一种层状周期孔结构铝或铝合金泡沫及其制备方法与流程

本发明涉及一种层状周期孔结构铝或铝合金泡沫及其制备方法，属于多孔金属材料领域。

背景技术：

铝或铝合金泡沫是一种结构-功能一体化的多孔金属材料，具有轻质、高比强、阻尼、吸音减振、耐火阻燃、能量吸收等特性。通孔结构的泡沫铝在声频室、发动（电）机房、城市高架路桥、高铁、机场等环境的吸声降噪领域，有广阔的应用前景。

目前，渗流铸造是制备通孔结构吸声铝或铝合金泡沫的主要方法，但常规渗流方法只能获得65%左右孔隙率的铝或铝合金泡沫，低孔隙率渗流铝或铝合金泡沫存在吸声系数低的问题。为提高渗流泡沫铝的吸声性能，多采用提高孔隙率和孔结构周期化调制的方法，具有较好吸声性能的孔隙率通常为79~85%。

在渗流高孔隙率铝或铝合金泡沫的制备方面，熔模铸造法利用聚氨酯泡沫可以制备得到高孔隙率铝或铝合金泡沫，但其孔隙率过高，一般为88~93%，吸声性能反而降低。在高孔隙率层状周期孔结构铝或铝合金泡沫的制备方面，存在渗流前驱体制备工艺复杂、层状结构不均匀、孔结构不易控制的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种层状周期孔结构铝或铝合金泡沫，所述铝或铝合金泡沫外观为平板状，结构为层状周期孔结构材料，按照大孔径铝或铝合金泡沫与小孔径铝或铝合金泡沫相互交替的方式进行搭配，即ab、abab、ababab......的方式进行搭配搭配；其中，单层孔径为0.3~0.9mm、单层孔隙率为79~85%、单层厚度为2.5~5mm、层数为2~6层、总厚度5~30mm。

本发明的另一目的在于提供所述层状周期孔结构铝或铝合金泡沫的制备方法，克服了渗流铸造法制备层状周期铝或铝合金泡沫存在的渗流前驱体制备及孔结构控制困难、市售聚氨酯泡沫孔隙率过高的问题，所得的铝或铝合金泡沫层状周期孔结构可控，可实现多样化的层状周期孔结构搭配，制备工艺简单，可实现工业化生产；具体包括以下步骤：

（1）聚氨酯泡沫孔结构调控：采用孔径0.9~1.2mm、孔隙率88~91%的聚氨酯泡沫置于水溶型聚氨酯乳液中浸渍10~25min，浸渍后的聚氨酯泡沫进行干燥，重复上述浸渍工艺2~4次对聚氨酯泡沫的孔径及孔隙率进行调控，得到孔径0.3~0.9mm、孔隙率79~85%的聚氨酯泡沫；

（2）聚氨酯泡沫层状搭配：将步骤（1）得到的厚度相同的聚氨酯泡沫，按照大孔径聚氨酯泡沫与小孔径聚氨酯泡沫相互交替的方式进行搭配，即ab、abab、ababab......的方式进行搭配，其中，a为大孔径层聚氨酯泡沫，孔径：0.6~0.9mm，孔隙率：81.8~85%，厚度：2.5~5mm；b为小孔径层聚氨酯泡沫，孔径：0.3~0.6mm，孔隙率：79~81.8%，厚度：2.5~5mm，a与b的孔径差为0.3~0.5mm，将搭配得到的层状周期孔结构聚氨酯泡沫放入浇注模中；

（3）反层状周期孔结构渗流前驱体制备：将石膏浆料倒入浇注模中并使其充满聚氨酯泡沫的孔隙，石膏浆料固化后得到层状周期结构的石膏/聚氨酯泡沫，石膏/聚氨酯泡沫进行干燥、煅烧去除其中的聚氨酯泡沫，获得与目标层状周期孔结构相反的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体；

（4）渗流、水溶除石膏

渗流：将步骤（3）制备得到的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体放入渗流模具预热后，利用正压或负压，将铝或铝合金熔体渗入反层状周期孔结构石膏渗流前驱体孔隙中，得到铝或铝合金与石膏的混合物；

