一种金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法

1.本发明属于多孔材料技术领域，特别涉及一种金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法。


背景技术：

2.金属薄壁管是近年来应用广泛的轻量化材料，因其特有的轻质薄壁特性，在受到冲击挤压时，能通过大塑性变形吸收能量，具有优越的吸能特性及低廉的制造成本，已广泛应用在汽车、航空航天、高端装备制造、海洋工程等诸多领域。研究发现，由多根金属薄壁管相互连接形成的金属薄壁管阵列多孔结构，相比单一金属薄壁管具有更显著的性能优势，它不仅拥有现有泡沫多孔材料本身存在的各项性能，同时其管孔形状和尺寸、孔隙率可控，孔洞分布也更加均匀。
3.当前，实现金属薄壁管在原子尺度上冶金连接的制备方法，主要以焊接和3d打印为主，但这些方法均存在一定弊端。例如：
4.1、焊接方法(如钎焊、电阻焊等)存在以下缺陷：
①
对于表面容易形成致密氧化膜的金属材料，焊接方法难以去除表面氧化膜，且焊接温度接近基体金属熔点，整体焊接难度较大；
②
焊接过程可能会造成焊料未完全铺展，在孔隙处形成堆积，部分焊料可能会下漏汇集造成整体结构的不均匀，难以保证材料致密度；
③
额外堆积的焊料若与薄壁管材料不匹配，可能会与薄壁管基体材料发生反应，产生脆性物质，这会导致薄壁管组的整体连接强度降低；
④
在焊接区，焊缝处的温度高、远离焊缝的位置温度低，产生温度梯度，导致焊接界面的热应力大，整体结构热应力不均匀，极易导致薄壁管阵列结构在焊接界面处产生开裂甚至造成结构的整体失效；
⑤
焊接工艺也很容易造成材料的氧化，影响材料的整体性能；
⑥
需要特别注意的是，对于尺寸小(管孔尺寸≤5mm)、壁厚薄(壁厚≤0.5mm)的金属薄壁管，阵列排布后所形成的孔隙空间十分狭窄，焊接过程的残余焊料很容易将其堵塞，导致整体孔隙率降低，同时这样的金属薄壁管本身结构尺寸微小，相邻管壁之间的贴合面积狭长细小，这也极大地增加了焊接难度，因此很难通过焊接的手段实现这类金属薄壁管的连接。
5.2、3d打印存在以下弊端：首先，3d打印需要对基体粉末进行逐层堆叠，这将导致金属薄壁管阵列多孔材料的整体制备效率低、制备流程复杂，成本也更高。其次，在靠近打印点位置产生微熔池，导致该位置处的温度高；而远离打印的位置，温度低。因此，与焊接技术一样，该方法同样存在热应力以及应力分布不均匀的问题。最后，对于尺寸小(管孔尺寸≤5mm)、壁厚薄(壁厚≤0.5mm)的金属薄壁管，阵列排布后所形成的孔隙空间十分狭窄，且相邻管壁之间的贴合面积小，若要保证整体结构的完整性和致密度，需要精确调控3d打印的精度，否则在微小孔隙处可能会造成材料的残余和堆积，导致孔隙率和强度的降低，因此对于实现这类金属薄壁管的阵列冶金连接，3d打印技术也面临很大的困难。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了
一种金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，本发明一次性整体冶金连接方法操作简便，能够实现对金属薄壁管的高效冶金连接，特别是对尺寸小(管孔尺寸≤5mm)、壁厚薄(壁厚≤0.5mm)的金属薄壁管的高效冶金连接，所制得的金属薄壁管阵列多孔材料具备良好的力学性能和能量吸收能力。
7.本发明的发明构思为：本发明利用材料受热发生膨胀的基本特性，在进行真空烧结的过程中，金属薄壁管和约束外壳受热均会产生一定热膨胀，由于约束外壳的热膨胀系数小于金属薄壁管的热膨胀系数，约束外壳的热膨胀程度小于金属薄壁管的热膨胀程度，导致金属薄壁管无法自由膨胀，引起相邻金属薄壁管的管壁之间产生相互挤压，增加了烧结过程的相邻金属薄壁管外壁之间的结合面积，缩短了管壁接触界面原子的扩散距离，增大了原子之间的扩散速率，能够在不额外施加外力基础下更快形成烧结颈，同时温度的升高也能进一步加快原子之间的扩散速率，这一系列效应共同作用，实现了相邻金属薄壁管接触界面间的高效、快速的原子尺度冶金结合，最终实现了高性能的金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体原位制备。
