一種原位合成尖晶石晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種原位生長MgAl2O4尖晶石晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫及其制備技術(shù)，主要應(yīng)用于能量吸收、聲音吸收、耐火材料等領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]泡沫鋁是以鋁或鋁合金為骨架，含大量胞孔的三維多孔金屬材料，由于具有低密度、獨(dú)特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、優(yōu)良的力學(xué)、電、熱和聲學(xué)性能，為輕結(jié)構(gòu)、能量吸收和熱能管理提供了巨大的潛能。
[0003]泡沫材料能量吸收性能，表現(xiàn)為在較低壓應(yīng)力水平下產(chǎn)生大的應(yīng)變。這是因?yàn)槠溆射X合金骨架及大量氣孔所組成，組織極不均勻，應(yīng)變嚴(yán)重滯后于應(yīng)力，在壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中存在大范圍的平臺區(qū)，因而具有良好的能量吸收能力和較大的能量吸收率。但是在實(shí)際應(yīng)用中泡沫鋁由于其平臺應(yīng)力比較低，在吸能和承載應(yīng)用方面還仍然受到一些限制。
[0004]目前，由于在外加入一些脆性陶瓷增強(qiáng)相，比如:A1203、SiC以及短纖維后，在一定程度上彌補(bǔ)了泡沫材料壓縮特性和吸能特性，使其廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路運(yùn)輸以及航空航天領(lǐng)域。陶瓷相增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫的制備主要包括直接發(fā)泡法、粉末冶金法、添加造孔劑等方法。直接發(fā)泡法由于具有很好的成型特性以及成本低廉，從而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但由于陶瓷相的團(tuán)聚以及增強(qiáng)相與基體之間過多的界面反應(yīng)，因此在實(shí)際應(yīng)用方面受到很大的限制；粉末冶金法由于工藝相對復(fù)雜，而且陶瓷相與基體界面之間幾乎是物理接觸，其潤濕特性受到很大影響。以上由于外加法使增強(qiáng)相在基體中分布不均勻，界面接觸差等缺陷會使泡沫復(fù)合材料壓縮過程中其應(yīng)力應(yīng)變曲線明顯波動，對其承載和吸能穩(wěn)定性有很大影響。因而實(shí)現(xiàn)陶瓷相均勻分散在基體中，并與基體保持良好的界面接觸，同時提高泡沫材料的力學(xué)性能是一直以來亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種原位合成MgAl2O4尖晶石晶須增強(qiáng)泡沫鋁的方法。該方法能夠有效克服外加法中陶瓷相在基體中分布不均勻，與基體界面接觸差等缺陷。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，
[0007]一種原位合成尖晶石晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫的方法，包括以下步驟:
[0008](I)按照7.4?16:1的質(zhì)量比制備Al-Mg粉末；
[0009](2)制備Al-Mg復(fù)合材料塊體:
[0010]按照質(zhì)量體積比為13?14g:1?2ml的配比在步驟(I)中制得的Al-Mg粉末中滴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3?5 % PVA溶液，研磨后在空氣條件下干燥，制得復(fù)合粉末，然后按復(fù)合粉末與NaCl顆粒按質(zhì)量比(0.29?1.16)進(jìn)行均勻混合，在室溫和300?400MPa壓力下壓制成塊體材料；在氬氣氣氛下，將塊體材料以升溫速率5°C /分鐘?10°C /分鐘升溫至600?800°C下燒結(jié)I?4小時，之后隨爐冷卻，制成Al-Mg復(fù)合材料塊體；
[0011](3)對將步驟(2)中制備的Al-Mg復(fù)合材料塊體進(jìn)行清洗，制得Al復(fù)合泡沫材料。
[0012]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):該方法制備泡沫鋁過程簡單，過程可控，孔隙率可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了在Al基體中原位生長了均勻分散MgAl2O4尖晶石晶須。而且這種MgAl 204尖晶石晶須增強(qiáng)的泡沫鋁，其壓縮性能要高于其他陶瓷相增強(qiáng)的泡沫鋁。
