具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法与流程

本发明涉及一种泡沫铝材料及其制备方法，尤其涉及一种具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料及其制备方法。

背景技术：

负泊松比材料又称为拉胀材料(auxetic)，是一类泊松比为负数的特殊材料，当材料发生拉伸变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向膨胀；而当材料发生压缩变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向收缩。由于负泊松比材料具有独特的负泊松比特性和材料集中效应，使其在剪切模量、抗断裂韧性、压痕阻力以及能量吸收和抗冲击性能方面都比相同组成、相同密度的正泊松比材料更加优异。目前用于防护结构的负泊松比材料主要为负泊松比微结构材料，大多数细观结构呈内凹状，尽管其具有很强的抗冲击性能，但是其加工方法的复杂性以及高昂的成本限制了其进一步应用的可能性。

另一方面，泡沫铝是一种以铝或铝合金为骨架、含大量胞孔的三维多孔金属材料，具有低密度、高比刚度、缓冲抗震、耐腐蚀以及独特的表面效应等优点，而且其多孔结构和金属特性让泡沫铝在能量吸收、吸音隔音和电磁屏蔽等方面具有优异的性能，使其在汽车、航空、建筑等方面得到了广泛的应用。泡沫铝按照胞孔单元是否相互连通可分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝两大类，由于开孔泡沫铝连通的孔隙结构，使其在吸声方面得到广泛使用，闭孔泡沫铝由于孔隙是相互独立性的，通常用于隔音，此外闭孔泡沫铝的比刚度、比强度相比于开孔泡沫铝更高，缓冲吸能特性也更强。闭孔泡沫铝主要是通过熔体发泡法、注气发泡法以及粉末冶金法等方法进行制备，在产生气泡时要确保气泡相对稳定并且不溢出，开孔泡沫铝则主要是通过渗流铸造法和熔模铸造发进行制备。对于泡沫铝材料，相对密度是其一个重要的结构特征参数，它对泡沫铝材料的力学性能(如杨氏模量、屈服强度等)有较大影响。相对密度越大，其强度越高。

泡沫铝的泊松比为正值，若能通过一定的制备方法使其负泊松比变为负值，则独特的负泊松比特性能使其受到冲击载荷作用时，材料会从四周自动集中于加载处，提高了局部的相对密度，从而进一步提高局部强度，使材料能够通过吸收更多的能量。此外具有负泊松比特性的开孔泡沫铝的刚度也会随着冲击载荷的增加而非线性的提高，能够承受更大的载荷，因此具有巨大的科学和工程意义。

当泡沫铝材料作为一种缓冲吸能部件或材料使用时，本发明所涉及到具有负泊松比特性的开孔泡沫铝是通过传统正泊松比开孔泡沫铝制备而成，其内部元胞壁呈现内凹状，所以可以实现单位长度材料微观结构中更小的孔隙空间，这不仅可以提高泡沫铝材料的总体相对密度，而且当传统的泡沫铝材料作为一种缓冲吸能的填充材料被填充到其他构件中时，由于泡沫铝的孔隙空间较大，当受到压缩时即使到达致密区(材料被压实)的横向膨胀较小，使泡沫铝与构件之间存在较大空白间隙，减弱了构件缓冲吸能的能力，而具有负泊松比特性的开孔泡沫铝正好相反，较小的孔隙空间，当其被压缩到致密区时，可以产生较大的横向膨胀，大大减小了泡沫铝与构件之间的空白间隙，提高了构件缓冲吸能的能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法，通过其在变形过程中呈现的负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，能够极大的提高其强度、吸能等力学性能等。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法，所述开孔泡沫铝材料元胞的元胞壁均呈内凹状，使得开孔泡沫铝材料具备负泊松比特性，所述开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法包含以下步骤：

