铝基多孔材料的反重力渗流铸造制备及其相关性能研究

摘要

铝基多孔材料的独特金属特点和孔隙特性使其兼具了功能材料与结构材料的特征，因而其应用前景广阔。渗流铸造法是目前铝基多孔材料的重要制备方法，但传统工艺难避免“渗流过度”与“渗流不足”等缺陷。为了解决现有渗流铸造中存在的问题，本文结合帕斯卡原理与压力浸渗原理创新性地设计了反重力渗流铸造系统，研究了反重力渗流铸造工艺以及工艺参数的确定原则;采用该系统成功制备出了多孔铝裸材、氧化铝空心球/铝基轻质材料（即Al2O3k/Al材料）以及多孔铝芯夹芯材料等系列铝基多孔材料，并研究了相关材料的力学、热学与声学性能，分析了导致反重力铸造法与传统工艺所制备多孔铝材料性能方面差异的原因。所获得的主要研究结果如下:
　　 (1)设计的反重力渗流铸造系统具有上下结构，上面部分为渗流室，下面为加热熔化室，加热熔化室与渗流室之间通过导流部件连通，创新性地采用了石墨纸来保证系统各部分之间的密封;所设计渗流铸造系统中，可包含一个以上不同尺寸的渗流室，从而可实现不同尺寸多孔金属的间歇与半连续渗流生产;渗流室的有效渗流空间可根据渗流产品的尺寸需要来确定。
　　 (2)反重力渗流铸造制备铝基多孔材料的工艺主要包括基体金属的熔化、造孔材料在渗流室的安装与预热、熔体自下而上加压渗流进入造孔材料的孔隙以及保压结晶等步骤，该工艺所制备铝基多孔材料几乎没有明显的宏观铸造缺陷。反重力渗流法可实现无缺陷铸造的根本原因是:熔体采用了自下而上的运动模式，以及铝基熔体是在可控压力下进行的充型和结晶。
　　 (3)创新性地开发了一种强度及刚度可满足渗流铸造要求的全新造孔材料MOD，它不仅易溶于水，而且其熔点、沸点均高于氯化钠与氯化钾，更为重要的是该材料对基体金属无腐蚀、价格低廉、对环境无污染。
　　 (4)系统对比研究了传统渗流铸造法与反重力渗流铸造法所制备开孔多孔铝裸材的声学与热学性能。声学性能研究表明，反重力渗流铸造所得样品在高频段的吸声性能明显优于传统真空渗流法所制备材料，造成这个差别的根本原因是反重力渗流法使试样中相邻孔洞之间的连通空间减小;热学性能研究表明，在使用同一规格造孔粒子时，反重力渗流铸造所制备试样的导热系数明显高于传统真空渗流法所制备样品，这主要由于反重力渗流铸造法所制备样品的空隙度小、以及由于采用了保压等工序使基体金属更加结晶致密的原因。
　　 (5)采用氧化铝空心球作为造孔材料，通过反重力渗流铸造技术制备出了基本无宏观铸造缺陷的氧化铝/铝基轻质复合材料（即Al2O3k/Al材料）;且还发现，渗流长度随熔体温度和空心球预热温度的提高以及空心球粒径的增大而增加，空隙度随着空心球粒径的增大而降低;增加充型与保压压力、延长保压时间以及添加金属Mg等均是改善渗流效果的有效手段。
　　 (6)对比研究Al2O3k/Al材料与多孔铝裸材的准静态压缩性能后发现，两种材料的应力-应变曲线均表现出了包括线弹性阶段、屈服平台阶段和密实化阶段在内的“三阶段”特征，造孔粒子粒径、相对密度与应变速率等都是影响两种材料压缩性能的重要因素，所制备材料的屈服应力和平台应力均随造孔粒子粒径的减小、材料相对密度的增大以及空隙度的减小而增大;但是，Al2O3k/Al材料的屈服应力和平台应力远大于多孔铝裸材的，密实应变相对多孔铝裸材的略有减小。
　　 (7)设计并制造出了可制备出大尺寸铝基多孔材料的装备，所制备大尺寸铝基多孔材料几乎没有宏观铸造缺陷;创造性地提出了由小尺寸造孔预制块构成大尺寸预制块、来制备大尺寸铝基多孔材料的方法，该法有效避免了大尺寸预制块在搬运过程中易碎的缺陷。
　　 (8)对大尺寸Al2O3k/Al芯夹芯材料进行了三点弯曲测试，同时还研究了该夹芯材料的弯曲破坏过程。研究发现:①夹芯材料表现出了由线弹性阶段、弹塑性阶段与失稳阶段构成的经典多孔铝夹芯板的弯曲特性;②夹芯材料的失稳段较长，且其弯曲载荷高出Al2O3k/Al材料的一倍，达到了近18kN;夹芯材料的刚度超过了30kN/mm;③夹芯材料的弯曲破坏以芯部材料剪切开裂破坏和表层面板弯曲破坏为主，破坏过程中没有出现面板与芯材界面的拉裂现象。芯材和表层面板之间实现了冶金结合以及采用氧化铝空心球作为造孔材料，是Al2O3k/Al芯夹芯板抗弯性能优秀、刚度大以及弯曲破坏过程中界面没有出现拉裂的主要原因。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 铝基多孔材料的国内外研究历程