水溶除石膏：用水溶去除混合物中的石膏得到平板状的层状周期孔结构铝或铝合金泡沫。

优选的，本发明步骤（1）中干燥条件为：50~80℃干燥25~40min。

优选的，本发明步骤（3）中干燥条件为：50~80℃干燥4~5.5h，煅烧条件为：650~710℃焙烧5~6.5h。

优选的，本发明步骤（3）所述石膏浆料配方为：石膏粉：37.5～45wt%，mgso4：2～5wt%，铝矾土：3～7.5wt%，余量为去离子水。

优选的，本发明步骤（4）预热工艺为：将装有渗流前驱体的渗流模具加热到540~570℃保温20~50min。

优选的，本发明步骤（4）铝或铝合金熔体的熔化、保温工艺为：将其加热到高于熔点或液相线温度20~80℃熔化并保温30~60min。

本发明所述水溶型聚氨酯乳液为市售水溶型聚氨酯乳液，聚氨酯质量百分含量为35%。

本发明所述铝为工业纯铝，铝合金为铝与si、mg、cu等元素构成的二元或多元铝合金。

发明原理：

1、聚氨酯泡沫孔结构调控原理

熔模铸造法利用聚氨酯泡沫可以制备得到高孔隙率铝或铝合金泡沫，但其孔隙率过高，吸声性能反而降低。研究表明，铝或铝合金泡沫孔径为0.3~0.9mm、孔隙率为79~85%，其吸声性能最好。本发明将孔径0.9~1.2mm、孔隙率88~91%的市售聚氨酯泡沫置于水溶型聚氨酯乳液中浸渍，水溶型聚氨酯乳液经干燥后形成聚氨酯膜并固化在聚氨酯泡沫表面，从而增加聚氨酯泡沫的孔壁厚度，从而达到降低孔隙率、减小孔径的孔结构调控目的。

孔径与浸渍次数的关系为：

(1)

（1）式中，d：目标聚氨酯泡沫孔径（mm，0.3mm≤d≤0.9mm）

d0：市售聚氨酯泡沫孔径（mm，0.9mm≤d≤1.2mm）

x：浸渍次数（2≤x≤4）

孔隙率与浸渍次数的关系为：

（2）

（2）式中，：目标聚氨酯泡沫孔隙率（%，79%≤≤85%）

：市售聚氨酯泡沫孔隙率（%，88%≤≤91%）

x：浸渍次数（2≤x≤4）

2、层状周期孔结构的选取和搭配原理

单一孔结构的铝或铝合金泡沫存在吸收峰频段范围窄、吸声系数和吸声低谷低的问题，而铝或铝合金泡沫孔结构的周期化调制可以提高其整体吸声性能。

（1）单层铝或铝合金泡沫的孔径、孔隙率、厚度选取原理

孔径（d）：铝或铝合金泡沫的孔径越小，则其比表面积越大，吸声性能越好；但孔径小于0.3mm的铝或铝合金泡沫，制备工艺难度大。因此，合理的层状周期孔结构的孔径范围为0.3~0.9mm。

孔隙率(θ)：铝或铝合金泡沫的吸声性能随孔隙率的增加先增加后降低，因此，选取其孔隙率范围为79~85%。

单层厚度(h0)：铝或铝合金泡沫的吸声性能随单层厚度的增加而增加，但厚度过大会增加制备工艺难度和成本，合理的铝或铝合金泡沫单层厚度为2.5~5mm。

（2）层状周期孔结构的层间孔径差搭配原理

铝或铝合金泡沫按照孔径大小进行周期搭配，形成（a+b）*n型的周期孔结构，其中，a=大孔径层（da：0.6~0.9mm，θa：81.8~85%，ha：2.5~5mm），b=小孔径层（db：0.3~0.6mm，θb：79~81.8%，hb：2.5~5mm），n=周期数（1~3）。

（a+b）*n层状周期孔结构的单层厚度相同，孔径大小呈现周期性变化，孔结构a和b按照孔径差为0.3~0.5mm进行周期搭配，铝或铝合金泡沫可获得最佳的吸声效果。

（3）层状周期孔结构的层数、总厚度选取原理

铝或铝合金泡沫层数（n）越多、总厚度（h总）越大，则声波传播过程的流阻和能量损耗越大，吸声性能越好。但层数过多、总厚度过大会增加制备工艺难度、消耗过多的吸声空间、增加成本。合理的周期孔结构铝或铝合金泡沫总层数n=2~6，周期数n=1~3，总厚度h总=5~30mm。

本发明的有益效果：本发明所述方法克服了渗流铸造法制备层状周期铝或铝合金泡沫存在的渗流前驱体制备及孔结构控制困难、市售聚氨酯泡沫孔隙率过高的问题；所得的铝或铝合金泡沫层状周期孔结构可控，可实现多样化的层状周期孔结构搭配，制备工艺简单，可实现工业化生产。本发明所述方法制备得到的层状周期孔结构铝或铝合金泡沫吸声性能好。

