本發明涉及一種層狀復合材料的制備方法技術領域，具體涉及一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法。

背景技術：

以泡沫鋁為芯材、以致密金屬板(如鋼板、鋁板、鈦板、鎳板等)為面板制成的三明治式復合結構，簡稱泡沫鋁夾芯板。泡沫鋁夾芯板不但繼承了泡沫鋁材料的輕質高強、減震吸能和電磁屏蔽等優點，且因芯層對外殼的分隔而有效地增大了夾芯結構的慣性矩，進而形成了一種高比強度和比剛度的輕量化結構，可在交通運輸、航空航天和建筑等領域具有廣泛的應用前景。

現有制備泡沫鋁夾芯板的方法主要分為膠粘連接和金屬化連接。所謂膠粘連接就是將金屬面板與泡沫鋁夾芯層直接用樹脂膠粘接在一起。該方法簡單易行，但存在的最大問題是結合界面易老化和不耐高溫。金屬化連接是用合金層或金屬過渡層作為面板與泡沫鋁夾芯層的連接劑。由于連接劑為金屬，即所謂的界面間形成冶金結合，則不存在老化問題，同時使用溫度也得到較大幅度的提高。因此，采用金屬化連接制備的泡沫鋁夾芯板作為結構材料使用時，其應用范圍更廣。但采用金屬化連接制備泡沫鋁夾芯板時，所需生產設備復雜，工藝流程較長、制作成本普遍較高。如：文獻《Aluminium Foam Sandwich Panels：Manufacture，Metallurgy and Applications》公開了一種采用粉末冶金法制備出規格為1m×2m的泡沫鋁夾心板材的方法。該方法首先將鋁粉與發泡劑、添加劑進行充分混合，然后將混合物壓制成密實的預制坯體，再通過熱軋和冷軋使預制坯體與面板復合，最后放入發泡爐內并使溫度升至預制坯體所用基體金屬的固相線以上并保溫一定時間，利用發泡劑分解產生的氣體在熔融狀態下的芯層內部形成無數的氣孔，經冷卻可得到泡沫鋁夾心板材料。又如：發明專利CN200510052089具體公開了一種泡沫金屬的鑄軋連續生產方法，其采用熔體二次發泡的方式制備泡沫鋁夾心板。這種方法首先將45#鋼和純鋁分別在1450℃和720℃下熔化，然后在鋁熔體中加入增黏劑和發泡劑，通過攪拌使它們在鋁熔體中均勻分散。再將45#鋼和鋁熔體澆入4擋板的立式兩輥軋機并進行軋制，得到鋼/鋁/鋼夾層板發泡前軀體帶材，該帶材再經二次加熱和發泡，可得到鋼/泡沫鋁/鋼復合的泡沫鋁夾心板。另外，從上述兩篇文獻描述的泡沫鋁夾芯板制備方法中還可以看出，其技術思想是將面板(鋁板、鋼板)與可發泡預制坯先進行預結合，然后再通過加熱發泡來獲得具有金屬化連接界面(冶金結合)的泡沫鋁夾芯板。

相對于上述兩種技術方案，發明申請CN104960270A公開了一種界面冶金結合泡沫鋁板的制備方法。該方法先將已經制備完成的適當密度、孔隙率和厚度的泡沫鋁板材進行表面清潔處理，然后放置于一定溫度的加熱平臺之上；待與加熱平臺接觸的泡沫鋁板材一側溫度升到一定程度之后，再于該泡沫鋁板材的上表面施加機械壓力，使受熱軟化的泡沫鋁板材發生物理變形，進而在泡沫鋁板材的一側表面形成近似于面板的蒙皮層；重復上述操作可在泡沫鋁板材的另一側形成近似于面板的蒙皮層，得到具有冶金結合界面的泡沫鋁夾芯板。該方法與上述兩種技術路線的不同之處主要在于其面板(蒙皮層)是在泡沫鋁夾芯板制備過程中形成的，即該方法是先形成泡沫鋁夾芯，后形成面板；而前述方法是先形成面板與可發泡預制坯的夾芯結構，然后再經發泡而形成泡沫鋁夾芯板。盡管該方法比較簡單，但其制備的泡沫鋁夾芯板的面板致密程度不高，且在高溫下對泡沫鋁板材施加壓力也會對已有泡沫結構造成一定程度的損壞，進而影響所制備的泡沫鋁夾芯板的使用性能。

技術實現要素：

本發明目的在于克服現有技術中存在的問題，提供了一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法；該方法利用粉末壓制技術一次形成泡沫鋁夾芯板面板、泡沫芯層的預制坯，再經保溫發泡可制備出厚度可控、結構均勻的泡沫鋁夾芯板材料。

