一種蜂窩鋁的制備方法與流程

本發明涉及一種蜂窩鋁的制備方法，屬于多孔材料制備領域。

背景技術：

金屬蜂窩是金屬骨架和蜂窩孔相間的一種多孔金屬材料，因其內部含蜂窩狀直通孔而得名。金屬蜂窩除具有金屬特性（如良好的導電性、導熱性、強韌性）外，還具有高比表面積、大開口度、輕質、高比強度、滲透流通等特性，是典型的結構功能一體化材料。其性能主要取決于蜂窩結構及金屬基體材料兩方面。近年來，金屬蜂窩得到了多方面的研究與開發，應用已涉及到建筑、航空骯天、交通運輸、電子、環保、能源等領域。

目前，金屬蜂窩的主流制備方法有波紋板焊接法和粉末塑性擠壓法。其中波紋板焊接法是普遍使用的制備方法，該方法先將金屬薄板帶加工成波紋狀，再焊接或粘結成蜂窩狀，采用這種方法制備的蜂窩鋁存在許多不足，如連接強度不高、力學性能、熱電性能和高溫性能差、受焊接條件限制基材范圍窄等；粉末塑性擠壓法主要用于制備抗高溫氧化性良好的蜂窩材料，如不銹鋼蜂窩、fe-cr-al蜂窩等，對于鋁或鋁合金，由于鋁粉末的燒結問題難以解決，因此還未能用此方法獲得鋁蜂窩。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種蜂窩鋁的制備方法，該采用表面涂覆的鋅絲制備具有鋁蜂窩反結構的滲流前驅體，采用鋁或鋁合金作為滲流體，將鋁或鋁合金熔體加壓滲流到反結構中，冷卻后獲得鋅-鋁復合體，然后利用不同金屬的熔點差將鋅絲熔除獲得蜂窩鋁，具體包括以下步驟：

（1）鋁蜂窩反結構的滲流前驅體制備

①在鋅絲表面涂上耐高溫的涂覆材料，涂覆后的鋅絲干燥備用。

②將兩塊相互平行的多孔不銹鋼板進行裝配，將步驟（1）得到的鋅絲依次穿過兩塊不銹鋼板上的孔，穿過所有孔后將鋅絲兩端拉緊固定獲得鋼-鋅的骨架結構。

③調整兩塊不銹鋼板之間的距離，使鋅絲產生拉伸緊固，將骨架結構安裝到滲流裝置內部，獲得具有蜂窩反結構的滲流前驅體；所述滲流裝置的外面設有冷卻裝置。

（2）鋁或鋁合金熔化保溫：將鋁或鋁合金加熱到熔化，并去除熔體表面浮渣，備用。

（3）蜂窩鋁的滲流-熔除制備

①蜂窩反結構的滲流前驅體的預熱：將步驟（1）中獲得的具有蜂窩反結構的滲流前驅體加熱到310~360℃預熱并保溫10~25min。

②加壓滲流：將步驟（2）中獲得的鋁或鋁合金熔體從滲流裝置的滲流口壓滲到鋅絲的空隙中，滲流完成后迅速向冷卻裝置的進水口通入冷卻水，冷卻水從出水口流出；

③鋅絲熔除：拆除滲流裝置和冷卻裝置獲得鋅-鋁復合體，將鋅-鋁復合體加熱使鋅絲全部熔化，向鋅-鋁復合體通入壓縮空氣，將鋅熔體完全吹除得到蜂窩鋁。

優選的，本發明步驟（1）耐高溫的涂覆材料由以下原料制備得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按質量比為1:（1.5~2）:（2~3）的比例混合得到混合粉末，然后再將混合粉與淬火油按質量比為1:（1.5~1.8）的比例混合均勻得到。

