本發(fā)明涉及一種高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備方法，屬于多孔金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

滲流鑄造法制備的通孔鋁合金泡沫，具有低密度、高比強(qiáng)、能量吸收、吸音減振、電磁屏蔽、低熱電導(dǎo)率等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)材料、噪音控制、建筑裝飾、隔熱保溫等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。特別是利用其吸音功能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速公路、城市高架路橋、地鐵等的吸音應(yīng)用，形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模。

常規(guī)滲流鑄造方法所制備的通孔鋁合金的孔隙率較低，通常在60～70%之間。大量研究表明，滲流鋁合金泡沫的吸聲性能，隨其孔隙率的提高而提高。但高孔隙率（75～90%）的滲流鋁合金泡沫，在提高其吸聲性能的同時(shí)，存在由于孔隙率提高而導(dǎo)致的強(qiáng)度降低問題，孔隙率85%以上滲流泡沫鋁的強(qiáng)度下降尤為明顯，是高孔隙率鋁合金泡沫的吸音等功能及工程應(yīng)用需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高孔隙率通孔鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備方法，以纖維強(qiáng)化的方式獲得兼?zhèn)鋸?qiáng)度和吸聲功能的高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫，具有孔結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度可調(diào)控、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

實(shí)現(xiàn)本本發(fā)明上述目的采取的具體包括如下步驟：

（1）鋁合金熔化保溫：將鋁合金加熱到高于鋁合金液相線20～40℃的溫度熔化，并保溫20～60min.，獲得鋁合金熔體；

（2）前驅(qū)體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒及鋁纖維為滲流前驅(qū)體原料。nacl顆粒中，一種為主顆粒，另外一種為次顆粒，主顆粒的粒徑范圍為2～2.36mm、1.7～2mm、1.4～1.7mm、1.0～1.4mm、0.7～1.0mm、0.4～0.7mm中的一種，次顆粒的粒徑范圍為d次=（0.2～0.4）d主（d主為主顆粒的粒徑范圍的平均值）；按照主顆粒、次顆粒及鋁纖維的體積比=1:ξ/0.7-1:x(1-ξ)/0.7的比例進(jìn)行配料（x為復(fù)合泡沫基體中鋁纖維所占的體積百分比，ξ為復(fù)合泡沫的目標(biāo)孔隙率），混合料在混料器中混合10～60min.后得到均混的滲流前驅(qū)體；

（3）前驅(qū)體壓制：將步驟（2）得到的均混滲流前驅(qū)體置于滲流模具中，并采用5-30mpa的壓力進(jìn)行壓制，獲得密堆的滲流前驅(qū)體；

（4）前驅(qū)體預(yù)熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅(qū)體及滲流模具一起加熱到450～550℃并保溫40～200min.預(yù)熱，在前驅(qū)體預(yù)熱的同時(shí)將其中的鋁纖維氧化為鋁芯氧化鋁纖維；

（5）滲流：將步驟（1）制得的鋁合金熔體澆入滲流模具中，在1～5atm.的氣壓下將鋁合金熔體壓滲入步驟（4）得到的預(yù)熱滲流前驅(qū)體孔隙中，獲得鋁合金熔體、鋁芯氧化鋁纖維與nacl顆粒的混合物；

（6）水溶除nacl顆粒：將步驟（5）得到的混合物在空氣中冷卻到室溫，用水溶除其中的nacl顆粒，得到孔隙率75～90%的通孔鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫。

（7）步驟（1）中所述鋁合金為鋁與si、cu、mg、zn、mn中元素構(gòu)成的二元或多元鋁合金。

（8）步驟（2）中所述鋁纖維的直徑50～200μm、長(zhǎng)度為4～8mm，鋁纖維在復(fù)合泡沫基體中的體積百分比為2～10%vol。

發(fā)明原理

1、孔隙率調(diào)控，滲流顆粒、纖維的選取及壓制原理

（1）nacl顆粒及鋁纖維的體積比

nacl顆粒為近球形，其堆積系數(shù)為0.68～0.74，即有36～42%的孔隙（該孔隙為滲流后的鋁合金及鋁纖維所填充），要提高鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的孔隙率，就必須提高nacl顆粒的堆積系數(shù)。