步骤1)，准备模具、耐火材料和溶解溶液；所述模具上端开口、下端为透气底板；所述耐火材料的熔点高于铝的熔点；所述溶解溶液能够溶解耐火材料、且和铝不发送反应；

步骤2)，将耐火材料制成浆料并注入聚氨酯泡沫的空隙中，当浆料干燥硬化后，进行高温焙烧处理，使聚氨酯泡沫气化，得到三维网状预制体；

步骤3)，将三维网状预制体置于模具底部的透气底板上，加热至预设的第一温度阈值，然后倒入液态铝熔体；

步骤4)，采用顶部加压和底部真空吸铸的方式使铝熔体完全渗入三维网状预制体，冷却凝固后得到带三维网状预制体的开孔泡沫铝；

步骤5)，将带带三维网状预制体的开孔泡沫铝放入溶解溶液中使得带三维网状预制体溶解，获得开孔泡沫铝；

步骤6)，将开孔泡沫铝加热至预设的第二温度阈值并进行保温，所述预设的第二温度阈值小于铝的熔点温度；

步骤7)，对开孔泡沫铝进行三轴压缩使其发生塑性变形，产生内凹形的开孔结构；

步骤8)，将三轴压缩后的开孔泡沫铝冷却至常温，获得具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料。

作为本发明一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法进一步的优化方案，所述耐火材料采用石膏粉、硫酸镁、铝矾土和水混合而成的水溶型石膏材料，溶解溶液采用水。

作为本发明一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法进一步的优化方案，预设的第一温度阈值的范围500～730摄氏度。

作为本发明一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法进一步的优化方案，所述预设的第二温度阈值的范围为500～600摄氏度。

作为本发明一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法进一步的优化方案，所述步骤7)中进行三轴压缩时，采用三轴压缩设备对开孔泡沫铝的三轴同时进行压缩。

作为本发明一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法进一步的优化方案，所述步骤7)中进行三轴压缩的具体步骤如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步骤7.1)，在第一法向方向对开孔泡沫铝压缩预设的第一距离阈值；

步骤7.2)，在第二法向方向对开孔泡沫铝压缩预设的第二距离阈值；

步骤7.3)，在第三法向方向对开孔泡沫铝压缩预设的第三距离阈值；

步骤7.4)，重复步骤7.1)至步骤7.3)n次，n为预设的迭代次数阈值。

本发明还公开了另一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法，所述开孔泡沫铝材料元胞的元胞壁均呈内凹状，使得开孔泡沫铝材料具备负泊松比特性，所述开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法包含以下步骤：

步骤a)，准备模具、耐火材料和溶解溶液；所述模具上端开口、下端为透气底板；所述耐火材料的熔点高于铝的熔点；所述溶解溶液能够溶解耐火材料、且和铝不发送反应；

步骤b)，将聚氨酯开孔泡沫进行三轴压缩后加热至预设的第三温度阈值并保温，使其发生热软化，从而制成负泊松比聚氨酯泡沫；

步骤c)，将耐火材料制成浆料并注入负泊松比聚氨酯泡沫的空隙中，当浆料干燥硬化后，进行高温焙烧处理，使聚氨酯泡沫气化，得到三维网状预制体；

步骤d)，将三维网状预制体置于模具底部的透气底板上，加热至预设的第四温度阈值，然后倒入液态铝熔体；

步骤e)，采用顶部加压和底部真空吸铸的方式使铝熔体完全渗入三维网状预制体，冷却凝固后得到带三维网状预制体的开孔泡沫铝；

步骤f)，将带带三维网状预制体的开孔泡沫铝放入溶解溶液中使得带三维网状预制体溶解，获得具有负泊松比特性的开孔泡沫铝。

作为本发明一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法进一步的优化方案，所述耐火材料采用石膏粉、硫酸镁、铝矾土和水混合而成的水溶型石膏材料，溶解溶液采用水，预设的第三温度阈值为170摄氏度，预设的第四温度阈值的范围500～730摄氏度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

制成的具有负泊松比特性的开孔泡沫铝在变形过程中呈现出负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，提高受载荷区域的密度，能够极大的提高其强度、吸能等力学性能。

附图说明

图1(a)、图1(b)分别是传统开孔泡沫铝材料、本发明中具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料的元胞结构理论示意图；

图2(a)、图2(b)分别是传统开孔泡沫铝材料、本发明中具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料受集中载荷时的变形示意图；

图3是本发明中具有负泊松比特性的开孔泡沫铝的熔模铸造制备方法示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法，制备的开孔泡沫铝在变形过程中呈现负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，能够极大的提高其强度、吸能等力学性能等。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

本发明公开了一种具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料，其内部元胞结构的元胞壁均呈内凹状，从而具备负泊松比特性。

图1(a)展示了传统开孔泡沫铝材料的元胞结构理论示意图；图1(b)展示了具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料的元胞结构理论示意图，其呈现内凹状。图1(a)和(b)中梁之间的平面是贯通的，泡沫铝元胞的空间是相互连通的。

