鋁基多孔材料的反重力滲流鑄造制備及其相關(guān)性能研究.pdf

1、鋁基多孔材料的獨(dú)特金屬特點(diǎn)和孔隙特性使其兼具了功能材料與結(jié)構(gòu)材料的特征，因而其應(yīng)用前景廣闊。滲流鑄造法是目前鋁基多孔材料的重要制備方法，但傳統(tǒng)工藝難避免“滲流過(guò)度”與“滲流不足”等缺陷。為了解決現(xiàn)有滲流鑄造中存在的問(wèn)題，本文結(jié)合帕斯卡原理與壓力浸滲原理創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了反重力滲流鑄造系統(tǒng)，研究了反重力滲流鑄造工藝以及工藝參數(shù)的確定原則;采用該系統(tǒng)成功制備出了多孔鋁裸材、氧化鋁空心球/鋁基輕質(zhì)材料（即Al2O3k/Al材料）以及多孔鋁芯夾芯材

2、料等系列鋁基多孔材料，并研究了相關(guān)材料的力學(xué)、熱學(xué)與聲學(xué)性能，分析了導(dǎo)致反重力鑄造法與傳統(tǒng)工藝所制備多孔鋁材料性能方面差異的原因。所獲得的主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)設(shè)計(jì)的反重力滲流鑄造系統(tǒng)具有上下結(jié)構(gòu)，上面部分為滲流室，下面為加熱熔化室，加熱熔化室與滲流室之間通過(guò)導(dǎo)流部件連通，創(chuàng)新性地采用了石墨紙來(lái)保證系統(tǒng)各部分之間的密封;所設(shè)計(jì)滲流鑄造系統(tǒng)中，可包含一個(gè)以上不同尺寸的滲流室，從而可實(shí)現(xiàn)不同尺寸多孔金屬的間歇與半連續(xù)滲流生

3、產(chǎn);滲流室的有效滲流空間可根據(jù)滲流產(chǎn)品的尺寸需要來(lái)確定。
　　 (2)反重力滲流鑄造制備鋁基多孔材料的工藝主要包括基體金屬的熔化、造孔材料在滲流室的安裝與預(yù)熱、熔體自下而上加壓滲流進(jìn)入造孔材料的孔隙以及保壓結(jié)晶等步驟，該工藝所制備鋁基多孔材料幾乎沒(méi)有明顯的宏觀鑄造缺陷。反重力滲流法可實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷鑄造的根本原因是:熔體采用了自下而上的運(yùn)動(dòng)模式，以及鋁基熔體是在可控壓力下進(jìn)行的充型和結(jié)晶。
　　 (3)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)度及

4、剛度可滿足滲流鑄造要求的全新造孔材料MOD，它不僅易溶于水，而且其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)均高于氯化鈉與氯化鉀，更為重要的是該材料對(duì)基體金屬無(wú)腐蝕、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
　　 (4)系統(tǒng)對(duì)比研究了傳統(tǒng)滲流鑄造法與反重力滲流鑄造法所制備開(kāi)孔多孔鋁裸材的聲學(xué)與熱學(xué)性能。聲學(xué)性能研究表明，反重力滲流鑄造所得樣品在高頻段的吸聲性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)真空滲流法所制備材料，造成這個(gè)差別的根本原因是反重力滲流法使試樣中相鄰孔洞之間的連通空間減小;熱學(xué)性能研究

5、表明，在使用同一規(guī)格造孔粒子時(shí)，反重力滲流鑄造所制備試樣的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于傳統(tǒng)真空滲流法所制備樣品，這主要由于反重力滲流鑄造法所制備樣品的空隙度小、以及由于采用了保壓等工序使基體金屬更加結(jié)晶致密的原因。
　　 (5)采用氧化鋁空心球作為造孔材料，通過(guò)反重力滲流鑄造技術(shù)制備出了基本無(wú)宏觀鑄造缺陷的氧化鋁/鋁基輕質(zhì)復(fù)合材料（即Al2O3k/Al材料）;且還發(fā)現(xiàn)，滲流長(zhǎng)度隨熔體溫度和空心球預(yù)熱溫度的提高以及空心球粒徑的增大而增加，空隙

6、度隨著空心球粒徑的增大而降低;增加充型與保壓壓力、延長(zhǎng)保壓時(shí)間以及添加金屬M(fèi)g等均是改善滲流效果的有效手段。
　　 (6)對(duì)比研究Al2O3k/Al材料與多孔鋁裸材的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能后發(fā)現(xiàn)，兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出了包括線彈性階段、屈服平臺(tái)階段和密實(shí)化階段在內(nèi)的“三階段”特征，造孔粒子粒徑、相對(duì)密度與應(yīng)變速率等都是影響兩種材料壓縮性能的重要因素，所制備材料的屈服應(yīng)力和平臺(tái)應(yīng)力均隨造孔粒子粒徑的減小、材料相對(duì)密度的增大以及空

7、隙度的減小而增大;但是，Al2O3k/Al材料的屈服應(yīng)力和平臺(tái)應(yīng)力遠(yuǎn)大于多孔鋁裸材的，密實(shí)應(yīng)變相對(duì)多孔鋁裸材的略有減小。
　　 (7)設(shè)計(jì)并制造出了可制備出大尺寸鋁基多孔材料的裝備，所制備大尺寸鋁基多孔材料幾乎沒(méi)有宏觀鑄造缺陷;創(chuàng)造性地提出了由小尺寸造孔預(yù)制塊構(gòu)成大尺寸預(yù)制塊、來(lái)制備大尺寸鋁基多孔材料的方法，該法有效避免了大尺寸預(yù)制塊在搬運(yùn)過(guò)程中易碎的缺陷。
　　 (8)對(duì)大尺寸Al2O3k/Al芯夾芯材料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲

8、測(cè)試，同時(shí)還研究了該夾芯材料的彎曲破壞過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn):①夾芯材料表現(xiàn)出了由線彈性階段、彈塑性階段與失穩(wěn)階段構(gòu)成的經(jīng)典多孔鋁夾芯板的彎曲特性;②夾芯材料的失穩(wěn)段較長(zhǎng)，且其彎曲載荷高出Al2O3k/Al材料的一倍，達(dá)到了近18kN;夾芯材料的剛度超過(guò)了30kN/mm;③夾芯材料的彎曲破壞以芯部材料剪切開(kāi)裂破壞和表層面板彎曲破壞為主，破壞過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)面板與芯材界面的拉裂現(xiàn)象。芯材和表層面板之間實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合以及采用氧化鋁空心球作為造孔材料，