本發(fā)明是一種有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，屬于熱加工。

背景技術(shù)：

1、金屬泡沫與其他類型泡沫材料的組織結(jié)構(gòu)類似，均由固體材料組成，體積中孔隙占比很大。而且，金屬泡沫密度低、導熱性強，比剛度和抗壓強度高，可用于熱交換器、隔音裝置和氣液過濾器等領(lǐng)域。研究證明，利用直接能量沉積方式以及調(diào)整打印過程的特殊參數(shù)，可直接3d打印鈦、鋁和鋁青銅制成的金屬泡沫，而且在產(chǎn)能方面，可通過減少材料消耗以及創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀進行提升。因此這種方法在成本方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，而且不需要額外的準備和后處理工序。但是3d打印能量較大，需要激光器等專用裝備，費用較高，而且無法實現(xiàn)納米級顆粒增強。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而設(shè)計提供了一種有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其目的是在金屬表面制備出梯度成分的薄膜，并且能夠?qū)崿F(xiàn)梯度成分材料的篩選和優(yōu)化，得到靈活的梯度成分及結(jié)構(gòu)排列組合的功能薄膜，使其性能超越均質(zhì)材料。

2、為實現(xiàn)上述目的是，本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容如下：

3、本發(fā)明所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法使用的裝置包括w原料筒18、c原料筒14、b原料筒10和周圍的w原料筒加熱套19、c原料筒加熱套15、b原料筒加熱套9，以及用于輸出的w原料通道16、c原料通道12、b原料通道8，上述原料通道上均設(shè)置有真空閥，分別為w原料通道真空閥17、c原料通道真空閥13、b原料通道真空閥11，上述原料通道均與混合筒7連通，混合筒7的下方為爆破筒23，兩者之間由篩網(wǎng)5分隔，混合筒7和爆破筒23的周圍為加熱套6，爆破筒23的兩側(cè)分別通過管路連接ti原料筒22、al原料筒3，混合筒7的兩側(cè)分別設(shè)置第一粉料鋪設(shè)管20、第二粉料鋪設(shè)管2，第一粉料鋪設(shè)管20、第二粉料鋪設(shè)管2中間分別安裝第一粉料鋪設(shè)管真空閥21、第二粉料鋪設(shè)管真空閥4，第一粉料鋪設(shè)管20、第二粉料鋪設(shè)管2的出口設(shè)置在金屬板材1上方，用于在金屬板材1表面鋪設(shè)粉料；

4、采用上述裝置制備有序化的低密度高孔隙薄膜的步驟如下：

5、步驟一、原材料準備

6、將w、c、b粉末分別置于w原料筒18、c原料筒14、b原料筒10內(nèi)，將ti、al粉末分別置于ti原料筒22、al原料筒3內(nèi)；

7、啟動w原料筒加熱套19、c原料筒加熱套15、b原料筒加熱套9

8、左原料筒加熱套19、中原料筒加熱套15和右原料筒加熱套9，

9、對w原料筒18、c原料筒14、b原料筒10中的w、c、b粉末進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為800-1400℃；

10、步驟二、原材料爆破

11、啟動加熱套6，加熱溫度至1000-1100℃，保溫30-60min，然后將ti原料筒22、al原料筒3內(nèi)的ti、al粉末輸入爆破筒23，提高加熱套6功率，5-30s內(nèi)將爆破筒23內(nèi)溫度再提升200℃，使ti粉和al粉在爆破筒23內(nèi)發(fā)生瞬時熱爆反應(yīng)，熱爆反應(yīng)產(chǎn)物tixaly通過篩網(wǎng)5進入混合筒7，呈氣溶膠態(tài)，

12、步驟三、原材料混合

13、啟動w原料通道真空閥17、c原料通道真空閥13、b原料通道真空閥11，從w原料筒18、c原料筒14、b原料筒10中分別抽取w、c、b粉末，再分別經(jīng)w原料通道16、c原料通道12、b原料通道8輸入到混合筒7中，w、c、b粉末進入混合筒7時同樣呈氣溶膠態(tài)，混合筒7中的w、c、b粉末與tixaly組合呈粘聯(lián)態(tài)；

14、步驟四、原材料鋪設(shè)