附图说明

图1为本发明的制备工艺流程图。

图2为实施例1所述层状周期孔结构铝或铝合金泡沫示意图；

图3为实施例2、3所述层状周期孔结构铝或铝合金泡沫示意图；

图4为实施例4所述层状周期孔结构铝或铝合金泡沫示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述一种两层1周期孔结构al-si12合金泡沫的制备方法，具体步骤为：

（1）聚氨酯泡沫孔结构调控：采用孔径1.2mm、孔隙率91%和孔径1.0mm、孔隙率89%市售聚氨酯泡沫置于质量百分含量为35%水溶型聚氨酯乳液中浸渍10min，然后取出聚氨酯泡沫在干燥箱中于80℃干燥25min，分别重复上述浸渍工艺2、4次对聚氨酯泡沫的孔径及孔隙率进行调控，得到孔径0.9mm、孔隙率85%和孔径0.4mm、孔隙率80%的聚氨酯泡沫。

（2）聚氨酯泡沫层状搭配

将上述步骤（1）经孔结构调控的相同厚度的聚氨酯泡沫，按照ab的结构进行搭配，其中a为大孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.9mm，孔隙率：85%，厚度：2.5mm），b为小孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.4mm，孔隙率：80%，厚度：2.5mm），a与b的孔径差为0.5mm，将搭配得到的层状周期孔结构聚氨酯泡沫放入浇注模具中。

（3）反层状周期孔结构渗流前驱体制备：将配比为石膏粉：37.5wt%，mgso4：5wt%，铝矾土：7.5wt%的石膏浆料倒入浇注模具中并使其充满聚氨酯泡沫的孔隙，石膏浆料固化后从浇注模具中取出，于50℃干燥5.5h后在650℃焙烧6.5h去除聚氨酯泡沫，获得与目标层状周期孔结构相反的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体。

（4）渗流、水溶除石膏

渗流：将步骤（3）制备得到的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体放入渗流模具，一起加热到540℃保温50min进行预热；将al-si12合金加热到660℃的温度熔化并保温30min.，获得al-si12合金熔体；利用正压将铝合金熔体渗入反层状周期孔结构石膏渗流前驱体孔隙中得到铝合金与石膏的混合物。

水溶除石膏：用水溶去除混合物中的石膏，得到两层1周期（ab）孔结构的al-si12合金泡沫（如图2所示），其中a层参数为孔径0.9mm、孔隙率85%、厚度2.5mm，b层参数为孔径0.4mm、孔隙率80%、厚度2.5mm，合金泡沫的总厚度5mm、外观为平板状。

实施例2

本实施例所述一种四层2周期孔结构zl101合金泡沫的制备方法，具体步骤为：

（1）聚氨酯泡沫孔结构调控：采用孔径1.1mm、孔隙率90%和孔径0.93mm、孔隙率88.5%市售聚氨酯泡沫置于质量百分含量为35%水溶型聚氨酯乳液中浸渍15min，然后取出聚氨酯泡沫在干燥箱中于70℃干燥30min，分别重复上述浸渍工艺2、3次对聚氨酯泡沫的孔径及孔隙率进行调控，得到孔径0.8mm、孔隙率84%和孔径0.5mm、孔隙率80.8%的聚氨酯泡沫。

（2）聚氨酯泡沫层状搭配

将上述步骤（1）经孔结构调控的相同厚度的聚氨酯泡沫，按照abab的结构进行搭配，其中a为大孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.8mm，孔隙率：84%，厚度：3mm），b为小孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.5mm，孔隙率：80.8%，厚度：3mm），a与b的孔径差为0.3mm，将搭配得到的层状周期孔结构聚氨酯泡沫放入浇注模具中。

（3）反层状周期孔结构渗流前驱体制备：将配比为石膏粉：40wt%，mgso4：4wt%，铝矾土：6wt%的石膏浆料倒入浇注模具中并使其充满聚氨酯泡沫的孔隙，石膏浆料固化后从浇注模具中取出，于60℃干燥5h后在670℃焙烧6h去除聚氨酯泡沫，获得与目标层状周期孔结构相反的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体。

（4）渗流、水溶除石膏

渗流：将步骤（3）制备得到的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体放入渗流模具，一起加热到550℃保温40min进行预热；将zl101合金加热到673℃的温度熔化并保温40min.，获得zl101合金熔体；利用负压将铝合金熔体渗入反层状周期孔结构石膏渗流前驱体孔隙中得到铝合金与石膏的混合物。

水溶除石膏：用水溶去除混合物中的石膏，得到四层2周期（abab）孔结构的zl101合金泡沫（如图3所示），其中a层参数为孔径0.8mm、孔隙率84%、厚度3mm，b层参数为孔径0.5mm、孔隙率80.8%、厚度3mm，合金泡沫的总厚度12mm、外观为平板状。