本發明的一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，其技術解決方案按以下步驟進行：

步驟1、備料

按照泡沫鋁夾芯板的原料配比，稱量芯層原料和面板原料；

步驟2、混合物料

將稱量的芯層原料混合，得到混合均勻的芯層混合粉料；

步驟3、制備泡沫鋁夾芯板的預制坯

將泡沫鋁夾芯板的面板原料均勻鋪于成型模具的腔內，將芯層混合粉料均勻鋪于面板原料上層，再加入面板原料均勻鋪于芯層混合粉料上層，進行壓制，壓制壓力為300～500MPa，保壓時間為5～15分鐘，制得泡沫鋁夾芯板預制坯；

步驟4、加熱發泡

將發泡模具放入加熱爐內加熱，將泡沫鋁夾芯板預制坯置于發泡模具的空腔內，并閉合發泡模具，保溫發泡，待泡沫鋁夾芯板預制坯發泡膨脹至與發泡模具空腔上下壁完全接觸后，將發泡模具移出加熱爐并冷卻，制得泡沫鋁夾芯板。

所述的泡沫鋁夾芯板為面板-芯層-面板的三明治式結構；

其中，芯層原料為鋁粉或鋁合金、SiC粉、鎂粉和TiH₂粉；SiC粉質量為鋁粉或鋁合金質量的3～9％，鎂粉質量為鋁粉或鋁合金質量的0.6～1.0％，TiH₂粉質量為鋁粉或鋁合金質量的0.5～1.5％；

所述的泡沫鋁夾芯板的面板原料為鋁或鋁合金中的一種，選用原則為面板原料的熔點≥芯層原料的熔點；

所述的鋁合金粉為鋁與其它金屬元素的合金粉，鋁合金粉中，鋁占鋁合金粉的質量百分比為85～98％；

作為優選，鋁合金粉為鋁硅合金或鋁硅銅合金中的一種，鋁硅合金的成分及其質量百分比為：Si 8～20％，余量為Al，，鋁硅銅合金的成分及質量百分比為：Si 7～9％，Cu 2～4％，余量為Al。

所述的鋁粉或鋁合金粉的粒度為38～74μm，SiC粉的粒度為10～80μm，鎂粉的粒度為20～60μm，TiH₂粉的粒度為38～74μm。

所述的步驟1中，泡沫鋁夾芯板的芯層原料加入SiC粉，其目的是增加發泡過程中鋁熔體的黏度和泡沫鋁夾芯板的機械強度，加入的SiC粉需預先進行氧化處理，處理的方法為，通入空氣或氧氣，在900～950℃氧化處理2～5小時；

所述的步驟1中，泡沫鋁夾芯板的芯層原料加入鎂粉，其目的是調整發泡過程中鋁熔體的表面張力和泡沫鋁芯層的厚度；

所述的步驟1中，泡沫鋁夾芯板的芯層原料加入TiH₂粉的目的是為鋁熔體發泡提供氣體來源，加入的TiH₂粉需預先進行氧化處理，處理的方法為，通入空氣或氧氣，在450～500℃氧化處理2～10小時。

所述的步驟2中，所述的混合，混合時間為1.5～2.5小時。

所述的步驟2中，所述混合采用的設備為混料機，料球比為(2～3)∶1。

所述的步驟3中，所述的壓制為熱壓或冷壓中的一種，所述的熱壓的熱壓溫度為200～400℃，熱壓壓制方式為單軸壓制或雙軸壓制；所述的冷壓的溫度為室溫，冷壓壓制方式為單軸壓制或雙軸壓制。

所述的步驟3中，使面板原料或芯層混合粉料均勻鋪開的方法為：采用震動使粉末散開或采用沖壓頭將粉末壓平中的一種或兩種。

所述的步驟4中，所述的發泡模具為帶有蓋的閉合模具，發泡模具內設有高度可調的空腔，空腔高度大于預制坯的厚度。

所述的步驟4中，所述的加熱的加熱溫度為680～760℃，保溫發泡，時間為4～8min。

所述的步驟4中，所述的冷卻，冷卻方式為自然冷卻、風冷或水霧冷卻中的一種。

所述的步驟4中，所述的泡沫鋁夾芯板預制坯使用前，先進行預熱，預熱溫度為350～450℃。

本發明的一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，相比于現有技術，其產生的積極效果是：

1、本發明制備的泡沫鋁夾芯板，其泡沫芯層和面板之間完全融合在一起，不存在因中間合金層或金屬間化合物所引起的界面強度降低和脆性增大問題，極大地提高了泡沫鋁夾芯板的力學性能，應用范圍更為廣泛；