图2(a)展示了传统泡沫铝在受到集中载荷时的变形示意图，其材料流动方向为远离载荷方向；图2(b)展示了具有负泊松比特性的开孔泡沫铝在受到集中载荷时的变形示意图，其材料流动方向为靠近载荷方向，因此能够更有效地抵抗冲击。

图3展示了制备该具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法：步骤1)，准备模具、耐火材料和溶解溶液；所述模具上端开口、下端为透气底板；所述耐火材料的熔点高于铝的熔点；所述溶解溶液能够溶解耐火材料、且和铝不发送反应；

步骤2)，将耐火材料制成浆料并注入聚氨酯泡沫的空隙中，当浆料干燥硬化后，进行高温焙烧处理，使聚氨酯泡沫气化，得到三维网状预制体；

步骤3)，将三维网状预制体置于模具底部的透气底板上，加热至预设的第一温度阈值，然后倒入液态铝熔体；

步骤4)，采用顶部加压和底部真空吸铸的方式使铝熔体完全渗入三维网状预制体，冷却凝固后得到带三维网状预制体的开孔泡沫铝；

步骤5)，将带带三维网状预制体的开孔泡沫铝放入溶解溶液中使得带三维网状预制体溶解，获得开孔泡沫铝；

步骤6)，将开孔泡沫铝加热至预设的第二温度阈值并进行保温，所述预设的第二温度阈值小于铝的熔点温度；

步骤7)，对开孔泡沫铝进行三轴压缩使其发生塑性变形，产生内凹形的开孔结构；

步骤8)，将三轴压缩后的开孔泡沫铝冷却至常温，获得具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料。

所述耐火材料采用石膏粉、硫酸镁、铝矾土和水混合而成的水溶型石膏材料，溶解溶液采用水。

预设的第一温度阈值的范围500～730摄氏度。

预设的第二温度阈值的范围为500～600摄氏度时，制得的具有负泊松比特性的开孔泡沫铝的负泊松比值最小。

所述步骤7)中进行三轴压缩时，可以采用三轴压缩设备对开孔泡沫铝的三轴同时进行压缩，也可以分步进行压缩，具体步骤如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步骤7.1)，在第一法向方向对开孔泡沫铝压缩预设的第一距离阈值；

步骤7.2)，在第二法向方向对开孔泡沫铝压缩预设的第二距离阈值；

步骤7.3)，在第三法向方向对开孔泡沫铝压缩预设的第三距离阈值；

步骤7.4)，重复步骤7.1)至步骤7.3)n次，n为预设的迭代次数阈值。

本发明还展示了具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料的另一种熔模铸造制备方法：步骤a)，准备模具、耐火材料和溶解溶液；所述模具上端开口、下端为透气底板；所述耐火材料的熔点高于铝的熔点；所述溶解溶液能够溶解耐火材料、且和铝不发送反应；

步骤b)，将聚氨酯开孔泡沫进行三轴压缩后加热至预设的第三温度阈值并保温，使其发生热软化，从而制成负泊松比聚氨酯泡沫；

步骤c)，将耐火材料制成浆料并注入负泊松比聚氨酯泡沫的空隙中，当浆料干燥硬化后，进行高温焙烧处理，使聚氨酯泡沫气化，得到三维网状预制体；

步骤d)，将三维网状预制体置于模具底部的透气底板上，加热至预设的第四温度阈值，然后倒入液态铝熔体；

步骤e)，采用顶部加压和底部真空吸铸的方式使铝熔体完全渗入三维网状预制体，冷却凝固后得到带三维网状预制体的开孔泡沫铝；

步骤f)，将带带三维网状预制体的开孔泡沫铝放入溶解溶液中使得带三维网状预制体溶解，获得具有负泊松比特性的开孔泡沫铝。

其中，所述耐火材料采用石膏粉、硫酸镁、铝矾土和水混合而成的水溶型石膏材料，溶解溶液采用水，预设的第三温度阈值为170摄氏度，预设的第四温度阈值的范围500～730摄氏度。

预设的第三温度阈值为170摄氏度时，制得的负泊松比开孔聚氨酯泡沫负泊松比值最小。

制成的具有负泊松比特性的开孔泡沫铝在变形过程中呈现出负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，提高受载荷区域的密度，能够极大的提高其强度、吸能等力学性能。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。