[发明专利]一种金属基空心球复合泡沫材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种金属基空心球复合泡沫材料及其制备方法。所述复合泡沫材料包括金属基体和陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在金属基体中。所述制备方法操作简单，成本较低。所制备的铝基/氧化铝空心球复合泡沫材料中铝基体与空心球界面结合良好，空心球粒径较大且所占体积分数较大，压缩应力应变曲线中平台应力可达46MPa，且平台阶段既平又长，是非常优异的轻质能量吸收材料。在冲击载荷下，这种复合泡沫的平台应力可提高至60MPa左右，在抗冲击防爆等领域有非常大的优势和应用前景。

技术领域

本发明属于泡沫金属技术领域，涉及一种金属基-陶瓷空心球复合泡沫材料及其制备方法，尤其涉及一种使用搅拌铸造方法制备有大粒径陶瓷空心球的金属基复合泡沫材料。

背景技术

泡沫金属具有轻质、隔音降噪、减震吸能、隔热保温等优点，在航空航天、轨道交通、汽车制造及室内装饰等领域有广泛的应用。采用传统的熔体发泡法、熔体吹气法或者粉末压实熔化发泡法等制备的闭孔泡沫金属，泡孔形状不够规则，且力学性能较低。若将陶瓷空心球植入金属基体中，不仅可通过调整空心球添加量和粒径来控制泡沫的孔隙率和孔径，且空心球均为规则球形，作为结构材料使用时，有利于试样整体的均匀受力。更重要的是，这种金属基空心球复合泡沫由于相对密度较高，及脆性陶瓷材料的作用，力学性能相较传统泡沫铝有很大提高。而在动态抗冲击方面，陶瓷球内密封气体的反压及陶瓷球壁的破碎可以有效吸收冲击能量，使得这种金属基空心球复合泡沫在军工防爆及航空航天领域有很大的应用前景。

目前关于金属基空心球复合泡沫及其制备已有一些技术基础。中国发明专利CN104498759A公开了将多种空心球材料混合后加入增粘的合金液中，然后采用电磁搅拌制备得金属基轻质复合材料的方法。多种不同材质不同粒径的空心球和增粘用的材料同时存在于基体中，因而这种复合泡沫的孔结构不好控制。同时，增粘过程、电磁搅拌及冷却器冷却等工序较为复杂。中国发明专利CN106435242A提出了采用真空渗流法制备金属基陶瓷复合材料的方法，这种方法需依靠空心球堆积铸模内的真空保证金属液的渗流，且渗流过程中需保持空心球堆积方式不变，设备成本较高，操作难度较大。中国发明专利CN103614586A提出了采用压力渗流法制备铝基氧化铝空心球复合泡沫的方法，由于空心球粒径较小(0.3-2mm)，需要金属液有较大的渗流压力(20-40MPa)才会完全浸渗，且金属液补缩能力差，对设备要求很高，而小粒径的空心球也不利于复合泡沫的能量吸收性能。中国发明专利CN104588617A中的原材料与CN104498759A中的相似，只是采用真空吸铸与保压渗流结合的方法达到金属液的完全浸渗。中国发明专利CN1792504A提出了采用真空渗流制备高镁-铝合金-膨胀矿石复合材料的方法，依然存在真空条件的设备及制备成本问题。综上所述，目前对于低成本制备含有大粒径陶瓷空心球的金属基复合泡沫的技术还比较欠缺。因而，有必要进一步开发适合大批量生产的低成本金属基复合泡沫制备工艺，并提高其中陶瓷空心球的粒径和均匀度，扩展其在动态冲击领域的应用。

发明内容

本发明提出了嵌有大粒径的均匀陶瓷空心球的金属基复合泡沫材料，和一种采用搅拌铸造法制备这种金属基空心球复合泡沫材料的工艺。

一种金属基空心球复合泡沫材料，其特征在于，包括金属基体和陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在金属基体中。

进一步，所述陶瓷空心球的直径范围为1-10mm，所述空心球占复合泡沫材料总体积的50％-60％。

进一步，所用金属基体不限于铝或铝合金，也可以是铁、铜、镁、锌、铅、钛等金属及其合金。

进一步，所述陶瓷空心球由氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化锆陶瓷或其他金属氧化物中的一种或多种组成。

下面以铝合金作为金属基体为例对本发明的制备方法进行说明。