烧结；其中，每组复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层复合原料至少一个参数指标不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。该复合材料的制备方法可设计性极强，制备得到的复合材料能够形成功能梯度，从而获得优异的缓冲吸能性能。

【技术实现步骤摘要】
铝基多孔复合材料、其制备方法及应用
本专利技术涉及梯度复合材料
，具体而言，涉及铝基多孔复合材料、其制备方法及应用。
技术介绍
铝基多孔复合材料作为一种缓冲吸能材料，是以空心微球作为“孔”，铝合金为基体，微球孔径可控，薄壳具有支撑作用，比强度/刚度高，具有较强的可设计性，可应用于航天航空缓冲件、装甲结构单元、抗撞汽车板件、防爆隔墙、抗爆罐等对人员、重要设备进行抗爆防护的领域。然而，现有的铝基多孔复合材料自身吸能能力并不理想，尤其在受到冲击载荷时，各微区组元趋于瞬时压溃，内部各组分性能未能得到充分发挥。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铝基多孔复合材料及其制备方法，旨在通过实现梯度铝基多孔复合材料孔结构与成分的多元协同梯度构造，形成功能梯度，提升材料的缓冲吸能性能。本专利技术的另一目的在于提供上述铝基多孔复合材料在制备缓冲吸能材料中的应用。本专利技术是这样实现的：本专利技术提出一种铝基多孔复合材料的制备方法，包括：将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；将预制坯体进行热压烧结；其中，每组复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层复合原料至少一个参数指标不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。本专利技术还提出一种铝基多孔复合材料，由上述制备方法制备而得。本专利技术还提出上述铝基多孔复合材料在制备缓冲吸能材料中的应用。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术以铝合金粉体和空心微球为原料，利用含量、粒度和成分的不同，借助冷压成型和热压烧结的工艺制备孔结构或成分协同可控的复合材料，通过空心微球与铝合金粉体的组合设计，实现梯度铝基多孔复合材料孔结构与成分的多元协同梯度构造。该复合材料的制备方法可设计性极强，制备得到的复合材料能够形成功能梯度，从而获得优异的缓冲吸能性能。需要说明的是，专利技术人发现单一结构铝基多孔复合材料自身吸能能力有限的原因主要在于：材料内部各种参数同性，在受到外界载荷，材料内部结构的变形形式单一，尤其在受到冲击载荷时，各微区组元趋于瞬时压溃，内部各组分性能未能得到充分发挥。而本专利技术中的梯度材料是指在空间上使材料的构成要素在某一方向上连续变化，形成功能梯变分布，与均匀结构相比，在冲击载荷下可有效降低局部应力集中，对冲击波起延时作用，在能量吸收方面发挥更大优势。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例的技术流程图；图2为实施例1复合材料内部结构示意图；图3为实施例2复合材料内部结构示意图；图4为实施例3复合材料内部结构示意图；图5为实施例4复合材料内部结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本专利技术实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，请参照图1，包括以下步骤：(1)复合原料制备根据预先的梯度设计制备多组复合原料，每组复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球。梯度设计是使多组复合原料的参数指标有所不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。在实际梯度设计时可以是以上指标中的至少一个指标不同，也可以是2个指标甚至更多指标不同，可以根据应用的环境进行针对性设计。在一些实施例中，可以将复合原料设计为以上参数指标沿轴向呈渐变式梯度分布或周期排布的方式，实现孔结构与成分的梯度调控。在一些实施例中，复合原料是将铝合金粉体、空心微球和润湿添加剂混合而得，润湿添加剂选自水和无水乙醇中的至少一种，利用水或无水乙醇起到一定的润湿的作用，使铝合金粉体和空心微球能够更好地混合均匀。可选地，复合原料的制备过程包括先将铝合金粉体和空心微球混合2-4h，再与润湿添加剂混合4-8h，以使铝合金粉体和空心微球混合的均匀度更高。具体地，空心微球选自陶瓷类空心微球、玻璃类空心微球和熔点高于铝材料熔点的金属类空心微球中的至少一种；以上几种类型的空心微球均适合于和铝合金粉体形成铝基多孔复合材料。空心微球的粒度为16-1000目，空心微球的粒度可以是多种级配的，以使每组复合材料的孔结构均有所差异。具体地，铝合金粉体选自1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金和7xxx系铝合金中的至少一种，1xxx系-7xxx系均可以用于制备铝基多孔复合材料。优选地，铝合金粉体的粒度为150-1000目，铝合金粉体的粒度也可以是多种级配，在此不做限定。根据空心微球含量的不同，复合原料分为高孔隙复合原料、中孔隙复合原料和低孔隙复合原料，高孔隙复合原料中空心微球的体积分数为60-90％，中孔隙复合原料中空心微球的体积分数为30-60％，低孔隙复合原料中空心微球的体积分数小于30％。在孔结构设计时可以采用三种复合原料按照一定的规律排布，也可以采用两种复合原料制备形成多组进行一定规律的排布。空心微球的体积分数是指空心微球的体积占两种主要原料总体积的比例。优选地，高孔隙复合原料包括粒径为800-1000目的铝合金粉体和不同粒径的空心微球，以利用小粒径的铝合金粉体填充大粒径空心微球间隙。(2)预制坯体制备将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体，采用冷压成形的工艺将多组复合原料形成整体。在优选的实施例中，冷压成形的过程是采用分步加压的方式对每层复合原料依次加压，以增加每层复合原料的致密度。在实际操作过程中，可以先铺设一层复合原料进行加压，再铺设一层复合原料再进行加压，这样逐层铺设逐层加压的方式进行冷压成形。具体地，在铺设复合原料时，保证相邻的两层复合原料至少一个参数指标不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。复合原料铺设的层数为2-10层，可以为2层、3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层、10层。可选地，每次加压的压力为10-30MPa，保压时间为5-10min，以保证每层复合原料的致密度。加压的压力可以为10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa，或相邻两个压力之间的任意值；保压时间可以根据加压的压力而定，可以为5min、6min、7min、8min、9min、10min，或相邻两个时间之间的任意值。在一些本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基多孔复合材料的制备方法，其特征在于，包括：/n将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；/n将所述预制坯体进行热压烧结；/n其中，每组所述复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层所述复合原料至少一个参数指标不同，所述参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。/n

