一種輕質化結構復合材料的制備方法與流程
本發明屬于復合金屬材料領域，具體涉及一種輕質化結構復合材料的制備方法。
背景技術：
隨著“節能環保”的理念越來越被社會廣泛關注，輕量化也逐步應用到普通汽車領域，在提高操控性的同時還能有出色的節油表現。降低汽車重量的途徑是在車身上大量使用輕型多孔材料，如鋁、鎂等合金多孔材料、聚氨酯夾心板材料，這些材料的制造成本較高，鋁、鎂等合金多孔材料只能采取本體金屬熱融發泡，而該方法制備的材料孔隙均勻性極差，通孔與閉孔互相混合并存，無法有效起到汽車輕量化的作用，同時，孔隙的不均性也會造成材料的承受力不均勻；聚氨酯夾心板材料應用于汽車領域，其強度和阻燃性較差，嚴重影響汽車的行駛安全性。如何研制出高強度、輕量化的優質多孔金屬復合材料仍是本領域的一大難題。
技術實現要素：
本發明針對現有汽車用復合材料存在的上述問題，提供一種能夠有效降低汽車整車質量、可吸收撞擊能量、可塑性高、阻燃性強的輕質化結構復合材料的制備方法：
在真空熱處理條件下，在多孔基體材料的表層采用熱滲透技術負載al-ti-sic合金粉末，再于合金粉末表面涂覆聚氨酯樹脂膜，并在300～500℃條件下烘干即可，
其中，多孔基體材料為多孔泡沫鐵，其厚度為1～50mm，開孔率為20～90％，質量密度為800～3500g/m2，平均孔徑為100-500um，
作為優選：對多孔泡沫鐵進行熱滲透之前，先將其置于溶質質量分數5～8％的稀鹽酸溶液中浸泡5～10min，去除材料表面的氧化膜，隨后將材料用自來水清洗干凈并烘干；
負載al-ti-sic合金粉末的方法為，將氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末以及水混合充分，于2.0*10-2pa的真空度、800～1500℃的熱滲透溫度下，對多孔基體材料進行真空熱滲透，直至合金粉末滲透進入多孔基底材料厚度的1/5～2/5，再將負載后的多孔基體材料置于500～1000℃下保溫5～10小時，
其中，氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末以及水的用量按重量百分比計算為，氫氧化鋁粉末70～85％、二氧化鈦粉末5～10％、碳化硅粉末5～10％、水5～10％，氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末的顆粒尺寸均為0.05～1.5mm，
通過擠壓設備將分子量為10000～50000的聚氨酯樹脂擠壓到材料內孔，以實現聚氨酯樹脂在合金粉末表面的涂覆，擠壓壓力控制在0.1～1mpa，通過擠壓壓力控制聚氨酯樹脂進入基材的縱向深度為1～5mm。
本發明的有益效果在于：主體材料為多孔泡沫金屬，能有效減輕汽車重量，重量可下降60％以上；
本發明在選擇氫氧化鋁作為合金粉末的基礎上采用熱滲透的涂覆工藝，熱滲透涂覆過程中氫氧化鋁轉化為氧化鋁，并且與二氧化鈦等其他成分綜合反應后形成了共熔體，結構更為牢固，涂層整體性更好，
材料具有高強度、高抗疲勞性，由此制作的結構材料不僅具有較高的承載強度，同時可以吸收60％以上撞擊能量，大大提升了汽車的安全性能；
在多孔金屬材料表層負載了高強度的al-ti-sic合金，保留了其內部孔連接結構的致密性和強度，更有效增強了材料的抗拉強度和延伸性能，提升了常規多孔金屬抗沖擊性能，由此采用該材料制作的汽車防護板以及相關結構件，其耐沖擊、吸收能量性能、體積質量比更加優越；
本發明采用熱滲透的工藝解決了現有熱噴涂技術所造成的環境污染以及噴涂不均勻的問題，采用表面樹脂封裝技術，解決了金屬材料在使用環境中的耐腐蝕問題以及增強了材料的鋼度。工藝成本低，易實現規模化生產。
附圖說明
圖1為實施例1步驟(2)中負載到多孔基體材料上的合金粉末的sem圖，可見該合金粉末負載物形成了共熔體，結構致密、平整；
圖2為對比實施例1步驟(2)中負載到多孔基體材料上的合金粉末的sem圖，可見合金粉末負載物中各成分呈顆粒狀分散存在，未形成共熔體。
圖3為對比實施例2步驟(2)中負載到多孔基體材料上的合金粉末的sem圖，可見合金粉末負載物中各成分呈顆粒狀分散存在，未形成共熔體。
圖4為對比實施例3步驟(2)中負載到多孔基體材料上的合金粉末的sem圖，可見合金粉末負載物中各成分呈顆粒狀分散存在，未形成共熔體。
具體實施方式
實施例1
(1)將開孔率為20％且分布均勻、厚度為5mm、質量密度為850g/m2的多孔泡沫鐵板材置于溶質質量分數5％的稀鹽酸溶液中浸泡5min以去除材料表面的氧化膜，隨后用自來水清洗干凈并低溫烘干；
