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

背景技術：

滲流鑄造法制備的通孔鋁合金泡沫，具有低密度、高比強、能量吸收、吸音減振、電磁屏蔽、低熱電導率等特點，在結構材料、噪音控制、建筑裝飾、隔熱保溫等領域具有廣闊的應用市場。特別是利用其吸音功能，已經實現了高速公路、城市高架路橋、地鐵等的吸音應用，形成了一定的市場規模。

常規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，存在由于孔隙率提高而導致的強度降低問題，孔隙率85%以上滲流泡沫鋁的強度下降尤為明顯，是高孔隙率鋁合金泡沫的吸音等功能及工程應用需要解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種高孔隙率通孔鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的制備方法，以纖維強化的方式獲得兼備強度和吸聲功能的高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫，具有孔結構及強度可調控、制備工藝簡單、成本低的特點，可實現工業化生產。

實現本本發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的比例進行配料（x為復合泡沫基體中鋁纖維所占的體積百分比，ξ為復合泡沫的目標孔隙率），混合料在混料器中混合10～60min.后得到均混的滲流前驅體；

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

（4）前驅體預熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅體及滲流模具一起加熱到450～550℃并保溫40～200min.預熱，在前驅體預熱的同時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）得到的預熱滲流前驅體孔隙中，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、長度為4～8mm，鋁纖維在復合泡沫基體中的體積百分比為2～10%vol。

發明原理

1、孔隙率調控，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/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的孔隙率，就必須提高nacl顆粒的堆積系數。

設鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的體積為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，復合泡沫基體中鋁纖維所占的體積百分比為x，復合泡沫的目標孔隙率為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（1）、（2）、（3）及（4）式，即可得到v主、v調、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、次顆粒的尺寸關系

由球體的堆垛幾何關系，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，結合現有篩網的尺寸（將d主的計算值與篩網尺寸相比較，選取與篩網尺寸最相近的數值為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較為松散的堆積方式，以此為前驅體進行滲流并不能獲得高孔隙率的復合泡沫。為獲得高孔隙率的復合泡沫，需要對顆粒及纖維的混合體進行壓制，但太大的壓力會導致顆粒破碎而破壞孔結構、太小的壓力則使顆粒間的接觸性降低而達不到高孔隙率要求，合適的壓制壓力范圍為5～30mpa。

2、高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的纖維強化原理

（1）纖維直徑

鋁芯氧化鋁纖維的直徑越細小，則其強化效果越好。但過細的鋁纖維（50μm以下），在與nacl顆?；旌蠒r會出現團聚現象，隨鋁纖維直徑的降低團聚現象加劇，合適的纖維直徑為50～200μm。

（2）纖維長度

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

（3）纖維氧化程度

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

（4）纖維含量

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

（5）纖維強化效果

復合泡沫的纖維強化效果，與纖維含量、尺寸及氧化程度有關，鋁纖維含量越高、直徑越小、長度越大、氧化程度越高，則纖維強化效果越好?？筛鶕紫堵矢叩图皬姸日{制需求進行調控，例如，對較高孔隙率的復合泡沫進行較高的纖維強化，反之亦然。

本發明的有益效果：

本發明針對滲流鑄造法制備的高孔隙率鋁合金泡沫強度較低的不足，在滲流鑄造法的基礎上，采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒及鋁纖維為滲流前驅體，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/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫，該高孔隙率鋁合金泡沫具有孔結構及強度可調控、制備工藝簡單、成本低的特點，可實現工業化生產。

附圖說明

圖1為高孔隙率鋁合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的制備工藝流程圖。

具體實施方式

實施例1

本實施例所述高孔隙率zl101合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的制備方法，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）前驅體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅體，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、長度4mm、在復合泡沫基體中的體積百分比為2%vol）的體積比=1：0.071：0.007的比例進行配料，混合料在混料器中混合10min.得到均混的滲流前驅體；

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

（4）前驅體預熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅體及滲流模具一起加熱到450℃并保溫40min.，在前驅體預熱的同時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）得到的預熱滲流前驅體孔隙中，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/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫。

實施例2

本實施例所述高孔隙率al-si12合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的制備方法，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）前驅體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅體，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、長度8mm、在復合泡沫基體中的體積百分比為10%vol）的體積比=1：0.29：0.014的比例進行配料，混合料在混料器中混合60min.得到均混的滲流前驅體；

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

（4）前驅體預熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅體及滲流模具一起加熱到550℃并保溫200min.，在前驅體預熱的同時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）得到的預熱滲流前驅體孔隙中，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/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫。

實施例3

本實施例所述高孔隙率zl201合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的制備方法，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）前驅體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅體，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、長度5mm、在復合泡沫基體中的體積百分比為5%vol）的體積比=1：0.143：0.014的比例進行配料，混合料在混料器中混合30min.得到均混的滲流前驅體；

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

（4）前驅體預熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅體及滲流模具一起加熱到500℃并保溫100min.，在前驅體預熱的同時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）得到的預熱滲流前驅體孔隙中，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/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫。

實施例4

本實施例所述高孔隙率al-mg5合金/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫的制備方法，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）前驅體均混：采用兩種不同粒徑范圍的nacl顆粒為滲流前驅體，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、長度6mm、在復合泡沫基體中的體積百分比為8%vol）的體積比=1：0.214：0.017的比例進行配料，混合料在混料器中混合50min.得到均混的滲流前驅體；

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

（4）前驅體預熱氧化：將步驟（3）得到的密堆滲流前驅體及滲流模具一起加熱到520℃并保溫150min.，在前驅體預熱的同時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）得到的預熱滲流前驅體孔隙中，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/鋁芯氧化鋁纖維復合泡沫。