8.本发明第一方面提供了一种金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，包括以下步骤：
9.将若干金属薄壁管以阵列方式排布于约束外壳中，并通过所述约束外壳对若干金属薄壁管进行限位固定，得到预制体；
10.将所述预制体进行真空烧结，除去所述约束外壳，得到金属薄壁管阵列多孔材料；
11.其中，相邻的所述金属薄壁管的管壁之间贴合连接；所述金属薄壁管的管壁与所述约束外壳的内壁贴合连接；所述约束外壳的热膨胀系数＜所述金属薄壁管的热膨胀系数。
12.根据本发明的一些实施方式，所述金属薄壁管的管孔尺寸≤200mm，所述金属薄壁管的管壁厚度≤10mm。进一步的，所述金属薄壁管的管孔尺寸≤50mm，所述金属薄壁管的管壁厚度≤5mm。进一步的，所述金属薄壁管的管孔尺寸≤5mm，所述金属薄壁管的管壁厚度≤0.5mm。进一步的，所述金属薄壁管的管孔尺寸≤2mm，所述金属薄壁管的管壁厚度≤0.1mm。进一步的，所述金属薄壁管的管孔尺寸为0.5-2mm，所述金属薄壁管的管壁厚度为0.05-0.1mm。
13.根据本发明的一些实施方式，金属薄壁管的材质选自铁、铝、钛、铜、镁、钢、锌、镍、钼和钨中的至少一种；若干金属薄壁管为相同材质的金属薄壁管的混合或者不同材质的金属薄壁管的混合。
14.根据本发明的一些实施方式，金属薄壁管的管孔形状包括但不限于圆形、方形、三角形、六边形或八边形；若干金属薄壁管为管孔形状相同的金属薄壁管的混合或者管孔形状不同的金属薄壁管的混合。可以理解的是，金属薄壁管的管孔形状为圆形时，管孔尺寸≤5mm是指圆形的直径≤5mm；金属薄壁管的管孔形状为方形时，管孔尺寸≤5mm是指方形的最长边的长度≤5mm；金属薄壁管的管孔形状为三角形时，管孔尺寸≤5mm是指三角形的最长边的长度≤5mm；金属薄壁管的管孔形状为六边形或八边形时，管孔尺寸≤5mm是指六边形或八边形的距离最远的两个角之间的距离≤5mm。
15.根据本发明的一些实施方式，所述真空烧结的条件包括：升温速率为1-200℃/min，保温温度为300-3000℃，保温时间为0.5-5h，真空度≤5
×
10-2
pa。升温曲线应根据具体
金属种类及其热膨胀系数变化而定，以确保相邻金属薄壁管之间经过一定时间、一定温度的保温后，实现在原子尺度上的冶金结合；通过调整真空度，能够防止材料发生氧化。进一步的，所述真空烧结的条件包括：升温速率为5-50℃/min，保温温度为650-1200℃，保温时间为0.5-1h，真空度为10-5-5
×
10-2
pa。
16.根据本发明的一些实施方式，所述金属薄壁管与所述约束外壳之间不发生化学反应和物理扩散。约束外壳应具有足够的高温强度，确保约束外壳在高温(1000-3000℃)状态下不发生软化和开裂失效，以保证高温烧结过程中约束外壳能够始终约束金属薄壁管的自由膨胀。约束外壳的材料可以为高温强度高和高温热稳定性好的金属(例如高熔点的难熔金属钨、钼、铌、钽、锆等)、耐高温陶瓷(氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷等)、耐高温玻璃、耐高温塑料等，但不限于以上材料。
17.根据本发明的一些实施方式，所述约束外壳的形状包括但不限于方块形、圆柱形、棱柱形、六边形或八边形。约束外壳的尺寸应根据若干金属薄壁管阵列排布的尺寸进行选择匹配，以保证二者之间的过盈配合。
18.根据本发明的一些实施方式，所述排布主要按照具体工程需求来设计确定，可以是矩形阵列排布、六边形阵列排布或梯形阵列排布等，也可以是将形状不同的金属薄壁管，和/或管孔尺寸不同的金属薄壁管，和/或壁厚不同的金属薄壁管相互交错排列形成周期或梯度结构等。
