（机械电子工程专业论文）规则孔型泡沫金属的结构设计与制造方法研究.pdf

山东理工大学硕_ ：学位论文摘壁 论文题目： 研究生： 指导教师：扬墨= 专业：扭越生王兰捏 ( 签名) 年级： 摘要 2 0 0 3 泡沫余属是一种新型功能材料，目前的制造方法所生产多孔金属结构是不 规则的，本研究的目的在于提供一种具有规则孔型结构的泡沫金属的设计与制 造方法，使其不仅具有规则的孔型和均匀的孔径，而且其孔隙率、比表面积等 各项结构参数可调可控，可以获得理想的性能，以满足不同领域的应用。 本文根据材料设计的概念，首先对多孔金属的结构进行预设计，通过分析 泡沫金属的结构与性能之间的关系，针对不同的性能要求，用计算机三维造型 软件进行规则孔型的泡沫结构设计。并重点对金刚石型泡沫结构的结构参数进 行了分析，推导了孔隙率、比表面积、孔的等效直径和相邻孔间距的计算公式， 形成了规则孔型泡沫结构的设计思路。 将设计好的结构传入快速成型机进行快速制造，制造出具有泡沫结构的立 体骨架模型，利用快速成型技术制造泡沫结构，制造柔性好，不受孔型结构和 宏观结构的复杂程度限制。然后通过化学镀和电沉积技术制造出具有规则孔型 结构和确定孔隙率的通孔泡沫会属制品。 本研究从材料设计的角度出发，首次将计算机c a d c a m 技术、先进制造 技术和电沉积技术结合起来，用于泡沫金属的结构设计和制造，形成了新的工 艺路线。采用上述工艺所制得韵泡沫镍试样的孔结构均匀，孔径尺寸完全相同， 可以达到性能的充分优化，并且孔隙率等各结构参数可调可控，可以按照应用 需要制造出规则孔型的泡沫金属。该工艺的实现，使人- f f _ 可以按照使用要求， 预先设计泡沫金属的结构，获得具有理想性能的泡沫金属制品，从而代替传统 方法所制造的不规则结构的泡沫盒属，获得理想的性能，以满足不同领域的应 用。 关键词：泡沫令属，规则孔型，c a d ，快速成型，电沉积 镫篙 遮担结盟星金速 泡一 型 箸 山东理工大学顿十学位论文 a b s t r a c t s u b j e c t ：s t u d yo nt h e , d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gm e t h o d so ft h er e g u l a rc e l1 m e t a 1 f o a m s n a m e ：m e n gw e n z h e s u p e r v i s o r ：) 鱼旦gs i y i ( s i g n a t u r e ) 敛燕 ( s i g n a t u r e ) s p e c i a l t y ：m a c h a t r o n i ce n g i n e e r i n gg r a d e ：盟 a b s t r a c t m e t a lf o a m ，an e wf u n c t i o nm a t e r i a l ，m a d eb yp r e s e n tm e t h o dh a si r r e g u l a r s t r u c t u r e t h i sr e s e a r c hi st op r o v i d ead e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n gm e t h o do fm e t a l f o a mw h i c hh a sr e g u l a rp o r es t r u c t u r ea n du n i f o r mp o r es i z e ，a n di t ss t r u c t u r e p a r a m e t e r ss u c h a s p o r o s i t ya n ds p e c i f i cs u r f a c ea r e ac a nb ec o n t r o l l e da n d a d j u s t e d ，w h i c hc a ng a i ni d e a lc a p a b i l i t yt os a r i s f yt h ea p p l i c a t i o no fv a r yf i e