[发明专利]具有微观定向孔结构的泡沫金属及其制备方法

说明书

本发明涉及泡沫金属材料领域，具体为一种具有微观定向孔结构的泡沫金属及其制备方法。该泡沫金属微观上具有定向孔结构，表现为金属骨架和气孔均以片层形式沿制备过程的冷冻方向定向排列，其孔隙率为10％～90％，孔径为0.3μm～600μm，并且该泡沫金属的骨架可通过添加纳米碳材料进行增强，以质量百分数计，纳米碳材料含量为0％～10％，其余为金属，添加的纳米碳材料在金属骨架基体中沿骨架的排列方向择优取向。本发明通过配制水基浆料、冷冻铸造、真空冷冻干燥、去有机质和烧结的工艺制备泡沫金属。本发明的泡沫金属具有轻质、高比强度、高能量吸收率以及吸声、隔热等优异性能，并且其制备方法工艺简单、成本低、节能环保，适于规模化生产。

技术领域

本发明涉及泡沫金属材料领域，具体为一种具有微观定向孔结构的泡沫金属及其制备方法。

背景技术

泡沫金属作为一种结构功能性材料，在化工、交通运输、能源及建筑等领域应用广泛，并且发挥着极其重要的作用，同时各领域的快速发展以及新的应用需求也对泡沫金属的力学性能和功能不断提出越来越高的要求。对泡沫金属进行优化设计与制备，以获得更加轻质、高比强度、高能量吸收率等优异的力学性能和一定的功能特性，对于促进泡沫金属更好地满足工程应用需求具有重要意义。

传统方法制备的泡沫金属的孔状结构通常呈现出各向同性和杂乱无序的特点，力学强度偏低，并且吸声、隔热等功能也受到一定的限制。对泡沫金属的微观组织结构进行设计与控制是提升其性能的重要途径。在这方面，很多具有孔状结构的天然生物材料能够提供重要的启示。例如，木材中的孔状结构微观上沿生长方向定向排列，这使得木材表现出各向异性的性能特点，特别是沿受力方向具有高强度、高刚度等优异的力学性能，同时定向孔结构也有利于水分和营养物质的高效输送。通过模仿天然生物材料的微观结构，设计制备具有微观定向孔结构的泡沫金属，有望解决传统泡沫金属存在的强度低、吸能效率差等问题，从而促进其更好地满足工程应用需求。

此外，泡沫金属的力学性能和功能可以通过在其骨架的金属基体中引入第二相或增强相来进一步得到改善。石墨烯作为一种新型二维纳米材料，由于其尺寸小而缺陷少并且层内原子间以强的共价键结合，因此沿片层方向表现出极高的模量和强度以及优异的导电、导热性能，同时石墨烯能够弯曲，具有一定的柔韧性，并且其结构与化学性质都很稳定。碳纳米管是一种独特的一维纳米材料，与石墨烯相似，碳纳米管也具有优异的力学、物理和化学性能。作为性能独特的纳米碳材料，石墨烯和碳纳米管可以用作泡沫金属骨架的理想增强组分以提高其性能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种以纳米碳材料增强的具有微观定向孔结构的泡沫金属，通过微观结构设计实现泡沫金属轻质、高比强度、高能量吸收率以及吸声、隔热等优异性能；本发明的目的之二在于提供一种上述具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，实现泡沫金属微观定向孔的结构设计与控制，并实现纳米碳材料在金属骨架基体中的均匀分布与定向排列。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术解决方案如下：

一种具有微观定向孔结构的泡沫金属，该泡沫金属微观上具有定向孔结构，表现为金属骨架和气孔均以片层形式沿制备过程的冷冻方向定向排列，其孔隙率为10％～90％，孔径为0.3μm～600μm；该泡沫金属的骨架通过添加纳米碳材料进行增强，以质量百分数计，纳米碳材料含量为0％～10％，其余为金属，添加的纳米碳材料在金属骨架基体中沿骨架的排列方向择优取向。

所述的金属为镍、铝、钯、银、铜金属单质或以上述金属为基体的合金，所述的纳米碳材料为石墨烯、碳纳米管或两者的组合。

所述的具有微观定向孔结构的泡沫金属的制备方法，包括以下步骤：

(A)配制水基浆料：称取金属粉体、纳米碳材料粉体、水和添加剂，将其混合均匀，得到含有金属粉体的水基浆料；

(B)冷冻铸造：将水基浆料倒入模具中，通过定向冷冻使其中的水沿冷冻方向发生定向凝固，从而将金属粉体、纳米碳材料粉体和添加剂排挤到定向生长的冰层之间，使其微观上定向排列；