熔模法制備通孔泡沫金屬的研究現(xiàn)狀

李　杰，游曉紅，王錄才，張河清（太原科技大學(xué)，山西太原　030024）

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·綜 述·

熔模法制備通孔泡沫金屬的研究現(xiàn)狀

李杰，游曉紅，王錄才，張河清
（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

摘要：通孔泡沫金屬一般具有較高的孔隙率，較大的比表面積，和較均勻的孔結(jié)構(gòu)。通孔泡沫金屬可應(yīng)用于流體透過，強(qiáng)制對(duì)流散熱，催化劑載體和電磁屏蔽等許多領(lǐng)域。熔模法是制備通孔泡沫金屬的一種重要方法?；谌勰ｈT造法，利用可溶石膏型，使金屬液在壓力下流入石膏型的縫隙中，凝固冷卻除去石膏后得到通孔泡沫金屬。本文綜述了通孔泡沫金屬的熔模法制備工藝及其結(jié)構(gòu)特征的研究現(xiàn)狀，提出了亟需解決的問題及以后的研究方向。

關(guān)鍵詞：可溶石膏型，聚氨酯母體，孔棱厚度，泡沫金屬

泡沫金屬是一種結(jié)構(gòu)功能一體化的新型金屬材料。其結(jié)構(gòu)可以理解為金屬基體相與氣體相的復(fù)合結(jié)構(gòu)，根據(jù)氣體相是否貫通可分為通孔型和閉孔型，氣體相貫通即為通孔型，氣體相不貫通即為閉孔型。表征泡沫金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)有：孔隙率（或相對(duì)密度），孔徑，比表面積。孔隙率是指氣體相所占體積分?jǐn)?shù)的多少，相應(yīng)的，相對(duì)密度是指基體相所占體積分?jǐn)?shù)的多少；孔徑是一個(gè)平均化的指標(biāo)，即氣相的體積除以孔的個(gè)數(shù)；比表面積是指單位體積或單位質(zhì)量物體所具有的表面積。特殊的結(jié)構(gòu)意味著特殊的功能。泡沫金屬的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可被用作交通工具上的結(jié)構(gòu)件，建筑材料等；泡沫金屬的通孔結(jié)構(gòu)加以強(qiáng)制對(duì)流可用于需要加強(qiáng)散熱的場(chǎng)合；泡沫金屬的空隙可作為化學(xué)反應(yīng)的空間，而基體則作為催化劑的載體；再加上金屬基體所具有的電學(xué)，磁學(xué)，聲學(xué)性能，更加擴(kuò)大了泡沫金屬的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

通孔泡沫金屬是指氣體相貫通的泡沫金屬。相對(duì)于閉孔泡沫金屬來說，通孔泡沫金屬具有孔隙率高，強(qiáng)度較低，表面積較大等特點(diǎn)，有許多特別的功能，例如流體透過，強(qiáng)制對(duì)流散熱，催化劑載體和電磁屏蔽。高孔隙率的泡沫金屬一般都是通孔型的，而通孔泡沫金屬不一定具有高的孔隙率。本文旨在總結(jié)前人對(duì)熔模法通孔泡沫金屬的研究現(xiàn)狀。

1　通孔泡沫金屬的熔模法制備工藝

熔模鑄造的工藝流程主要是制模，制殼（芯），熔模澆注等。首先選用合適的模料，通過一定方法成型為模樣，在模樣內(nèi)外表面浸涂上耐火涂料，再在內(nèi)外表面加上一層砂粒使模樣表面形成一定厚度的型殼和型芯，或者直接使用石膏等可溶性型芯使型殼型芯一體化。型殼（芯）硬化干燥后，進(jìn)行焙燒脫模，經(jīng)預(yù)熱后澆注金屬液，冷卻凝固后去除型殼，得到與模樣在形狀尺寸上完全一致的鑄件。利用熔模精密鑄造技術(shù)可以鑄造各種合金材料，尤其對(duì)形狀復(fù)雜，大型，薄壁的鑄件很有優(yōu)勢(shì)。

如圖1，以泡沫鋁為例說明熔模鑄造法制備泡沫金屬的步驟。熔模鑄造法以其工藝成熟，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)吸引了泡沫金屬研究者的注意。理論上，熔模鑄造法可以制備出任何相對(duì)密度的均勻分布的一定孔徑范圍內(nèi)的通孔泡沫金屬材料。首先，泡沫母體的結(jié)構(gòu)好壞決定著最終泡沫金屬的結(jié)構(gòu)和性能；其次，熔模鑄造所用的鑄型材料和鑄造工藝直接影響著泡沫金屬的幾何公差和表面粗糙度。

圖1　 熔模鑄造工藝流程

1.1泡沫模樣處理技術(shù)

