用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及有開或閉孔隙的合金的制造，具體地說是用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了保證航空、航天飛行器的安全、高效飛行以及提高墜撞安全性，需要使用大量輕質(zhì)泡沫材料，其中，作為飛機(jī)失事碰撞和航天回收系統(tǒng)返回艙著陸過程的減振吸能材料，受到廣大研宄者的關(guān)注。目前，在航空航天中使用的吸能材料有:蜂窩材料、泡沫金屬類材料、高分子聚合物材料和復(fù)合材料等。這些材料由于具有良好的吸收機(jī)械振動或沖擊及高頻減振的物理特性，可用作航天器承力筒、防振座椅、機(jī)艙地板材料和抗沖擊艙底。但是，其中高分子聚合物材料和復(fù)合材料存在多種缺點(diǎn)，如易燃、強(qiáng)度低、疲勞壽命短及吸能率低；蜂窩材料存在的缺點(diǎn)在于，其徑向與切向性能相差甚遠(yuǎn)，且基本無法進(jìn)行機(jī)加工。相比之下，用作吸能材料的泡沫金屬是一種集多種優(yōu)良性能于一身的新型結(jié)構(gòu)功能材料，其具有比表面積大、比剛度高、沖擊能量吸收率高、孔隙率高、防火防爆性能好、阻尼減振性能好、隔聲、吸聲、電磁屏蔽和散熱性良好的優(yōu)點(diǎn)。然而，目前現(xiàn)有技術(shù)制備孔隙率可控和孔結(jié)構(gòu)均勻的高質(zhì)量泡沫金屬還具有一定難度，且制備工藝過程復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)用作吸能材料的泡沫金屬功能結(jié)構(gòu)的一體化。因此，用作吸能材料的綜合性能優(yōu)異的泡沫金屬的制備仍是當(dāng)前科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003]在眾多泡沫金屬材料中，由于鋁具有重量輕和良好的延展性、可成形性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐熱性的優(yōu)點(diǎn)，因而泡沫鋁成為泡沫金屬中的研宄重點(diǎn)。在航天工程中，同時具有多項(xiàng)優(yōu)良性能的泡沫鋁是航空航天領(lǐng)域一直追尋的理想結(jié)構(gòu)材料，尤其是泡沫鋁的吸能特性使其能夠在沖擊作用下消耗大量的能量，提高安全性能。在使用泡沫鋁進(jìn)行吸能的過程中，主要是利用泡沫鋁塑性屈服平臺階段相鄰變形層孔壁彎曲或屈服，以及變形層的連續(xù)坍塌而應(yīng)力基本不變的原理來進(jìn)行能量吸收。為了在滿足吸能要求的同時，提高泡沫鋁的強(qiáng)度，從而進(jìn)一步提高它的吸能效率，各種增強(qiáng)泡沫鋁的復(fù)合材料不斷被研發(fā)出來。例如，CN101876009A報道了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)泡沫鋁基復(fù)合材料的制備方法，其所使用的陶瓷顆粒為SiC，采用固態(tài)熱壓燒結(jié)和熱擠壓變形工藝制備出孔徑分布均一，屈服強(qiáng)度提高的泡沫鋁復(fù)合材料，其壓縮屈服強(qiáng)度達(dá)到36?70MPa。CN101798665A報道了一種鋁基泡沫材料的制備方法，將碳纖維加入到泡沫鋁中，使復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度高于6MPa，沖擊韌性提高約30%，能量吸收能力提高50%以上。CN103540785A報道了一種鎂鋁金屬間化合物增強(qiáng)泡沫鋁的方法，增加了泡沫鋁的抗壓強(qiáng)度，在壓縮率為10%?60%時，壓縮強(qiáng)度提高了 3.2倍，并保持了泡沫鋁良好的吸能特性。上述現(xiàn)有技術(shù)中，在泡沫鋁制備中使用了各種增強(qiáng)相，雖然在一定程度上改善了泡沫鋁的結(jié)構(gòu)和性能，但其普遍存在的缺點(diǎn)是:所制備的泡沫鋁材料存在結(jié)構(gòu)缺陷、力學(xué)性能和緩沖吸能性能低、密度大和不具備輕質(zhì)特性。與所有的泡沫金屬制備一樣，目前現(xiàn)有技術(shù)制備孔隙率可控和孔結(jié)構(gòu)均勻的高質(zhì)量泡沫鋁還具有一定難度，且制備工藝過程復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)用作吸能材料的泡沫鋁功能結(jié)構(gòu)的一體化。
[0004]在各種增強(qiáng)泡沫鋁的復(fù)合材料中，碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁的研宄成為近期研宄的熱點(diǎn)。自發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管憑借獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等特性和巨大潛力的應(yīng)用前景，受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。碳納米管具有良好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到50?200GPa，是鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級；它的彈性模量可達(dá)lTPa。使用碳納米管作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，可使復(fù)合材料表現(xiàn)出輕質(zhì)、良好的強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性等的綜合性能。而且，在泡沫鋁屈服平臺吸能過程中，碳納米管在鋁基體中可起第二相增強(qiáng)的作用，通過實(shí)現(xiàn)載荷的迀移和加工硬化，能承受更大的應(yīng)力，延長平臺區(qū)，提高能量吸收率。