19.根据本发明的一些实施方式，在进行所述排布前，还包括采用清洗剂对所述金属薄壁管和约束外壳进行超声清洗，干燥的步骤。超声清洗可除去表面的油污和杂质。
20.根据本发明的一些实施方式，在进行所述排布前，还包括在所述约束外壳的内壁喷涂脱模剂的步骤。脱模剂能够进一步避免约束外壳和金属薄壁管产生部分粘接，方便除去约束外壳。脱模剂可以选自不与金属薄壁管发生发应的耐热性脱模剂，如氮化硼、碳化硅等。
21.根据本发明的一些实施方式，在进行所述真空烧结前，还包括将所述预制体进行预压紧的步骤，所述预压紧的过程为：在所述金属薄壁管与约束外壳之间嵌入片状约束材料；所述片状约束材料的热膨胀系数＜所述金属薄壁管的热膨胀系数，所述片状约束材料与所述金属薄壁管之间不发生化学反应和物理扩散。通过预压紧可以使相邻金属薄壁管的管壁之间在不发生塑性变形的基础上产生初始挤压力，能进一步保证约束外壳内部的各金属薄壁管之间，以及最外层金属薄壁管与约束外壳之间更加紧密贴合。可以采用相关仪器(如压力传感器)检验相邻金属薄壁管之间的压紧力，检验预压紧合格的标准是：当相邻金属薄壁管之间的压紧力接近金属薄壁管材料的塑性屈服强度，且在自由状态下无法从约束外壳内直接取出金属薄壁管。预压紧应该在不超过金属薄壁管屈服强度的前提下进一步保证金属薄壁管之间紧密贴合，使金属薄壁管与约束外壳之间形成过盈配合。具体的，可以在最外层管壁和约束外壳内壁之间嵌入片状约束材料，以进一步对约束外壳中的金属薄壁管整体进行固定。片状约束材料的成分与约束外壳的成分相同或不同。片状约束材料为耐高温材料，可以为耐高温陶瓷片、耐高温玻璃片、耐高温塑料片等，确保片状约束材料在高温(1000-3000℃)状态下不发生软化和开裂失效，这样在加热过程会由于受热膨胀使金属薄壁管之间更为紧密地贴合。
22.本发明第二方面提供了一种金属薄壁管阵列多孔材料，由上述实施方式所述的一
次性整体冶金连接方法制得。
23.本发明第三方面提供了上述第二方面所述的金属薄壁管阵列多孔材料在吸能缓冲，和/或电磁屏蔽，和/或隔热，和/或隔音方面的应用。
24.相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
25.1)本发明一次性整体冶金连接方法充分利用了约束外壳材料与金属薄壁管材料的热膨胀系数的差异，真空烧结过程由于金属薄壁管的膨胀程度大于约束外壳，膨胀受到约束外壳的限制，造成相邻金属薄壁管管壁之间相互挤压，从而引起管壁接触面积的增大，增加了原子在管壁之间的扩散通量，原子扩散速率增大，增大了管壁之间的连接面积，最终实现了金属薄壁管阵列多孔材料的高强度一次性整体冶金连接；本发明一次性整体冶金连接方法操作简便，能够实现对各种尺寸的金属薄壁管的高效冶金连接，特别是对尺寸小(管孔尺寸≤5mm)、壁厚薄(壁厚≤0.5mm)的金属薄壁管的高效冶金连接，所制得的金属薄壁管阵列多孔材料具备良好的力学性能和能量吸收能力。
26.2)本发明一次性整体冶金连接方法通过管壁与管壁的贴合实现相邻金属薄壁管直接的冶金连接，并形成阵列结构，在管壁与管壁之间不需要添加任何金属或者陶瓷粉末、块体、薄片等第三类用于实现管与管冶金连接的物质，能够避免管壁与管壁之间通过填充粉末进行烧结连接存在的强度低、粉体易脱落、成形性差、工艺流程复杂等弊端；同时也不需要使用纤维材料对金属薄壁管进行排列固定，流程简单、成本低、操作难度系数小，也更加易于实现。
27.3)本发明一次性整体冶金连接方法利用真空烧结的方式来实现金属薄壁管的彼此冶金连接，在烧结的过程中，金属薄壁管阵列整体始终处于真空状态和相同的温度环境中，薄壁管阵列在不同位置的温度场均匀，避免了传统制备方法由于温度不均而带来的热应力问题以及制备过程带来的金属管薄壁氧化问题。