1．2．1 多孔铝裸材的国内外研究历程

1．2．2 空心球／铝基轻质复合材料的国内外研究历程

1．2．3 多孔铝基夹心材料的国内外研究历程

1．3 铝基多孔材料的主要性能与应用领域

1．3．1 铝基多孔材料的主要性能

1．3．2 铝基多孔材料的主要应用

1．4 铝基多孔材料的主要制备方法

1．4．1 多孔铝裸材的主要制备方法

1．4．2 空心球／铝基轻质复合材料的主要制备方法

1．4．3 多孔铝基夹心材料的主要制备方法

1．5 反重力铸造

1．5．1 反重力铸造的优点

1．5．2 反重力铸造原理

1．6 研究的意义与主要研究内容

1．6．1 研究的意义

1．6．2 主要研究内容

第二章 反重力渗流铸造的装置设计及铸造工艺

2．1 前言

2．2 反重力渗流铸造系统的设计原理

2．3 反重力渗流铸造系统的设计

2．3．1 所设计反重力渗流铸造系统介绍

2．3．2 小试用反重力渗流铸造系统的关键设备设计

2．4 反重力渗流铸造工艺

2．4．1 反重力渗流铸造的工艺步骤

2．4．2 反重力渗流铸造的充型过程分析

2．4．3 主要工艺参数的确定原则

2．5 反重力渗流铸造的可行性验证

2．6 铝基多孔材料制备用实验材料

2．6．1 铝合金原料

2．6．2 造孔材料

2．7 本章小结

第三章 开孔多孔铝裸材的制备及其声学与热学性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 测试样品制备

3．2．2 样品的常规性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 两种铸造方法所制备样品的表面形貌与孔特征

3．3．2 两种铸造方法所制备样品的声学性能对比

3．3．3 两种铸造方法所制备样品的热学性能对比

3．4 本章小结

第四章 Al2O3K／Al材料的制备及其准静态压缩性能研究

4．1 前言

4．2 Al2O3K／Al材料的反重力渗流铸造制备

4．2．1 材料的制备流程以及研究方案

4．2．2 不同因素对反重力渗流效果的影响研究

4．2．3 Al2O3K／Al材料制备工艺小结

4．3 Al2O3K／Al材料的准静态压缩性能研究

4．3．1 试验研究方法

4．3．2 Al2O3K／Al材料与多孔铝的准静态压缩特征

4．3．3 影响材料准静态压缩性能的因素分析

4．4 本章小结

第五章 大尺寸铝基多孔材料制备与三点弯曲性能研究

5．1 引言

5．2 大尺寸铝基多孔材料的反重力渗流铸造制备

5．2．1 渗流装备的设计与制造

5．2．2 大尺寸样品的制备

5．3 大尺寸材料的三点弯曲实验

5．3．1 实验方法与装置

5．3．2 多孔材料的三点弯曲实验结果

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果