優選的，本發明步驟（1）中耐高溫涂層的厚度0.2~0.5mm，鋅絲的直徑1~4mm。

優選的，本發明步驟（1）中兩塊多孔不銹鋼板用螺桿和螺母進行裝配，板間距50~100mm，多孔不銹鋼板的孔徑為1.5~5.1mm、孔間距為0.3~0.6mm。

優選的，本發明步驟（3）的加壓滲流過程中：滲流壓力0.2~0.8mpa，滲流時間1.26~21.26s，冷卻水的進水速度為80~100cm³/s。

優選的，本發明步驟（3）的鋅絲熔除過程中，加熱將鋅-鋁復合體加熱到450~480℃保溫30~50min使鋅絲全部熔化，壓縮空氣通入的壓力為0.2~0.5mpa。

本發明所用鋅絲為工業純鋅絲，純度99.2%，熔點412℃；所用鋁或鋁合金為工業純鋁、鋁基二元及多元合金。

本發明所述滲流裝置分為上下兩部分，上部為一個凹槽用于加壓滲流，凹槽內設有滲流口；下部分為一個密封空間，用于放置骨架結構和冷卻鋁或鋁合金熔體；滲流裝置的外面設有冷卻裝置。

本發明的原理

本發明采用熔點較低的鋅絲制備鋁蜂窩的反結構、較高熔點的鋁或鋁合金為滲流體，加壓滲流的方法將鋁或鋁合金熔體滲流到反結構中，冷卻后獲得鋅-鋁復合體，再利用不同金屬熔點差將鋅絲熔除，實現通孔鋁蜂窩的制備。

（1）鋅絲涂層的隔熱原理

涂覆層主要起到隔熱作用，阻止滲流過程中鋁或鋁合金熔體的熱量過快傳遞給鋅絲而使鋅絲熔化；涂層采用石膏粉、滑石粉和石墨粉按1:（1.5~2）:（2~3）的質量比混合，混合粉按照1:（1.5~1.8）的比例與淬火油攪拌均勻獲得；石膏粉（caso4﹒2h2o）、滑石粉（3mgo﹒4sio2﹒h2o）和石墨粉（c）導熱系數低且耐熱沖擊，具有良好的隔熱效果；同時它們的晶體為片層狀，當對其施加剪切作用力時，很容易發生層間的相互滑動，因此涂覆層有一定的潤滑作用，有利于滲流進行。

根據實驗建立了涂覆層厚度-滲流時間-預熱溫度之間的關系為：

（2）滲流壓力控制原理

本發明采用正氣壓進行滲流，滲流過程中，外壓力必須大于滲流時的壓力損失、摩擦阻力、毛細孔阻力和氣體反壓力之和，才能使滲流過程順利進行。隨著滲流壓力的增加，鋁或鋁合金熔體的滲流速度加快，可減弱鋁或鋁合金熔體和不銹鋼板、冷卻裝置、鋅絲之間的熱交換強度，有效增加蜂窩鋁的壓滲高度；但滲流壓力過高會使鋅絲過度緊實甚至壓斷，導致蜂窩鋁孔結構被破壞。滲流壓力控制在0.2~0.8mpa時滲流效果較好。

（3）鋅絲熔除原理

本發明采用熔點較低的鋅絲制備鋁蜂窩的反結構、熔點或液相線溫度較高的鋁或鋁合金為滲流體，將鋅熔除溫度控制在高于鋅的熔點、低于鋁或鋁合金的熔點或液相線溫度的溫度區間，可使鋅絲熔化、鋁或鋁合金保持固態而將鋅絲熔除。本發明鋅絲的熔除溫度控制在450~480℃。

由于鋅熔體和鋁或鋁合金之間存在摩擦阻力和毛細孔阻力，重力條件下鋅熔體不能順利熔除，需要對鋅熔體施加外力。本發明采用壓縮空氣將壓力傳遞給鋅熔體，克服摩擦阻力和毛細孔阻力，同時涂覆層具有潤滑作用可減小摩擦阻力，根據實驗采用0.2~0.5mpa的氣壓可以將鋅熔體分離去除。