28.4)本发明一次性整体冶金连接方法在解决传统制备工艺存在的问题基础上，能有效解决当前对于尺寸小(管孔尺寸≤5mm)、壁厚薄(壁厚≤0.5mm)的毛细金属薄壁管的连接制备难度大，薄壁管之间界面连接强度低、力学性能不足的问题，能够实现金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体原位冶金结合与成型，实现对尺寸较小的毛细金属薄壁管的高效、高质量冶金连接，为小尺寸金属薄壁管的连接制备奠定了基础。
附图说明
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
30.图1为本发明的制备工艺路线图；
31.图2为本发明的制备工艺流程简图(以圆形金属薄壁管为例)；
32.图3为本发明实施例1的金属薄壁管排布于约束外壳中的结构示意图；
33.图4为本发明实施例1的预制体进行预压紧后的结构示意图；
34.图5为本发明实施例1制得的金属薄壁管阵列多孔材料的实物图；
35.图6为本发明实施例1制得的金属薄壁管阵列多孔材料的应力-应变曲线图；
36.图7为本发明实施例2的金属薄壁管排布于约束外壳中的结构示意图；
37.图8为本发明实施例3的金属薄壁管排布于约束外壳中的结构示意图；
38.图9为本发明实施例4的金属薄壁管排布于约束外壳中的结构示意图；
39.图10为本发明实施例5的金属薄壁管排布于约束外壳中的结构示意图；
40.图11为本发明实施例6的金属薄壁管排布于约束外壳中的结构示意图。
具体实施方式
41.以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
42.实施例1
43.参照图1和图2，本实施例提供了一种由相同规格的铝薄壁管相互连接形成的铝薄壁管矩形阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，具体包括以下步骤：
44.1)准备圆形铝薄壁管30根，圆形铝薄壁管中的化学成分al的含量≥99％，单根管的规格：长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.3mm；刚玉材质的方形约束外壳，其主要成分为al2o3，方形约束外壳的内框的长度为12mm、宽度为10mm、高度为10mm，方形约束外壳的壁厚为1mm，允许存在
±
0.1mm的公差以保证圆形铝薄壁管与方形约束外壳进行配合时处于过盈配合。
45.2)用丙酮、无水乙醇对准备的圆形铝薄壁管以及方形约束外壳进行超声清洗20分钟，除去表面的油污以及杂质，然后放入真空干燥箱中，在80℃真空环境下干燥30分钟。
46.3)将圆形铝薄壁管按照图3所示5
×
6的阵列方式填充进方形约束外壳中进行限位固定，填充时圆形铝薄壁管竖直插入，在方形约束外壳的内框的长度方向每列排布6根圆形铝薄壁管，宽度方向每列排布5根圆形铝薄壁管，保证形成完整的矩形阵列排布模式，得到预制体；
47.4)对预制体进行预压紧，如图4所示，可将若干片壁厚为0.05mm、长为12mm和宽为10mm的刚玉片嵌入至薄壁管组和约束外壳内壁之间，预紧时观察薄壁管变形情况，使用压力传感器检测薄壁管之间的预紧力大小，保证管壁之间处于相同挤压状态。
48.5)将约束好的预制体整体放入真空烧结炉内进行真空烧结，烧结炉内的真空度为6
×
10-3
pa，以5℃/min的升温速率将温度升至650℃，在该温度下保温0.5h；选择接近al熔点的温度能最大程度保证原子扩散率，且在这一阶段，圆形铝薄壁管因受热产生膨胀而又受到方形约束外壳的约束限制，管壁之间会贴合更加紧密，相邻管壁界面的接触面积增大，从而进一步加快了原子之间的扩散速率，实现管壁间在原子尺度上的冶金结合。
49.6)随炉冷却至室温后，将预制体从烧结炉内取出，除去方形约束外壳，最终获得由圆形铝薄壁管相互连接形成的铝薄壁管矩形阵列多孔材料，其实物图如图5所示。
50.对本实施例制得的铝薄壁管矩形阵列多孔材料进行扫描电镜和有限元模拟仿真对比测定，得到相邻薄壁管之间的连接面积为2.02mm2，相邻薄壁管之间的挤压应力为72.10mpa。
