一种铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备方法 (Preparation method of aluminum/glass bead composite metal sandwich material ) 是由 冀璞光 王志伟 殷福星 郭志易 康少明 冯建航 闫钰夫 刘影 余晖 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明为一种铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备方法。该方法采用铝粉和玻璃微珠粉末为原材料,将铝粉和玻璃微珠粉末混一起后,加入一定量的酒精,放入V型搅拌器中进行搅拌均匀,然后将粉末放入石墨模具中热压烧结,在石墨模具的上下底面放入大小合适的铝板,一同进行热压烧结,最后得到铝板/铝玻璃微珠/铝板的夹芯材料。本发明在成分调控上,可以根据用途不同,铝和玻璃微珠粉末的比例可以自由调整；得到的材料在元素分布上更加均匀,性能优异。(The invention relates to a preparation method of an aluminum/glass bead composite metal sandwich material. The method comprises the steps of taking aluminum powder and glass bead powder as raw materials, mixing the aluminum powder and the glass bead powder together, adding a certain amount of alcohol, uniformly stirring in a V-shaped stirrer, putting the powder into a graphite mold, sintering by hot pressing, putting aluminum plates with proper sizes on the upper bottom surface and the lower bottom surface of the graphite mold, sintering by hot pressing together, and finally obtaining the sandwich material of the aluminum plate/the aluminum glass bead/the aluminum plate. In the aspect of component regulation, the proportion of the aluminum and the glass bead powder can be freely adjusted according to different purposes; the obtained material is more uniform in element distribution and excellent in performance.)
技术领域
本发明涉及金属复合材料领域，具体涉及一种铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备方法。
背景技术
在现今大环境下，随着航天、军事和汽车领域的发展，对装甲防护和运输防护材料的要求越来越苛刻；尤其是在军用领域，其工作的环境较为恶劣，其中最危险的就是冲击和振动，这样的服役环境对设备和零件都将会产生非常不利的影响，甚至会使设备损坏以及零件失灵，产生不必要的损失。优异的包装防护材料可以有效的减小产品在运输的过程中的损坏，而且优良的装甲防护结构也对人员的安全起到非常重要的保护作用。因此为了提升人员的安全性和装备的可靠性，这就要求材料具有更高的减振和抗冲击性能，这种性能在致密材料中难以实现，而研究人员发现轻质的铝基复合材料具有这种优异的性能。经过研究学者的不断探索发现，一种力学性能更好，制备过程更加简便容易操控的优质金属复合材料——以空心微珠作为“孔”的铝基的多孔复合材料。为制备优异的夹芯铝/玻璃微珠复合材料奠定基础。
发明内容