l d o nt h ec o n c e p t i o no fm a t e r i a ld e s i g n ，f i r s t ，d e s i g nt h es t r u c t u r eo fm e t a lf o a m ， a n a l y s et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a p a b i l i t ya n ds t r u c t u r eo fm e t a lf o a m ， c o n t r a p o s ed i f f e r e n tc a p a b i l i t yr e q u e s t ，t h e nd e s i g nm e t a lf o a mo fr e g u l a rp o r e s t r u c t u r eb yc o m p u t e rt h r e ed i m e n s i o ns c u l p ts o f t w a r e ，a n dp a ye q u a la t t e n t i o nt o t h ea n a l y s i so fd i a m o n ds t r u c t u r em e t a lf o a m ，e d u c et h ef o r m u l ao fp o r o s i t y 、 s p e c i f i cs u r f a c ea r e a 、e q u i v a l e n tp o r ed i a m e t e ra n da n a l y s e st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r o fd i a m o n d f o a m a f t e r w a r d s ，t r a n s m i tt h em o d e lf i l e si n t ot h er a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n et o m a n u f a c t u r et h ef o a mf r a m e w o r k t h ef a b r i c a t i o no ff o a ms t r u c t u r e b yr p t e c h n o l o g yi sf l e x i b l ea n di sn o tl i m i t e db yt h ec o m p l e x i t yo ft h ep o r ea n d m a c r o s c o p i c a ls t r u c t u r e ，e v e n t u a l l y ，t h em e t a lf o a m so ff i x e dp o r o s i t i e sa n d r e g u l a rc e l l sc a nb em a n u f a c t u r e db yc h e m i c a la n de l e c t r i cp l a t i n g o nt h e a n g l e o fm a t e r i a l d e s i g n 。c o m b i n e t h e c o m p u t e r c a d c a m t e c h n o l o g y 、a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dn e wm a t e r i a lt e c h n o l o g y ， d e s i g na n df a b r i c a t eak i n do ff o a mf r a m e w o r kw h i c hh a sr e g u l a rs t r u c t u r et o p r o d u c et h em e t a lf o a mw h i c hh a sr e g u l a rp o r es t r u c t u r e d e s i g nt