專利名稱：一種多孔金屬的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料加工領(lǐng)域，特別涉及一種多孔金屬的制備方法。
背景技術(shù)：
以多樣化孔隙為結(jié)構(gòu)特征的超輕型多孔金屬由于實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)(ρ≤1)和多功能化，包括能量吸收、阻尼減震、降噪、熱、電磁屏蔽及其多功能兼容，具有廣泛的應(yīng)用前景從而成為當(dāng)前國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)之一。
從上世紀(jì)五十年代開始分別發(fā)展了以鋁基為基的各種制備方法，熔體發(fā)泡法、熔體滲流法、粉末冶金發(fā)泡法、熔體注氣法、固態(tài)燒結(jié)法等。
德國(guó)Fraunhofer研究所將316L合金空心金屬球裝入薄壁金屬結(jié)構(gòu)中進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在松散裝入空心球的情況下，單位重量的金屬的能量吸收率增加了10％，而采用樹脂將空心球粘結(jié)后，單位重量的金屬能量吸收率增加了50％，從而大大增加了能量吸收能力。
美國(guó)Georgia工學(xué)院開發(fā)了同軸噴射料制備中空球技術(shù)，采用含有鈦化氫前驅(qū)體和有機(jī)粘結(jié)劑以及溶劑等組成的漿料制備中空濕球，然后通過熱處理的方法獲取金屬中空球。這種方法使空心球的成本很高，從而限制了這種工藝的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
美國(guó)發(fā)展了一種將空心金屬球加入金屬液的技術(shù)。該法利用酚醛塑料微型球，在惰性氣氛下加熱，使塑料焦化，形成空心的微型球，然后用氣相沉積法在碳球上涂一層金屬，再用汽化法去除碳而得到空心金屬球，但是該法制備工藝復(fù)雜，成本高。
目前的多孔金屬的制備方法都存在以下問題(1)工藝復(fù)雜而價(jià)格昂貴；(2)控制孔結(jié)構(gòu)困難；(3)主要制備鋁基多孔金屬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種工藝簡(jiǎn)單，低成本且可應(yīng)用于多中金屬板材的多孔金屬的制備方法。
一種多孔金屬的制備方法，包括以下步驟第一步，取金屬板，在金屬板上加工出凹坑，得到帶有凹坑的金屬板；第二步，將兩塊帶有凹坑的金屬板兩兩疊合，得到單元結(jié)構(gòu)板，再將兩塊或兩塊以上的單元結(jié)構(gòu)板疊合起來。
上述的一種多孔金屬的制備方法中帶有凹坑的金屬板上凹坑的一面凹陷，在另一面呈突起，且該突起為球形。
上述的一種多孔金屬的制備方法中單元結(jié)構(gòu)板按體心立方結(jié)構(gòu)方式疊合。
所述的一種多孔金屬的制備方法，其帶有凹坑的金屬板用沖壓的方法加工。
所述的一種多孔金屬的制備方法，其帶有凹坑的金屬板也可以用滾壓的方法加工。
所述的一種多孔金屬的制備方法中球形孔為通孔。
所述的一種多孔金屬的制備方法中球形孔也可以為閉孔。
上述的一種多孔金屬的制備方法應(yīng)用于以鋁基、銅基、鋼基任一為基礎(chǔ)的金屬板中。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)材料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，成本低廉。
主要工藝步驟采用一次塑性加工成形和層連接。
(2)孔的形狀、梯度容易控制，適合生產(chǎn)較大的材料。