51.对本实施例制得的铝薄壁管矩形阵列多孔材料进行物理性能、力学性能、孔洞变形和吸能能力的分析；通过万能力学试验机对本实施例制得的铝薄壁管矩形阵列多孔材料进行面内(沿孔洞径向)和面外(沿管壁轴向)方向的准静态压缩实验，得到应力-应变曲线，并分析其力学性能和能量吸收情况，其测试指标包括但不限于质量、相对密度、孔隙率、初始塑性屈服应力、平台应力、总吸能、平均压馈力、比吸能等。本实施例制得的铝薄壁管矩形
阵列多孔材料测试出的准静态压缩应力-应变曲线如图6所示，从图6中可以看出该材料拥有很长的平台期，因此具有十分优异的能量吸收能力。经计算可以得到其面内压缩的比吸能为7.17kj/kg，面外压缩的比吸能为30.00kj/kg；面内压缩的初始塑性屈服应力为1.61mpa，面外压缩的初始塑性屈服应力为15.51mpa；面内压缩的平均压馈力为9.69mpa，面外压缩的平均压馈力为40.48mpa；面内压缩的总吸能为6.71mj/m3，面外压缩的总吸能为40.48mj/m3。
52.实施例2
53.本实施例提供了一种由相同规格的铝薄壁管相互连接形成的铝薄壁管正六边形阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，具体包括以下步骤：
54.1)准备圆形铝薄壁管19根，圆形铝薄壁管中的化学成分al的含量≥99％，单根管的规格：长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.1mm；刚玉材质的正六边形约束外壳，其主要成分为al2o3，正六边形约束外壳的内框的边长为5.2mm、高度为10mm，正六边形约束外壳的壁厚为1mm，允许存在
±
0.1mm的公差以保证圆形铝薄壁管与正六边形约束外壳进行配合时处于过盈配合。
55.2)用丙酮、无水乙醇对准备的圆形铝薄壁管以及正六边形约束外壳进行超声清洗20分钟，除去表面的油污以及杂质，然后放入真空干燥箱中，在80℃真空环境下干燥30分钟。
56.3)将圆形铝薄壁管按照图7所示的正六边形排布方式填充进正六边形约束外壳中进行限位固定，按照由上到下“3-4-5-4-3”管数量的形式逐层填充于正六边形约束外壳中，保证连接两两相邻的三根管的圆心都能形成一个正三角形，形成完整的正六边形阵列排布模式；通过过盈配合的方式，相邻薄壁管之间存在一定预紧力，通过检测预紧力的大小，保证管壁之间处于相同挤压状态。
57.4)将步骤3)中约束好的预制体整体放入真空烧结炉内进行真空烧结，烧结炉内的真空度为5
×
10-2
pa，以5℃/min的升温速率将温度升至650℃，在该温度下保温0.5h；在这一阶段，圆形铝薄壁管因受热产生膨胀而又受到正六边形约束外壳的约束限制，管壁之间会贴合更加紧密，相邻管壁界面的接触面积增大，从而进一步加快了原子之间的扩散速率，实现管壁间在原子尺度上的冶金结合。
58.5)随炉冷却至室温后，将预制体从烧结炉内取出，除去正六边形约束外壳，最终获得由圆形铝薄壁管相互连接形成的铝薄壁管正六边形阵列多孔材料。
59.实施例3
60.本实施例提供了一种由相同规格的不锈钢薄壁管相互连接形成的不锈钢薄壁管方形阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，具体包括以下步骤：
61.1)准备方形316l不锈钢薄壁管30根，单根管的规格：长度为10mm、外边长为2mm、管壁厚度为0.3mm；刚玉材质的方形约束外壳，其主要成分为al2o3，方形约束外壳的内框的长度为12mm、宽度为10mm、高度为10mm，方形约束外壳的壁厚为1mm，允许存在
±
0.1mm的公差以保证方形316l不锈钢薄壁管与方形约束外壳进行配合时处于过盈配合。
62.2)用丙酮、无水乙醇对准备的方形316l不锈钢薄壁管以及方形约束外壳进行超声清洗20分钟，除去表面的油污以及杂质，然后放入真空干燥箱中，在80℃真空环境下干燥30分钟。