設(shè)鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的體積為v泡；nacl主顆粒的直徑為d主、體積為v主，取v主/v泡=0.7；nacl次顆粒的顆粒直徑為d次、體積為v次；復(fù)合泡沫中鋁合金的體積為v鋁合金、鋁芯氧化鋁纖維的體積為v鋁纖維，復(fù)合泡沫基體中鋁纖維所占的體積百分比為x，復(fù)合泡沫的目標(biāo)孔隙率為ξ。

則：v泡=v主+v次+v鋁合金+v鋁纖維（1）

ξ=（v主+v次）/v泡（2）

v主/v泡=0.7（3）

v鋁纖維/(v鋁合金+v鋁纖維)=x（4）

根據(jù)（1）、（2）、（3）及（4）式，即可得到v主、v調(diào)、v鋁纖維的解，并可得到：

v主：v次：v鋁纖維=1：ξ/0.7-1：x(1-ξ)/0.7（5）

由（5）式即可得到nacl主顆、nacl次顆粒及鋁纖維之間的體積比。

（2）nacl主、次顆粒的尺寸關(guān)系

由球體的堆垛幾何關(guān)系，可知nacl主顆粒的間隙尺寸為（0.155～0.414）d主，將此間隙尺寸定義為d次，取d次=（0.2～0.4）d主，本專利中，取d主為其粒徑范圍的平均值，結(jié)合現(xiàn)有篩網(wǎng)的尺寸（將d主的計(jì)算值與篩網(wǎng)尺寸相比較，選取與篩網(wǎng)尺寸最相近的數(shù)值為d次的范圍值），即可得nacl主顆粒和次顆粒粒徑之間的相互關(guān)系。

（3）nacl顆粒及鋁纖維的壓制

nacl顆粒及鋁纖維的混合體，由于纖維的存在，使nacl顆粒間的接觸性降低而呈現(xiàn)較為松散的堆積方式，以此為前驅(qū)體進(jìn)行滲流并不能獲得高孔隙率的復(fù)合泡沫。為獲得高孔隙率的復(fù)合泡沫，需要對(duì)顆粒及纖維的混合體進(jìn)行壓制，但太大的壓力會(huì)導(dǎo)致顆粒破碎而破壞孔結(jié)構(gòu)、太小的壓力則使顆粒間的接觸性降低而達(dá)不到高孔隙率要求，合適的壓制壓力范圍為5～30mpa。

2、高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的纖維強(qiáng)化原理

（1）纖維直徑

鋁芯氧化鋁纖維的直徑越細(xì)小，則其強(qiáng)化效果越好。但過細(xì)的鋁纖維（50μm以下），在與nacl顆?；旌蠒r(shí)會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，隨鋁纖維直徑的降低團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，合適的纖維直徑為50～200μm。

（2）纖維長(zhǎng)度

鋁芯氧化鋁纖維的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則其強(qiáng)化效果越好。但過大的長(zhǎng)度（8mm）以上，在與nacl顆?；旌蠒r(shí)，會(huì)出現(xiàn)纖維的方向性排列及纖維團(tuán)聚現(xiàn)象而不能獲得均勻的纖維分布，合適的纖維長(zhǎng)度為4～8mm。

（3）纖維氧化程度

鋁纖維的強(qiáng)度較低，而氧化鋁纖維則是金屬基復(fù)合材料常用的強(qiáng)化相。隨預(yù)熱溫度及時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁纖維的表面氧化程度提高，但過高的預(yù)熱氧化溫度及時(shí)間，會(huì)造成較大的能源消耗而提高制備成本，故選?。?50～550）℃*（30～200）min.的工藝進(jìn)行預(yù)熱及鋁纖維表面氧化。

（4）纖維含量

鋁芯氧化鋁含量越高，則復(fù)合泡沫的強(qiáng)度越高、強(qiáng)化效果越好，但過高的纖維含量會(huì)造成纖維與顆粒的均混困難，對(duì)復(fù)合泡沫的孔結(jié)構(gòu)均勻性造成不利影響。綜合考慮強(qiáng)化效果及孔結(jié)構(gòu)均勻性控制，合適的纖維含量（即上述復(fù)合泡沫基體中鋁纖維所占的體積百分比x）為2～10%vol。

