本發(fā)明涉及一種泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料制備方法，具體涉及一種泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

泡沫鋁與傳統(tǒng)材料相比具有高的孔隙率以及高比強(qiáng)度、比剛度、能量吸收率等力學(xué)特性，同時(shí)還具有隔熱、阻尼、阻燃等多功能特性，作為結(jié)構(gòu)功能一體化材料在航天航空、安全防護(hù)、減振降噪等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其高達(dá)80％以上的應(yīng)力平臺(tái)區(qū)使得其成為緩沖吸能的理想材料，在沖擊能量吸收領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。但鋁基體材料本身具有較低的強(qiáng)度，加上其制備過程中不可避免引入的孔隙結(jié)構(gòu)缺陷，使得其具有較低的強(qiáng)度，一般僅為幾個(gè)兆帕。國(guó)內(nèi)外大量研究企圖通過合金化的方式提高其機(jī)械強(qiáng)度，但成本較高且提升幅度有限，在主承載結(jié)構(gòu)件應(yīng)用方面仍然受限。因此，進(jìn)一步大幅度提高泡沫鋁的強(qiáng)度使得其作為承載工程結(jié)構(gòu)件應(yīng)用依然是國(guó)內(nèi)外科研工作者追求的目標(biāo)。

本發(fā)明提出的泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料和泡沫鋁相比在強(qiáng)度、剛度及能量吸收率方面均得到了大幅提升，在繼承了泡沫鋁固有的力學(xué)及功能特性的基礎(chǔ)上在強(qiáng)度方面得到了顯著的改善，在作為功能材料應(yīng)用的同時(shí)也可以滿足其高的機(jī)械性能方面的需求，可極大地拓寬其應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于通過將金屬管件與泡沫鋁進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，獲得一種新型泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料，該復(fù)合材料充分利用金屬管件的軸向承載能力對(duì)泡沫鋁不同方向進(jìn)行選擇性強(qiáng)化，使得其和泡沫鋁相比具有更加優(yōu)異的力學(xué)承載能力，且密度并不發(fā)生太大變化，甚至更低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案分和具體步驟如下：

1)泡沫鋁1的加工。首先將泡沫鋁(開孔或者閉孔)按需求采用切割機(jī)或線切割加工成所需尺寸結(jié)構(gòu)，再按設(shè)計(jì)要求在需要強(qiáng)化的方向采用鉆孔或線切割加工一系列通孔結(jié)構(gòu)，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個(gè)方向或某個(gè)方向，孔的數(shù)目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結(jié)構(gòu)，亦或局部分布?？椎某叽缗c金屬管件結(jié)構(gòu)截面尺寸一致，可預(yù)留適當(dāng)縫隙，縫隙尺寸小于0.1mm。

2)金屬管件2的加工。將金屬管件結(jié)構(gòu)采用線切割或切割機(jī)加工成與1)中孔隙尺寸一致的金屬管件，備用；

3)結(jié)構(gòu)復(fù)合。首先將切割好的金屬管件表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對(duì)應(yīng)孔隙之中。再將其靜置24小時(shí)或者恒溫箱中40～60℃環(huán)境下兩小時(shí)完成固化。最后清理試樣表面環(huán)氧膠及污物即可獲得泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料。圖2所示為其剖面示意圖。

或者將2)中的全部或部分金屬管件內(nèi)部3也填充泡沫金屬，獲得泡沫金屬填充金屬管件結(jié)構(gòu)，然后再與1)中的結(jié)構(gòu)按步驟3)進(jìn)行復(fù)合。其中泡沫金屬采用切割機(jī)或者線切割切割，尺寸與金屬管件 內(nèi)徑一致，縫隙控制在小于0.1mm，并在其表面均勻涂覆環(huán)氧膠后將其填充到金屬管件之中。

本發(fā)明的泡沫鋁為不同孔隙率的閉孔、開孔泡沫鋁及其合金。

所述的膠粘劑為環(huán)氧樹脂或聚氨酯類粘接劑。

所述的金屬管件為碳鋼、不銹鋼、純鋁、鋁合金、鎳合金或鈦合金管。

所述金屬管件截面形狀為圓形、正方形、矩形或橢圓形截面。

所述泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料制備方法為將金屬管件結(jié)構(gòu)選擇性的通過鉆孔、粘接鑲嵌到泡沫鋁中，可以在泡沫鋁的某一個(gè)或多個(gè)方向，或者局部實(shí)現(xiàn)復(fù)合，利用金屬管件結(jié)構(gòu)優(yōu)異的軸向承載特性實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化，其金屬管件結(jié)構(gòu)可按不同陣列排列實(shí)現(xiàn)不同程度的強(qiáng)化。

本發(fā)明所述泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料制備方法可以通過改變金屬管件結(jié)構(gòu)的材料屬性、幾何尺寸、數(shù)目、分布來實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度各向同性及各向異性泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料的制備。