15、使混合筒7中的w、c、b粉末與tixaly混合時間保持保持30-60s后，啟動第一粉料鋪設(shè)管真空閥21、第二粉料鋪設(shè)管真空閥4，使混合筒7中的w、c、b粉末與tixaly的混合物分別通過第一粉料鋪設(shè)管20、第二粉料鋪設(shè)管2鋪設(shè)到金屬板材1的表面上，直至達到厚度設(shè)計要求；

16、步驟五、真空燒結(jié)

17、將金屬板材1置于真空燒結(jié)爐中高溫燒結(jié)，溫度800-1500℃，保溫1-2h，冷卻后，即在金屬板材1表面獲得有序化的低密度高孔隙薄膜。

18、另外，所述篩網(wǎng)5用于篩出-400～-500目的粉末顆粒。

19、另外，所述w、c、b粉末的粒度為-450～-600目。

20、另外，所述ti、al粉末的粒度為-400～-500目。

21、在一種實施中，步驟三中，向混合筒7中輸入w、c、b粉末的順序是，先輸入w粉末和c粉末，并預(yù)先在金屬板材1表面上鋪設(shè)tixaly作為基底層，待w粉末和c粉末與tixaly發(fā)生結(jié)合后生成wc+w+c+tixaly，然后再輸入b粉末，生成b+tixaly，步驟四中，這一過程使鋪設(shè)到金屬板材1表面基底層上的粉末層成分構(gòu)成梯度由下至上分別為wc+w+c+tixaly、b+tixaly，在隨后步驟五的真空燒結(jié)過程中，兩個粉末層發(fā)生化學反應(yīng)，生成bc和wb，使最終的薄膜層成分構(gòu)成梯度為wc+tixaly+w+c+bc+wb+b+tixaly，其中b、bc和wb作為強化相以增強耐磨性，最終薄膜層孔隙率為90％以上。

22、進一步，所述的兩個粉末層的厚度為200微米。

23、在一種實施方式中，將w原料筒18、c原料筒14、b原料筒10中的粉末原料分別替換成mg、al、zr，并預(yù)先在金屬板材1表面上鋪設(shè)tixaly作為基底層，待mg、al、zr粉末與tixaly發(fā)生結(jié)合后鋪設(shè)到金屬板材1表面基底層上，厚度為200微米，鋪設(shè)的粉末層成分構(gòu)成梯度由下至上為mg+tixaly+al+zr，經(jīng)真空燒結(jié)過程后，使最終的薄膜層成分構(gòu)成梯度為mg+tixaly+al+zro，其中zro為阻燃相以增強散熱性和阻燃性，最終薄膜層孔隙率為90％以上。

24、另外，所述原料通道與原料筒的直徑比為1/20～1/30。

25、本發(fā)明技術(shù)方案的特點及有益效果為：

26、一、通過本發(fā)明方案，可以在金屬表面獲得一種有序化的低密度高孔隙薄膜，有序化體現(xiàn)在薄膜的成分通過原料筒中物質(zhì)的加入次序，低密度體現(xiàn)在鋪設(shè)的粉末顆粒通過氣流懸浮在空氣中，依靠攜帶的熱量相互粘連結(jié)合，整個過程無壓力施加，進而粉末薄膜層密度低，高空隙是由于粉末結(jié)合依靠了熱爆反應(yīng)生成的tixaly，熱爆后，粉末顆粒呈高孔隙狀態(tài)，而且鋪設(shè)過程中，粉末顆粒隨機堆垛，使得薄膜孔隙率較大；

27、二、在本發(fā)明方案中，通過調(diào)整原料筒的成分以及鋪設(shè)位置，能夠控制薄膜材料的三維結(jié)構(gòu)和局部成分，以微觀空間分辨率生產(chǎn)具有梯度成分和性能的復(fù)雜多功能薄膜材料，薄膜的孔隙密度和大小也可以靈活調(diào)整；

28、三、本發(fā)明方案基于氣溶膠原理，多種霧化材料會在混合筒中混合，在鋪設(shè)過程中，各種材料的比例也會依靠真空閥的動作而動態(tài)改變，確保進行高通量組合鋪設(shè)時能控制鋪設(shè)材料的3d結(jié)構(gòu)和局部成分，并以微尺度空間分辨率生產(chǎn)柔韌程度逐漸變化的梯度材料；