h es t r u c t u r eo f m e t a lf o a ma tf i r s t ，t h e np r e c i s e l yc o n t r o li t ss t r u c t u r ei nt h ef a b r i c a t ep r o c e s s ， c o n t r o lt h es i z e 、s t r u c t u r e 、d i s t r i b u t i n g 、p o r o s i t ya n dd e n s i t yo ft h ep o r e t h i s m e t h o dc a nc o n t r a p o s et h ev a r yn e e do fa p p l i c a t i o n ，d e s i g na n df a b r i c a t et h em e t a l f o a mo fc o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r e m o r e o v e ri tc a ng a i ni d e a lc a p a b i l i t yt os a r i s f y t h ea p p l i c a t i o no fv a r yf i e l d ： k e yw o r d s ：m e t a lf o a m ，r e g u l a rc e l l ，c a d ，r a p i dp r o t o t y p i n g ，e l e c t r i cp l a t i n g ，i i 独创性声明 y8 6 0 1 5 9 本人声明所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壹j i = 踅 时间：2 f 年月7 2 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：蛊乏髫 导师签名：荡易一 f b j ：年6 只1 3 _ r 时间：o 年月，1 同 1 1 泡沫金属豹研究现状 繁一章绪论 在传统的工程材料中，孔洞通常被认为是一种结构缺陷( 如缩孑l 、缩松) ， 因为它们往往是裂纹形成和扩臌的中心，并对材料的物理、化学性能及力学性 能产生不利影响，严重危害产晶的性能及使用寿命。但是，当材料中孔洞的数 爨增加到一定程度后( 即孔隙率为4 0 9 8 ，孔径为0 5 6 m m 成更大) ，材 料会由于孔洞的存在丽获得其京翔热、声、能量吸收、轻质等不赋予墩密材料 熬独特性齄，这就是多孔( p o r o u s ) 褪辩“。 途法金藩霆一嚣交金藩菱傣秘气我缀残懿耨登功戆奉孝辩，露我囊瓣缀济建 设寿重夫豹痤弱蓠景。甄谓泡沫众演燕攒霜特臻方法镶藏静其蠢多魏缭构戆金 属材料，根据其翻造方法不黼，孔的结构和形状各异，有开孔和瀚孔两静，孔 径尺寸小到几微米，大到数毫米。其性能也不尽相同，一般具有重量轻、透气、 吸音、隔热、减震、不燃烧、兹污染等许多优良性能，在军工、建筑、环保、 汽车、能源、机械、化工等各个工业领域都有重要用途，市场前景q e 常广阔。 1 1 1 泡沫金属的国外发展现状 泡沫金属的起源可以追溯戮二十世纪四十年代，1 9 4 8 年，荚溪科学家 s o s n i k 最晕提出了联月汞在熔歉锻孛气纯嚣划取泡沫锯懿设怒，蠡菇，荚溺辩 学家e l l i o t 发展了这一想法，势予1 9 5 6 年零残臻懿裁备篷了逡漾旗“”。藏爱 的二、三卡年闼，泡沫铝静磷究和拜发在美、德、嚣等国褥到了不敝的发展， 但是泡沫铝制备工艺、技术翔饿熊研究等方面得到迅速发展是在八十年代霜 期，美国、德国、加拿犬、目本镣阑相继开发出各种大规模生产泡沫锅的工艺 技术，从此国际上兴起了金属泡涑材料的研究和开发的热潮。6 0 年代燕国乙 婉公司( e t h y l 公司) 成立了研制泡沫铝的中心。只本九州工业余脶研究所于 1 9 9 1 年开发出泡沫铝工业化生产的工业路线，目前已能用金属发泡法和渗流 法生产大型和小型部件”。