本發(fā)明和其它技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明獲得的泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料可以結(jié)合泡沫鋁的能量吸收特性以及金屬管件結(jié)構(gòu)的軸向承載能力，揚(yáng)長(zhǎng)避短，即可以解決泡沫鋁高強(qiáng)度的應(yīng)用目標(biāo)需求，又可以解決金屬管件結(jié)構(gòu)軸向外其它方向承載能力差及失穩(wěn)的問題。二者相互耦合實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，新型復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，同時(shí)泡沫鋁的隔聲(閉孔)、吸聲(開孔)、散熱(開孔)、隔熱(閉孔)、減振降噪、阻燃等多功能 特性得以繼承。

2)泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料相比泡沫鋁復(fù)合強(qiáng)化效果顯著。研究結(jié)果表明，泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料其單位質(zhì)量峰值壓縮強(qiáng)度可達(dá)到復(fù)合前的2.16倍，單位體積能量吸收可達(dá)到復(fù)合前的2.93倍，單位質(zhì)量能量吸收率可達(dá)到復(fù)合前的2.24倍。本發(fā)明通過復(fù)合強(qiáng)化，可以使得泡沫金屬抗壓強(qiáng)度及能量吸收效率得到成倍的提升，且并不會(huì)帶來密度的增加，甚至?xí)档?將局部泡沫金屬用金屬管件代替)。

3)本發(fā)明通過改變金屬管件結(jié)構(gòu)的材料屬性、尺寸、數(shù)目以及陣列分布即可獲得一系列不同強(qiáng)度的泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料，且復(fù)合強(qiáng)化過程簡(jiǎn)單，加工制造成本低。

4)本發(fā)明金屬管件結(jié)構(gòu)可以選擇性填充，可以在不同方向及局部實(shí)現(xiàn)復(fù)合達(dá)到強(qiáng)化目的，也可以在金屬管件內(nèi)部填充泡沫鋁達(dá)到進(jìn)一步復(fù)合強(qiáng)化，預(yù)留的孔隙管件結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步多功能復(fù)合，如可作為散熱通道、鋪設(shè)電纜等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明泡沫鋁-金屬管件復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明泡沫鋁-金屬管件復(fù)合結(jié)構(gòu)截面a-b-c-d剖面示意圖。

圖中：1、泡沫鋁；2、金屬管件；3、金屬管件內(nèi)部。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：1)泡沫鋁1的加工。首先將閉孔泡沫鋁塊體材料按需求采用切割機(jī)或線切割加工成所需尺寸結(jié)構(gòu)，再按設(shè)計(jì)要求在需要 強(qiáng)化的方向采用鉆孔或線切割加工一系列通孔結(jié)構(gòu)，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個(gè)方向，孔的數(shù)目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結(jié)構(gòu)或局部分布?？椎某叽缗c金屬管件結(jié)構(gòu)截面尺寸一致，可預(yù)留適當(dāng)縫隙，縫隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫鋁為閉孔泡沫鋁密度為0.54～0.81g/cm³,孔隙率70～80％，孔徑1～3mm。

2)金屬管件2的加工。將304不銹鋼金屬圓管采用線切割或切割機(jī)加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中圓管直徑20mm，壁厚0.5mm。

3)結(jié)構(gòu)復(fù)合。首先將切割好的金屬管件2表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對(duì)應(yīng)孔隙之中。再將其靜置24小時(shí)或者恒溫箱中40～60℃環(huán)境下兩小時(shí)完成固化。最后清理試樣表面環(huán)氧膠及污物即可獲得泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料。圖2所示為其剖面示意圖。

實(shí)施例2：1)泡沫鋁1的加工。首先將閉孔泡沫鋁塊體材料按需求采用切割機(jī)或線切割加工成所需尺寸結(jié)構(gòu)，再按設(shè)計(jì)要求在需要強(qiáng)化的方向采用鉆孔或線切割加工一系列通孔結(jié)構(gòu)，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個(gè)方向，孔的數(shù)目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結(jié)構(gòu)或局部分布?？椎某叽缗c金屬管件結(jié)構(gòu)截面尺寸一致，可預(yù)留適當(dāng)縫隙，縫隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫鋁為閉孔泡沫鋁密度為0.1～0.54g/cm³,孔隙率80～95％，孔徑1～3mm。

2)金屬管件2的加工。將2024鋁合金圓管采用線切割或切割機(jī)加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中圓管直徑20mm， 壁厚2mm。

3)結(jié)構(gòu)復(fù)合。首先將切割好的金屬管件表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對(duì)應(yīng)孔隙之中。再將其靜置24小時(shí)或者恒溫箱中40～60℃環(huán)境下兩小時(shí)完成固化。最后清理試樣表面環(huán)氧膠及污物即可獲得泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料。圖2所示為其剖面示意圖。