2、本發明可制備較大尺寸的泡沫鋁夾芯板，通過調整發泡模具的空腔高度可制備不同厚度的泡沫鋁夾芯板，可制備凈近成形的泡沫鋁夾芯板零件；

3、本發明制備的泡沫鋁夾芯板的面板厚度可通過增減鋁粉的添加量進行調整，且可制備面板厚度不同的泡沫鋁夾芯板材料；

4、本發明制備的泡沫鋁夾芯板的芯層成分、組成可以根據需要進行調整，可獲得不同性能的夾芯板材料。該方法操作相對簡單，制品成材率較高；

5、本發明使用的方法還適于制備鎂、鋅、鉛或這些金屬合金為芯層基體的泡沫金屬夾芯板；本發明使用的方法還適于制備以鋁合金板為面板的泡沫金屬夾芯板，在此領域具有廣泛的推廣作用，具有普適性。

附圖說明

圖1是本發明制備泡沫鋁夾芯板的工藝流程圖；

圖2是本發明所制泡沫鋁夾芯板的面板與泡沫芯層結合處的局部圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。

以下實施例中采用的鋁粉或鋁合金粉為市購產品，純度不小于98％；SiC粉為市購產品，純度大于98％；鎂粉為市購產品，純度大于99％；TiH₂粉為市購產品，純度大于99.5％。

以下實施例中混合物料采用的設備為滾筒式混料機，轉速80rpm。

以下實施例中壓制預制坯采用的設備為數顯式壓力機，最大壓力200t，加壓速率為1.5kN/s。

以下實施例中預制坯發泡的加熱設備為井式電阻爐，功率為5kw。

以下實施例制備泡沫鋁夾芯板的工藝流程圖見圖1。

實施例1

一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，按以下步驟進行：

步驟1、備料

按照泡沫鋁夾芯板的原料配比，稱量芯層原料和面板原料；

其中，芯層原料為粒度為38μm的鋁粉、粒度為80μm的SiC粉、粒度為20μm的鎂粉和粒度為38μm的TiH₂粉，SiC粉的加入量為鋁粉質量的3％，鎂粉加入量為鋁粉質量的1.0％，TiH₂粉加入量為鋁粉質量的1.5％；

面板原料為鋁粉；

將稱量的SiC粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入空氣，在900℃氧化處理5小時；

將稱量的TiH₂粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入空氣，在450℃氧化處理10小時。

步驟2、混合物料

將稱量的芯層原料放入混料機內混合，混合1.5小時，料球比為2∶1，得到混合均勻的50g芯層混合粉料；

步驟3、制備泡沫鋁夾芯板的預制坯

將泡沫鋁夾芯板的面板原料12g鋁粉放入成型模具的腔內，并震動使之均勻鋪開，將50g芯層混合粉料加入腔內，震動使50g芯層混合粉料均勻鋪于12g鋁粉上層，再加入12g鋁粉并震動，使之均勻鋪于芯層混合粉料上層；

將裝有物料的成型模具預熱至400℃后，以單軸壓制的方式進行壓制，壓制壓力為300MPa，保壓時間為15分鐘，制得泡沫鋁夾芯板預制坯；

步驟4、加熱發泡

將空腔直徑為發泡模具放入加熱爐內，加熱至760℃后，將預熱溫度為350℃的泡沫鋁夾芯板預制坯置于發泡模具的空腔內，調節空腔高度并固定為45mm，蓋好上蓋以閉合發泡模具，保溫發泡8min，此時，泡沫鋁夾芯板預制坯發泡膨脹至與發泡模具空腔上下壁完全接觸，將發泡模具移出加熱爐并水霧冷卻，制得45mm厚的泡沫鋁夾芯板，其中，芯層的厚度為40mm。

制備的泡沫鋁夾芯板面板與泡沫芯層結合處的局部圖見圖2，可見泡沫鋁夾芯板面板與泡沫芯層結合處分界不明顯，結合強度高。

實施例2

一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，按以下步驟進行：

步驟1、備料

按照泡沫鋁夾芯板的原料配比，稱量芯層原料和面板原料；

其中，芯層原料為粒度為43μm的鋁硅銅合金粉(Al-8wt.％Si-3wt.％Cu)、粒度為40μm的SiC粉、粒度為40μm的鎂粉和粒度為43μm的TiH₂粉為原料，SiC粉的加入量為鋁硅銅合金粉質量的6％，鎂粉加入量為鋁硅銅合金粉質量的0.8％，TiH₂粉加入量為鋁硅銅合金粉質量的1.0％；