(2)將氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末(顆粒尺寸均為0.05mm)以及水按重量百分比70％：10％：10％：10％混合充分，于2.0*10-2pa的真空度、800℃的熱滲透溫度下，對經過步驟(1)處理的多孔泡沫鐵板材進行真空熱滲透，直至合金粉末滲透進入多孔基底材料厚度的2/5，再將負載后的多孔泡沫鐵板材置于500℃、有氮氣氛保護的熱處理爐中保溫5小時，所得合金粉末的sem圖如附圖1所示；
(3)在步驟(2)中負載的合金粉末上，通過擠壓設備將分子量為10000的聚氨酯樹脂擠壓到材料內孔，擠壓壓力控制在0.1mpa，聚氨酯樹脂進入基材的縱向深度為1mm，并在300℃下烘干。
對本實施例中制備的輕質化結構復合材料與相應的多孔泡沫鐵板材基體分別進行抗拉強度、抗沖擊強度、拉伸率等性能的對比檢測，檢測結果如表1所示，
表1
實施例2
(1)將開孔率為50％且分布均勻、厚度為15mm、質量密度為1000g/m2的多孔泡沫鐵板材置于溶質質量分數8％的稀鹽酸溶液中浸泡8min以去除材料表面的氧化膜，隨后用自來水清洗干凈并低溫烘干；
(2)將氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末(顆粒尺寸均為0.2mm)以及水按重量百分比75％：5％：10％：10％混合充分，于2.5*10-2pa的真空度、900℃的熱滲透溫度下，對經過步驟(1)處理的多孔泡沫鐵板材進行真空熱滲透，直至合金粉末滲透進入多孔基底材料厚度的1/5，再將負載后的多孔泡沫鐵板材置于700℃、有氮氣氛保護的熱處理爐中保溫6小時；
(3)在步驟(2)中負載的合金粉末上，通過擠壓設備將分子量為20000的聚氨酯樹脂擠壓到材料內孔，擠壓壓力控制在0.3mpa，聚氨酯樹脂進入基材的縱向深度為2mm，并在400℃下烘干。
對本實施例中制備的輕質化結構復合材料與相應的多孔泡沫鐵板材基體分別進行抗拉強度、抗沖擊強度、拉伸率等性能的對比檢測，檢測結果如表2所示，
表2
實施例3
(1)將開孔率為75％且分布均勻、厚度為30mm、質量密度為2500g/m2的多孔泡沫鐵板材置于溶質質量分數8％的稀鹽酸溶液中浸泡9min以去除材料表面的氧化膜，隨后用自來水清洗干凈并低溫烘干；
(2)將氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末(顆粒尺寸均為0.8mm)以及水按重量百分比80％：10％：5％：5％混合充分，于2.5*10-2pa的真空度、1000℃的熱滲透溫度下，對經過步驟(1)處理的多孔泡沫鐵板材進行真空熱滲透，直至合金粉末滲透進入多孔基底材料厚度的1/5，再將負載后的多孔泡沫鐵板材置于800℃、有氮氣氛保護的熱處理爐中保溫7小時；
(3)在步驟(2)中負載的合金粉末上，通過擠壓設備將分子量為30000的聚氨酯樹脂擠壓到材料內孔，擠壓壓力控制在0.5mpa，聚氨酯樹脂進入基材的縱向深度為3mm，并在450℃下烘干。
對本實施例中制備的輕質化結構復合材料與相應的多孔泡沫鐵板材基體分別進行抗拉強度、抗沖擊強度、拉伸率等性能的對比檢測，檢測結果如表3所示，
表3
實施例4
(1)將開孔率為90％且分布均勻、厚度為50mm、質量密度為3500g/m2的多孔泡沫鐵板材置于溶質質量分數8％的稀鹽酸溶液中浸泡10min以去除材料表面的氧化膜，隨后用自來水清洗干凈并低溫烘干；
(2)將氫氧化鋁粉末、二氧化鈦粉末、碳化硅粉末(顆粒尺寸均為1.5mm)以及水按重量百分比85％：5％：5％：5％混合充分，于3.0*10-2pa的真空度、1500℃的熱滲透溫度下，對經過步驟(1)處理的多孔泡沫鐵板材進行真空熱滲透，直至合金粉末滲透進入多孔基底材料厚度的1/5，再將負載后的多孔泡沫鐵板材置于1000℃、有氮氣氛保護的熱處理爐中保溫8小時；
(3)在步驟(2)中負載的合金粉末上，通過擠壓設備將分子量為50000的聚氨酯樹脂擠壓到材料內孔，擠壓壓力控制在0.6mpa，聚氨酯樹脂進入基材的縱向深度為5mm，并在500℃下烘干。
對本實施例中制備的輕質化結構復合材料與相應的多孔泡沫鐵板材基體分別進行抗拉強度、抗沖擊強度、拉伸率等性能的對比檢測，檢測結果如表4所示，
表4
對比實施例1
在實施例1的基礎上，僅將步驟(2)中的“氫氧化鋁粉末”替換為等摩爾、等尺寸的氧化鋁粉末，其余組分、操作不變。
結果步驟(2)中熱處理后得到的合金粉末的sem圖如附圖2所示。
對比實施例2
在實施例1的基礎上，僅將步驟(2)中的熱滲透工藝用磁控濺射工藝替代，其余組分、操作不變。
結果步驟(2)中熱處理后得到的合金粉末的sem圖如附圖3所示。
對比實施例3
在實施例1的基礎上，僅將步驟(2)中的熱滲透工藝用熱涂覆工藝替代，其余組分、操作不變。
結果步驟(2)中熱處理后得到的合金粉末的sem圖如附圖4所示。
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