實(shí)施例3：1)泡沫鋁1的加工。首先將泡沫鋁塊體材料按需求采用切割機(jī)或線切割加工成所需尺寸結(jié)構(gòu)，再按設(shè)計(jì)要求在需要強(qiáng)化的方向采用鉆孔或線切割加工一系列通孔結(jié)構(gòu)，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個(gè)方向，孔的數(shù)目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結(jié)構(gòu)或局部分布?？椎某叽缗c金屬管件結(jié)構(gòu)截面尺寸一致，可預(yù)留適當(dāng)縫隙，縫隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫鋁為滲流鑄造法制備的開孔泡沫鋁，密度為1.0g/cm³,相對(duì)密度為0.4，孔徑1～2mm。

2)金屬管件2的加工。將304不銹鋼方管采用線切割或切割機(jī)加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中方管截面尺寸為20*20mm，壁厚1mm。

3)結(jié)構(gòu)復(fù)合。首先將切割好的金屬管件表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對(duì)應(yīng)孔隙之中。再將其靜置24小時(shí)或者恒溫箱中40～60℃環(huán)境下兩小時(shí)完成固化。最后清理試樣表面環(huán)氧膠及污物即可獲得泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料。圖2所示為其剖面示意圖。

實(shí)施例4：1)泡沫鋁1的加工。首先將泡沫鋁塊體材料按需求采用切割機(jī)或線切割加工成所需尺寸結(jié)構(gòu)，再按設(shè)計(jì)要求在需要強(qiáng)化的方向采用鉆孔或線切割加工一系列通孔結(jié)構(gòu)，如圖1示意圖所示沿x，y，z三個(gè)方向，孔的數(shù)目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結(jié)構(gòu)?？椎某叽缗c金屬管件結(jié)構(gòu)截面尺寸一致，可預(yù)留適當(dāng)縫隙，縫隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫鋁為滲流鑄造法制備的開孔泡沫鋁，密度為1.0g/cm³,相對(duì)密度為0.4，孔徑1～2mm。

2)金屬管件2的加工。將TA18鈦合金管采用線切割或切割機(jī)加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中鈦合金管直徑25mm，壁厚1.8mm。

3)泡沫鋁填充圓管。首先將1)中所述開孔泡沫鋁切割成直徑25mm，高度與泡沫鋁板厚度一致的泡沫鋁柱(與TA18鈦合金管內(nèi)徑一致)，再將其表面均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，最后將其填充到2)所述加工好的鈦合金管中，并將溢出的環(huán)氧膠清理，備用。

4)結(jié)構(gòu)復(fù)合。首先將3)中所述泡沫鋁填充管件表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的對(duì)應(yīng)孔隙之中。再將其靜置24小時(shí)或者恒溫箱中40～60℃環(huán)境下兩小時(shí)完成固化。最后清理試樣表面環(huán)氧膠及污物即可獲得泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料。圖2所示為其剖面示意圖。

實(shí)施例5：1)泡沫鋁1的加工。首先將閉孔泡沫鋁塊體材料按需求采用切割機(jī)或線切割加工成所需尺寸結(jié)構(gòu)，再按設(shè)計(jì)要求在需要強(qiáng)化的方向采用鉆孔或線切割加工一系列通孔結(jié)構(gòu)，如圖1示意圖所 示沿x，y，z三個(gè)方向，孔的數(shù)目和分布按具體需求而定，通常為按一定次序排列的陣列結(jié)構(gòu)。孔的尺寸與金屬管件結(jié)構(gòu)截面尺寸一致，可預(yù)留適當(dāng)縫隙，縫隙尺寸小于0.1mm。其中，泡沫鋁為閉孔泡沫鋁密度為0.54～0.81g/cm³,孔隙率70～80％，孔徑1～3mm。

2)金屬管件2的加工。將2024鋁合金管采用線切割或切割機(jī)加工成與1)中孔隙尺寸一致的管件，備用。其中鋁合金管直徑20mm，壁厚2mm。

3)泡沫鋁填充鋁管。首先將1)中所述開孔泡沫鋁切割成直徑16mm，高度與泡沫鋁板厚度一致的泡沫鋁柱(與所述鋁合金管內(nèi)徑一致)，再將其表面均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，最后將其填充到2)所述加工好的2024鋁合金管中，并將溢出的環(huán)氧膠清理，備用。

4)結(jié)構(gòu)復(fù)合。首先將3)中所述泡沫鋁填充鋁管表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的y和z方向?qū)?yīng)的孔隙之中。再將2)中所述鋁合金管表層均勻涂覆一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將其逐一塞入泡沫金屬切割好的x方向?qū)?yīng)的孔隙之中。然后將其靜置24小時(shí)或者恒溫箱中40～60℃環(huán)境下兩小時(shí)完成固化。最后清理試樣表面環(huán)氧膠及污物即可獲得泡沫鋁-金屬管件復(fù)合材料。圖2所示為其剖面示意圖。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。