面板原料為粒度為43μm的鋁粉；

將稱量的SiC粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入空氣，在900℃氧化處理4小時；

將稱量的TiH₂粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入空氣，在450℃氧化處理8小時。

步驟2、混合物料

將稱量的芯層原料放入混料機內混合，混合2小時，料球比為2.5：1，得到混合均勻的40g芯層混合粉料；

步驟3、制備泡沫鋁夾芯板的預制坯

將泡沫鋁夾芯板的面板原料10g鋁粉放入成型模具的腔內，并震動使之均勻鋪開，再用沖壓頭將鋁粉壓平；將40g芯層混合粉料加入腔內，震動使40g芯層混合粉料均勻鋪于10g鋁粉上層，再用沖壓頭將混合粉料壓平；再加入10g鋁粉并震動，使之均勻鋪于芯層混合粉料上層，再用沖壓頭將鋁粉壓平；

室溫下，采用雙軸壓制的方式進行壓制，壓制壓力為400MPa，保壓時間為10分鐘，制得泡沫鋁夾芯板預制坯；

步驟4、加熱發泡

將空腔直徑為發泡模具放入加熱爐內，加熱至720℃后，將預熱溫度為400℃的泡沫鋁夾芯板預制坯置于發泡模具的空腔內，調節空腔高度并固定為35mm，蓋好上蓋以閉合發泡模具，保溫發泡6min，此時，泡沫鋁夾芯板預制坯發泡膨脹至與發泡模具空腔上下壁完全接觸，將發泡模具移出加熱爐并風冷，制得35mm厚的泡沫鋁夾芯板，其中，芯層的厚度為31mm。

實施例3

一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，按以下步驟進行：

步驟1、備料

按照泡沫鋁夾芯板的原料配比，稱量芯層原料和面板原料；

其中，芯層原料為粒度為74μm的鋁硅合金粉(Al-12wt.％Si)、粒度為10μm的SiC粉、粒度為60μm的鎂粉和粒度為74μm的TiH₂粉為原料，SiC粉的加入量為鋁硅合金粉質量的9％，鎂粉加入量為鋁硅合金粉質量的0.6％，TiH₂粉加入量為鋁硅合金粉質量的0.5％；

面板原料為粒度為74μm的鋁粉；

將稱量的SiC粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入空氣，在900℃氧化處理3小時；

將稱量的TiH₂粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入空氣，在450℃氧化處理5小時。

步驟2、混合物料

將稱量的芯層原料放入混料機內混合，混合2.5小時，料球比為3∶1，得到混合均勻的30g芯層混合粉料；

步驟3、制備泡沫鋁夾芯板的預制坯

將泡沫鋁夾芯板的面板原料8g鋁粉放入成型模具的腔內，并震動使之均勻鋪開，再用沖壓頭將鋁粉壓平；將30g芯層混合粉料加入腔內，震動使30g芯層混合粉料均勻鋪于8g鋁粉上層，再用沖壓頭將混合粉料壓平；再加入8g鋁粉并震動，使之均勻鋪于芯層混合粉料上層，再用沖壓頭將鋁粉壓平；

室溫下，采用單軸壓制的方式進行壓制，壓制壓力為500MPa，保壓時間為5分鐘，制得泡沫鋁夾芯板預制坯；

步驟4、加熱發泡

將空腔直徑為發泡模具放入加熱爐內，加熱至680℃后，將預熱溫度為450℃的泡沫鋁夾芯板預制坯置于發泡模具的空腔內，調節空腔高度并固定為25mm，蓋好上蓋以閉合發泡模具，保溫發泡4min，此時，泡沫鋁夾芯板預制坯發泡膨脹至與發泡模具空腔上下壁完全接觸，將發泡模具移出加熱爐并自然冷卻，制得25mm厚的泡沫鋁夾芯板，其中，芯層的厚度為22mm。

實施例4

一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，按以下步驟進行：

步驟1、備料

按照泡沫鋁夾芯板的原料配比，稱量芯層原料和面板原料；

其中，芯層原料為粒度為63μm的鋁硅合金粉(Al-9wt.％Si)、粒度為60μm的SiC粉、粒度為53μm的鎂粉和粒度為63μm的TiH₂粉為原料，SiC粉的加入量為鋁硅合金粉質量的7％，鎂粉加入量為鋁硅合金粉質量的0.9％，TiH₂粉加入量為鋁硅合金粉質量的0.8％；