【技术特征摘要】
1.一种铝基多孔复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；
将所述预制坯体进行热压烧结；
其中，每组所述复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层所述复合原料至少一个参数指标不同，所述参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结为放电等离子烧结或真空热压烧结；
优选地，在热压烧结之后根据所述铝合金粉体的热处理制度对复合材料进行热处理。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的过程中，控制烧结温度为520-600℃，烧结压力为5-10MPa；
优选地，所述放电等离子烧结的过程包括将温度升温至400-450℃保温3-5min，再升温至所述烧结温度保温3-10min，然后进行降温；其中，在升温和保温过程中均施加压力；
更优选地，升温速率为80-100℃/min；
更优选地，所述降温是以80-120℃/min的降温速率降温至100℃以下，再自然冷却。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的过程中，控制烧结温度为550-650℃，烧结压力为5-10MPa；
优选地，所述真空热压烧结的过程包括将温度升温至400-450℃保温10-20min，再升温至所述烧结温度保温30-120min，然后进行冷却；
更优选地，升温阶段是在真空度为100Pa以下的条件下，以5-20℃/min的升温速率进行升温；
更优选地，冷却阶段是随炉冷却至100℃以下，再置于空气中自然冷却。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成形的过程是采用分步加压...

【专利技术属性】
技术研发人员：林颖菲，冯晓伟，冯波，路建宁，陈恒，田卓，罗铁钢，
申请(专利权)人：广东省科学院材料与加工研究所，梅州市粤科新材料与绿色制造研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44