泡沫金屬所用泡沫模樣一般為高分子聚合物，可以分為規(guī)則型和不規(guī)則型。

規(guī)則型泡沫模樣是專門為熔模法生產(chǎn)泡沫金屬制備的模樣，這類模樣是利用計(jì)算機(jī)造型技術(shù)設(shè)計(jì)并通過快速成型技術(shù)制備出來的，具有規(guī)則的孔形和周期性的孔穴排列。規(guī)則型泡沫模樣來自于泡沫材料的模型。泡沫模樣的優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)計(jì)泡沫的結(jié)構(gòu)，而且使實(shí)際情形和模擬情形達(dá)到了高度的一致，因此可以通過先期模擬來優(yōu)化泡沫材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，力學(xué)性能和其他性能也得到了優(yōu)化；缺點(diǎn)是成本高昂，制備時(shí)間長(zhǎng)。

不規(guī)則型泡沫模樣多采用聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫是聚氨酯經(jīng)過發(fā)泡得到的。聚氨酯泡沫的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是聚氨酯的筋太細(xì)，制備時(shí)難以充型，即使制備成功強(qiáng)度也不高。而泡沫金屬就是泡沫聚氨酯的復(fù)型，因此要想在此基礎(chǔ)上制備更高相對(duì)密度的泡沫金屬就必須對(duì)泡沫聚氨酯的孔棱進(jìn)行加粗處理，處理次數(shù)不同，孔棱加粗的程度也不同，改變之后的相對(duì)密度也就不同。通過調(diào)節(jié)一次加粗的量和加粗的次數(shù)可以對(duì)相對(duì)密度進(jìn)行定量控制。東南大學(xué)的張偉開利用加粗處理后的聚氨酯成功制備出高孔隙率（ε=92%～98%）的海綿鋁（以下稱泡沫金屬），并分析了泡沫金屬骨架所遵循的拓?fù)湟?guī)律和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。開孔泡沫金屬獨(dú)立孔穴的面數(shù)f，棱數(shù)e，和頂點(diǎn)數(shù)v復(fù)合Euler定律f-e+v=2.文中提到處理聚氨酯骨架，但是并沒有給出具體的方法[2]。德國魯爾大學(xué)的Alexander Martin Matz等詳述了孔棱加粗的實(shí)驗(yàn)方法，孔棱處理的方法主要有三個(gè)步驟：噴膠，撒粉，加熱處理；做了相應(yīng)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的表征，對(duì)于大直徑的粉末來說，Sst，x≈dp·nth+Sst，0；對(duì)于小 直 徑的粉 末來說，公式中Sst，x表示處理x次后孔棱的直徑，dp為粉末直徑，nth為處理次數(shù)，Sst，0表示未處理時(shí)的孔棱直徑。圖2為作者利用此方法制備出的不同孔隙率的AlZn11泡沫體[3]。

圖2　熔模鑄造法制備的不同空隙率的泡沫AlZn11

1.2灌漿材料選擇

泡沫金屬制備時(shí)型殼材料的選擇主要決定于金屬液的澆注溫度。若為鋁液，金屬鋁的澆注溫度較低，一般選擇石膏為耐火材料，泡沫結(jié)構(gòu)需要型殼容易破壞，所以應(yīng)該提高石膏的潰散性，在石膏中加入MgSO4以提高其潰散性[4]。石膏型的烘干強(qiáng)度需要保證金屬液澆注時(shí)其形狀和尺寸的完整性。王蘭馨等人在石膏型中分別添加氧化鈣、聚丙烯酰胺、甲基纖維素、玻璃纖維四種添加劑，研究加入添加劑后石膏型在室溫下抗拉強(qiáng)度及烘干過程中的抗拉強(qiáng)度變化。分析了烘干過程中石膏型抗拉強(qiáng)度隨烘干時(shí)間、失水率的變化規(guī)律，并與石膏型在微波烘干過程的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析[5]。對(duì)于澆注溫度在1 200℃～1 500℃之間的金屬應(yīng)選擇牙科鑄造所用的磷酸鹽基耐火材料，由于耐火材料在1 000℃左右會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)及分解反應(yīng)，因此不適合于工業(yè)鑄造金屬，只適合于不易腐蝕的裝飾貴金屬及其合金[6]。

1.3金屬基體增強(qiáng)處理

熔模法制備泡沫金屬的增強(qiáng)處理包括變質(zhì)處理，熱處理和添加SiC顆粒得到復(fù)合材料泡沫。變質(zhì)處理是在鋁合金熔煉時(shí)加入變質(zhì)劑。吳進(jìn)等人研究了變質(zhì)處理和熱處理對(duì)ZL101泡沫金屬合金壓縮吸能性的影響，認(rèn)為變質(zhì)劑使泡沫金屬合金凝固時(shí)晶粒得到細(xì)化[7]。曹曉卿等人研究了熱處理對(duì)泡沫金屬合金力學(xué)性能及吸能性的影響。通常變質(zhì)處理與熱處理結(jié)合進(jìn)行，目的是提高泡沫金屬的強(qiáng)度[8]。EkkADAK WICHIANRATL等人向AC3A鋁合金中添加SiC顆粒得到復(fù)合材料泡沫，將SiC顆粒嵌入在孔棱基體及表面中，得到復(fù)合材料泡沫，從而改善泡沫金屬的力學(xué)性能[9]。

