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1、孔連通泡沫鋁制備工藝研究

摘要

本文論述了泡沫鋁的制備技術(shù)、工藝原理、物理性能、國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景。通過(guò)計(jì)算，證明了可以利用填充粒子制備孔隙率為80%左右的泡沫鋁鑄件。根據(jù)毛細(xì)管原理計(jì)算建立了滲流鑄造法制備泡沫鋁合理的充型壓力。從傳熱學(xué)的角度，理論上計(jì)算了NaCl顆粒預(yù)熱溫度和鋁液澆注溫度范圍。根據(jù)NaCl顆粒在高溫下的燒結(jié)原理，制作了成型體。依據(jù)上述理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安裝了滲流鑄造法制備泡沫鋁的實(shí)驗(yàn)裝置。在充型壓力固定的前提下，采用正交試驗(yàn)方案，選擇三種不同粒徑NaCl顆粒，系統(tǒng)研究了粒子預(yù)熱溫度和鋁液澆注溫度對(duì)滲流鑄造制備孔連通泡沫鋁工藝特性的影響。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析和探討。認(rèn)為合理選擇NaCl顆粒預(yù)熱溫度是制備孔連通、高孔隙率、高有效長(zhǎng)度泡沫鋁試件的關(guān)鍵。適當(dāng)提高鋁液澆注溫度并增加顆粒尺寸有利于提高試件的有效長(zhǎng)度和孔隙率。通過(guò)工藝研究，研制出具有三維通孔、孔隙規(guī)則均勻、孔隙率高達(dá)80%、尺寸為φ30×60mm的泡沫鋁試件。

第一章緒論

1.1 綜述

近年來(lái)表面與界面起顯著作用的新型材料引起了科技界的廣泛重視，這些具有特殊物理現(xiàn)象和效應(yīng)的新型材料，在應(yīng)用上很有潛力，具有廣泛的發(fā)展前景。以較大孔徑及高孔隙率為特征的多孔泡沫金屬正是一種利用物理表面的新型物理功能材料。出于最初采用發(fā)泡法制備，故稱(chēng)為多泡性金屬。以后發(fā)展了滲流等制備方法，稱(chēng)之為通氣性金屬。目前更為合適的名稱(chēng)應(yīng)為多孔泡沫金屬，通常簡(jiǎn)稱(chēng)多孔金屬、泡沫金屬或多孔功能金屬。

這一類(lèi)利用物理表面性能的新型金屬功能材料，其應(yīng)用涉及物理學(xué)的很多重要領(lǐng)域：阻尼內(nèi)耗、聲學(xué)、熱物理、電磁學(xué)等。可用作緩沖器、減震器、除塵器、流休過(guò)濾器、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、消音器、多孔中極、高溫填料、可研磨墊圈、放熱器、熱交換器、消焰器及催化劑載 體等。并且其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。

一、泡沫金屬的制備

泡沫金屬的生產(chǎn)方法很多，主要包括以下幾種。

1. 鑄造法

(1)發(fā)泡工藝

該工藝是將發(fā)泡劑加入到金屬熔體中，加熱使發(fā)泡劑分解，產(chǎn)生氣體，氣體的膨脹使金屬熔體發(fā)泡，發(fā)泡完畢即被冷卻成泡沫體。為使金屬發(fā)泡，通常采用的發(fā)泡劑為金屬氫化物，如TiH?。該法控制較困難，而控制不當(dāng)所制得的泡沫金屬呈不均勻的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，大氣泡聚集在中心，急冷表面附近的氣泡密度會(huì)有所增加。

(2)顆粒澆注法(滲流鑄造法)

該法系通過(guò)對(duì)鑄模中的細(xì)顆粒進(jìn)行澆注而獲得一種互連的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或海綿狀金屬的方法。這些細(xì)顆粒可溶、耐熱(如氯化鈉),最終可通過(guò)溶解而使其從多孔金屬體中被除去。它也可以是易壓縮的無(wú)機(jī)材料塊料如多孔粘土、發(fā)泡玻璃球、空心剛玉球等等。

然而，大多數(shù)金屬(特別是鋁)的表面張力阻止金屬熔體直接流入顆粒間隙。這可通過(guò)在容器內(nèi)產(chǎn)生一低真空或在熔體上面輕微施壓來(lái)克服。另外，利用熔體一定程度的過(guò)熱或顆粒的預(yù)熱也可得到克服。該法不僅適用于鋁，也可用于鎂、鋅、鉛、錫與鑄鐵等，并且可獲得復(fù)雜形狀的鑄件。

(3)在熔體中摻入細(xì)粒

作為上述方法的替代辦法，也可將細(xì)粒加入到金屬熔體中，該法是將金屬在坩堝內(nèi)熔化后，把細(xì)顆粒加入其內(nèi)，強(qiáng)烈攪拌熔體，以使細(xì)顆粒在金屬熔體中均勻分散。在不斷攪拌的同時(shí)，讓熔體冷卻到具有足夠的粘性以防止產(chǎn)生偏析或分層現(xiàn)象。然后，停止攪拌使具有細(xì)顆粒的熔體凝固。

工業(yè)上把空心金屬球加入熔體中的有關(guān)技術(shù)是：首先將微粒狀的酚醛塑料在惰性氣體中加熱，并使其焦化，形成空心微小碳球；然后用氣相沉積方法在碳球上包覆一層金屬；最后，通過(guò)汽化使微粒狀金屬空心球去碳。該工藝大多用于難熔金屬，例如用鎢可制成直徑為60~80μm，壁厚為2μm的微粒子。

(4)失臘鑄造