（5）纖維強(qiáng)化效果

復(fù)合泡沫的纖維強(qiáng)化效果，與纖維含量、尺寸及氧化程度有關(guān)，鋁纖維含量越高、直徑越小、長(zhǎng)度越大、氧化程度越高，則纖維強(qiáng)化效果越好?？筛鶕?jù)孔隙率高低及強(qiáng)度調(diào)制需求進(jìn)行調(diào)控，例如，對(duì)較高孔隙率的復(fù)合泡沫進(jìn)行較高的纖維強(qiáng)化，反之亦然。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明針對(duì)滲流鑄造法制備的高孔隙率鋁合金泡沫強(qiáng)度較低的不足，在滲流鑄造法的基礎(chǔ)上，采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒及鋁纖維為滲流前驅(qū)體，通過nacl顆粒及鋁纖維的配合使用，獲得孔隙率75～90%的鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫，該高孔隙率鋁合金泡沫具有孔結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度可調(diào)控、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例所述高孔隙率zl101合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備方法，具體包括如下步驟：

（1）鋁合金熔化保溫：將zl101合金加熱到640℃熔化并保溫20min.，獲得zl101合金熔體；

（2）前驅(qū)體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅(qū)體，其中一種為主顆粒，另外一種為次顆粒，主顆粒的粒徑范圍為1.4~1.7mm（用14目與12目篩子分選），其平均粒徑為1.55mm，次顆粒的粒徑范圍為d次=0.3~0.6mm（用50目與30目篩子分選），按照主顆粒、次顆粒及鋁纖維（直徑200μm、長(zhǎng)度4mm、在復(fù)合泡沫基體中的體積百分比為2%vol）的體積比=1：0.071：0.007的比例進(jìn)行配料，混合料在混料器中混合10min.得到均混的滲流前驅(qū)體；

（3）前驅(qū)體壓制：將步驟（2）得到的均混滲流前驅(qū)體置于滲流模具中，并采用5mpa的壓力進(jìn)行壓制，獲得密堆的滲流前驅(qū)體；

（4）前驅(qū)體預(yù)熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅(qū)體及滲流模具一起加熱到450℃并保溫40min.，在前驅(qū)體預(yù)熱的同時(shí)將其中的鋁纖維氧化為鋁芯氧化鋁纖維；

（5）滲流：將步驟（1）制得的鋁合金熔體澆入滲流模具，在1atm.的氣壓下將鋁

合金熔體壓滲入步驟（4）得到的預(yù)熱滲流前驅(qū)體孔隙中，獲得鋁合金熔體、鋁芯氧化鋁纖維與nacl顆粒的混合物；

（6）水溶除nacl顆粒：將步驟（5）得到的混合物在空氣中冷卻到室溫，用水溶除其中的nacl顆粒，得到孔隙率75%、鋁芯氧化鋁纖維含量為2%vol的zl101合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所述高孔隙率al-si12合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備方法，具體包括如下步驟：

（1）鋁合金熔化保溫：將al-si12合金加熱到600℃熔化并保溫60min.，獲得al-si12合金熔體；

（2）前驅(qū)體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅(qū)體，其中一種為主顆粒，另外一種為次顆粒，主顆粒的粒徑范圍為2~2.36mm（用10目與8目篩子分選），其平均粒徑為2.18mm，次顆粒的粒徑范圍為d次=0.425~0.85mm（用40目與20目篩子分選），按照主顆粒、次顆粒及鋁纖維（直徑50μm、長(zhǎng)度8mm、在復(fù)合泡沫基體中的體積百分比為10%vol）的體積比=1：0.29：0.014的比例進(jìn)行配料，混合料在混料器中混合60min.得到均混的滲流前驅(qū)體；

（3）前驅(qū)體壓制：將步驟（2）得到的均混滲流前驅(qū)體置于滲流模具中，并采用30mpa的壓力進(jìn)行壓制，獲得密堆的滲流前驅(qū)體；

（4）前驅(qū)體預(yù)熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅(qū)體及滲流模具一起加熱到550℃并保溫200min.，在前驅(qū)體預(yù)熱的同時(shí)將其中的鋁纖維氧化為鋁芯氧化鋁纖維；

（5）滲流：將步驟（1）制得的鋁合金熔體澆入滲流模具，在5atm.的氣壓下將鋁合金熔體壓滲入步驟（4）得到的預(yù)熱滲流前驅(qū)體孔隙中，獲得鋁合金熔體、鋁芯氧化鋁纖維與nacl顆粒的混合物；