本发明克服传统混料方法制备的复合材料混合不均匀以及焊接复合材料时焊料无法很好的润湿焊件上等问题。本发明采用铝粉和玻璃微珠粉末为原材料，将铝粉和玻璃微珠粉末混一起后，加入一定量的酒精，放入V型搅拌器中进行搅拌均匀，然后将粉末放入石墨模具中热压烧结，在石墨模具的上下底面放入大小合适的铝板，一同进行热压烧结，最后得到铝板/铝玻璃微珠/铝板的夹芯材料。本发明在成分调控上，可以根据用途不同，铝和玻璃微珠粉末的比例可以自由调整；得到的复合材料在元素分布上更加均匀，性能优异。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
(1)铝/玻璃微珠粉末悬浊液的制备
将铝粉、玻璃微珠和酒精溶液混合后搅拌，在放入到V型混料机中混合0.5-8小时，得到铝/玻璃微珠悬浊液；
所述的酒精的体积百分浓度为75-100％。
其中，玻璃微珠的体积占玻璃微珠和铝粉的总体积的30％-70％；加入的酒精的体积为铝粉和玻璃微珠粉末体积和的0.5-1.5倍之间；
所述的铝粉的粒径范围为2-150μm，玻璃微珠的粒径范围为20-100μm。
(2)铝/玻璃微珠粉末悬浊液的干燥
将铝/玻璃微珠悬浊液中的酒精抽滤掉，然后在50-80℃下烘干0.5-2h，得到干燥的铝/玻璃微珠粉末；
(3)铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备
将步骤(2)得到的干燥的铝/玻璃微珠粉末装入底部放有铝板的石墨模具中，粉末装入后，再在其表面覆盖铝板，然后通过热压烧结工艺进行烧结，最后得到铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料；
其中，热压烧结的温度为500-650℃，热压烧结的压力为10-20MPa，保温时间1-2h，升温速率为5-15℃/min。
所述的底部铝板或覆盖铝板的厚度范围为1-10mm，得到的铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的总厚度为10-30mm。
本发明的实质性特点为：
当前的复合金属材料的制备中，均为干料之间进行混合后再进行熔炼。本发明中，发明人在研究发现，将铝粉与玻璃微珠粉末混合，但是由于两者的润湿性太差导致玻璃微珠的分布的非常不均匀，针对这个问题，采取了加入大量酒精与铝粉混合均匀以后，然后通过热压烧结的方法将铝粉与玻璃微珠之间均匀分散。并且在熔炼中，采取了低于铝的熔点以下的烧结温度，避免了玻璃微珠因为密度过小上浮造成的分散不均匀，最终得到了性能优异的复合材料。
本发明的有益效果如下:
1、所采用的原料为铝粉和玻璃微珠粉末，在酒精溶液中将其混合均匀，可以达到较好的混合状态。用最简单的方法可以将铝粉与玻璃微珠粉末进行均匀的混合。
2、所制备的铝/玻璃微珠复合材料，化学成分稳定，铝、玻璃微珠均匀的分布，无混合不均匀现象。并且通过与泡沫铝对比，所制备的铝玻璃微珠复合材料的压缩性能得到巨大提升，峰值应力从泡沫铝的3MPa提升至56MPa，平台应力也从泡沫铝的5MPa提升至14MPa。
3、铝粉和玻璃微珠的比例可以根据用途和要求不同进行任意调整比例。
4、制备工艺简单、效率高、安全无害，为制备优异性能的铝基合金奠定良好基础。
附图说明
图1是原料玻璃微珠的XRD图谱；
图2是实施例1-3中得到的热压烧结的铝/玻璃微珠复合夹芯材料SEM照片；其中，图2a为实施例1得到的材料的照片，图2b为为实施例2得到的材料的照片，图2c为实施例3得到的材料的照片；
图3是普通泡沫铝与实施例1-3得到的复合材料的应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
将粒径50μm玻璃微珠粉末和粒径5μm铝粉混合在一起，玻璃微珠的体积为玻璃微珠和铝粉总体积的50％，然后将铝粉与玻璃微珠体积和的0.5倍量体积的98％酒精(体积百分浓度)溶液注入其中，搅拌后使其呈糊状，最后将其放入V型混料机中，混合4h，得到混合均匀的铝/玻璃微珠的悬浊液；
将上述悬浊液中多余酒精抽滤出来，为得到更加干燥的铝/玻璃微珠粉末，将未干的铝/玻璃微珠粉末放入真空干燥箱中60℃，保温1h，最终得到干燥的铝/玻璃微珠粉末；
称取一定质量干燥的铝/玻璃微珠粉末，在倒入石墨模具之前将适合模具尺寸的1mm厚的铝板垫在下面，然后将干燥的铝/玻璃微珠倒入其中，最后在加入一块1mm厚的铝板，盖在上面；
将石墨模具放入热压烧结炉中，10℃/min的升温速率升至600℃，然后设定压力为10MPa,保温保压1h；最终得到厚度为20mm的复合材料。取一小块夹芯层部分观察其微观形貌，得到图2(a),铝粉可以很好的均匀分布在玻璃微珠的周围