因此，將碳納米管來增強(qiáng)泡沫鋁可以在泡沫鋁吸收能量的過程中起性能大幅度提升的關(guān)鍵作用，研發(fā)碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料來用于減振吸能具有重要的理論和實(shí)踐價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法，是一種通過尿素作為造孔劑和通過鎳作為碳納米管合成的催化劑，原位合成用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中所制備的泡沫鋁材料存在結(jié)構(gòu)缺陷，力學(xué)性能和緩沖吸能性能低，密度大，不具備輕質(zhì)特性，且制備工藝過程復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)用作吸能材料的泡沫鋁功能結(jié)構(gòu)的一體化的缺陷。
[0006]本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法，是一種通過尿素作為造孔劑和通過鎳作為碳納米管合成的催化劑，原位合成用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
[0007]第一步，硝酸鎳、尿素和鋁粉的混合粉末的制備:
[0008]首先將粒徑為0.45?2mm的球形尿素顆粒置于電熱恒溫干燥箱中，于60?80 °C干燥I?2h，將硝酸鎳顆粒置于電熱恒溫干燥箱中，于35?45°C干燥I?2h，將干燥后的硝酸镲顆粒在行星式球磨機(jī)上以200rpm/min的轉(zhuǎn)速球磨30?60min，按照質(zhì)量比為硝酸鎳:鋁粉=0.001?0.02的比例，稱取球磨后的硝酸鎳和粒徑為40?60 ym的霧化鋁粉，將二者放入球磨罐中，在球磨機(jī)上以200rpm/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨30?60min，得到硝酸镲和鋁粉均勻混合的粉末，按照體積比為鋁粉:尿素=0.11?4:1的比例稱取干燥后的尿素顆粒，與上述球磨后的硝酸鎳和鋁粉的混合粉末在研缽中進(jìn)行混合，混合過程中添加占總混合粉質(zhì)量5?10%的無水乙醇，制得硝酸鎳、尿素和鋁粉的混合粉末；
[0009]第二步，泡沫鋁毛坯的制備:
[0010]將第一步制得的硝酸鎳、尿素和鋁粉的混合粉末置于冷壓模具中，在壓制壓力150?400MPa、保壓時間30?60s的條件下進(jìn)行壓制，得到圓柱形壓坯，將該壓坯置于放置在管式爐恒溫區(qū)域的石英舟中，往管式爐中通入流量為50?200mL/min的氬氣，使管式爐以2?5°C /min的升溫速度升至300?350°C，保溫30?60min，對該壓坯料進(jìn)行燒結(jié)，以去除尿素顆粒，并使硝酸鎳分解為氧化鎳，而后將水平管式爐冷卻到室溫，制得孔隙均勻和孔隙率為18?91%的泡沫鋁毛坯；
[0011]第三步，碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備:
[0012]將第二步制得的泡沫鋁毛坯置于在水平管式爐恒溫區(qū)域的石英舟中，往管式爐中通入流量為50?400mL/min的氬氣，使管式爐以2?10°C /min的升溫速度升至500?600°C,而后關(guān)閉氬氣，同時以50?250mL/min的流量向該水平管式爐中通入氫氣0.5?2h，然后關(guān)閉氫氣，同時以250?450mL/min的流量向該水平管式爐中通入氬氣和丙烯的混合氣體進(jìn)行催化裂解，其中氬氣和丙烯的體積比為20?40:1，保持0.5?2h后關(guān)閉丙烯，調(diào)整氬氣流量為50?200mL/min，使管式爐在氬氣氣氛下冷卻至室溫，即制得用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料。
[0013]上述用于減振吸能的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的制備方法，所涉及的原材料均通過商購獲得，所用的設(shè)備和工藝均是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法所具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)如下:
[0015](I)在本發(fā)明的設(shè)計過程中，充分考慮了基體材料對緩沖吸能性能的影響，在保證泡沫金屬具有輕質(zhì)特性的前提下，選擇鋁作為吸能材料的基體材料并創(chuàng)新性地設(shè)計了具有優(yōu)異變形能力的碳納米管來增強(qiáng)泡沫鋁制備出碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料，同時采用粉末冶金和原位化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的工藝，在泡沫鋁基體中原位生長碳納米管。這種碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料在壓縮屈服平臺階段，相鄰變形層孔壁發(fā)生彎曲或屈服以及變形層發(fā)生連續(xù)坍塌時，應(yīng)力基本不變。由于碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的變形能力強(qiáng)，塑性變形時產(chǎn)生缺陷較少，保證了變形的平穩(wěn)連續(xù)。此外，碳納米管在泡沫鋁基體中可起第二相增強(qiáng)的作用，可實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞并承載較大的應(yīng)力，延長平臺區(qū)，提高能量吸收率。此外，本發(fā)明所制備的碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料，通過合成工藝的控制，可實(shí)現(xiàn)孔隙率18