基于珠球状NaCl制备的多孔金属孔结构控制及性能研究

摘要

泡沫金属有着诸如比表面积大、轻质、低模量、高比强度、高比刚度、能量吸收等优点，因而在航空航天、电化学、建筑工程、机械、医药、环保等领域被广泛应用。本文在珠球状NaCl制备基础上，结合造孔剂法制备开孔性泡沫金属，并对泡沫金属进行了机械性能调节实验，目的是为了克服大多数开孔性泡沫金属制备工艺带来的成本高、周期长、结构不理想及力学性能可控性差等常见问题。 将蒸馏水、淀粉、盐末按比例制取盐团，然后搅拌破碎并油浴处理，最后高温煅烧得到较高圆度、较高硬度，粒径分布为0.6~2.5mm的珠球状NaCl颗粒；SEM观察显示盐球呈椭球形，表面大量分布着13-18μm的毛细孔，实验表明这些微孔在盐球溶解时会产生毛细管作用，有助于造孔剂从坯体内部快速溶出，不会对多孔素坯形成损伤和残留。 通过添加造孔剂法制备泡沫铝、铜生坯，然后将坯体内部造孔剂溶解得到多孔素坯，在保护气氛下经0.7~0.8Tm烧结得到致密骨架的泡沫金属，并对泡沫金属的制备工艺、结构特征、物理性能进行讨论；对泡沫铜进行不同形式的机械性能调控，探究不同强化方式对复合多孔结构力学性能的改善和屈曲行为的影响；得出以下结果： （1）以震动填充的方式构筑多孔金属坯体，具有工艺稳定性好、结构重现性高、制备效率高、三维互联性良好、内部缺陷少、良好的普适性等优点，坯体胞洞排列紧密；多孔素坯径向上的孔洞致密度由边缘向圆心呈减小趋势；SEM显示连通孔尺寸大于150μm，且随造孔剂尺寸的增大窗口尺寸略有增加；素坯经烧结后存在不同程度的体积收缩，所得泡沫铝的孔隙率为77.15~78.28%，泡沫铜的孔隙率为83.56~85.37%。 （2）泡沫铝、铜的压缩曲线经历弹性变形-坪应力区-密实化区三个阶段；整个变形过程主要是孔棱发生屈曲直至失效断裂和胞洞的逐层溃败。不同孔隙率泡沫铝、铜的能量吸收范围分别为5.04~5.42MJ·m-3和3.47~3.59MJ·m-3。 （3）泡沫基体植入铜管的数量增加会导致复合结构的孔隙率提高，三铜管加强结构比单铜管加强结构的各项力学性能要高但增幅并不大。单根实心铜柱加强结构在压缩时受基体泡沫阻碍作用很强，因此复合结构仍保持泡沫金属的变形特征；三根实心铜柱加强的复合结构在压缩时挣脱了基体泡沫对它的约束，并对基体产生剪切，导致复合结构的压缩曲线呈现出致密金属与泡沫金属相结合的性能特征。 （4）孔隙率为77.15%、77.72%、78.28%的泡沫铝平均渗透系数分别是4.4404E-11、3.2018E-11、2.4439E-11；孔隙率为83.56%、84.05%、85.37%的泡沫铜平均渗透系数分别是5.3527E-11、4.4772E-11、3.9841E-11。 （5）泡沫铝在受热膨胀时沿轴向表现出随孔隙率增大热膨胀系数减小的现象，沿径向则表现为试样孔隙率变化对热膨胀系数无明显影响。泡沫铜沿轴向和径向的热膨胀系数曲线表现出先升高后稳定最后下降的变化趋势。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 多孔金属简介

1.2.1 多孔金属种类与性能

1.2.2 多孔金属的用途

1.3 多孔金属制备工艺概述

1.4 造孔剂的选用对开发多孔金属的影响

1.5 课题研究意义与研究内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

1.6 实验方案与技术路线

1.6.1 实验方案

1.6.2 技术路线

第2章 实验与测试

2.1 材料与设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验设备

2.2 实验过程

2.2.1 珠球NaCl（盐球）的制备过程

2.2.2 多孔金属的制备过程

2.2.3 多孔金属的机械性能调控

2.3 盐球的表征

2.3.1 红外分析与形貌观察

2.3.2 溶解速率分析

2.4 多孔金属的表征与分析

2.4.1 宏观结构

2.4.2 密度与孔隙率

2.4.3 SEM形貌

2.4.4 力学性能

2.4.5 机械性能调控

2.4.6 渗透性能

2.4.7 热膨胀性能

第3章 结果与讨论

3.1 盐球的表征分析

3.1.1 工艺参数对盐球表观质量的影响

3.1.2 宏观形貌与粒径分布

3.1.3 SEM形貌

3.1.4 制备各阶段产物的红外光谱分析

3.1.5 盐球的溶解速率

3.1.6 本节小结

3.2 多孔金属结构与形貌分析

3.2.1 多孔坯体制备及其结构

3.2.2 宏观三维形貌

3.2.3 SEM形貌

3.2.4 密度与孔隙率

3.2.5 本节小结

3.3 多孔金属的压缩力学性能

3.3.1 多孔铝的压缩力学性能

3.3.2 多孔铜的压缩力学性能

3.3.3 本节小结

3.4 多孔铜的机械性能调控

3.4.1 复合多孔结构的压缩力学性能

3.4.2 复合结构中加强铜柱/铜管的屈曲行为

3.4.3 本节小结

3.5 多孔金属渗透性能分析

3.5.1 多孔铝的渗透性能

3.5.2 多孔铜的渗透性能

3.5.3 本节小结

3.6 多孔金属热膨胀性能分析

3.6.1 多孔铝的热膨胀性能

3.6.2 多孔铜的热膨胀性能

3.6.3 本节小结

第4章 结论

参考文献

致谢

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