面板原料為6061鋁合金粉；

將稱量的SiC粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入氧氣，在950℃氧化處理2小時；

將稱量的TiH₂粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入氧氣，在500℃氧化處理4小時。

步驟2、混合物料

將稱量的芯層原料放入混料機內混合，混合2.5小時，料球比為2.5∶1，得到混合均勻的32g芯層混合粉料；

步驟3、制備泡沫鋁夾芯板的預制坯

將泡沫鋁夾芯板的面板原料9g 6061鋁合金粉放入成型模具的腔內，并震動使之均勻鋪開，再用沖壓頭將鋁粉壓平；將32g芯層混合粉料加入腔內，震動使32g芯層混合粉料均勻鋪于9g 6061鋁合金粉上層，再用沖壓頭將混合粉料壓平；再加入9g 6061鋁合金粉并震動，使之均勻鋪于芯層混合粉料上層，再用沖壓頭將鋁粉壓平；

將裝有物料的成型模具預熱至300℃后，采用單軸壓制的方式進行壓制，壓制壓力為450MPa，保壓時間為7分鐘，制得泡沫鋁夾芯板預制坯；

步驟4、加熱發泡

將空腔直徑為發泡模具放入加熱爐內，加熱至700℃后，將預熱溫度為450℃的泡沫鋁夾芯板預制坯置于發泡模具的空腔內，調節空腔高度并固定為28mm，蓋好上蓋以閉合發泡模具，保溫發泡6min，此時，泡沫鋁夾芯板預制坯發泡膨脹至與發泡模具空腔上下壁完全接觸，將發泡模具移出加熱爐并自然冷卻，制得28mm厚的泡沫鋁夾芯板，其中，芯層的厚度為24mm。

實施例5

一種粉末成形制備泡沫鋁夾芯板的方法，按以下步驟進行：

步驟1、備料

按照泡沫鋁夾芯板的原料配比，稱量芯層原料和面板原料；

其中，芯層原料為粒度為63μm的鋁硅合金粉(Al-20wt.％Si)、粒度為53μm的SiC粉、粒度為56μm的鎂粉和粒度為64μm的TiH₂粉為原料，SiC粉的加入量為鋁硅合金粉質量的9％，鎂粉加入量為鋁硅合金粉質量的0.6％，TiH₂粉加入量為鋁硅合金粉質量的0.5％；

面板原料為6061鋁合金粉；

將稱量的SiC粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入氧氣，在950℃氧化處理3小時；

將稱量的TiH₂粉預先進行氧化處理，處理方法為，通入氧氣，在500℃氧化處理2小時。

步驟2、混合物料

將稱量的芯層原料放入混料機內混合，混合2小時，料球比為2.5：1，得到混合均勻的35g芯層混合粉料；

步驟3、制備泡沫鋁夾芯板的預制坯

將泡沫鋁夾芯板的面板原料10g 6061鋁合金粉放入成型模具的腔內，并震動使之均勻鋪開，再用沖壓頭將鋁粉壓平；將35g芯層混合粉料加入腔內，震動使35g芯層混合粉料均勻鋪于10g 6061鋁合金粉上層，再用沖壓頭將混合粉料壓平；再加入10g 6061鋁合金粉并震動，使之均勻鋪于芯層混合粉料上層，再用沖壓頭將鋁粉壓平；

將裝有物料的成型模具預熱至200℃后，采用單軸壓制的方式進行壓制，壓制壓力為450MPa，保壓時間為8分鐘，制得泡沫鋁夾芯板預制坯；

步驟4、加熱發泡

將空腔直徑為發泡模具放入加熱爐內，加熱至720℃后，將預熱溫度為450℃的泡沫鋁夾芯板預制坯置于發泡模具的空腔內，調節空腔高度固定為30mm，蓋好上蓋閉合發泡模具，保溫發泡5min，此時，泡沫鋁夾芯板預制坯發泡膨脹至與發泡模具空腔上下壁完全接觸，將發泡模具移出加熱爐并自然冷卻，制得30mm厚的泡沫鋁夾芯板，其中，芯層的厚度為26mm。

本發明使用的芯層基體合金粉末(如Al-12wt.％Si鋁硅合金粉、Al-8wt.％Si-3wt.％Cu鋁硅銅合金粉)不限于實施例給出的種類，其他屬于同種構思的合金粉末均在本發明的保護范圍之內。

本發明使用的添加劑(如SiC粉、鎂粉)不限于實施例給出的種類，其他屬于同種構思的添加劑均在本發明的保護范圍之內。

本發明使用的面板原料(如鋁或鋁合金)不限于實施例給出的種類，其他屬于同種構思的面板原料(如鐵粉、鈦粉、鎳粉等)均在本發明的保護范圍之內。