采用球形孔沖壓模具，實(shí)現(xiàn)球形孔的材料。改變球形孔沖壓模具的梯度尺寸，可以實(shí)現(xiàn)材料的梯度控制，控制模具的大小。
(3)材料的平板層相互連接，使得材料具有更好的強(qiáng)度。
與燒結(jié)空心球形成的材料相比，該材料的每一層都有平板層相互連接，抗壓性能更好。
(4)容易制成高成品率的各種形式新型球形多孔金屬。
主要工藝步驟采用一次塑性加工成形和層連接，工藝簡(jiǎn)單，所以成品率高。
(5)可以方便的控制材料的閉孔、通孔結(jié)構(gòu)。
沖壓的過程中，不壓破板材制得閉孔多孔金屬材料。
沖壓的過程中，壓破板材某一位置制得通孔多孔金屬材料。
(6) 特殊的材料結(jié)構(gòu)，使得壓縮過程中，彈性變形區(qū)變得平緩。具有彈性變形及塑性變形混合的特點(diǎn)。由于最上層和最下層的僅為半球殼體，最為薄弱，首先被壓彎曲變形，同時(shí)中間的殼體壓入下層的板中，使得最上層和最下層的邊緣發(fā)生一定的彎曲。隨著最上層和最下層的殼體的塌陷，中間層受到擠壓變形。


圖1是本發(fā)明壓制的一層1060純鋁薄板(wt.％Al99.6；Si0.25；Fe0.35；Cu0.05；Mn0.03；Mg0.03；Zn0.05；Ti0.03)，密度為ρ＝2.7g/cm3，厚度1mm。。
圖2是本發(fā)明制得的半球直徑為8mm的體心立方結(jié)構(gòu)多孔金屬?？紫堵蕿?3％。
圖3是本發(fā)明三種板厚制得的試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖4是本發(fā)明三種板厚制得的試樣能量吸收能力和能量吸收效率曲線。
具體實(shí)施例方式
一種多孔金屬的制備方法，包括以下步驟第一步，取金屬板，在金屬板上加工出凹坑，得到帶有凹坑的金屬板1；第二步，將兩塊帶有凹坑的金屬板1兩兩疊合，得到單元結(jié)構(gòu)板2，再將兩塊或兩塊以上的單元結(jié)構(gòu)板2疊合起來。
上述的一種多孔金屬的制備方法中帶有凹坑的金屬板1上凹坑的一面凹陷，在另一面呈突起，且該突起為球形。
上述的一種多孔金屬的制備方法中單元結(jié)構(gòu)板2是按體心立方結(jié)構(gòu)方式疊合的。上訴的體心立方結(jié)構(gòu)方式疊合是將單元結(jié)構(gòu)板2在疊合的時(shí)候?qū)⒑笠粔K板的球形突起疊合于前一塊板的球形突起所圍起的平板中間，形成穩(wěn)定的體心立方結(jié)構(gòu)。
所述的一種多孔金屬的制備方法，其帶有凹坑的金屬板1用沖壓的方法加工。采用一套球形孔沖壓模具，將金屬板放入模具中，壓力機(jī)產(chǎn)生壓力使得金屬板塑性變形，得到帶有半球凹坑的金屬板1。
所述的一種多孔金屬的制備方法，其帶有凹坑的金屬板1也可以用滾壓的方法加工。采用球形孔滾壓模具，將金屬板放入傳送帶，滾壓模具產(chǎn)生壓力使得金屬板塑性變形，得到帶有半球凹坑的金屬板1。
所述的一種多孔金屬的制備方法中孔的形狀可以通過不同形狀的模具設(shè)計(jì)得到通孔或者閉孔的多孔金屬。通過模具上球形凹陷排布的變化可以控制最后制得的球形多孔金屬的孔的密度與孔的直徑的梯度變化。可以隨生產(chǎn)要求和材質(zhì)的不同調(diào)節(jié)孔的結(jié)構(gòu)、板的厚度、孔隙率及比重等。
上述的一種多孔金屬的制備方法應(yīng)用于以鋁基、銅基、鋼基任一為基礎(chǔ)的金屬板中。
實(shí)施例11、采用常用的1060純鋁薄板(wt.％Al99.6；Si0.25；Fe0.35；Cu0.05；Mn0.03；Mg0.03；Zn0.05；Ti0.03)，密度為ρ＝2.7g/cm3，厚度為0.5mm的鋁薄板。
2、利用半球形沖壓模具，沖壓得到了半球形凹坑的金屬板層。在沖壓的過程中可以通過加熱提高鋁板的塑性，制得半球?qū)愉X薄板。