实施例3

本实施例所述一种四层2周期孔结构的zl201合金泡沫的制备方法，具体步骤为：

（1）聚氨酯泡沫孔结构调控：采用孔径1.0mm、孔隙率89%和孔径0.9mm、孔隙率88%市售聚氨酯泡沫置于质量百分含量为35%水溶型聚氨酯乳液中浸渍20min，然后取出聚氨酯泡沫在干燥箱中于60℃干燥35min，分别重复上述浸渍工艺2、4次对聚氨酯泡沫的孔径及孔隙率进行调控，得到孔径0.7mm、孔隙率83%和孔径0.3mm、孔隙率79%的聚氨酯泡沫。

（2）聚氨酯泡沫层状搭配

将上述步骤（1）经孔结构调控的相同厚度的聚氨酯泡沫，按照abab结构进行搭配，其中a为大孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.7mm，孔隙率：83%，厚度：4mm），b为小孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.3mm，孔隙率：79%，厚度：4mm），a与b的孔径差为0.4mm，将搭配得到的层状周期孔结构聚氨酯泡沫放入浇注模具中。

（3）反层状周期孔结构渗流前驱体制备：将配比为石膏粉：42.5wt%，mgso4：3wt%，铝矾土：4.5wt%的石膏浆料倒入浇注模具中并使其充满聚氨酯泡沫的孔隙，石膏浆料固化后从浇注模具中取出，于70℃干燥4.5h后在690℃焙烧5.5h去除聚氨酯泡沫，获得与目标层状周期孔结构相反的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体。

（4）渗流、水溶除石膏

渗流：将步骤（3）制备得到的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体放入渗流模具，一起加热到560℃保温30min进行预热；将zl201合金加热到690℃的温度熔化并保温50min.，获得zl201合金熔体；利用正压将铝合金熔体渗入反层状周期孔结构石膏渗流前驱体孔隙中得到铝合金与石膏的混合物。

水溶除石膏：用水溶去除混合物中的石膏，得到四层2周期（abab）孔结构的zl201合金泡沫（如图3所示），其中a层参数为孔径0.7mm、孔隙率83%、厚度4mm，b层参数为孔径0.3mm、孔隙率79%、厚度4mm，合金泡沫的总厚度16mm、外观为平板状。

实施例4

本实施例所述一种六层3周期孔结构的工业纯铝泡沫的制备方法，具体步骤为：

（1）聚氨酯泡沫孔结构调控：采用孔径1.03mm、孔隙率89.5%和孔径0.9mm、孔隙率88%市售聚氨酯泡沫置于质量百分含量为35%水溶型聚氨酯乳液中浸渍25min，然后取出聚氨酯泡沫在干燥箱中于50℃干燥40min，分别重复上述浸渍工艺3、4次对聚氨酯泡沫的孔径及孔隙率进行调控，得到孔径0.6mm、孔隙率81.8%和孔径0.3mm、孔隙率79%的聚氨酯泡沫。

（2）聚氨酯泡沫层状搭配

将上述步骤（1）经孔结构调控的相同厚度的聚氨酯泡沫，按照ababab的结构进行搭配，其中a为大孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.6mm，孔隙率：81.8%，厚度：5mm），b为小孔径层聚氨酯泡沫（孔径：0.3mm，孔隙率：79%，厚度：5mm），a与b的孔径差为0.3mm，将搭配得到的层状周期孔结构聚氨酯泡沫放入浇注模具中。

（3）反层状周期孔结构渗流前驱体制备：将配比为石膏粉：45wt%，mgso4：2wt%，铝矾土：3wt%的石膏浆料倒入浇注模具中并使其充满聚氨酯泡沫的孔隙，石膏浆料固化后从浇注模具中取出，于80℃干燥4h后在710℃焙烧5h去除聚氨酯泡沫，获得与目标层状周期孔结构相反的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体。

（4）渗流、水溶除石膏

渗流：将步骤（3）制备得到的反层状周期孔结构石膏渗流前驱体放入渗流模具，一起加热到570℃保温20min进行预热；将工业纯铝加热到680℃的温度熔化并保温60min.，获得工业纯铝熔体；利用负压将工业纯铝熔体渗入反层状周期孔结构石膏渗流前驱体孔隙中得到工业纯铝与石膏的混合物。

水溶除石膏：用水溶去除混合物中的石膏，得到六层3周期（ababab）孔结构的工业纯铝泡沫（如图4所示），其中a层参数为孔径0.6mm、孔隙率81.8%、厚度5mm，b层参数为孔径0.3mm、孔隙率79%、厚度5mm，合金泡沫的总厚度30mm、外观为平板状。