利用线切割技术，将得到的夹芯铝/玻璃微珠粉末材料切割成直径为20mm、厚度为20mm的圆柱，对圆柱的表面进行打磨和清洗，以确保表面的平整；
将得到的圆柱试样用电子万能试验机做压缩实验，压缩的应变率为10-3S-1，得到应力-应变曲线，应变在3.8％，应力可以达到23.8MPa。
对比例1
其他步骤同实施例1，不同之处为在热压烧结炉时，烧结温度为720℃。
制备中，由于铝粉熔融后，玻璃微珠的密度较小，造成上浮团聚，玻璃微珠的含量由上至下逐渐变少，铝含量从上到下逐渐增大，造成无法实现玻璃微珠在复合材料中均匀分布时应该起到的减载、吸能作用，造成实验失败。
实施例2
将粒径50μm玻璃微珠粉末和粒径5μm铝粉混合在一起，玻璃微珠的体积为玻璃微珠和铝粉总体积的50％，然后将铝粉与玻璃微珠体积和的0.5倍量体积的98％酒精溶液注入其中，搅拌后使其呈糊状，最后将其放入V型混料机中，混合4h，得到混合均匀的铝/玻璃微珠的悬浊液；
将上述悬浊液中多余酒精抽滤出来，为得到更加干燥的铝/玻璃微珠粉末，将未干的铝/玻璃微珠粉末放入真空干燥箱中60℃，保温1h，最终得到干燥的铝/玻璃微珠粉末；
称取一定质量干燥的铝/玻璃微珠粉末，在倒入石墨模具之前将适合模具尺寸的1mm厚的铝板垫在下面，然后将干燥的铝/玻璃微珠倒入其中，最后在加入一块1mm厚的铝板，盖在上面；
将石墨模具放入热压烧结炉中，10℃/min的升温速率升至600℃，然后设定压力为15MPa,保温保压1h；最终得到厚度为20mm的复合材料；。取一小块夹芯层部分观察其微观形貌，得到图2(b),铝粉可以更加紧密的均匀分布在玻璃微珠的周围(其中，由于压力的增加导致的最终材料的密度不同，制备中适当增加铝/玻璃微珠粉末铺设厚度，从而达到同实施例1相同厚度的材料。以下实施例同)
利用线切割技术，将得到的夹芯铝/玻璃微珠粉末材料切割成直径为20mm、厚度为20mm的圆柱，对圆柱的表面进行打磨和清洗，以确保表面的平整；
将得到的圆柱试样用电子万能试验机做压缩实验，压缩的应变率为10-3S-1，得到应力-应变曲线，应变在2.7％，应力可以达到55.7MPa。
实施例3
将粒径50μm玻璃微珠粉末和粒径5μm铝粉混合在一起，玻璃微珠的体积为玻璃微珠和铝粉总体积的50％，然后将铝粉与玻璃微珠体积和的0.5倍量体积的98％酒精溶液注入其中，搅拌后使其呈糊状，最后将其放入V型混料机中，混合4h，得到混合均匀的铝/玻璃微珠的悬浊液；
将上述悬浊液中多余酒精抽滤出来，为得到更加干燥的铝/玻璃微珠粉末，将未干的铝/玻璃微珠粉末放入真空干燥箱中60℃，保温1h，最终得到干燥的铝/玻璃微珠粉末；
称取一定质量干燥的铝/玻璃微珠粉末，在倒入石墨模具之前将适合模具尺寸的1mm厚的铝板垫在下面，然后将干燥的铝/玻璃微珠倒入其中，最后在加入一块1mm厚的铝板，盖在上面；
将石墨模具放入热压烧结炉中，10℃/min的升温速率升至600℃，然后设定压力为20MPa,保温保压1h；最终得到厚度为20mm的复合材料。取一小块夹芯层部分观察其微观形貌，得到图2(c),铝粉可以紧密的均匀分布在玻璃微珠的周围,虽然在热压烧结的过程中有少量的微珠发生破损，但是其压缩性能依然比泡沫铝材料强很多(如图3)
利用线切割技术，将得到的夹芯铝/玻璃微珠粉末材料切割成直径为20mm厚度为20mm的圆柱，对圆柱的表面进行打磨和清洗，以确保表面的平整；
将得到的圆柱试样用电子万能试验机做压缩实验，压缩的应变率为10-3S-1，得到应力-应变曲线，应变在4.0％，应力可以达到33.5MPa。
通过以上实施例和对比例，我们可以看出，干料之间混合，会造成混合不均匀，直接熔炼后性能较差；经过大量酒精的加入，将粉料整体混成芝麻糊状，增大玻璃微珠的润湿性(粘性)就可以将铝粉与玻璃微珠粉末很好的混合均匀，酒精起到了铝粉与玻璃微珠连接桥梁的作用。
熔炼中，采取了低于铝的熔点以下的烧结温度，在铝粉未完全熔融下熔炼，避免了玻璃微珠因为密度过小上浮造成的分散不均匀(玻璃微珠密度(0.44g/cm3)，如果熔炼温度过高，由于其密度太小将会上浮,因此熔炼温度在铝的熔点(铝的熔点660℃)以下)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明未尽事宜为公知技术。
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