（4）蜂窩鋁的孔結構

蜂窩鋁的孔徑：

d=2(r+d)（2）

蜂窩鋁的孔隙率：

（3）

（2）、（3）式中：

d：為蜂窩鋁孔徑（1.4~5.0mm）；

k：為蜂窩鋁孔隙率（53.3%~62.6%）；

r：為鋅絲3半徑（0.5~2.0mm）；

d：為涂層厚度（0.2~0.5mm）；

l：為孔間距（0.3~0.6mm）。

本發明的有益效果

傳統滲流法制備蜂窩鋁時，采用泡沫塑料（如聚氨酯）或nacl為前驅體，通過加熱將泡沫塑料燃燒去除或將nacl水溶除去，容易造成環境污染；而本發明采用滲流-熔除方法制備通孔蜂窩鋁，首先用鋅絲預制蜂窩體反結構，將鋁或鋁合金熔體快速滲入到反結構中，冷卻后獲得鋅-鋁復合體，然后利用不同金屬的熔點差，將復合體中的鋅絲熔除后獲得蜂窩鋁。將前驅體鋅絲熔除，鋅可以回收利用降低了成本，對環境無污染，還可通過改變鋅絲的直徑、涂層厚度和孔間距控制蜂窩鋁的孔結構。該方法工藝簡單，材料可循環利用，成本低，蜂窩孔結構可控。

附圖說明

圖1為制備鋁蜂窩的工藝流程圖；

圖2為鋼-鋅骨架結構的平面圖；

圖3為鋼-鋅骨架結構的立體圖；

圖4為滲流前驅體的立體圖；

圖5為滲流前驅體剖面圖。

圖中：1-螺桿；2-不銹鋼板；3-鋅絲；4-螺母；5-進水口；6-滲流裝置；7-滲流口；8-冷卻裝置；9-出水口。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護范圍并不限于所述內容。

本發明具體實施例中的滲流裝置6為自制結構，滲流裝置分為上下兩部分，上部為一個凹槽用于加壓滲流，下部分為一個密封空間，用于放置骨架結構和冷卻鋁或鋁合金熔體；滲流裝置的外面設有冷卻裝置。上部凹槽部分用于裝鋁或鋁合金熔體，熔體從滲流口壓滲到鋅絲空隙；下部分的密封空間用于安裝骨架結構，同時旁邊帶有冷卻裝置，冷卻水從進水口流入冷卻裝置的中空部分再從出水口流出，用于冷卻鋁或鋁合金熔體，如圖4、5所示。

實施例1

（1）鋁蜂窩反結構的滲流前驅體制備

①將直徑1mm的鋅絲3表面涂上耐高溫的涂覆材料，涂層厚度0.2mm，涂覆后的鋅絲3放入干燥箱干燥，干燥溫度80℃，干燥時間1h；所述耐高溫的涂覆材料由以下原料制備得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按質量比為1:1.5:2的比例混合得到混合粉末，然后再將混合粉與淬火油按質量比為1:1.5的比例混合均勻得到。

②將兩塊平行的不銹鋼板2用螺桿1、螺母4裝配好，板間距50mm，不銹鋼板2為孔徑1.5mm、孔間距0.3mm的多孔板。

③將涂覆后的鋅絲3依次穿過上下不銹鋼板2上的孔，穿過所有孔后將鋅絲3兩端拉緊固定獲得鋼-鋅的骨架結構（如圖2、3所示）。

④通過調整螺母4移動上下不銹鋼板2，使鋅絲3產生拉伸緊固，將骨架結構安裝到滲流裝置6內部，獲得具有蜂窩反結構的滲流前驅體；所述滲流裝置6的外面設有冷卻裝置8（如圖4、5所示）。

