本發(fā)明涉及一種泡沫鋁材料及其制備方法，尤其涉及一種負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

負(fù)泊松比材料又稱為拉脹材料(auxetic)，是一類泊松比為負(fù)數(shù)的特殊材料，當(dāng)材料發(fā)生拉伸變形時(shí)，垂直于載荷的方向會(huì)發(fā)生側(cè)向膨脹；而當(dāng)材料發(fā)生壓縮變形時(shí)，垂直于載荷的方向會(huì)發(fā)生側(cè)向收縮。由于負(fù)泊松比材料具有獨(dú)特的負(fù)泊松比特性和材料集中效應(yīng)，使其在剪切模量、抗斷裂韌性、壓痕阻力以及能量吸收和抗沖擊性能方面都比相同組成、相同密度的正泊松比材料更加優(yōu)異。目前用于防護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比材料主要為負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)材料，大多數(shù)細(xì)觀結(jié)構(gòu)呈內(nèi)凹狀，盡管其具有很強(qiáng)的抗沖擊性能，但是其加工方法的復(fù)雜性以及高昂的成本限制了其進(jìn)一步應(yīng)用的可能性。

另一方面，泡沫鋁是一種以鋁或鋁合金為骨架、含大量胞孔的三維多孔金屬材料，具有低密度、高比剛度、緩沖抗震、耐腐蝕以及獨(dú)特的表面效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，而且其多孔結(jié)構(gòu)和金屬特性讓泡沫鋁在能量吸收、吸音隔音和電磁屏蔽等方面具有優(yōu)異的性能，使其在汽車、航空、建筑等方面得到了廣泛的應(yīng)用。泡沫鋁按照胞孔單元是否相互連通可分為開(kāi)孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁兩大類，由于開(kāi)孔泡沫鋁連通的孔隙結(jié)構(gòu)，使其在吸聲方面得到廣泛使用，閉孔泡沫鋁由于孔隙是相互獨(dú)立性的，通常用于隔音，此外閉孔泡沫鋁的比剛度、比強(qiáng)度相比于開(kāi)孔泡沫鋁更高，緩沖吸能特性也更強(qiáng)。閉孔泡沫鋁主要是通過(guò)熔體發(fā)泡法、注氣發(fā)泡法以及粉末冶金法等方法進(jìn)行制備，在產(chǎn)生氣泡時(shí)要確保氣泡相對(duì)穩(wěn)定并且不溢出，開(kāi)孔泡沫鋁則主要是通過(guò)滲流鑄造法和熔模鑄造發(fā)進(jìn)行制備。對(duì)于泡沫鋁材料，相對(duì)密度是其一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，它對(duì)泡沫鋁材料的力學(xué)性能(如楊氏模量、屈服強(qiáng)度等)有較大影響。相對(duì)密度越大，其強(qiáng)度越高。

泡沫鋁的泊松比為正值，若能通過(guò)一定的制備方法使其負(fù)泊松比變?yōu)樨?fù)值，則獨(dú)特的負(fù)泊松比特性能使其受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，材料會(huì)從四周自動(dòng)集中于加載處，提高了局部的相對(duì)密度，從而進(jìn)一步提高局部強(qiáng)度，使材料能夠通過(guò)吸收更多的能量。此外負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁的剛度也會(huì)隨著沖擊載荷的增加而非線性的提高，能夠承受更大的載荷，因此具有巨大的科學(xué)和工程意義。

當(dāng)泡沫鋁材料作為一種緩沖吸能部件或材料使用時(shí)，本發(fā)明所涉及到負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁是通過(guò)傳統(tǒng)正泊松比開(kāi)孔泡沫鋁制備而成，其內(nèi)部元胞壁呈現(xiàn)內(nèi)凹狀，所以可以實(shí)現(xiàn)單位長(zhǎng)度材料微觀結(jié)構(gòu)中更小的孔隙空間，這不僅可以提高泡沫鋁材料的總體相對(duì)密度，而且當(dāng)傳統(tǒng)的泡沫鋁材料作為一種緩沖吸能的填充材料被填充到其他構(gòu)件中時(shí)，由于泡沫鋁的孔隙空間較大，當(dāng)受到壓縮時(shí)即使到達(dá)致密區(qū)(材料被壓實(shí))的橫向膨脹較小，使泡沫鋁與構(gòu)件之間存在較大空白間隙，減弱了構(gòu)件緩沖吸能的能力，而負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁正好相反，較小的孔隙空間，當(dāng)其被壓縮到致密區(qū)時(shí)，可以產(chǎn)生較大的橫向膨脹，大大減小了泡沫鋁與構(gòu)件之間的空白間隙，提高了構(gòu)件緩沖吸能的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料及其滲流鑄造制備方法，能夠產(chǎn)生材料集中的特性，極大的提高其強(qiáng)度、吸能等力學(xué)性能等。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一種負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料，開(kāi)孔泡沫鋁材料元胞的元胞壁呈內(nèi)凹狀，使得開(kāi)孔泡沫鋁材料具備負(fù)泊松比特性。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種該負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法，包含以下步驟：