3、將多層半球形凹坑的金屬板層，連接成體心立方結(jié)構(gòu)，這樣就得到了帶有平板層相連的體心立方結(jié)構(gòu)多孔金屬。
實(shí)施例21、采用常用的1060純鋁薄板(wt.％ Al99.6；Si0.25；Fe0.35；Cu0.05；Mn0.03；Mg0.03；Zn0.05；Ti0.03)，密度為ρ＝2.7g/cm3，厚度為1mm的鋁薄板。
2、利用半球形沖壓模具，沖壓得到了半球形凹坑的金屬板層。在沖壓的過程中可以通過加熱提高鋁板的塑性，制得半球?qū)愉X薄板。
3、將多層半球形凹坑的金屬板層，連接成體心立方結(jié)構(gòu)，這樣得到了帶有平板層相連的體心立方結(jié)構(gòu)多孔金屬。
實(shí)施例3
1、采用常用的1060純鋁薄板(wt.％ Al99.6；Si0.25；Fe0.35；Cu0.05；Mn0.03；Mg0.03；Zn0.05；Ti0.03)，密度為ρ＝2.7g/cm3，厚度為0.8mm的鋁薄板。
2、利用半球形沖壓模具，沖壓得到了半球形凹坑的金屬板層。在沖壓的過程中可以通過加熱提高鋁板的塑性，制得半球?qū)愉X薄板。
3、將多層半球形凹坑的金屬板層，連接成體心立方結(jié)構(gòu)，這樣得到了帶有平板層相連的體心立方結(jié)構(gòu)多孔金屬。
實(shí)施例4三種不同厚度鋁板用本發(fā)明的方法所制得的樣品的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)得到的壓縮(σ-ε)曲線，可以看出，都由彈性段、平緩段和緊實(shí)段三部分組成。在線彈性段，壓縮曲線開始表現(xiàn)為線彈性段。在此區(qū)間應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，由于最上層和最下層有較薄弱的部分，產(chǎn)生一定的變形，使該階段范圍稍微增長(zhǎng)，該階段的應(yīng)變小于10％；在平緩段，應(yīng)力增加較少而應(yīng)變卻迅速增大，長(zhǎng)而平的平緩上升段使得平板層相連的體心立方結(jié)構(gòu)多孔金屬有高的壓縮吸能性能；隨著壓縮應(yīng)力的繼續(xù)增大，應(yīng)變繼續(xù)增加，當(dāng)壓縮應(yīng)變超過50％(一般在50％～65％之間)，殼體之間的孔洞被壓實(shí)至相互接觸，于是導(dǎo)致應(yīng)力的迅速上升，從而進(jìn)入致密化階段，σ-ε曲線進(jìn)入緊實(shí)段。
比較三種不同厚度鋁板所制得同樣孔徑樣品的壓縮(σ-ε)曲線，隨板厚度的減小，多孔金屬的σ-ε曲線下移，壓縮屈服強(qiáng)度下降。但是由于鋁板厚度的減小，作為密實(shí)部分鋁板平板厚度減小，所以應(yīng)變明顯增加。
實(shí)施例5用實(shí)施例1、2、3制得的樣品做能量吸收實(shí)驗(yàn)，可以看出多孔鋁合金在線彈性階段，能量吸收增加較慢，但能量吸收效率迅速增加，在平緩段初期(20％≤ε≤30％)時(shí)達(dá)到峰值；隨著應(yīng)變的增加，吸能能力W增大，能量吸收效率E在寬范圍(15％≤ε≤50％)維持在一個(gè)較高水平(50％以上)。在緊實(shí)段，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力繼續(xù)增加，能量吸收效率降低。隨著鋁板厚度的減小，吸能能力W減少，能量吸收效率E的峰值和峰寬變化不大。
實(shí)施例61、采用常用的Q345鋼薄板(wt.％C0.18，Si0.43，Mn1.4，P0.014，S0.014))，厚度為0.8mm的鋼薄板。
2、利用半球形沖壓模具，沖壓得到了半球形凹坑的金屬板層。在沖壓的過程中可以通過加熱提高鋼板的塑性，制得半球?qū)愉摫“濉?br> 3、將多層半球形凹坑的金屬板層，連接成體心立方結(jié)構(gòu)，這樣得到了帶有平板層相連的體心立方結(jié)構(gòu)多孔金屬。
