一种空心球泡沫铝复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种空心球泡沫铝复合材料及其制备方法。

背景技术：

泡沫铝是一种多孔泡沫金属材料，一般通过铝合金发泡成型工艺生产，在金属内形成均匀分布的气泡，从而使泡沫铝具备了轻质、高比刚度、阻尼减振、隔声降噪、吸能防撞击、隔热耐火耐腐蚀等诸多优异的性能。目前泡沫铝材料在航空航天、汽车船舶、机械建筑和包装运输等防护减震领域得到了广泛的应用。

但是铝合金硬度较低，防切割能力差，而泡沫铝结构材料中又具有气泡，用水刀、砂轮、车刀、转头等切割工具可以轻易切开泡沫铝。导致泡沫铝材料在使用过程中容易切割损坏，限制了其应用场景。因此，如何在保留材料轻质优点的同时提高防切割性能是目前急需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是如何保留材料轻质优点的同时提高防切割性能。

为解决上述问题，本发明提供一种空心球泡沫铝复合材料，包括泡沫铝基体和空心陶瓷球，所述空心陶瓷球分布在所述泡沫铝基体中。

可选地，所述空心陶瓷球的直径介于1mm-20mm之间，所述空心陶瓷球的壁厚介于10μm-1000μm之间。

可选地，在所述泡沫铝基体中，相邻所述空心陶瓷球的最大球心距离d1与相邻所述空心陶瓷球的最小球心距离d2满足关系：2≥d1/d2≥1。

可选地，所述空心陶瓷球的总体积占所述复合材料体积的5％-60％。

相对于现有技术，本发明空心球泡沫铝复合材料具有以下有益效果：

(1)复合材料在泡沫铝基体内部分布空心陶瓷球，空心陶瓷球的质量轻、硬度高，复合材料具有轻质和防切割性能强的优点，切割工具从软质泡沫铝接触到硬质空心陶瓷球时受力增大，会发生退让，致使复合材料很难一次性切开，且切割工具触及空心陶瓷球时作用力方向会因球形表面发生偏转，提高了复合材料的防切割性能。

(2)复合材料包括泡沫铝金属网格结构、泡沫铝中的孔洞结构和空心陶瓷球结构，各结构对冲击波的传导速度不同，能延长复合材料中冲击波的作用时间，降低冲击波的峰值，提高复合材料的吸能性能，空心陶瓷球还具有分散冲击波的作用，可以将冲击波均匀分散到泡沫铝基体中时，通过泡沫铝的压缩变形和粉碎损耗消耗冲击波能量，提高复合材料的抗冲击防爆轰性能。

(3)复合材料中选用直径较大的空心陶瓷球，切割工具易接触到空心陶瓷球，各空心陶瓷球的直径可以相同或不同，不同直径的空心陶瓷球组合使用可以填补间隙，提高空心陶瓷球空间占比，且空心陶瓷球直径不同，切割工具受力接触时发生不同程度偏转，可以提高复合材料整体的防切割性能。

(4)复合材料中空心陶瓷球的体积可以根据应用场景进行调整，当空心陶瓷球所占体积较小时，复合材料更加轻质，空心陶瓷球所占体积增大，复合材料的防切割和防爆性能提高。

(5)复合材料中空心陶瓷球分布均匀，可以保证材料各部位结构和性能的一致性高，适于产业使用。

本发明还提供一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至660℃-750℃，熔化得到铝液；

向铝液中加入增粘剂，搅拌分散；

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球，搅拌分散；

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，搅拌分散；

加入发泡剂和空心陶瓷球的铝液在630℃-700℃下保温，静置5min-10min；

冷却后得到空心球泡沫铝复合材料。

可选地，所述向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球，搅拌分散步骤中，所述空心陶瓷球加入前在800℃-1200℃温度下预热30min-120min。

可选地，所述向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球，搅拌分散步骤中，搅拌速度为1000rpm-3000rpm，搅拌时间为1min-5min。

可选地，所述向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，搅拌分散步骤中，搅拌速度为1500rpm-2500rpm，搅拌时间为10s-90s。

可选地，所述向铝液中加入增粘剂，搅拌分散步骤中，搅拌速度为600rpm-1500rpm，搅拌时间为2min-10min。

可选地，所述增粘剂为ca或cac2，所述增粘剂的粒径为2mm-3mm，所述发泡剂为tih2、zrh2或hfh2，所述发泡剂的粒度为200目-300目。

相对于现有技术，本发明空心球泡沫铝复合材料制备方法具有以下有益效果：

(1)该制备方法通过发泡工艺将空心陶瓷球固定在泡沫铝中，空心陶瓷球与泡沫铝基体的连接强度高，复合材料成型后空心陶瓷球位置固定，不会移动，复合材料结构和性能稳定。

(2)本方法步骤简单，生产效率高，通过本方法可以制备出不同形状的复合材料，且复合材料中空心陶瓷球均匀分布，复合材料性能稳定，一致性高，适于工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例中空心球泡沫铝复合材料的结构图；

图2为本发明实施例中空心球泡沫铝复合材料制备方法的流程图。

附图标记说明：

1-泡沫铝基体，2-空心陶瓷球。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。

结合图1所示，本发明的实施例公开一种空心球泡沫铝复合材料，包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2分布在泡沫铝基体1中。泡沫铝为通孔泡沫铝或闭孔泡沫铝，空心陶瓷球2的材料为氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝或氧化锆。空心陶瓷球2的质量轻、硬度高，复合材料具有轻质和防切割性能强的优点，切割工具从软质泡沫铝接触到硬质空心陶瓷球2受力增大，会发生退让，致使复合材料很难一次性切开，且切割工具触及空心陶瓷球2时作用力方向会因球形表面发生偏转，进一步提高了复合材料的防切割性能。

另外，该复合材料具有泡沫铝金属网格结构、泡沫铝中的孔洞结构和空心陶瓷球2结构，各结构对冲击波的传导速度不同，其中空心陶瓷球2对冲击波具有很快的传导速度，泡沫铝金属网格结构对冲击波的传导速度较缓，泡沫铝中的孔洞结构对冲击波传导速度最慢，各结构传播冲击波的速度差异能延长冲击波的作用时间，降低冲击波的峰值，提高复合材料的吸能性能。空心陶瓷球2还具有分散冲击波的作用，可以将冲击波均匀分散到泡沫铝中时，通过泡沫铝的压缩变形和粉碎损耗消耗冲击波能量，提高复合材料的抗冲击防爆轰性能。

进一步地，限定复合材料中空心陶瓷球2的体积比例，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的5％-60％，复合材料中空心陶瓷球2的体积可以根据应用场景进行调整，当空心陶瓷球2所占体积增大，复合材料的防切割和防爆性能提高。

选用的空心陶瓷球2的直径介于1mm-20mm之间，壁厚介于10μm-1000μm之间。选用直径较大的空心陶瓷球2，切割时易接触到空心陶瓷球2。复合材料中各空心陶瓷球2的直径可以相同或不同，不同直径的空心陶瓷球2组合使用可以填补间隙，提高空心陶瓷球2体积占比。且空心陶瓷球2直径不同，切割工具受力接触时发生不同程度偏转，可以提高复合材料整体的防切割性能。

为了适于产业使用，该复合材料中空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，具体而言，在泡沫铝基体1中，相邻空心陶瓷球2的最大球心距离d1与相邻空心陶瓷球2的最小球心距离d2满足关系：2≥d1/d2≥1。由此，可以保证各空心陶瓷球2之间的间距相近，分布均匀，从而使复合材料各部位结构和性能的一致性高，适于产业使用。

结合图2所示，本发明的实施例还提供一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

s10：将铝或铝合金加热至660℃-750℃，熔化得到铝液。加热温度烧高于铝或铝合金的熔点，使铝液具有较好的流动性。

s20：向铝液中加入增粘剂，增粘剂为ca或cac2，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的2％-5％。搅拌分散，搅拌速度为600rpm-1500rpm，搅拌时间为2min-10min，将增粘剂分散在铝液中，控制铝液粘度，利于空心陶瓷球2和发泡剂均匀分散。

s30：向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝或氧化锆，空心陶瓷球2的直径为1mm-20mm，壁厚为10μm-1000μm，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的5％-60％。搅拌分散，搅拌速度为1000rpm-3000rpm，搅拌时间为1min-5min，空心陶瓷球质量较轻，搅拌强度不宜过大，避免空心陶瓷球2分散不均和碰撞损坏。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为800℃-1200℃，预热时间为30min-120min。预热可以去除空心陶瓷球2内的水分，提高浸润性，利于空心陶瓷球2表面与泡沫铝结合。

s40：向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2、zrh2或hfh2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的0.5％-2％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm-2500rpm，搅拌时间为10s-90s。加入发泡剂后搅拌强度较低，减少消耗发泡剂产生的气泡。

上述步骤s30和s40的顺序可以互换，也可以同步进行，即将空心陶瓷球2和发泡剂一起加入到铝液中，控制搅拌强度，保证空心陶瓷球2和发泡剂分散均匀，并尽量减少对气泡的消耗。

s50：加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在630℃-700℃下保温，发泡剂在高温下分解，产生氢气，静置5min-10min，铝液中充满气泡。

s60：铝液在模具中冷却，得到空心球泡沫铝复合材料，其包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2分布在泡沫铝基体1中。复合材料的形状由模具形状决定，可以制备出不同形状的复合材料，也可以进行切片得到板材。

该制备方法步骤简单，生产效率高，通过发泡工艺将空心陶瓷球2固定在泡沫铝中，空心陶瓷球2与泡沫铝基体1的连接强度高，复合材料成型后空心陶瓷球2位置固定，不会移动，且复合材料中空心陶瓷球2均匀分布，结构和性能稳定，一致性高，适于工业生产。

实施例1

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至670℃，熔化得到铝液；

向铝液中加入增粘剂ca，增粘剂的粒径为2mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的2％，搅拌分散，搅拌速度为600rpm，搅拌时间为2min；

向含有增粘剂的铝液中加入预热的空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氧化铝，空心陶瓷球2的直径为1mm，壁厚为20μm。搅拌分散，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间为1min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为800℃，预热时间为30min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2，发泡剂的粒度为200目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的1％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为20s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在660℃下保温，静置10min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的30％。

实施例2

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至750℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂ca，增粘剂的粒径为3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的5％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为10min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为碳化硼，空心陶瓷球2的直径为10mm，壁厚为50μm。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为2min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1200℃，预热时间为120min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2，发泡剂的粒度为300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的2％。搅拌分散，搅拌速度为2500rpm，搅拌时间为90s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在700℃下保温，静置5min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的60％。

实施例3

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至700℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂cac2，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的3％。搅拌分散，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间为5min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氮化硼，空心陶瓷球2的直径为20mm，壁厚为1000μm。搅拌分散，搅拌速度为3000rpm，搅拌时间为5min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1000℃，预热时间为60min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为zrh2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的1.5％。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为30s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在630℃下保温，静置6min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的10％。

实施例4

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至680℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的2.5％。搅拌分散，搅拌速度为1200rpm，搅拌时间为8min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氮化硅，空心陶瓷球2的直径为1mm-20mm，壁厚为10μm-1000μm，各空心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为3min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1100℃，预热时间为90min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为hfh2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的1％。搅拌分散，搅拌速度为1800rpm，搅拌时间为45s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在650℃下保温，静置9min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的5％。

实施例5

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至720℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的4％。搅拌分散，搅拌速度为800rpm，搅拌时间为3min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氮化铝，空心陶瓷球2的直径为5mm-10mm，壁厚为20μm-500μm，各空心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为2500rpm，搅拌时间为4min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为900℃，预热时间为60min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的2％。搅拌分散，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为20s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在680℃下保温，静置10min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的20％。

实施例6

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至730℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂cac2，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的3.5％。搅拌分散，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间为6min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氧化锆，空心陶瓷球2的直径为10mm-20mm，壁厚为100μm-800μm，各空心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为2500rpm，搅拌时间为5min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1000℃，预热时间为80min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的1.8％。搅拌分散，搅拌速度为1600rpm，搅拌时间为45s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在640℃下保温，静置8min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的45％。

实施例7

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至690℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的3.5％。搅拌分散，搅拌速度为800rpm，搅拌时间为9min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氧化铝，空心陶瓷球2的直径为5mm-20mm，壁厚为100μm-500μm，各空心陶瓷球2的直径不同。搅拌分散，搅拌速度为1600rpm，搅拌时间为3min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的0.8％。搅拌分散，搅拌速度为2100rpm，搅拌时间为80s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在690℃下保温，静置5min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的50％。

实施例8

一种空心球泡沫铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝或铝合金加热至730℃，熔化得到铝液。

向铝液中加入增粘剂ca，增粘剂的粒径为2mm-3mm，增粘剂的加入量为铝液质量分数的3％。搅拌分散，搅拌速度为1300rpm，搅拌时间为5min。

向含有增粘剂的铝液中加入空心陶瓷球2，空心陶瓷球2的材料为氧化铝，空心陶瓷球2的直径为1mm-20mm，壁厚为50μm-1000μm，。搅拌分散，搅拌速度为2400rpm，搅拌时间为2.5min。空心陶瓷球2加入前进行预热，预热温度为1000℃，预热时间为60min。

向含有增粘剂的铝液中加入发泡剂，发泡剂为tih2，发泡剂的粒度为200目-300目，发泡剂的加入量为铝液质量分数的2％。搅拌分散，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为30s。

加入发泡剂和空心陶瓷球2的铝液在650℃下保温，静置8min。

冷却，得到空心球泡沫铝复合材料。复合材料包括泡沫铝基体1和空心陶瓷球2，空心陶瓷球2均匀分布在泡沫铝基体1中，空心陶瓷球2的总体积占复合材料体积的40％。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。