63.3)将方形316l不锈钢薄壁管按照图8所示5
×
6的阵列方式填充进方形约束外壳中进行限位固定，填充时方形316l不锈钢薄壁管竖直插入，在方形约束外壳的内框的长度方向每列排布6根方形316l不锈钢薄壁管，宽度方向每列排布5根方形316l不锈钢薄壁管，保证形成完整的矩形阵列排布模式，得到预制体；由于存在过盈配合，产生预紧力，检测预紧力大小，保证管壁之间以相同初始的挤压力紧密贴合。
64.4)将步骤3)中约束好的预制体整体放入真空烧结炉内进行真空烧结，烧结炉内的真空度为4
×
10-2
pa，以5℃/min的升温速率将温度升至1150℃，在该温度下保温1h；在这一阶段，方形316l不锈钢薄壁管因受热产生膨胀而又受到方形约束外壳的约束限制，管壁之间会贴合更加紧密，相邻管壁界面的接触面积增大，从而进一步加快了原子之间的扩散速率，实现管壁间在原子尺度上的冶金结合。
65.5)随炉冷却至室温后，将预制体从烧结炉内取出，除去方形约束外壳，最终获得由方形316l不锈钢薄壁管相互连接形成的不锈钢薄壁管方形阵列多孔材料。
66.实施例4
67.本实施例提供了一种由不同形状的不锈钢薄壁管相互连接形成的不锈钢薄壁管周期阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，具体包括以下步骤：
68.1)准备方形316l不锈钢薄壁管10根，长度为10mm、外边长为2mm、管壁厚度为0.3mm；圆形316l不锈钢薄壁管10根，长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.3mm；正八边形316l不锈钢薄壁管10根，长度为10mm、外边总长宽均为2mm、管壁厚度为0.3mm；刚玉材质的方形约束外壳，其主要成分为al2o3，方形约束外壳的内框的长度为12mm、宽度为10mm、高度为10mm，方形约束外壳的壁厚为1mm，允许存在
±
0.1mm的公差以保证方形316l不锈钢薄壁管与方形约束外壳进行配合时处于过盈配合。
69.2)用丙酮、无水乙醇对准备的方形316l不锈钢薄壁管以及方形约束外壳进行超声清洗20分钟，除去表面的油污以及杂质，然后放入真空干燥箱中，在80℃真空环境下干燥30分钟。
70.3)将上述三种形状的不锈钢薄壁管按照图9所示的阵列方式填充进方形约束外壳中进行限位固定，从左到右按照奇数列“方管-八边形管-圆管”、偶数列“八边形管-圆管-方管”的周期排布方式进行填充，这样能够保证任意相邻的两根管均不是同一形状的管，能够让不同形状管之间的相互作用效应更显著，由于存在过盈配合，产生预紧力，检测预紧力大小，保证管壁之间以相同初始的挤压力紧密贴合。
71.4)将步骤3)中约束好的预制体整体放入真空烧结炉内进行真空烧结，烧结炉内的真空度为3
×
10-2
pa，以5℃/min的升温速率将温度升至1150℃，在该温度下保温1h；在这一阶段，方形316l不锈钢薄壁管因受热产生膨胀而又受到方形约束外壳的约束限制，管壁之间会贴合更加紧密，相邻管壁界面的接触面积增大，从而进一步加快了原子之间的扩散速率，实现管壁间在原子尺度上的冶金结合。
72.5)随炉冷却至室温后，将预制体从烧结炉内取出，除去方形约束外壳，最终获得由三种不同形状的不锈钢薄壁管相互连接形成的不锈钢薄壁管周期阵列多孔材料。
73.实施例5
74.本实施例提供了一种由不同孔径的钛薄壁管相互连接形成的钛薄壁管矩形阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，具体包括以下步骤：
75.1)准备圆形钛薄壁管24根，其中长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.3mm的小管18根，长度为10mm、外径为4mm、管壁厚度为0.3mm的大管6根；刚玉材质的方形约束外壳，其主要成分为al2o3，方形约束外壳的内框的长度为13.3mm、宽度为12mm、高度为10mm，方形约束外壳的壁厚为1mm，允许存在