步驟1)，準(zhǔn)備模具、耐熱填料和溶解溶液；所述模具上端開(kāi)口、下端為透氣底板；所述耐熱填料的熔點(diǎn)高于鋁的熔點(diǎn)；所述溶解溶液能夠溶解耐熱材料、且和鋁不發(fā)送反應(yīng)；

步驟2)，將耐熱填料加工成多孔預(yù)制塊后填入模具底部的透氣底板上，或者將耐熱填料的顆粒置于模具底部的透氣底板上、并使得耐熱填料的顆粒和模具內(nèi)壁充分接觸；

步驟3)，對(duì)模具內(nèi)的耐熱材料加熱至預(yù)設(shè)的第一溫度閾值，然后倒入液態(tài)鋁熔體；

步驟4)，采用頂部加壓和底部真空吸鑄的方式使鋁熔體完全滲入耐熱填料的間隙，冷卻凝固后得到帶耐熱填料的開(kāi)孔泡沫鋁；

步驟5)，將帶耐熱填料的開(kāi)孔泡沫鋁放入溶解溶液中使得耐熱填料溶解，獲得開(kāi)孔泡沫鋁；

步驟6)，將開(kāi)孔泡沫鋁加熱至預(yù)設(shè)的第二溫度閾值并進(jìn)行保溫，所述預(yù)設(shè)的第二溫度閾值小于鋁的熔點(diǎn)溫度；

步驟7)，對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁進(jìn)行三軸壓縮使其發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生內(nèi)凹形的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)；

步驟8)，將三軸壓縮后的開(kāi)孔泡沫鋁冷卻至常溫，獲得負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料。

作為本發(fā)明一種開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述耐熱填料采用nacl，所述溶解溶液采用水。

作為本發(fā)明一種開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，預(yù)設(shè)的第一溫度閾值的范圍500～730攝氏度。

作為本發(fā)明一種開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述預(yù)設(shè)的第二溫度閾值的范圍為500～600攝氏度。

作為本發(fā)明一種開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟7)中進(jìn)行三軸壓縮時(shí)，采用三軸壓縮設(shè)備對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁的三軸同時(shí)進(jìn)行壓縮。

作為本發(fā)明一種開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟7)中進(jìn)行三軸壓縮的具體步驟如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步驟7.1)，在第一法向方向?qū)﹂_(kāi)孔泡沫鋁壓縮預(yù)設(shè)的第一距離閾值；

步驟7.2)，在第二法向方向?qū)﹂_(kāi)孔泡沫鋁壓縮預(yù)設(shè)的第二距離閾值；

步驟7.3)，在第三法向方向?qū)﹂_(kāi)孔泡沫鋁壓縮預(yù)設(shè)的第三距離閾值；

步驟7.4)，重復(fù)步驟7.1)至步驟7.3)n次，n為預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)閾值。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明制成的開(kāi)孔泡沫鋁材料在變形過(guò)程中呈現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)，從而產(chǎn)生材料集中的特性，提高受載荷區(qū)域的密度，能夠極大的提高其強(qiáng)度、吸能等力學(xué)性能。

附圖說(shuō)明

圖1(a)、圖1(b)分別是傳統(tǒng)開(kāi)孔泡沫鋁材料、本發(fā)明中負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料的元胞結(jié)構(gòu)理論示意圖；

圖2(a)、圖2(b)分別是傳統(tǒng)開(kāi)孔泡沫鋁材料、本發(fā)明中負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料受集中載荷時(shí)的變形示意圖；

圖3是本發(fā)明中負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁的滲流鑄造制備方法示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開(kāi)了一種負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料，制備的開(kāi)孔泡沫鋁材料在變形過(guò)程中呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)，從而產(chǎn)生材料集中的特性，能夠極大的提高其強(qiáng)度、吸能等力學(xué)性能等。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明公開(kāi)了一種負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料，其內(nèi)部元胞結(jié)構(gòu)的元胞壁均呈內(nèi)凹狀，從而具備負(fù)泊松比特性。