1 9 9 0 筇以来，美国、r 本、德国相继搬出了制备 离性能泡沫铝的方法并提出了许多专利，如u s p s 3 0 8 7 8 0 7 和德国不黎梅市的 夫霉霍夫实用聿季鹳研究所豹鑫耩缀纯勃发遣法，德国出现的连续喷欧气体制备 遗漾锯靛技本( d e 4 1 3 9 0 2 0 ) ，瓣零立嚣逶艇蔹本毳嚣究爨夔发涎法等”“。多魏 泡沫金满一妻是耪疆辩学磺究豹熬簧漾麓。拐籁鑫l 予发逸工艺强溆强大小不荔 控涮，疆案l 了其发展，近+ 多年窳发矮茏为迅速，萁孛心问题怒孔结构控制和 材料性能研究，处于这一领域前沿的是美国、日本、西欧。在开发应用方面， 1 9 6 8 年，美国e r g 公司用一种“d u o c e l ”方法制得的泡沫铝材已在美国航天飞 机上获得应用；日本神户钢铁公司生产的a l p o r a s 泡沫铝材在r 本的高速列 车制造中获得应用：德国用泡沫会属作为电梯夹层板材料”“。时至今同，美、 日、英、德、加拿大等国家相继出现了几十个生产泡沫铝的技术专利，其中涉 及的方法很多，已可以用某些特殊工艺，将泡沫铝制成带材、管材和特殊复合 材料。目前，日本、美国、德国、加拿大等发达国家在材料的研究、生产及应 用方面处于世界领先地位，只本己经将泡沫铝用做高速公路两侧的吸音墙，德 国己开展将泡沫铝应用于汽车车身结构的研究。 1 1 2 泡沫金属的国内发展情况 国内自8 0 年代中期开始进行泡沫余属材料的研究。东南大学、大连理工 大学、东北大学、哈尔滨工业大学、中国科技大学、合肥工业大学、中国科学 院固体物理研究所、中国船舶工业总公司第7 2 5 研究所、昆明理工大学、太原 重型机械学院等研究机构都开展了从泡沫铝制备工艺到相关性能的研究工作， 并取得了一系列具有世界先进水平的研究成果。这些研究也推动了我国在泡沫 铝工业化生产和应用上的进步。其中，国内以东南大学材料系开展研究最早， 在泡沫材料的性能测试方面作了大量的工作，并侧重于热、声、渗透性能研究， 取得了一系列的研究成果“。目前，国内己具备了大批照工业化生产泡沫铝的 条件。但总的来说，泡沫铝的研究、开发和应用仍处于起步阶段，在其制造方 法、成形机理和结构性能等方面有许多问题尚需探讨，其在各领域内的广泛应 用还有待进一步的研究和推动。 我们所做的研究主要是针对泡沫金属的结构设计和性能优化，具有一定的 独刨性，且已经申报了国家发明专利，目前国内外还未有这方面的报道。 1 1 3 泡沫金属的应用及前景展望 泡沫金属的应用分为结构应用和功能应用两个方面，应用范围非常广泛。 结构应用主要针对于闭孔泡沫金属，功能应用则主要是对于开孔泡沫金属。对 于确定的孔结构用哪种金属或台金进行制造也非常重要，对于承重零件，结构 必须轻，否则，它们可以用常规的实体金属或合金来制造。泡沫铝、泡沫镁和 泡沫钛适合于这类应用。医学上用钛比较好，因为它与组织有兼容性，不锈钢 和钛则适合于腐蚀性介质和高温条件下。而且还必须考虑到加工和成本，技术 上必须能使所选泡沫材料制成所要求的形状，并能装配到机器上，满足其功能。 山东理】一丈学硕士学位论文 第一章绪论 在泡沫金属的应用中，泡沫铝的应用受到了特别重视。国外的研究表明， 采用泡沫铝材料构件，汽车构架的刚度得到加强。单件泡沫铝材料零件的制造 成本约比钢件高2 0 。然而，出于采用泡沫铝材料使整个汽车工程的投资减少， 所以实际生产成本有所下降。约有2 0 的汽车车身结构件可以用泡沫铝材料制 造。部分汽车零部件对材料要求是既要有高的消声性能又要有良好的绝热性 能，泡沫铝就是具备这种性能的优秀材料。部分泡沫铝的应用举例见表l l 。 表1 1 泡沫金属的用途举例 应用领域 用途应削领域用途 建筑室外装饰幕墙、室内装饰墙面、电子与通讯电磁屏蔽( 罩) 、电子仪器外 天花板、移动隔断、滑动门、地客和电磁屏蔽等场合的结构 板、活动房、装饰件和功能材料、高速，0 车发电机 室、无线电录音室 机动车冲击吸收材料、缓冲件、减罐材 航空 宇市b 船的起落架、空降殴备 料、坊冲挡扳、捎泥板、侧f 、j 、的保护、车| j 、侧艟、船舶隔 前板、顶盖板、汽车底盘填充、断、舱壁、e 机零部件、电梯、 轻量结构材、内部用具与装饰件、升降机、托盘、t 作台 隔断、发动机隔板与防护材 环境保护制造高性能吸音板和隔音板、 高速公路、铁路降噪 机械机械夹持装鹫、升降机和传送器其它告示板、道路标志牌、护拦、 的安全垫、高速磨床防护装置的包装材料、裂板、物面天线、 减震吸能内衬抛光j ； | 的电磁旋转抛光轮、海 交通运输铁路轻体车辆结构、车厢地板、洋开发器材( 如管道、浮标 防火墙、各种集装箱、船舶结构 蒋) 、网球场地板、化油器浮 民用生活浴室、卫生间设施、厨房设施 标、音响器材、热交换器、过 滤器、耐热阻燃与隔热制鼎、 以及其它特殊功能的结构等 1 2 泡沫金属的一般制备方法 泡沫金属的制造方法很多根据金属的加工状态可以分为：固态成形工艺、 液态成形工艺、气态成形工艺和离子成形工艺，其中固态成形工艺又包括会属 粉末纤维烧结、气体包覆技术、粉浆发泡工艺、固体颗粒填充粉末烧结、空心 球烧结、粉末聚合物束烧结和反应烧结。液念成形工艺包括液体吹气发泡法、 发泡剂发泡、固气共晶凝固法、粉体发泡法、熔模铸造、渗流铸造和喷射成形。 气态成形工艺是指金属的蒸发沉积技术，离子成形工艺则是指电沉积技术。各 工艺方法的适用范围见表1 2 。利用这些方法人们可以制造出各种类型的高性 能泡沫会属，适用于许多领域的重要。 表1 2 泡沫金属各种工艺方法的适用 1 , 2 1 固态成形工艺 固态成形工艺中是使用粉末形式的固态金属制造多孔金属结构，粉末在整 个工艺过程中保持固态，仅仅经过烧结处理和其它固态操作，值得一提的是， 液态成形工艺中，由于液体表面张力的作用易于产生封闭的孔洞，而烧结的多 孔制品则表现为开孔。目前烧结多孔粉末和纤维是获得多孔会属的有效方式。 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 在压紧粉末中包覆气体、用固体支撑材料、空心球或者用粉浆发泡技术，都是 制造多孑l 材料的先进技术。固态成形工艺有如下几种： ( 1 ) 金属粉末纤维烧结。这类多孔结构的生产由下面几步组成：粉末破碎和 准备、紧缩或装模、烧结。松散包装或重力下烧结主要用于青铜。烧结温度大 约8 2 0 ，孔隙率2 0 5 0 ，因此，强度相对较低。 ( 2 ) 气体包覆技术。第一步把粉末压制成致密的预制材料，压缩时使气体包 覆在材料中，第二步加热预制材料，由于包覆气体产生的内部压力导致金属膨 胀。膨胀发生在固态，因而，实际不是发泡，而是固体扩张过程。 ( 3 ) 粉浆发泡工艺。金属粉末和发泡荆混合成粉浆后倒入模内，保持在菜一 温度。在添加剂和发泡剂的作用下，随着气体的膨胀，粉浆开始起泡并膨胀。 如果采取足够稳定的措施，膨胀的粉浆可以保持形状并干燥，烧结后产生具有 相当强度的泡沫金属。 ( 4 ) 固体颗粒填充粉末烧结。金属粉末填入实体颗粒，或者可熔粒子，甚至 有机粒子中，混合这些粒子和金属粉末。填充物可以简单地在室温紧缩，如果 填充物抗热，可在适当的温度紧缩开始余属粉末粒子的烧结。如果金属量足 够低，由于填充材料形成相互连通的网，通过进一步措施，可能完全除去空间 支撑材料。最终烧结可以迸一步使多孔金属更加致密。 ( 5 ) 空心球烧结。由铜、镍、钢或钛所制的空心球，用烧结的办法粘结到一 起，可以制作高孔隙率多孔结构。空心球的一般直径为0 8 8m m ，壁厚1 0 1 0 0 p m 。空心球可以用于制造开孔或闭孔的轻质材料，孔结构可以是有序或无 序的。 f 6 ) 粉末聚合物束烧结。金属粉末和聚合物束的混合物可以压缩或挤压然后 热处理生产多孔材料和零件，不用空间支撑孔隙率可以达到5 0 。用类似方式， 可以制造带有平行孔的材料，孔径范围从几微米到几毫米，可以用于多种会属 或合金。第一步，准备两种棒状材料，芯部是塑料，外层是金属粉末；第二步， 把若干棒挤成零件；第三步，烧结去除塑料芯，并使金属粉末固化。 ( 7 ) 反应烧结。类似于t i + a 1 、f e + a i 或t i + s i 等金属混合粉末，起反应烧 结可以产生多孔结构。这是由于在多相系统中，不同组分的扩散系数不同所致。 1 2 2 液态成形工艺 ( 1 ) 液体吹气发泡法。碳化硅、氧化铝和氧化镁颗粒可以用于促进熔体的 粘度。第一步要求准备含有这些物质的铝熔体。第二步是吹入气体( 空气，氮 气，氩气) 使液态m m c 熔体发泡，用特别设计的旋转轮或振动喷嘴吹气。具 有粘性的气泡和金属溶体的混合物漂浮在液体表面上，随着液态金属的排出， 山东理工火学硕一i ：学位论史第一乖绪论 这些混合物转变成相当纯净的液念泡沫。出于熔体中存在陶瓷粒子，泡沫相对 稳定，可以用传送带拖离液体表面，然后冷却凝固。 ( 2 ) 发泡剂发泡。向熔体中添加发泡剂，发泡剂受热分解释放出气体导致发 泡。在6 8 0 。c 向铝熔体中添加金属钙，搅拌几分钟，由于氧化钙、铝酸钙、甚 至余属化合物的形成使液态余属变粘粘度持续上升。粘度达到要求值后，加 入氢化钛( 最佳值1 6 ) 作为发泡剂，在热粘性液体中释放出氢气。不久熔 体丌始慢慢膨胀充满发泡容器。发泡在常压下进行。容器冷却到合金的熔点以 下后，液态泡沫转变成固态铝泡沫，可以取出进一步加工。 ( 3 涸气共晶凝固法( g a s a r s ) 。液态金属与氢气形成共晶体系，在高压下( 高 达5 m p a ) 的氢气氛中溶化种余属，可以获得合有氢的均匀熔体。如果降低 温度，熔体将经过共晶转变获得两个不同的相“固+ 气”。如果系统的成分足以 接近共晶点，在某温度将有隔离反应。由于共晶成分取决于系统的压力，必 须合并外部压力和含氢量。熔体中热的散失引起定向凝固。随着凝固前沿通过 液体以o 0 5 5 m m s 的速度向前推进，凝固界面附近的含氢量增加，气泡形成。 ( 4 ) 粉体发泡法。用会属粉末( 合金粉末或金属粉术) 与发泡剂混合，之后， 压紧粉末，并达到定的密度。下一步是进行加热，加热温度在基体材料的熔 点附近。均匀分布在致密金属基体中的发泡荆分解。释放的气体迫使紧密的原 始材料膨胀，然后形成高孔隙结构。 ( 5 ) 熔模铸造法。这种方法首先将高熔点液态材料充入海绵状泡沫塑料孔隙 中，然后圃化。再将塑料和难熔材料整体加热，使塑料蒸发，留下的难熔材料 就构成了具有海绵状孔隙的模型。去除难熔材料，得到和原泡沫塑料具有相同 海绵结构的泡沫金属。该工艺适用于铜、铝、铅、锌、锡及其合金等低熔点金 属。 ( 6 ) 渗流铸造法。把具有耐热性的粒子置入模具中，向粒子的间隙中注入金 属液，随后凝固。使用的粒子可以是可溶性的，这样脱去粒子即得到通孔泡沫 金属；也可以使用松散的易压缩的无机材料，如粘土、泡沫玻璃球、空心刚玉 球等，这样得到的是闭孔泡沫会属。 ( 7 ) 喷射成形。喷射成形方法可以加工多种金属和合余，将会属液喷成雾状， 产生快速飞起的小液滴，液滴落在沉底上，按预定的形状( 锭、板或管) 形成 致密层。喷射成形材料的特点是低氧化、细晶粒或高压稳定的合会相。这种方 式所取得的孔隙率可达6 0 ，但是孔的形态不均匀。 1 2 3 气态成形工艺 气态成形工艺是指金属的蒸发沉积技术，泡沫金属可以用气态金属或气态 ：些奎矍三奎兰堡耋耋堡篁兰：= ：。= ：= ：= ：= ：兰三兰：塑垒： 金属化合物来制造。使用网状的聚苯乙烯泡沫，在真空室中使金属蒸发，然后 冷凝在低温的预制体上。冷凝金属包覆在预制骨架上，形成具有一定厚度的薄 膜“n 此工艺可以通过电弧蒸汽沉积实现，也可以利用高效的碳酰镍工艺， 在相当低的温度下把镍涂在预制结构上。碳酰镍加热到1 2 0 以上呈气态，可 以分解为镍和一氧化碳。因此，在此温度使碳酰镍气流通过预制骨架，分解过 程中形成的镍将积聚在预制结构上，形成金属涂层。 1 2 4 离子成形工艺 离子成形工艺是指电沉积技术，沉积技术始于金属的离子状态，即电解液 中离子溶解，金属沉积到开孔的聚合物泡沫上，随后去除。在聚合物上进行电 沉积要求最初聚合物泡沫具有导电性。用下列办法可以实现这点，把聚合物 泡沫浸入由石墨或碳黑制成的导电浆内，或者浸入电解液，或者通过阴极反应 在聚合物上喷涂层薄导电层。加热后可以使金属聚合物复合体除去聚合物泡 沫，得到具有空心结构的三维立体骨架“4 。 以上为多孔泡沫会属材料的主要制造方法，其中许多方法已经制造出商品 化的泡沫会属，并进入实际应用。由于制造方法不同，所制造的泡沫金属的特 点也不同，进而性能和应用对象也不同，各种方法作是相互补充的。随着研究 的不断深入，多孔泡沫金属材料制造方法也迅速发展。总之，随着科学技术的 发展，多孔泡沫金属材料的制造水平将不断提高，制造方法更加多样化，可以 获得多种类型的离质量多孔金属，以满足不同领域的需要。 1 3 课题的来源 1 3 1 现存的问题与本课题的研究意义 由泡沫金属的一般制造方法可以看出，按照传统方法所制造多孔金属结构 是不规则的，于l 径尺寸、孔的形状、分布状态和孔隙率大小是随机的，其性能 不能得到充分优化。