泡沫鋁合金熱處理要求基體材料為亞共晶鋁硅合金，因此，鑄造性能良好的ZL102不能用熱處理的方法得到強(qiáng)化。

2　通孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)特征

2.1通孔泡沫金屬的孔結(jié)構(gòu)

具有較低相對(duì)密度的開孔泡沫金屬一般以三維網(wǎng)狀骨架形式出現(xiàn)。宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)有：孔隙率，孔徑，孔形狀各向異性率，比表面積。微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)有：孔棱厚度，孔棱長(zhǎng)度，面的連接因子，棱的連接因子，空穴的平均面數(shù)，空穴的平均棱數(shù)。

要想準(zhǔn)確評(píng)價(jià)泡沫金屬，就要測(cè)量以上各種宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)，有些參數(shù)可以直接觀察到，有些需通過一些方法去測(cè)量，而有些參數(shù)是通過已得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的。張偉開等對(duì)以聚氨酯海綿制備的泡沫金屬進(jìn)行了孔結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治?，認(rèn)為無論孔穴的形狀是怎樣的，平均棱邊數(shù)均為5.如圖3所示，展示了面數(shù)不同的多面體孔穴。

2.2通孔泡沫金屬的結(jié)構(gòu)模型

圖3　面數(shù)不同的多面體孔穴

要對(duì)泡沫金屬進(jìn)行力學(xué)性能模擬就需要建立泡沫金屬模型，通過孔結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果可以為泡沫金屬模型的建立提供條件。如圖4，常用的模型有金剛石體模型，菱形十二面體模型和十四面體模型。通過對(duì)模型單元在三維空間上復(fù)制可以得出整體的泡沫金屬模型。再利用Ansys等力學(xué)模擬軟件模擬泡沫金屬的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。楊思一等以金剛石結(jié)構(gòu)為模型，研究了規(guī)則孔型多孔結(jié)構(gòu)材料等效模量，得到相對(duì)等效彈性模量與相對(duì)密度呈二次多項(xiàng)式變化[10]。石上路等基于十四面體研究了開孔泡沫材料的彈性模量，分析了相對(duì)彈性模量隨模型體胞數(shù)以及不同截面而變化的關(guān)系[11]。

圖4　常用的泡沫金屬模型

3　存在的問題與展望

1）熔模鑄造制備泡沫金屬所用的聚氨酯母體多為高孔隙率低相對(duì)密度，網(wǎng)狀骨架的筋特別細(xì)，鋁液滲流時(shí)阻力較大，較難充型。

2）通孔泡沫金屬的模型有很多種，不同的制備方法制備出來的泡沫金屬應(yīng)該運(yùn)用與之對(duì)應(yīng)的模型，對(duì)模型與實(shí)際泡沫金屬的匹配是今后的一個(gè)研究方向。

3）前人對(duì)熔模法制備泡沫的研究要么只限于工藝上的可行性，要么只限于孔結(jié)構(gòu)的分析。通過孔棱加粗的處理能夠成制備出孔棱粗細(xì)不同的開孔泡沫金屬，這些泡沫金屬在性能上有何不同，如何系統(tǒng)構(gòu)建解釋高孔隙率開孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理論應(yīng)該是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

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中圖分類號(hào)：TG146.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6694（2016）01-0050-04

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.016

收稿日期：2015-08-29

作者簡(jiǎn)介：李杰（1990-），男，碩士研究生。

通訊作者：游曉紅（1965-），女，教授。

Research Status of Open Cell Metal Foams by Investment Casting

LI Jie，YOU Xiao-hong，WANG Lu-cai，ZHANG He-qing
（Taiyuan University of science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Abstract：The open cell metal foams has high porosity，large specific surface area and more uniform pore structure.They can been applied in many fields such as fluid filtration，thermal convection，catalyst carrier and electromagnetic shielding.The investment casting is one of the important methods to manufacture metal foams.Based on investment casting of soluble plaster mold，the metal liquid flows into the gap of the soluble plaster mold under the pressure，and the foam metal is obtained after solidification and cooling. In this paper，the research status of the manufacture technology and the structure characteristics of the metal foams are reviewed，and the problems to be solved and the future research direction are put forward.

Keywords：soluble plaster mold，polyurethane matrix，struts thickness，metal foams