（6）水溶除nacl顆粒：將步驟（5）得到的混合物在空氣中冷卻到室溫，用水溶除其中的nacl顆粒，得到孔隙率90%、鋁芯氧化鋁纖維含量為10%vol的al-si12合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫。

實(shí)施例3

本實(shí)施例所述高孔隙率zl201合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備方法，具體包括如下步驟：

（1）鋁合金熔化保溫：將zl201合金加熱到665℃熔化并保溫40min.，獲得zl201

合金熔體；

（2）前驅(qū)體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅(qū)體，其中一種為主顆粒，另外一種為次顆粒，主顆粒的粒徑范圍為1.7~2mm（用12目與10目篩子分選），其平均粒徑為1.85mm，次顆粒的粒徑范圍為d次=0.355~0.74mm（用45目與25目篩子分選），按照主顆粒、次顆粒及鋁纖維（直徑100μm、長(zhǎng)度5mm、在復(fù)合泡沫基體中的體積百分比為5%vol）的體積比=1：0.143：0.014的比例進(jìn)行配料，混合料在混料器中混合30min.得到均混的滲流前驅(qū)體；

（3）前驅(qū)體壓制：將步驟（2）得到的均混滲流前驅(qū)體置于滲流模具中，并采用20mpa的壓力進(jìn)行壓制，獲得密堆的滲流前驅(qū)體；

（4）前驅(qū)體預(yù)熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅(qū)體及滲流模具一起加熱到500℃并保溫100min.，在前驅(qū)體預(yù)熱的同時(shí)將其中的鋁纖維氧化為鋁芯氧化鋁纖維；

（5）滲流：將步驟（1）制得的鋁合金熔體澆入滲流模具，在3atm.的氣壓下將鋁合金熔體壓滲入步驟（4）得到的預(yù)熱滲流前驅(qū)體孔隙中，獲得鋁合金熔體、鋁芯氧化鋁纖維與nacl顆粒的混合物；

（6）水溶除nacl顆粒：將步驟（5）得到的混合物在空氣中冷卻到室溫，用水溶除其中的nacl顆粒，得到孔隙率80%、鋁芯氧化鋁纖維含量為5%vol的zl201合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫。

實(shí)施例4

本實(shí)施例所述高孔隙率al-mg5合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫的制備方法，具體包括如下步驟：

（1）鋁合金熔化保溫：將al-mg5合金加熱到670℃熔化并保溫30min.，獲得zl201合金熔體；

（2）前驅(qū)體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅(qū)體，其中一種為主顆粒，另外一種為次顆粒，主顆粒的粒徑范圍為0.4~0.7mm（用40目與25目篩子分選），其平均粒徑為0.55mm，次顆粒的粒徑范圍為d次=0.11~0.22mm（用140目與70目篩子分選），按照主顆粒、次顆粒及鋁纖維（直徑80μm、長(zhǎng)度6mm、在復(fù)合泡沫基體中的體積百分比為8%vol）的體積比=1：0.214：0.017的比例進(jìn)行配料，混合料在混料器中混合50min.得到均混的滲流前驅(qū)體；

（3）前驅(qū)體壓制：將步驟（2）得到的均混滲流前驅(qū)體置于滲流模具中，并采用25mpa的壓力進(jìn)行壓制，獲得密堆的滲流前驅(qū)體；

（4）前驅(qū)體預(yù)熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅(qū)體及滲流模具一起加熱到520℃并保溫150min.，在前驅(qū)體預(yù)熱的同時(shí)將其中的鋁纖維氧化為鋁芯氧化鋁纖維；

（5）滲流：將步驟（1）制得的鋁合金熔體澆入滲流模具，在4atm.的氣壓下將鋁合金熔體壓滲入步驟（4）得到的預(yù)熱滲流前驅(qū)體孔隙中，獲得鋁合金熔體、鋁芯氧化鋁纖維與nacl顆粒的混合物；

（6）水溶除nacl顆粒：將步驟（5）得到的混合物在空氣中冷卻到室溫，用水溶除其中的nacl顆粒，得到孔隙率85%、鋁芯氧化鋁纖維含量為8%vol的al-mg5合金/鋁芯氧化鋁纖維復(fù)合泡沫。