±
0.1mm的公差以保证圆形钛薄壁管与方形约束外壳进行配合时处于过盈配合。
76.2)用丙酮、无水乙醇对准备的圆形钛薄壁管以及方形约束外壳进行超声清洗20分钟，除去表面的油污以及杂质，然后放入真空干燥箱中，在80℃真空环境下干燥30分钟。
77.3)将上述不同孔径的圆形钛薄壁管按照图10所示的交错排布方式填充进方形约束外壳中进行限位固定，按照“小管-大管-小管-大管-小管”的形式逐层排布，每根大管的上下层均相切两根小管，形成两种孔径的钛薄壁管的梯度交错形式；通过过盈配合的方式，管与管之间存在一定预紧力，通过检测预紧力的大小，保证管壁之间处于相同挤压状态。
78.4)将步骤3)中约束好的预制体整体放入真空烧结炉内进行真空烧结，烧结炉内的真空度为2
×
10-2
pa，以5℃/min的升温速率将温度升至1200℃，在该温度下保温1h；在这一阶段，圆形钛薄壁管因受热产生膨胀而又受到方形约束外壳的约束限制，管壁之间会贴合更加紧密，相邻管壁界面的接触面积增大，从而进一步加快了原子之间的扩散速率，实现管壁间在原子尺度上的冶金结合。
79.5)随炉冷却至室温后，将预制体从烧结炉内取出，除去方形约束外壳，最终获得由不同孔径的圆形钛薄壁管相互连接形成的圆形钛薄壁管矩形阵列多孔材料。
80.实施例6
81.本实施例提供了一种由不同管壁厚度的圆形铜薄壁管相互连接形成的圆形铜薄壁管矩形阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，具体包括以下步骤：
82.1)准备圆形圆形铜薄壁管63根，其中长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.5mm的大壁厚管21根，长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.3mm的中壁厚管21根，长度为10mm、外径为2mm、管壁厚度为0.15mm的小壁厚管21根；刚玉材质的方形约束外壳，其主要成分为al2o3，方形约束外壳的内框的长度为18mm、宽度为14mm、高度为10mm，方形约束外壳的壁厚为1mm，允许存在
±
0.1mm的公差以保证圆形钛薄壁管与方形约束外壳进行配合时处于过盈配合。
83.2)用丙酮、无水乙醇对准备的不同管壁厚度的圆形铜薄壁管以及方形约束外壳进行超声清洗20分钟，除去表面的油污以及杂质，然后放入真空干燥箱中，在80℃真空环境下干燥30分钟。
84.3)将上述不同管壁厚度的圆形铜薄壁管按照图11所示的9
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7阵列形式排布方式填充进方形约束外壳中进行限位固定，按照从下到上“第一层小壁厚管-第二层中壁厚管-第三层大壁厚管”的周期梯度形式逐层排布，在方形约束外壳中保证形成完整的矩形阵列排布模式，由于存在过盈配合，管与管之间存在一定预紧力，检测预紧力大小，保证管壁之间以相同初始挤压力紧密贴合。
85.4)将步骤3)中约束好的预制体整体放入真空烧结炉内进行真空烧结，烧结炉内的真空度为10-2
pa，以5℃/min的升温速率将温度升至900℃，在该温度下保温1h；选择接近金属cu熔点的温度能最大程度保证原子扩散率，且在这一阶段，圆形铜薄壁管因受热产生膨胀而又受到方形约束外壳的约束限制，管壁之间会贴合更加紧密，相邻管壁界面的接触面
积增大，从而进一步加快了原子之间的扩散速率，实现管壁间在原子尺度上的冶金结合。
86.5)随炉冷却至室温后，将预制体从烧结炉内取出，除去方形约束外壳，最终获得由不同管壁厚度的圆形铜薄壁管相互连接形成的圆形铜薄壁管矩形阵列多孔材料。
87.对实施例2-6制得的金属薄壁管阵列多孔材料分别进行各项性能测试(测试所需的仪器和方法同实施例1)，实施例2-6制得的金属薄壁管阵列多孔材料均具备良好的力学性能和能量吸收能力。