（2）鋁熔化保溫

將1070a工業純鋁加熱到高于其熔點（660℃）溫度50℃的溫度710℃熔化、保溫20min，去除熔體表面浮渣備用。

（3）蜂窩鋁的滲流-熔除制備

①蜂窩反結構的滲流前驅體的預熱

將步驟（1）中獲得的具有蜂窩反結構的滲流前驅體加熱到310℃預熱并保溫10min；

②加壓滲流

在氣壓作用下，將步驟（2）中獲得的1070a工業純鋁熔體從滲流口7壓滲到鋅絲3空隙中，滲流壓力0.8mpa，滲流時間1.26s，滲流完成后迅速向進水口5通入冷卻水，進水速度80cm³/s，冷卻水從出水口9流出。

③鋅絲熔除

拆除滲流裝置6和冷卻裝置8獲得鋅-鋁復合體，將鋅-鋁復合體加熱到450℃保溫30min，使鋅絲3全部熔化，向鋅-鋁復合體通入壓力為0.5mpa的壓縮空氣，將鋅熔體完全吹除得到孔徑1.4mm、孔隙率53.3%的1070a工業純鋁蜂窩。

實施例2

（1）鋁蜂窩反結構的滲流前驅體制備

①將直徑2mm的鋅絲3表面涂上耐高溫的涂覆材料，涂層厚度0.3mm，涂覆后的鋅絲3放入干燥箱干燥，干燥溫度95℃，干燥時間2h；所述耐高溫的涂覆材料由以下原料制備得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按質量比為1:2:3的比例混合得到混合粉末，然后再將混合粉與淬火油按質量比為1:1.7的比例混合均勻得到。

②將兩塊平行的不銹鋼板2用螺桿1、螺母4裝配好，板間距60mm，不銹鋼板2為孔徑2.7mm、孔間距0.4mm的多孔板。

③將涂覆后的鋅絲3依次穿過上下不銹鋼板2上的孔，穿過所有孔后將鋅絲3兩端拉緊固定獲得鋼-鋅的骨架結構（如圖2、3所示）。

④通過調整螺母4移動上下不銹鋼板2，使鋅絲3產生拉伸緊固，將骨架結構安裝到滲流裝置6內部，獲得具有蜂窩反結構的滲流前驅體；所述滲流裝置6的外面設有冷卻裝置8（如圖4、5所示）。

（2）鋁合金熔化保溫：將zl102鋁合金加熱到高于其液相線（582℃）溫度60℃的溫度642℃熔化、保溫25min，去除熔體表面浮渣備用。

（3）蜂窩鋁的滲流-熔除制備

①蜂窩反結構的滲流前驅體的預熱：將步驟（1）中獲得的具有蜂窩反結構的滲流前驅體加熱到325℃預熱并保溫15min。

②加壓滲流：在氣壓作用下，將步驟（2）中獲得的zl102鋁合金熔體從滲流口7壓滲到鋅絲3空隙中，滲流壓力0.6mpa，滲流時間2.40s，滲流完成后迅速向進水口5通入冷卻水，進水速度85cm³/s，冷卻水從出水口9流出。

③鋅絲熔除：拆除滲流裝置6和冷卻裝置8獲得鋅-鋁復合體，將鋅-鋁復合體加熱到460℃保溫35min，使鋅絲3全部熔化，向鋅-鋁復合體通入壓力為0.4mpa的壓縮空氣，將鋅熔體完全吹除得到孔徑2.6mm、孔隙率59.0%的zl102鋁合金蜂窩。

實施例3

（1）鋁蜂窩反結構的滲流前驅體制備

①將直徑3mm的鋅絲3表面涂上耐高溫的涂覆材料，涂層厚度0.4mm，涂覆后的鋅絲3放入干燥箱干燥，干燥溫度105℃，干燥時間2.5h；所述耐高溫的涂覆材料由以下原料制備得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按質量比為1:1.7:2.5的比例混合得到混合粉末，然后再將混合粉與淬火油按質量比為1:1.8的比例混合均勻得到。