【附圖說明】
[0013]圖1為球磨10小時后得到均勻分散的Al-Mg粉末掃描電鏡照片。
[0014]圖2為實(shí)施例3所制得的泡沫鋁泡孔掃描電鏡圖。
[0015]圖3為實(shí)施例3所制得的泡沫鋁孔壁均勻分布的MgAl2O4尖晶石晶須掃描電鏡照片O
[0016]圖4為MgAl2O4尖晶石晶須規(guī)則的六邊形端面的掃描電鏡照片。
[0017]圖5為實(shí)施例3所制得的泡沫鋁壓縮性能曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]原位合成陶瓷相增強(qiáng)復(fù)合泡沫法作為一種新的方法，可以克服長期以來增強(qiáng)相在基體中分散性較差，增強(qiáng)相與基體之間界面接觸差等問題。相對于其他顆粒或者纖維狀的陶瓷相，MgAl2O4尖晶石晶須是一種在人工控制條件下以單晶形式生長的一種一維納米纖維，不含通常材料中存在的缺陷，其強(qiáng)度接近于完美晶體的理論值。一方面其具有低熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低的介電常數(shù)以及高電阻率，同時MgAl2O4尖晶石晶須具有高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)?’另一方面，MgAl2O4尖晶石與Al同時具有立方結(jié)構(gòu)，而且MgAl 204尖晶石單位晶胞中氧陰離子亞點(diǎn)陣晶格參數(shù)與面心立方Al單位晶胞晶格參數(shù)相近，從而提高了 MgAl2O4尖晶石與Al基體在任何方向形成低結(jié)合能的可能性。因此其是一種理想的增強(qiáng)體材料。本發(fā)明采用添加造孔劑方法制備MgAl2O4尖晶石晶須增強(qiáng)的鋁基復(fù)合泡沫，制備的泡沫鋁中MgAl2O4尖晶石晶須分布均勻，并且晶須與基體界面結(jié)合良好。相對于其他增強(qiáng)體材料，在泡沫鋁中通過原位合成MgAl2O4尖晶石晶須一方面通過晶須的存在限制孔壁在壓縮中的變形來提高其力學(xué)性能，另一方面通過晶須提高其壓縮過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
[0019]概括而言，本發(fā)明的原位合成MgAl2O4尖晶石晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫的方法，包括以下步驟:
[0020](I)機(jī)械球磨Al-Mg粉末
[0021]將Al、Mg粉末質(zhì)量比(7.5?16)、2?2.4g硼酸與0.05?0.2g硬脂酸置于球磨罐中，以600轉(zhuǎn)/分?800轉(zhuǎn)/分進(jìn)行機(jī)械球磨9小時?11小時，制得均勻分散的Al-Mg粉末。
[0022](4)制備Al-Mg復(fù)合材料塊體
[0023]在步驟⑴中制得的均勻分散的Al-Mg粉末中滴入I?2ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)3?5% PVA (聚乙烯醇)溶液，研磨后在空氣條件下干燥0.5?I小時，然后按復(fù)合粉末與200-1000um粒徑大小的NaCl顆粒按質(zhì)量比(0.29?1.16)進(jìn)行均勻混合，在室溫和300?400MPa壓力下壓制成塊體材料。在氬氣氣氛下，將塊體以升溫速率5°C /分鐘?10°C /分鐘升溫至600?800°C下燒結(jié)I?4小時，之后隨爐冷卻。
[0024](5)制備Al復(fù)合泡沫材料
[0025]將步驟(2)中制備的Al-Mg復(fù)合材料塊體用去離子水在60°C?90°C條件下水浴12?24小時，同時為了快速除去NaCl顆粒，每隔5小時換水。隨后在60°C條件下干燥2小時。
[0026]下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，這些實(shí)施例只用于說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明。
[0027]實(shí)施例1
[0028]取11.6gAl粉、1.56gMg粉、2.4g硼酸以及0.1g硬脂酸以600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速機(jī)械球磨11小時，取球磨后粉末6.36g，并添加1.5ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% PVA，研磨后在空氣中干燥I小時。將研磨后的粉末與8.18gNaCl混合均