本发明涉及一种高孔隙率铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法，属于多孔金属材料领域。
背景技术：
渗流铸造法制备的通孔铝合金泡沫，具有低密度、高比强、能量吸收、吸音减振、电磁屏蔽、低热电导率等特点，在结构材料、噪音控制、建筑装饰、隔热保温等领域具有广阔的应用市场。特别是利用其吸音功能，已经实现了高速公路、城市高架路桥、地铁等的吸音应用，形成了一定的市场规模。
常规渗流铸造方法所制备的通孔铝合金的孔隙率较低，通常在60～70%之间。大量研究表明，渗流铝合金泡沫的吸声性能，随其孔隙率的提高而提高。但高孔隙率（75～90%）的渗流铝合金泡沫，在提高其吸声性能的同时，存在由于孔隙率提高而导致的强度降低问题，孔隙率85%以上渗流泡沫铝的强度下降尤为明显，是高孔隙率铝合金泡沫的吸音等功能及工程应用需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高孔隙率通孔铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法，以纤维强化的方式获得兼备强度和吸声功能的高孔隙率铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫，具有孔结构及强度可调控、制备工艺简单、成本低的特点，可实现工业化生产。
实现本本发明上述目的采取的具体包括如下步骤：
（1）铝合金熔化保温：将铝合金加热到高于铝合金液相线20～40℃的温度熔化，并保温20～60min.，获得铝合金熔体；
（2）前驱体均混：采用两种不同粒径范围的nacl颗粒及铝纤维为渗流前驱体原料。nacl颗粒中，一种为主颗粒，另外一种为次颗粒，主颗粒的粒径范围为2～2.36mm、1.7～2mm、1.4～1.7mm、1.0～1.4mm、0.7～1.0mm、0.4～0.7mm中的一种，次颗粒的粒径范围为d次=（0.2～0.4）d主（d主为主颗粒的粒径范围的平均值）；按照主颗粒、次颗粒及铝纤维的体积比=1:ξ/0.7-1:x(1-ξ)/0.7的比例进行配料（x为复合泡沫基体中铝纤维所占的体积百分比，ξ为复合泡沫的目标孔隙率），混合料在混料器中混合10～60min.后得到均混的渗流前驱体；
（3）前驱体压制：将步骤（2）得到的均混渗流前驱体置于渗流模具中，并采用5-30mpa的压力进行压制，获得密堆的渗流前驱体；
（4）前驱体预热氧化：将步骤（3）得到的密堆渗流前驱体及渗流模具一起加热到450～550℃并保温40～200min.预热，在前驱体预热的同时将其中的铝纤维氧化为铝芯氧化铝纤维；
（5）渗流：将步骤（1）制得的铝合金熔体浇入渗流模具中，在1～5atm.的气压下将铝合金熔体压渗入步骤（4）得到的预热渗流前驱体孔隙中，获得铝合金熔体、铝芯氧化铝纤维与nacl颗粒的混合物；
（6）水溶除nacl颗粒：将步骤（5）得到的混合物在空气中冷却到室温，用水溶除其中的nacl颗粒，得到孔隙率75～90%的通孔铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫。
（7）步骤（1）中所述铝合金为铝与si、cu、mg、zn、mn中元素构成的二元或多元铝合金。
（8）步骤（2）中所述铝纤维的直径50～200μm、长度为4～8mm，铝纤维在复合泡沫基体中的体积百分比为2～10%vol。
发明原理
1、孔隙率调控，渗流颗粒、纤维的选取及压制原理
（1）nacl颗粒及铝纤维的体积比
nacl颗粒为近球形，其堆积系数为0.68～0.74，即有36～42%的孔隙（该孔隙为渗流后的铝合金及铝纤维所填充），要提高铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的孔隙率，就必须提高nacl颗粒的堆积系数。
设铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的体积为v泡；nacl主颗粒的直径为d主、体积为v主，取v主/v泡=0.7；nacl次颗粒的颗粒直径为d次、体积为v次；复合泡沫中铝合金的体积为v铝合金、铝芯氧化铝纤维的体积为v铝纤维，复合泡沫基体中铝纤维所占的体积百分比为x，复合泡沫的目标孔隙率为ξ。
则：v泡=v主+v次+v铝合金+v铝纤维（1）
ξ=（v主+v次）/v泡（2）
v主/v泡=0.7（3）
v铝纤维/(v铝合金+v铝纤维)=x（4）
根据（1）、（2）、（3）及（4）式，即可得到v主、v调、v铝纤维的解，并可得到：
v主：v次：v铝纤维=1：ξ/0.7-1：x(1-ξ)/0.7（5）
由（5）式即可得到nacl主颗、nacl次颗粒及铝纤维之间的体积比。
（2）nacl主、次颗粒的尺寸关系