②將兩塊平行的不銹鋼板2用螺桿1、螺母4裝配好，板間距80mm，不銹鋼板2為孔徑3.9mm、孔間距0.5mm的多孔板。

③將涂覆后的鋅絲3依次穿過上下不銹鋼板2上的孔，穿過所有孔后將鋅絲3兩端拉緊固定獲得鋼-鋅的骨架結構（如圖2、3所示）。

④通過調整螺母4移動上下不銹鋼板2，使鋅絲3產生拉伸緊固，將骨架結構安裝到滲流裝置6內部，獲得具有蜂窩反結構的滲流前驅體；所述滲流裝置6的外面設有冷卻裝置8（如圖4、5所示）。

（2）鋁合金熔化保溫：將zl301鋁合金加熱到高于其液相線（613℃）溫度70℃的溫度683℃熔化、保溫30min，去除熔體表面浮渣備用。

（3）蜂窩鋁的滲流-熔除制備

①蜂窩反結構的滲流前驅體的預熱：將步驟（1）中獲得的具有蜂窩反結構的滲流前驅體加熱到340℃預熱并保溫20min。

②加壓滲流：在氣壓作用下，將步驟（2）中獲得的zl301鋁合金熔體從滲流口7壓滲到鋅絲3空隙中，滲流壓力0.4mpa，滲流時間7.39s，滲流完成后迅速向進水口5通入冷卻水，進水速度90cm³/s，冷卻水從出水口9流出。

③鋅絲熔除：拆除滲流裝置6和冷卻裝置8獲得鋅-鋁復合體，將鋅-鋁復合體加熱到470℃保溫40min，使鋅絲3全部熔化，向鋅-鋁復合體通入壓力為0.3mpa的壓縮空氣，將鋅熔體完全吹除得到孔徑3.8mm、孔隙率61.3%的zl301鋁合金蜂窩。

實施例4

（1）鋁蜂窩反結構的滲流前驅體制備

①將直徑4mm的鋅絲3表面涂上耐高溫的涂覆材料，涂層厚度0.5mm，涂覆后的鋅絲3放入干燥箱干燥，干燥溫度120℃，干燥時間3h；所述耐高溫的涂覆材料由以下原料制備得到：石膏粉、滑石粉、石墨粉按質量比為1:1.8:3的比例混合得到混合粉末，然后再將混合粉與淬火油按質量比為1:1.6的比例混合均勻得到。

②將兩塊平行的不銹鋼板2用螺桿1、螺母4裝配好，板間距100mm，不銹鋼板2為孔徑5.1mm、孔間距0.6mm的多孔板。

③將涂覆后的鋅絲3依次穿過上下不銹鋼板2上的孔，穿過所有孔后將鋅絲3兩端拉緊固定獲得鋼-鋅的骨架結構（如圖2、3所示）。

④通過調整螺母4移動上下不銹鋼板2，使鋅絲3產生拉伸緊固，將骨架結構安裝到滲流裝置6內部，獲得具有蜂窩反結構的滲流前驅體；所述滲流裝置6的外面設有冷卻裝置8（如圖4、5所示）。

（2）鋁合金熔化保溫：將zl101鋁合金加熱到高于其液相線（616℃）溫度80℃的溫度696℃熔化、保溫35min，去除熔體表面浮渣備用。

（3）蜂窩鋁的滲流-熔除制備

①蜂窩反結構的滲流前驅體的預熱：將步驟（1）中獲得的具有蜂窩反結構的滲流前驅體加熱到360℃預熱并保溫25min。

②加壓滲流：在氣壓作用下，將步驟（2）中獲得的zl101鋁合金熔體從滲流口7壓滲到鋅絲3空隙中，滲流壓力0.2mpa，滲流時間21.26s，滲流完成后迅速向進水口5通入冷卻水，進水速度100cm³/s，冷卻水從出水口9流出。

③鋅絲熔除：拆除滲流裝置6和冷卻裝置8獲得鋅-鋁復合體，將鋅-鋁復合體加熱到480℃保溫50min，使鋅絲3全部熔化，向鋅-鋁復合體通入壓力為0.2mpa的壓縮空氣，將鋅熔體完全吹除得到孔徑5mm、孔隙率62.6%的zl101鋁合金蜂窩。