圖1(a)展示了傳統(tǒng)開(kāi)孔泡沫鋁材料的元胞結(jié)構(gòu)理論示意圖；圖1(b)展示了負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料的元胞結(jié)構(gòu)理論示意圖，其呈現(xiàn)內(nèi)凹狀。圖1(a)和(b)中梁之間的平面是貫通的，泡沫鋁元胞的空間是相互連通的。

圖2(a)展示了傳統(tǒng)泡沫鋁在受到集中載荷時(shí)的變形示意圖，其材料流動(dòng)方向?yàn)檫h(yuǎn)離載荷方向；圖2(b)展示了負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁在受到集中載荷時(shí)的變形示意圖，其材料流動(dòng)方向?yàn)榭拷d荷方向，因此能夠更有效地抵抗沖擊。

圖3展示了負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料的滲流鑄造制備方法：首先準(zhǔn)備模具、耐熱填料和溶解溶液；模具上端開(kāi)口、下端為透氣底板；耐熱填料采用nacl，溶解溶液采用水；將耐熱填料加工成多孔預(yù)制塊后填入模具底部的透氣底板上，或者將耐熱填料的顆粒置于模具底部的透氣底板上、并使得耐熱填料的顆粒和模具內(nèi)壁充分接觸；對(duì)模具內(nèi)的耐熱材料加熱至500～730攝氏度，然后倒入液態(tài)鋁熔體，采用頂部加壓和底部真空吸鑄的方式使鋁熔體完全滲入填料間隙，冷卻凝固后得到開(kāi)孔泡沫鋁，隨后放入水中使填料溶解。將開(kāi)孔泡沫鋁保溫至鋁熔點(diǎn)之下的某一溫度，使用三軸壓縮設(shè)備對(duì)泡沫鋁進(jìn)行三軸壓縮，從而產(chǎn)生內(nèi)凹形的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，并冷卻至常溫，獲得負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁材料。

三軸壓縮時(shí)保持在500～600攝氏度時(shí)，制得的負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁的負(fù)泊松比值最小。

進(jìn)行三軸壓縮時(shí)，可以采用三軸壓縮設(shè)備對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁的三軸同時(shí)進(jìn)行壓縮，也可以分步進(jìn)行壓縮，具體步驟如下：

令第一法向方向、第二法向方向、第三法向方向相互垂直；

步驟7.1)，在第一法向方向?qū)﹂_(kāi)孔泡沫鋁壓縮預(yù)設(shè)的第一距離閾值；

步驟7.2)，在第二法向方向?qū)﹂_(kāi)孔泡沫鋁壓縮預(yù)設(shè)的第二距離閾值；

步驟7.3)，在第三法向方向?qū)﹂_(kāi)孔泡沫鋁壓縮預(yù)設(shè)的第三距離閾值；

步驟7.4)，重復(fù)步驟7.1)至步驟7.3)n次，n為預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)閾值。

制成的負(fù)泊松比開(kāi)孔泡沫鋁在變形過(guò)程中呈現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)，從而產(chǎn)生材料集中的特性，提高受載荷區(qū)域的密度，能夠極大的提高其強(qiáng)度、吸能等力學(xué)性能。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開(kāi)了一種具有負(fù)泊松比特性的開(kāi)孔泡沫鋁材料及其滲流鑄造制備方法，開(kāi)孔泡沫鋁材料內(nèi)部元胞結(jié)構(gòu)的元胞壁均呈內(nèi)凹狀，從而具備負(fù)泊松比特性。具有負(fù)泊松比特性的開(kāi)孔泡沫鋁在受到外界載荷時(shí)材料會(huì)自動(dòng)集中于加載處，能夠充分利用材料的力學(xué)特性，與正泊松比的普通泡沫鋁相比能夠更有效地抵抗變形并吸收能量。該開(kāi)孔泡沫鋁的制備方法如下：先通過(guò)滲流鑄造法制成普通的開(kāi)孔泡沫鋁材料，然后在鋁熔點(diǎn)之下的溫度下經(jīng)過(guò)三軸壓縮從而制成具有負(fù)泊松比特性的開(kāi)孔泡沫鋁材料。

技術(shù)研發(fā)人員：王源隆;于意;趙萬(wàn)忠;王春燕;周冠

受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2019.01.14

技術(shù)公布日：2019.06.04