由球体的堆垛几何关系，可知nacl主颗粒的间隙尺寸为（0.155～0.414）d主，将此间隙尺寸定义为d次，取d次=（0.2～0.4）d主，本专利中，取d主为其粒径范围的平均值，结合现有筛网的尺寸（将d主的计算值与筛网尺寸相比较，选取与筛网尺寸最相近的数值为d次的范围值），即可得nacl主颗粒和次颗粒粒径之间的相互关系。
（3）nacl颗粒及铝纤维的压制
nacl颗粒及铝纤维的混合体，由于纤维的存在，使nacl颗粒间的接触性降低而呈现较为松散的堆积方式，以此为前驱体进行渗流并不能获得高孔隙率的复合泡沫。为获得高孔隙率的复合泡沫，需要对颗粒及纤维的混合体进行压制，但太大的压力会导致颗粒破碎而破坏孔结构、太小的压力则使颗粒间的接触性降低而达不到高孔隙率要求，合适的压制压力范围为5～30mpa。
2、高孔隙率铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的纤维强化原理
（1）纤维直径
铝芯氧化铝纤维的直径越细小，则其强化效果越好。但过细的铝纤维（50μm以下），在与nacl颗粒混合时会出现团聚现象，随铝纤维直径的降低团聚现象加剧，合适的纤维直径为50～200μm。
（2）纤维长度
铝芯氧化铝纤维的长度越长，则其强化效果越好。但过大的长度（8mm）以上，在与nacl颗粒混合时，会出现纤维的方向性排列及纤维团聚现象而不能获得均匀的纤维分布，合适的纤维长度为4～8mm。
（3）纤维氧化程度
铝纤维的强度较低，而氧化铝纤维则是金属基复合材料常用的强化相。随预热温度及时间的延长，铝纤维的表面氧化程度提高，但过高的预热氧化温度及时间，会造成较大的能源消耗而提高制备成本，故选取（450～550）℃*（30～200）min.的工艺进行预热及铝纤维表面氧化。
（4）纤维含量
铝芯氧化铝含量越高，则复合泡沫的强度越高、强化效果越好，但过高的纤维含量会造成纤维与颗粒的均混困难，对复合泡沫的孔结构均匀性造成不利影响。综合考虑强化效果及孔结构均匀性控制，合适的纤维含量（即上述复合泡沫基体中铝纤维所占的体积百分比x）为2～10%vol。
（5）纤维强化效果
复合泡沫的纤维强化效果，与纤维含量、尺寸及氧化程度有关，铝纤维含量越高、直径越小、长度越大、氧化程度越高，则纤维强化效果越好。可根据孔隙率高低及强度调制需求进行调控，例如，对较高孔隙率的复合泡沫进行较高的纤维强化，反之亦然。
本发明的有益效果：
本发明针对渗流铸造法制备的高孔隙率铝合金泡沫强度较低的不足，在渗流铸造法的基础上，采用两种不同粒径范围的nacl颗粒及铝纤维为渗流前驱体，通过nacl颗粒及铝纤维的配合使用，获得孔隙率75～90%的铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫，该高孔隙率铝合金泡沫具有孔结构及强度可调控、制备工艺简单、成本低的特点，可实现工业化生产。
附图说明
图1为高孔隙率铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述高孔隙率zl101合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）铝合金熔化保温：将zl101合金加热到640℃熔化并保温20min.，获得zl101合金熔体；
（2）前驱体均混：采用两种不同粒径范围的nacl颗粒为渗流前驱体，其中一种为主颗粒，另外一种为次颗粒，主颗粒的粒径范围为1.4~1.7mm（用14目与12目筛子分选），其平均粒径为1.55mm，次颗粒的粒径范围为d次=0.3~0.6mm（用50目与30目筛子分选），按照主颗粒、次颗粒及铝纤维（直径200μm、长度4mm、在复合泡沫基体中的体积百分比为2%vol）的体积比=1：0.071：0.007的比例进行配料，混合料在混料器中混合10min.得到均混的渗流前驱体；
（3）前驱体压制：将步骤（2）得到的均混渗流前驱体置于渗流模具中，并采用5mpa的压力进行压制，获得密堆的渗流前驱体；
（4）前驱体预热氧化：将步骤（3）得到的密堆渗流前驱体及渗流模具一起加热到450℃并保温40min.，在前驱体预热的同时将其中的铝纤维氧化为铝芯氧化铝纤维；
（5）渗流：将步骤（1）制得的铝合金熔体浇入渗流模具，在1atm.的气压下将铝
合金熔体压渗入步骤（4）得到的预热渗流前驱体孔隙中，获得铝合金熔体、铝芯氧化铝纤维与nacl颗粒的混合物；
（6）水溶除nacl颗粒：将步骤（5）得到的混合物在空气中冷却到室温，用水溶除其中的nacl颗粒，得到孔隙率75%、铝芯氧化铝纤维含量为2%vol的zl101合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫。
实施例2
本实施例所述高孔隙率al-si12合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）铝合金熔化保温：将al-si12合金加热到600℃熔化并保温60min.，获得al-si12合金熔体；