88.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，包括以下步骤：将若干金属薄壁管以阵列方式排布于约束外壳中，并通过所述约束外壳对若干金属薄壁管进行限位固定，得到预制体；将所述预制体进行真空烧结，除去所述约束外壳，得到金属薄壁管阵列多孔材料；其中，相邻的所述金属薄壁管的管壁之间贴合连接；所述金属薄壁管的管壁与所述约束外壳的内壁贴合连接；所述约束外壳的热膨胀系数＜所述金属薄壁管的热膨胀系数。2.根据权利要求1所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，所述金属薄壁管的管孔尺寸≤200mm，所述金属薄壁管的管壁厚度≤10mm。3.根据权利要求2所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，所述金属薄壁管的管孔尺寸≤5mm，所述金属薄壁管的管壁厚度≤0.5mm。4.根据权利要求1所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，所述真空烧结的条件包括：升温速率为1-200℃/min，保温温度为300-3000℃，保温时间为0.5-5h，真空度≤5
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10-2
pa。5.根据权利要求4所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，所述真空烧结的条件包括：升温速率为5-50℃/min，保温温度为650-1200℃，保温时间为0.5-1h，真空度为10-5-5
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10-2
pa。6.根据权利要求1所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，所述金属薄壁管与所述约束外壳之间不发生化学反应和物理扩散。7.根据权利要求1所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，在进行所述排布前，还包括在所述约束外壳的内壁喷涂脱模剂的步骤。8.根据权利要求1所述的一次性整体冶金连接方法，其特征在于，在进行所述真空烧结前，还包括将所述预制体进行预压紧的步骤，所述预压紧的过程为：在所述金属薄壁管与约束外壳之间嵌入片状约束材料；所述片状约束材料的热膨胀系数＜所述金属薄壁管的热膨胀系数，所述片状约束材料与所述金属薄壁管之间不发生化学反应和物理扩散。9.一种金属薄壁管阵列多孔材料，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的一次性整体冶金连接方法制得。10.权利要求9所述的金属薄壁管阵列多孔材料在吸能缓冲，和/或电磁屏蔽，和/或隔热，和/或隔音方面的应用。

技术总结
本发明属于多孔材料技术领域，公开了一种金属薄壁管阵列多孔材料的一次性整体冶金连接方法。该一次性整体冶金连接方法为：将若干金属薄壁管以阵列方式排布于约束外壳中，并通过约束外壳对若干金属薄壁管进行限位固定，得到预制体；将预制体进行真空烧结，除去约束外壳，得到金属薄壁管阵列多孔材料；相邻的金属薄壁管的管壁之间贴合连接；金属薄壁管的管壁与约束外壳的内壁贴合连接；约束外壳的热膨胀系数＜金属薄壁管的热膨胀系数。该一次性整体冶金连接方法简单高效、操作难度小、成本低、孔洞结构可调，且有效解决了小尺寸薄壁型(管孔尺寸≤5mm、壁厚≤0.5mm)金属薄壁管连接难度大、薄壁管之间界面连接强度低、力学性能不足等缺陷。等缺陷。等缺陷。


技术研发人员：徐志刚 黄庚强 王传彬 彭健 沈强 张联盟
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/20