29、四、在本發(fā)明方案中，薄膜中還可以彌散分布納米級粉末顆粒作為增強相，改善薄膜綜合性能。

技術(shù)特征：

1.一種有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：該方法使用的裝置包括w原料筒(18)、c原料筒(14)、b原料筒(10)和周圍的w原料筒加熱套(19)、c原料筒加熱套(15)、b原料筒加熱套(9)，以及用于輸出的w原料通道(16)、c原料通道(12)、b原料通道(8)，上述原料通道上均設(shè)置有真空閥，分別為w原料通道真空閥(17)、c原料通道真空閥(13)、b原料通道真空閥(11)，上述原料通道均與混合筒(7)連通，混合筒(7)的下方為爆破筒(23)，兩者之間由篩網(wǎng)(5)分隔，混合筒(7)和爆破筒(23)的周圍為加熱套(6)，爆破筒(23)的兩側(cè)分別通過管路連接ti原料筒(22)、al原料筒(3)，混合筒(7)的兩側(cè)分別設(shè)置第一粉料鋪設(shè)管(20)、第二粉料鋪設(shè)管(2)，第一粉料鋪設(shè)管(20)、第二粉料鋪設(shè)管(2)中間分別安裝第一粉料鋪設(shè)管真空閥(21)、第二粉料鋪設(shè)管真空閥(4)，第一粉料鋪設(shè)管(20)、第二粉料鋪設(shè)管(2)的出口設(shè)置在金屬板材(1)上方，用于在金屬板材(1)表面鋪設(shè)粉料；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：所述篩網(wǎng)(5)用于篩出-400～-500目的粉末顆粒。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：所述w、c、b粉末的粒度為-450～-600目。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：所述ti、al粉末的粒度為-400～-500目。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：步驟三中，向混合筒(7)中輸入w、c、b粉末的順序是，先輸入w粉末和c粉末，并預(yù)先在金屬板材(1)表面上鋪設(shè)tixaly作為基底層，待w粉末和c粉末與tixaly發(fā)生結(jié)合后生成wc+w+c+tixaly，然后再輸入b粉末，生成b+tixaly，步驟四中，這一過程使鋪設(shè)到金屬板材(1)表面基底層上的粉末層成分構(gòu)成梯度由下至上分別為wc+w+c+tixaly、b+tixaly，在隨后步驟五的真空燒結(jié)過程中，兩個粉末層發(fā)生化學反應(yīng)，生成bc和wb，使最終的薄膜層成分構(gòu)成梯度為wc+tixaly+w+c+bc+wb+b+tixaly，其中b、bc和wb作為強化相以增強耐磨性，最終薄膜層孔隙率為90％以上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：所述的兩個粉末層的厚度為200微米。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：將w原料筒(18)、c原料筒(14)、b原料筒(10)中的粉末原料分別替換成mg、al、zr，并預(yù)先在金屬板材(1)表面上鋪設(shè)tixaly作為基底層，待mg、al、zr粉末與tixaly發(fā)生結(jié)合后鋪設(shè)到金屬板材(1)表面基底層上，厚度為200微米，鋪設(shè)的粉末層成分構(gòu)成梯度由下至上為mg+tixaly+al+zr，經(jīng)真空燒結(jié)過程后，使最終的薄膜層成分構(gòu)成梯度為mg+tixaly+al+zro，其中zro為阻燃相以增強散熱性和阻燃性，最終薄膜層孔隙率為90％以上。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，其特征在于：所述原料通道與原料筒的直徑比為1/20～1/30。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明是一種有序化的低密度高孔隙薄膜制備方法，該方法在金屬表面制備出梯度成分的薄膜的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)梯度成分材料的篩選和優(yōu)化，得到靈活的梯度成分及結(jié)構(gòu)排列組合的功能薄膜，使其性能超越均質(zhì)材料，該方法是將薄膜的成分通過原料筒中物質(zhì)的加入次序，低密度體現(xiàn)在鋪設(shè)的粉末顆粒通過氣流懸浮在空氣中，依靠攜帶的熱量相互粘連結(jié)合，整個過程無壓力施加，進而粉末薄膜層密度低，高空隙是由于粉末結(jié)合依靠了熱爆反應(yīng)生成的TixAly，熱爆后，粉末顆粒呈高孔隙狀態(tài)，而且鋪設(shè)過程中，粉末顆粒隨機堆垛，使得薄膜孔隙率較大。

技術(shù)研發(fā)人員：方爽,王俊,熊興波,孫炫琪,曾瑩輝,汪延凱,魏曉艷,林鶯鶯
受保護的技術(shù)使用者：中國航發(fā)北京航空材料研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24