實(shí)施例71、采用常用的1060純鋁薄板(wt.％ Al99.6；Si0.25；Fe0.35；Cu0.05；Mn0.03；Mg0.03；Zn0.05；Ti0.03)，密度為ρ＝2.7g/cm3，厚度為0.8mm的鋁薄板。
2、利用半球形沖壓模具，沖壓得到了半球形凹坑的金屬板層。在沖壓的過程中可以通過加熱提高鋁板的塑性，制得半球?qū)愉X薄板。
3、利用沖孔的模具，將制得半球?qū)愉X薄板的球形底部沖穿，制得帶孔的半球?qū)愉X薄板。
4、將多層帶孔的半球形凹坑的金屬板層，連接成體心立方結(jié)構(gòu)，這樣得到了帶有平板層相連的體心立方結(jié)構(gòu)通孔多孔金屬。
權(quán)利要求
1.一種多孔金屬的制備方法，其特征在于包括以下步驟第一步，取金屬板，在金屬板上加工出凹坑，得到帶有凹坑的金屬板(1)；第二步，將兩塊帶有凹坑的金屬板(1)兩兩疊合，得到單元結(jié)構(gòu)板(2)，再將兩塊或兩塊以上的單元結(jié)構(gòu)板(2)疊合起來。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于帶有凹坑的金屬板(1)上凹坑的一面凹陷，在另一面呈突起，且該突起為球形。
3.如權(quán)利要求2所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于單元結(jié)構(gòu)板(2)按體心立方結(jié)構(gòu)方式疊合。
4.如權(quán)利要求1所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于帶有凹坑的金屬板(1)用沖壓的方法加工。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于帶有凹坑的金屬板(1)用滾壓的方法加工。
6.如權(quán)利要求1所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于球形孔為通孔。
7.如權(quán)利要求1所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于球形孔為閉孔。
8.如權(quán)利要求1至7任一所述的一種多孔金屬的制備方法，其特征在于金屬板材質(zhì)為鋁基、銅基、鋼基或是鈦板中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔金屬的制備方法，包括以下步驟第一步，取金屬板，在金屬板上加工出凹坑，得到帶有凹坑的金屬板；第二步，將兩塊帶有凹坑的金屬板兩兩疊合，得到單元結(jié)構(gòu)板，再將兩塊或兩塊以上的單元結(jié)構(gòu)板疊合起來。其中優(yōu)選實(shí)施方式為帶有凹坑的金屬板上凹坑的一面凹陷，在另一面呈突起，且該突起為球形。將帶有球形突起的單元結(jié)構(gòu)板按體心立方結(jié)構(gòu)方式疊合。本發(fā)明的方法生產(chǎn)的多孔金屬孔的形狀、梯度容易控制，易于大規(guī)模生產(chǎn)，材料的平板層相互連接，使得材料具有更好的強(qiáng)度，特殊的材料結(jié)構(gòu)，使得壓縮過程中，彈性變形區(qū)變得平緩。具有彈性變形及塑性變形混合的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B32B3/30GK101092071SQ200710024898
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者何德坪, 施國(guó)棟, 何思淵, 王輝, 黃可, 丁龍, 童道池 申請(qǐng)人:東南大學(xué)