（2）前驱体均混：采用两种不同粒径范围的nacl颗粒为渗流前驱体，其中一种为主颗粒，另外一种为次颗粒，主颗粒的粒径范围为2~2.36mm（用10目与8目筛子分选），其平均粒径为2.18mm，次颗粒的粒径范围为d次=0.425~0.85mm（用40目与20目筛子分选），按照主颗粒、次颗粒及铝纤维（直径50μm、长度8mm、在复合泡沫基体中的体积百分比为10%vol）的体积比=1：0.29：0.014的比例进行配料，混合料在混料器中混合60min.得到均混的渗流前驱体；
（3）前驱体压制：将步骤（2）得到的均混渗流前驱体置于渗流模具中，并采用30mpa的压力进行压制，获得密堆的渗流前驱体；
（4）前驱体预热氧化：将步骤（3）得到的密堆渗流前驱体及渗流模具一起加热到550℃并保温200min.，在前驱体预热的同时将其中的铝纤维氧化为铝芯氧化铝纤维；
（5）渗流：将步骤（1）制得的铝合金熔体浇入渗流模具，在5atm.的气压下将铝合金熔体压渗入步骤（4）得到的预热渗流前驱体孔隙中，获得铝合金熔体、铝芯氧化铝纤维与nacl颗粒的混合物；
（6）水溶除nacl颗粒：将步骤（5）得到的混合物在空气中冷却到室温，用水溶除其中的nacl颗粒，得到孔隙率90%、铝芯氧化铝纤维含量为10%vol的al-si12合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫。
实施例3
本实施例所述高孔隙率zl201合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）铝合金熔化保温：将zl201合金加热到665℃熔化并保温40min.，获得zl201
合金熔体；
（2）前驱体均混：采用两种不同粒径范围的nacl颗粒为渗流前驱体，其中一种为主颗粒，另外一种为次颗粒，主颗粒的粒径范围为1.7~2mm（用12目与10目筛子分选），其平均粒径为1.85mm，次颗粒的粒径范围为d次=0.355~0.74mm（用45目与25目筛子分选），按照主颗粒、次颗粒及铝纤维（直径100μm、长度5mm、在复合泡沫基体中的体积百分比为5%vol）的体积比=1：0.143：0.014的比例进行配料，混合料在混料器中混合30min.得到均混的渗流前驱体；
（3）前驱体压制：将步骤（2）得到的均混渗流前驱体置于渗流模具中，并采用20mpa的压力进行压制，获得密堆的渗流前驱体；
（4）前驱体预热氧化：将步骤（3）得到的密堆渗流前驱体及渗流模具一起加热到500℃并保温100min.，在前驱体预热的同时将其中的铝纤维氧化为铝芯氧化铝纤维；
（5）渗流：将步骤（1）制得的铝合金熔体浇入渗流模具，在3atm.的气压下将铝合金熔体压渗入步骤（4）得到的预热渗流前驱体孔隙中，获得铝合金熔体、铝芯氧化铝纤维与nacl颗粒的混合物；
（6）水溶除nacl颗粒：将步骤（5）得到的混合物在空气中冷却到室温，用水溶除其中的nacl颗粒，得到孔隙率80%、铝芯氧化铝纤维含量为5%vol的zl201合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫。
实施例4
本实施例所述高孔隙率al-mg5合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）铝合金熔化保温：将al-mg5合金加热到670℃熔化并保温30min.，获得zl201合金熔体；
（2）前驱体均混：采用两种不同粒径范围的nacl颗粒为渗流前驱体，其中一种为主颗粒，另外一种为次颗粒，主颗粒的粒径范围为0.4~0.7mm（用40目与25目筛子分选），其平均粒径为0.55mm，次颗粒的粒径范围为d次=0.11~0.22mm（用140目与70目筛子分选），按照主颗粒、次颗粒及铝纤维（直径80μm、长度6mm、在复合泡沫基体中的体积百分比为8%vol）的体积比=1：0.214：0.017的比例进行配料，混合料在混料器中混合50min.得到均混的渗流前驱体；
（3）前驱体压制：将步骤（2）得到的均混渗流前驱体置于渗流模具中，并采用25mpa的压力进行压制，获得密堆的渗流前驱体；
（4）前驱体预热氧化：将步骤（3）得到的密堆渗流前驱体及渗流模具一起加热到520℃并保温150min.，在前驱体预热的同时将其中的铝纤维氧化为铝芯氧化铝纤维；
（5）渗流：将步骤（1）制得的铝合金熔体浇入渗流模具，在4atm.的气压下将铝合金熔体压渗入步骤（4）得到的预热渗流前驱体孔隙中，获得铝合金熔体、铝芯氧化铝纤维与nacl颗粒的混合物；
（6）水溶除nacl颗粒：将步骤（5）得到的混合物在空气中冷却到室温，用水溶除其中的nacl颗粒，得到孔隙率85%、铝芯氧化铝纤维含量为8%vol的al-mg5合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫。