专利名称：一种铝基泡沫材料的制备方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及铝基泡沫材料的制备方法。
背景技术：
泡沫铝材料是一种多功能的新型结构材料，具有相对密度小、比表面积大、比力学 性能高、阻尼减震性能好等特点，可广泛应用于航空航天、军工、船舶、轨道列车、汽车及建 筑、机械等诸多领域。碳纤维增强铝基复合材料由于具有密度小，比强度、比刚度高，导电、 导热性好，高温强度及高温下尺寸稳定性好等特点，是长期以来被人们重点研究的一种复 合材料。如果将碳纤维增强铝基复合材料经发泡制成铝基泡沫材料，不但会保持泡沫铝原 有的功能，而且可进一步提高泡沫铝材料的强度和韧性，最终获得具有高吸能、阻尼特性， 并且孔壁韧性良好的铝基泡沫材料，进而满足航空航天等领域对高性能泡沫铝材料的特殊 需求。公开号为CN1500898A的发明专利申请公开了一种《铝与等离子体改性后的碳纤 维结合形成的泡沫铝》的制备方法。该方法为了解决有机物碳纤维和无机物铝相结合的难 题，在等离子体环境下对碳纤维进行了改性，目的在于实现碳纤维与铝之间的复合。但该发 明申请中并未公布改性后的碳纤维与铝如何复合，以及制备泡沫铝的方法和相应的工艺条 件。专利号为US3940262的发明专利公开了一种《增强型泡沫金属》的制备方法。该 方法是向金属熔体中添加玻璃纤维、耐火纤维和金属纤维类无机纤维。为了提高无机纤维 在金属熔体中的分散性，提出在纤维表面采用火焰喷涂、真空溅射、热浸镀、化学镀之类的 方法涂覆镀层，但未就具体的工艺及参数给出说明。在描述制备泡沫铝的实施例中采用的 增粘剂为氮气、氧气、空气、水和惰性气体，采用的发泡剂是氢化锆。以该方法制备泡沫铝时 的工艺过程、制作成本和材料性能均需改进和提高。碳纤维从上个世纪70年代开始进入商业生产领域，它不仅具有碳材料的固有特 性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维，碳纤维原 丝的直径一般为7微米左右。利用碳纤维制备的金属基复合材料可分为连续碳纤维增强金 属基复合材料和短碳纤维增强金属基复合材料。根据熔体发泡法制备泡沫金属的特点，应 采用短碳纤维增强的金属基复合材料作为基体。制备方法中需要解决如下主要技术问题 当碳纤维与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象，要求碳纤维在使用前进 行表面处理；碳纤维的密度一般低于采用的金属熔体密度，需要解决碳纤维在金属熔体中 的均勻分散问题；添加碳纤维后的铝熔体结构发生了改变，需要解决气泡的生成和稳定问 题。
发明内容
针对上述现有技术的问题，本发明提供一种铝基泡沫材料的制备方法，达到制备 出具有高强度、高韧性、高吸能和高阻尼特性的铝基泡沫材料的目的。
本发明方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用以下两种方法中的一种。①电镀法将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在350 450°C下的空气气氛中加热 20 40分钟，然后浸入质量浓度20 40%的硝酸中煮沸10 30分钟，再用去离子水冲 洗至中性即可放入电镀液中进行电沉积。碳纤维表面处理过程中采用电镀法可以在碳纤维表面镀覆金属铜或金属镍。碳纤维表面电镀铜的工艺条件如下。电镀液成分为CuS04 5H20 60 200g/l，H2S04 100 180g/l，添加剂1 5ml/ 1，其余为水；镀液温度为10°c 20°C，电压为IV 2V，电镀时间为4 lOmin。为了提高 镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量浓度1 2%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理。添加 剂组成为2_巯基苯并咪唑(M)0. 1 0. 3g/l，乙撑硫脲(N)0. 2 0. 4g/l，聚二硫二丙烷 磺酸钠(SP)5 8g/l，甲基蓝0. 3 0. 6g/l，OP-10乳化剂30 50ml/l，其余为水。碳纤维表面电镀镍的工艺条件如下。电镀液成分为NiS04 6H20 300 400g/l，硼酸35 45g/l，添加剂40 60ml/ 1，其余为水；电流密度为0. 2 0. 4A/dm2，镀液温度10°C 20°C，电镀时间为3 7min。 添加剂组成为NaCl 90 110g/l，苯磺酸钠1 3g/l，十二烷基硫酸钠1 3g/l，二乙氨 基戊炔二醇0. 2 0. 6g/l，其余为水。②化学镀法碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在350 450°C下的空气气氛中加热 10 20分钟，然后浸入质量浓度20 40%的硝酸中煮沸10 20分钟，再用去离子水冲 洗至中性；再将碳纤维放入浓度10 20g/l SnCl2水溶液中进行敏化处理，浸泡5 10 分钟，取出洗净；将敏化后的碳纤维浸入AgN03和NH3 H20的混合水溶液(AgN032 5g/l、 NH3 H20 6 8ml/l)中进行活化处理，浸泡5 10分钟，取出洗净；最后将活化后的碳纤 维放入质量浓度HCH0水溶液中浸泡30 60秒，取出后即可放入化学镀镀液中开始化 学沉积。在碳纤维表明镀覆一层金属铜或金属镍，然后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳 纤维待用。碳纤维化学镀铜的工艺条件如下。镀液温度为20°C 40°C，施镀时间为15 30min。镀液成分为CuS04 -5H20 15 20g/l，乙二胺四乙酸二钠20 30g/l，酒石酸钾钠10 20g/l，NaOH 10 20g/l，2， 2'-联吡啶30 50mg/l，亚铁氰化钾60 80mg/l，甲醛15 20ml/l，其余为水。为了提 高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量浓度1 2%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理并烘干碳纤维化学镀镍的工艺条件如下。镀液温度为40°C 60°C，pH为4. 0 6. 0，施镀时间为15 30min。镀液成分为 NiS04 '6H2025 35g/l，NaH2P02 .H20 15 25g/l，柠檬酸钠 25 35g/l，醋酸纳 15 25g/1，乳酸15 25ml/l，添加剂为4. 0 6. Oml/1，其余为水。添加剂的组成为苯磺酸钠3 8g/l，二乙基己基硫酸钠1 3g/l，其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝或铝合金在700°C 780°C下熔化并保温0. 5 1. 5小时，向铝或铝合 金熔体中加入占工业纯铝或铝合金质量1 10%的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳 纤维长度为1 10mm，制备出碳纤维均勻分布的铝或铝合金熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝或铝合金熔体降温至680°C 700°C，加入占带有金属镀 层的碳纤维和铝(或铝合金)熔体总质量0. 5 2%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为 38 147 u m。搅拌时间为2 6分钟，搅拌速度为1000 4000转/分。发泡后取出并冷 却可得到碳纤维增强的铝基泡沫材料。在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程(2)中，加入带有金属镀层的碳纤维后的 搅拌时间为3 10分钟，搅拌速度为800 1500转/分。在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程(2)中，为了降低铝或铝合金熔体的表面 张力和提高发泡能力，在工业纯铝或铝合金熔化后，还可以向熔体中加入占工业纯铝或铝 合金质量0. 5 1 %的金属钙，或者加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 1 %的金属镁，或 者加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 的钙同时加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5
的镁，搅拌混合均勻。为了使带有金属镀层的碳纤维在铝熔体中的分散性不受添加金属钙、金属镁的影 响，上述的添加钙或镁或同时添加钙和镁的操作也可以在带有金属镀层的碳纤维被加入到 铝或铝合金熔体之中并搅拌完成之后进行。金属钙、金属镁的加入量和加入方法与上述内 容相同。在碳纤维增强铝基复合材料制备过程中所采用的铝合金可以是6063铝合金、 ZL201铝合金、2024铝合金或A356铝合金。由于在制备碳纤维增强铝基复合材料过程中使用的是带有金属镀层的1 10mm 的短碳纤维，短碳纤维两端为裸露的纤维截面，为了提高短碳纤维与铝熔体的复合效果，可 以采用化学镀，将带有金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，对短碳纤维进 行二次镀覆，以使两个裸露端头被金属铜或镍所覆盖。方法与前述碳纤维表面化学镀相同。在铝基泡沫材料制备过程(3)中，氢化钛可以被加入到旋转的铝或铝合金熔体表 面，也可以经由空心的搅拌轴加入到铝或铝合金熔体的底部。由于加入到铝或铝合金熔体 底部的氢化钛与搅拌桨直接接触，受到搅拌桨的剪切力作用后易于分散，采用这种添加方 式可适当降低搅拌速度和搅拌时间。搅拌完成后待发泡的铝或铝合金熔体可以在原有加热 炉内直接发泡，也可以转移至另一恒温炉内进行发泡，后一种发泡方式的温场较为均勻。保 温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移出加热炉后可以采用浸水冷却或强制风冷。盛放铝 或铝合金熔体的坩锅可以采用铁质材料制成。在铝基泡沫材料制备过程(3)中，搅拌完成后的保温发泡时间为3 8分钟。本发明优点如下。(1)本发明将碳纤维引入泡沫铝材料的制备之中，由于短碳纤维的长径比大于 100，这种特殊的线性形态对气泡的稳定作用将比现有理论中固相颗粒对气泡的稳定作用更大，明显地表现出固体添加物对气泡稳定性的影响机制。碳纤维稳定气泡的作用是通过 阻碍重力排液，聚集铝液并在气泡薄化过程中及时补缩来完成的。同时，碳纤维彼此之间 的机械接触及易被铝液润湿，使其能够产生回复力来阻止气泡壁变薄和抵消气液界面的波 动，进而实现了泡沫的稳定。依据碳纤维在气泡形成过程中的稳定机理，本发明给出了一种 新的泡沫铝制备工艺，并以该工艺制备出高性能的铝基泡沫材料。(2)本发明采用高弹性模量和高机械强度的碳纤维作为增强体制备泡沫铝材料， 显著地提高了材料的性能。当泡沫铝材料的孔隙率不变时，其吸能和阻尼性能随着孔壁强 度的提高而增大；当泡沫铝孔壁具有合适的韧性时，其在使役时吸能和阻尼性能稳定。普通 的泡沫铝材料以在铝熔体中添加金属钙后形成的固相颗粒作为气泡稳定剂。当以钙为稳定 剂制备的泡沫铝材料的密度为0. 5g/cm3时，这种泡沫铝材料的压缩强度约为3MPa ；而采用 短碳纤维作为增强体制备的同种密度的泡沫铝材料的压缩强度高于6MPa，且碳纤维增强的 泡沫铝材料的冲击韧性提高约30%，能量吸收能力提高50%以上。因此，短碳纤维增强的 铝基泡沫材料的抗压强度、吸能和阻尼性能显著提高，且材料的孔壁韧性较好。(3)本发明制备的碳纤维增强的铝基泡沫材料的能量吸收能力的提高拓宽了泡沫 铝材料的应用领域和应用范围，满足了航空航天工业、军事工业、轨道交通运输业等对高吸 能、高阻尼泡沫铝材料的需求。(4)本发明向铝或铝合金中添加金属钙、镁类表面活性元素，调整了铝熔体的表面 张力，使碳纤维在铝熔体中的分布更加均勻，使制备的泡沫铝材料结构更加均勻且密度可调。
附图是实施例1制备的添加碳纤维的铝基泡沫材料的形貌照片。
具体实施例方式实施例1铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用电镀法。将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在400°C下的空气气氛中加热30分钟， 然后浸入质量浓度30%的硝酸中煮沸20分钟，再用去离子水冲洗至中性即可放入电镀液 中进行电沉积。碳纤维表面处理过程中采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属铜。碳纤维表面电镀铜的工艺条件如下。电镀液成分为CuS04 *51120 :130g/l,H2S04 :140g/l，添加剂3ml/l，其余为水；镀液 温度为15°C，电压为1. 5V，电镀时间为7min。为了提高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量 浓度1. 5%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理。添加剂组成为2_巯基苯并咪唑(M)0. 2g/ 1，乙撑硫脲(N)0. 3g/l，聚二硫二丙烷磺酸钠(SP)6. 5g/l，甲基蓝0. 45g/l，0P—10乳化剂40ml/l，其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝在740°C下熔化并保温1小时，向铝熔体中加入占工业纯铝质量5% 的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为5mm，搅拌时间为7分钟，搅拌速度为 1200转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至690°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝熔 体总质量1. 2%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为74pm。搅拌时间为4分钟，搅拌速度 为2500转/分。搅拌完成后保温发泡5分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基泡沫 材料。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛加入到旋转的铝熔体表面，搅拌完成后待发 泡的铝熔体在原有加热炉内直接发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移出加热炉 后在空气中冷却。实施例2铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用电镀法。将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在450°C下的空气气氛中加热20分钟， 然后浸入质量浓度40%的硝酸中煮沸10分钟，再用去离子水冲洗至中性即可放入电镀液 中进行电沉积。碳纤维表面处理过程中采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属镍。碳纤维表面电镀镍的工艺条件如下。电镀液成分为NiS04 -6H20 :350g/l，硼酸40g/l，添加剂50ml/l，其余为水；电流密 度为0. 3A/dm2，镀液温度:15°C，电镀时间为5min。添加剂组成为:NaCl 100g/l，苯磺酸钠 2g/l，十二烷基硫酸钠2g/l，二乙氨基戊炔二醇0. 4g/l，其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将2024铝合金在780°C下熔化并保温1. 5小时，向铝熔体中加入占铝合金质量 10%的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为10mm，搅拌时间为3分钟，搅拌速 度为1500转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝合金熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝合金熔体降温至700°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和 铝合金熔体总质量2.0%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为147 ym。搅拌时间为6分钟， 搅拌速度为1000转/分。搅拌完成后保温发泡3分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的 铝基泡沫材料。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛经由空心的搅拌轴加入到铝合金熔体的底 部。搅拌完成后待发泡的铝合金熔体转移至另一恒温炉内进行发泡，保温发泡完成时盛有 液态泡沫的坩锅被移出加热炉后强制风冷。盛放铝合金熔体的坩锅采用铁质材料制成。
实施例3铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用化学镀法。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在450°C下的空气气氛中加热10分 钟，然后浸入质量浓度20%的硝酸中煮沸20分钟，再用去离子水冲洗至中性；再将碳纤维 放入浓度10g/l SnClyK溶液中进行敏化处理，浸泡10分钟，取出洗净；将敏化后的碳纤维 浸入AgN03和NH3 H20的混合水溶液(AgN035g/l、NH3 H20 8ml/l)中进行活化处理，浸泡5 分钟，取出洗净；最后将活化后的碳纤维放入质量浓度HCH0水溶液中浸泡60秒，取出 后即可放入化学镀镀液中开始化学沉积。在碳纤维表明镀覆一层金属镍，然后将碳纤维长 丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维化学镀镍的工艺条件如下。镀液温度为50°C，pH为5. 0，施镀时间为22min。镀液成分为NiS04 6H20 30g/l, NaH2P02 H20 20g/l，柠檬酸钠30g/l，醋酸纳20g/l，乳酸20ml/l，添加剂为5. Oml/1，其余 为水。添加剂的组成为苯磺酸钠5g/l，二乙基己基硫酸钠2g/l，其余为水。(2)将A356铝合金在760°C下熔化并保温1小时，向铝熔体中加入占铝合金质量 4%的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为7mm，搅拌时间为5分钟，搅拌速度 为1300转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝合金熔体。(3)将上述含有碳纤维的铝合金熔体温度降至680°C，加入占带有金属镀层的碳 纤维和铝合金熔体总质量1. 5%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为74pm。搅拌时间为5 分钟，搅拌速度为2000转/分。搅拌完成后保温发泡5分钟。取出并冷却可得到碳纤维增 强的铝基泡沫材料。将带有金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，对短碳纤维进行二次 镀覆，以使两个裸露端头被金属镍所覆盖。方法与本施例采用的碳纤维表面化学镀相同。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛经由空心的搅拌轴加入到铝熔体的底部。搅 拌完成后待发泡的铝熔体转移至另一恒温炉内进行发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的 坩锅被移出加热炉后采用浸水冷却。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛加入到旋转的铝熔体表面，搅拌完成后待发 泡的铝熔体在原有加热炉内直接发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移出加热炉 后采用浸水冷却。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。实施例4铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用电镀法。将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在400°C下的空气气氛中加热30分钟， 然后浸入质量浓度30%的硝酸中煮沸20分钟，再用去离子水冲洗至中性即可放入电镀液 中进行电沉积。
碳纤维表面处理过程中采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属铜。碳纤维表面电镀铜的工艺条件如下。电镀液成分为CuS04 *51120 :130g/l,H2S04 :140g/l，添加剂3ml/l，其余为水；镀液 温度为15°C，电压为1. 5V，电镀时间为7min。为了提高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量 浓度1. 5%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理。添加剂组成为2_巯基苯并咪唑(M)0. 2g/ 1，乙撑硫脲_ 3g/l，聚二硫二丙烷磺酸钠(SP)6. 5g/l，甲基蓝0. 45g/l，0P-10乳化剂 40ml/l，其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将6063铝合金在720°C下熔化并保温0. 5小时，向铝合金熔体中加入占铝合金质 量8%的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为4mm，搅拌时间为8分钟，搅拌速 度为1000转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝合金熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝合金熔体降温至700°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和 铝合金熔体总质量1. 0%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为61 u m。搅拌时间为3分钟， 搅拌速度为3000转/分。搅拌完成后保温发泡6分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的 铝基泡沫材料。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛经由空心的搅拌轴加入到铝合金熔体的底 部。搅拌完成后待发泡的铝合金熔体转移至另一恒温炉内进行发泡，保温发泡完成时盛有 液态泡沫的坩锅被移出加热炉后采用强制风冷。盛放铝合金熔体的坩锅采用铁质材料制 成。实施例5 铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用化学镀法。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在400°C下的空气气氛中加热15分 钟，然后浸入质量浓度30%的硝酸中煮沸15分钟，再用去离子水冲洗至中性；再将碳纤维 放入浓度15g/l SnCl2水溶液中进行敏化处理，浸泡7分钟，取出洗净；将敏化后的碳纤维 浸入AgN03和NH3 H20的混合水溶液(AgN033. 5g/l、NH3 H207ml/1)中进行活化处理，浸泡 7分钟，取出洗净；最后将活化后的碳纤维放入质量浓度1 % HCH0水溶液中浸泡45秒，取出 后即可放入化学镀镀液中开始化学沉积。在碳纤维表明镀覆一层金属铜，然后将碳纤维长 丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维化学镀铜的工艺条件如下。镀液温度为30°C，施镀时间为22min。镀液成分为CuS04 5H20 17g/l，乙二胺四 乙酸二钠25g/l，酒石酸钾钠15g/l，Na0H 15g/l，2，2'-联吡啶40mg/l，亚铁氰化钾70mg/ 1，甲醛18ml/l，其余为水。为了提高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量浓度1. 5%的硼酸 对镀铜碳纤维进行浸泡处理并烘干。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将ZL201铝合金在700°C下熔化并保温0. 5小时，向铝合金熔体中加入占铝合金质 量3 %的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为3mm，搅拌时间为10分钟，搅拌速度为800转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝合金熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至680°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝合 金熔体总质量0.5%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为38 ym。搅拌时间为2分钟，搅拌 速度为4000转/分。搅拌完成后保温发泡8分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基 泡沫材料。将带有金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，对短碳纤维进行二次 镀覆，以使两个裸露端头被金属铜所覆盖。方法与本施例采用的碳纤维表面化学镀相同。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛加入到旋转的铝合金熔体表面，搅拌完成后 待发泡的铝合金熔体在原有加热炉内直接发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移 出加热炉后采用浸水冷却。盛放铝合金熔体的坩锅采用铁质材料制成。实施例6铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用电镀法。将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在350°C下的空气气氛中加热40分钟， 然后浸入质量浓度20%的硝酸中煮沸30分钟，再用去离子水冲洗至中性即可放入电镀液 中进行电沉积。碳纤维表面处理过程中采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属铜。碳纤维表面电镀铜的工艺条件如下。电镀液成分为CuS04 5H20 :60g/l, H2S04 :100g/l，添加剂lml/l，其余为水；镀液 温度为10°C，电压为IV，电镀时间为4min。为了提高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量浓 度的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理。添加剂组成为2_巯基苯并咪唑(M)0. lg/1，乙 撑硫脲_ 2g/l，聚二硫二丙烷磺酸钠(SP)5g/l，甲基蓝0. 3g/l，0P-10乳化剂30ml/l, 其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝在700°C下熔化并保温0.5小时，向铝熔体中加入占铝熔体质量2%的 带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为2mm，搅拌时间为8分钟，搅拌速度为900 转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝合金熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至680°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝熔 体总质量0. 5%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为38pm。搅拌时间为3分钟，搅拌速度 为1500转/分。搅拌完成后保温发泡8分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基泡沫 材料。在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程(2)中，在铝熔化后向熔体中加入占铝熔 体质量0. 8 %的金属钙，搅拌混合均勻。将带有金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，对短碳纤维进行二次镀覆，以使两个裸露端头被金属铜所覆盖。方法与实施例5碳纤维表面化学镀相同。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛加入到旋转的铝熔体表面，搅拌完成后待发 泡的铝熔体转移至另一恒温炉内进行发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移出加 热炉后强制风冷。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。实施例7铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用电镀法。将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在380°C下的空气气氛中加热25分钟， 然后浸入质量浓度25%的硝酸中煮沸18分钟，再用去离子水冲洗至中性即可放入电镀液 中进行电沉积。碳纤维表面处理过程中采用电镀法可以在碳纤维表面镀覆金属镍。
碳纤维表面电镀镍的工艺条件如下。电镀液成分为NiS04 -6H20 :320g/l，硼酸38g/l，添加剂45ml/l，其余为水；电流密 度为0. 28A/dm2，镀液温度18°C，电镀时间为6min。添加剂组成为:NaCl 98g/l，苯磺酸钠 1. 8g/l，十二烷基硫酸钠1. 8g/l，二乙氨基戊炔二醇0. 3g/l，其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝在760°C下熔化并保温1. 0小时，向铝熔体中加入占工业纯铝质量6% 的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为3mm，搅拌时间为6分钟，搅拌速度为 1000转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至700°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝熔 体总质量1.0%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为74pm。搅拌时间为4分钟，搅拌速度 为2000转/分。搅拌完成后保温发泡4分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基泡沫 材料。在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程(2)中，在工业纯铝熔化后向熔体中加入 占工业纯铝质量0. 8%的金属镁，搅拌混合均勻。将带有金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，对短碳纤维进行二次 镀覆，以使两个裸露端头被金属镍所覆盖。方法与实施例3碳纤维表面化学镀相同。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛经由空心的搅拌轴加入到铝熔体的底部。搅 拌完成后待发泡的铝熔体在原有加热炉内直接发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅 被移出加热炉后采用浸水冷却。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。实施例8铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用化学镀法。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在420°C下的空气气氛中加热15分钟，然后浸入质量浓度30%的硝酸中煮沸20分钟，再用去离子水冲洗至中性；再将碳纤维 放入浓度20g/l SnCl2水溶液中进行敏化处理，浸泡6分钟，取出洗净；将敏化后的碳纤维 浸入AgN03和NH3 H20的混合水溶液(AgN033g/l、NH3 H20 8ml/l)中进行活化处理，浸泡6 分钟，取出洗净；最后将活化后的碳纤维放入质量浓度HCH0水溶液中浸泡50秒，取出 后即可放入化学镀镀液中开始化学沉积。在碳纤维表明镀覆一层金属铜，然后将碳纤维长 丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维化学镀铜的工艺条件如下。镀液温度为35°C，施镀时间为16min。镀液成分为CuS04 5H20 20g/l,乙二胺四 乙酸二钠20g/l，酒石酸钾钠10g/l，Na0H 10g/l，2，2'-联吡啶50mg/l，亚铁氰化钾60mg/ 1，甲醛15ml/l，其余为水。为了提高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量浓度的硼酸对 镀铜碳纤维进行浸泡处理并烘干。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝在740°C下熔化并保温1. 0小时，向铝熔体中加入占铝熔体质量7% 的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为9mm，搅拌时间为5分钟，搅拌速度为 1200转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝合金熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至680°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝熔 体总质量1. 5%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为43pm。搅拌时间为3分钟，搅拌速度 为3000转/分。搅拌完成后保温发泡7分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基泡沫 材料。在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程⑵中，在铝熔化后向熔体中加入占铝熔 体质量0. 5%的钙同时加入占铝熔体质量1. 0%的镁，搅拌混合均勻。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛经由空心的搅拌轴加入到铝熔体的底部。搅 拌完成后待发泡的铝熔体转移至另一恒温炉内进行发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的 坩锅被移出加热炉后采用浸水冷却。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。实施例9铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用化学镀法。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在430°C下的空气气氛中加热17分 钟，然后浸入质量浓度20%的硝酸中煮沸20分钟，再用去离子水冲洗至中性；再将碳纤维 放入浓度17g/l SnCl2水溶液中进行敏化处理，浸泡6分钟，取出洗净；将敏化后的碳纤维 浸入AgN03和NH3 H20的混合水溶液(AgN035g/l、NH3 H20 6ml/l)中进行活化处理，浸泡 10分钟，取出洗净；最后将活化后的碳纤维放入质量浓度HCH0水溶液中浸泡60秒，取 出后即可放入化学镀镀液中开始化学沉积。在碳纤维表明镀覆一层金属镍，然后将碳纤维 长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维化学镀镍的工艺条件如下。镀液温度为55°C，pH为5. 5，施镀时间为25min。镀液成分为NiS04-6H20 25g/l， NaH2P02 H20 25g/l，柠檬酸钠35g/l，醋酸纳15g/l，乳酸25ml/l，添加剂为4. Oml/1，其余
13为水。添加剂的组成为苯磺酸钠3g/l，二乙基己基硫酸钠3g/l，其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝740°C下熔化并保温1.0小时，向铝熔体中加入占铝熔体质量4%的带 有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为5mm，搅拌时间为4分钟，搅拌速度为1300 转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至700°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝熔 体总质量1.7%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为147 ym。搅拌时间为4分钟，搅拌速度 为2000转/分。搅拌完成后保温发泡5分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基泡沫 材料。在带有金属镀层的碳纤维被加入到铝熔体之中并搅拌完成之后，向熔体中加入占 铝熔体质量1. 0%的金属钙，同时加入占铝熔体质量0. 5%的镁，搅拌混合均勻。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛加入到旋转的铝熔体表面，搅拌完成后待发 泡的铝熔体在原有加热炉内直接发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移出加热炉 后采用强制风冷。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。实施例10铝基泡沫材料的制备方法步骤如下。(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用电镀法。将碳纤维原丝表面进行预处理后，以电镀的方法在碳纤维表明镀覆一层金属，然 后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用。碳纤维表面预处理的方法是将碳纤维原丝在320°C下的空气气氛中加热38分钟， 然后浸入质量浓度36%的硝酸中煮沸22分钟，再用去离子水冲洗至中性即可放入电镀液 中进行电沉积。碳纤维表面处理过程中采用电镀法可以在碳纤维表面镀覆金属铜。碳纤维表面电镀铜的工艺条件如下。电镀液成分为CuS04 5H20 :70g/l, H2S04 :130g/l，添加剂:2ml/l，其余为水；镀液 温度为10°C，电压为2V，电镀时间为8min。为了提高镀铜碳纤维的抗氧化能力，使用质量浓 度2%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理。添加剂组成为2_巯基苯并咪唑(M)0. lg/1，乙 撑硫脲_ 4g/l，聚二硫二丙烷磺酸钠(SP)8g/l，甲基蓝0. 3g/l，0P-10乳化剂30ml/l, 其余为水。(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝在710°C下熔化并保温1.0小时，向铝熔体中加入占铝熔体质量3% 的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均勻，碳纤维长度为3mm，搅拌时间为3分钟，搅拌速度为 1500转/分，制备出碳纤维均勻分布的铝熔体。(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝熔体降温至680°C，加入占带有金属镀层的碳纤维和铝熔 体总质量1. 2%的氢化钛并搅拌均勻，氢化钛粒度为74pm。搅拌时间为3分钟，搅拌速度 为3000转/分。搅拌完成后保温发泡6分钟。取出并冷却可得到碳纤维增强的铝基泡沫
14材料。在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程(2)中，在带有金属镀层的碳纤维被加入 到铝合金熔体之中并搅拌完成之后，向熔体中加入占铝熔体质量的金属钙，或者加入占 铝熔体质量的金属镁。将带有金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，采用化学镀对短碳纤 维进行二次镀覆，以使两个裸露端头被金属铜所覆盖。方法与实施例5碳纤维表面化学镀 相同。在铝基泡沫材料制备过程中，氢化钛经由空心的搅拌轴加入到铝熔体的底部。搅 拌完成后待发泡的铝熔体在原有加热炉内直接发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅 被移出加热炉后采用浸水冷却。盛放铝熔体的坩锅采用铁质材料制成。
权利要求
一种铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤如下(1)碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理的方法采用以下两种方法中的一种①电镀法将碳纤维原丝在350～450℃下的空气气氛中加热20～40分钟，然后浸入质量浓度20～40％的硝酸中煮沸10～30分钟，再用去离子水冲洗至中性，放入电镀液中进行电沉积，在碳纤维表明镀覆一层金属铜或金属镍，然后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用；②化学镀法将碳纤维原丝在350～450℃下的空气气氛中加热10～20分钟，然后浸入质量浓度20～40％的硝酸中煮沸10～20分钟，再用去离子水冲洗至中性；再将碳纤维放入浓度10～20g/l SnCl2水溶液中进行敏化处理，浸泡5～10分钟，取出洗净；将敏化后的碳纤维浸入AgNO32～5g/l、NH3·H2O 6～8ml/l的AgNO3和NH3·H2O的混合水溶液中进行活化处理，浸泡5～10分钟，取出洗净；最后将活化后的碳纤维放入质量浓度1％HCHO水溶液中浸泡30～60秒，取出后放入化学镀镀液中开始化学沉积，在碳纤维表明镀覆一层金属铜或金属镍，然后将碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维待用；(2)碳纤维增强铝基复合材料的制备将工业纯铝或铝合金在700℃～780℃下熔化并保温0.5～1.5小时，向铝或铝合金熔体中加入占工业纯铝或铝合金质量1～10％的带有金属镀层的碳纤维并搅拌均匀，碳纤维长度为1～10mm，制备出碳纤维均匀分布的铝或铝合金熔体；(3)铝基泡沫材料的制备将上述含有碳纤维的铝或铝合金熔体降温至680℃～700℃，加入占带有金属镀层的碳纤维和熔体总质量0.5～2％的氢化钛并搅拌均匀，搅拌时间为2～6分钟，搅拌速度为1000～4000转/分，氢化钛粒度为38～147μm，发泡后取出并冷却得到碳纤维增强的铝基泡沫材料。
2.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，采用电镀 法在碳纤维表面镀铜的工艺条件如下电镀液成分为 CuS04 5H20 60 200g/l，H2S04 100 180g/l，添加剂1 5ml/l，其余 为水；镀液温度为10°C 20°C，电压为IV 2V，电镀时间为4 lOmin，使用质量浓度1 2%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理；添加剂组成为2_巯基苯并咪唑(M)0. 1 0. 3g/ 1，乙撑硫脲_ 2 0. 4g/l，聚二硫二丙烷磺酸钠(SP)5 8g/l，甲基蓝0. 3 0. 6g/l， OP-10乳化剂30 50ml/l，其余为水。
3.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，采用电镀 法在碳纤维表面镀镍的工艺条件如下电镀液成分为NiS04 6H20 300 400g/l，硼酸35 45g/l，添加剂40 60ml/l，其 余为水；电流密度为0. 2 0. 4A/dm2，镀液温度10°C 20°C，电镀时间为3 7min ；添加 剂组成为NaCl 90 110g/l，苯磺酸钠1 3g/l，十二烷基硫酸钠1 3g/l，二乙氨基戊 炔二醇0. 2 0. 6g/l，其余为水。
4.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，采用化学镀法在碳纤维表面镀铜的工艺条件如下镀液温度为20°C 40°C，施镀时间为15 30min ；镀液成分为CuS04 -5H20 15 20g/ 1，乙二胺四乙酸二钠20 30g/l，酒石酸钾钠10 20g/l，Na0H 10 20g/l，2，2'-联吡 啶30 50mg/l，亚铁氰化钾60 80mg/l，甲醛15 20ml/l，其余为水，使用质量浓度1 2%的硼酸对镀铜碳纤维进行浸泡处理并烘干。
5.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，采用化学 镀法在碳纤维表面镀镍的工艺条件如下镀液温度为40 °C 60 °C，pH为4. 0 6. 0，施镀时间为15 30min ；镀液成分为 NiS04 '6H2025 35g/l，NaH2P02 .H20 15 25g/l，柠檬酸钠 25 35g/l，醋酸纳 15 25g/ 1，乳酸15 25ml/l，添加剂为4. 0 6. Oml/1，其余为水；添加剂的组成为苯磺酸钠3 8g/l，二乙基己基硫酸钠1 3g/l，其余为水。
6.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中，在工业 纯铝或铝合金熔化后，向熔体中加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 的金属钙，或者加 入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 1 %的金属镁，或者加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 1 %的钙同时加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 1 %的镁，搅拌混合均勻。
7.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中，在带有 金属镀层的碳纤维被加入到铝或铝合金熔体之中并搅拌完成之后，向熔体中加入占工业纯 铝或铝合金质量0. 5 1 %的金属钙，或者加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 1 %的金属 镁，或者加入占工业纯铝或铝合金质量0. 5 1 %的钙同时加入占工业纯铝或铝合金质量 0. 5 1 %的镁，搅拌混合均勻。
8.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中，搅拌时间 为3 10分钟，搅拌速度为800 1500转/分。
9.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于采用的铝合金是6063 铝合金、ZL201铝合金、2024铝合金或A356铝合金。
10.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，将带有 金属镀层的碳纤维长丝剪成所需长度的短碳纤维后，对短碳纤维进行二次镀覆，使两个裸 露端头被金属铜或镍所覆盖。
11.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中，氢化钛 加入到旋转的铝或铝合金熔体表面，或经由空心的搅拌轴加入到铝或铝合金熔体的底部， 搅拌完成后待发泡的铝或铝合金熔体在原有加热炉内直接发泡，或转移至另一恒温炉内进 行发泡，保温发泡完成时盛有液态泡沫的坩锅被移出加热炉后，浸水冷却或强制风冷，盛放 铝或铝合金熔体的坩锅采用铁质材料制成。
12.按照权利要求1所述的铝基泡沫材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中，搅拌完 成后保温发泡3 8分钟。
全文摘要
一种铝基泡沫材料的制备方法，首先在碳纤维表明镀覆一层金属，向铝或铝合金熔体中加入带有金属镀层的碳纤维，然后加入氢化钛并搅拌均匀，发泡后取出并冷却得到碳纤维增强的铝基泡沫材料。本发明将碳纤维引入泡沫铝材料的制备之中，实现了气泡的稳定和材料性能的提高。与现有技术相比，本发明制备的泡沫铝材料的压缩强度高于6MPa，冲击韧性提高约30％，能量吸收能力提高50％以上。因此，短碳纤维增强的铝基泡沫材料的抗压强度、吸能和阻尼性能显著提高，且材料的孔壁韧性较好。
文档编号C22C49/06GK101798665SQ20101013275
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者刘宜汉, 吴林丽, 姚广春, 张晓明, 曹卓坤, 罗洪杰 申请人:东北大学