而且依据有机泡沫材料成形的熔模铸造法、电沉积法和化 学镀法，由于所使用有机泡沫材料的孔型不规则，所制造出来泡沫金属的孔型 也是不规则的。传统的制造方法只能着眼于用改变工艺措施和调整工艺参数的 办法来改变孔隙结构，仅能做到宏观控制，不能获得具有精确孔径尺寸和规则 形状结构的多孔金属。存在孔的大小不均匀、孔隙率低且难以调整等缺点，也 不能有效地控制其性能，导致使用性能不足，限制了应用范围。 已有专利技术中，曾经有人以发泡树脂或泡沫塑料等材料为基体，使用化 山东理工大学硕士学位论：立=第一章耋荷论 学镀和电沉积的方法生产泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属材料，这种泡沫镍可用于 制造电池电极。由于所使用的发泡树脂或泡沫塑料的结构不规则性，导致泡沫 镍的结构难于精确控制，用这种泡沫镍所制造的电极不能使电池容量最大化， 限制了其功能。也有人以发泡树脂或泡沫塑料等材料为基体，采用熔模铸造的 办法生产泡沫金属，同样也存在着结构不规则性的不足。 本研究的目的是为解决已有技术的不足，将计算机c a d c a m 技术、先进 制造技术和新材料技术的进行有机结合，从材料设计的角度出发，设计制造一 种具有规则结构的泡沫骨架，代替上述过程中发泡树脂或泡沫塑料，生产具有 规则孔型结构的泡沫金属。根掘材料设计的概念，对多孔金属的结构进行预先 设计，在制造过程中精确控制其结构，使孔的尺寸、形状、分布以及孔隙率、 密度均达到可控的状态，可以针对应用对象的不同需要，设计制造相应结构的 泡沫金属，能最大限度地发挥使用潜能，从而代替传统方法所制造的不规则结 构的泡沫金属，获得具有理想结构的泡沫金属，进而获得理想的性能，以满足 不同领域的应用。 1 3 2 本课题的研究内容和技术路线 1 3 2 1 研究内容 本课题的研究主要分三部分进行。 ( 1 ) 用计算机c a d 技术对多孔会属的结构进行预先设计。首先对泡沫金属 的结构与性能之间的关系进行分析，然后针对不同的性能要求，用计算机三维 造型软件设计出规则孔型的泡沫结构，针对泡沫金属的每一种用途，设计出最 合适的结构，这包含了许多譬如晶体学、结构学等多方面的知识，所以对于泡 沫金属的结构设计是我们这个研究的重点。 ( 2 ) 用快速成型技术将设计好的结构做出非会属的立体骨架模型。快速成型 技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法，原型的复制性、互换性 高，制造工艺与制造原型的几何形状无关，是目前唯一可用来实现本研究所设 计的规则孔型的泡沫结构的制造方法。骨架材质一般为树脂、塑料和橡胶等。 f 3 ) 用电沉积的方法把快速成型机制造出的非金属结构转化成金属结构。首 先用化学镀的方法在非金属表层形成导电层，然后在施以化学镀后的泡沫立体 骨架上进行电镀，在骨架表面镀上一定厚度的余属，镀层金属复制了泡沫立体 骨架的形状。然后通过高温灼烧去除泡沫立体骨架，留下的就是具有规则孔型 结构的泡沫金属。用此方法可以制造出规则孔型的泡沫镍、泡沫铜以及生物医 用材料泡沫钛等。 1 3 2 ，2 技术路线 本研究依靠计算机c a d 技术，进行泡沫金属立体软件模型设计，再把文 件传入快速成型机进行分层切片处理，制造出具有泡沫结构的立体骨架模型， 然后用化学镀、电沉积的方法制造出具有规则孔型结构和确定孔隙率的通孔泡 沫金属制品，形成了如图1 1 所示的工艺路线。 圈1 1 设计制造流程 首先在上述某个计算机软件中，通过造型，设计出所期望的立体软件模型。 然后把文件传入快速成型机，进行快速成型制造，得到具有泡沫结构的立体骨 架。快速成型制造方式有许多种，目前常用的有立体光固化、分层实体制造、 选择性激光烧结和熔积成型四种。根据成型方式的不同，骨架材质可以是树脂、 塑料和橡胶等。在所得到的泡沫立体骨架上施以化学镀和电沉积工艺，在骨架 表面镀上一定厚度的金属，镀层金属复制了泡沫立体骨架的形状。然后通过高 温灼烧去除泡沫立体骨架，留下的就是具有规则孔型结构的泡沫金属。用此方 法可以制造泡沫镍、泡沫铜以及生物医用材料泡沫钛等。 计算机技术和快速成型技术的发展为该问题的解决提供了可能，利用计算 机软件，可以方便地设计出各种类型的泡沫金属立体软件模型，然后把文件传 入快速成型机进行分层切片处理，制造出具有网状结构的实体模型，最后用化 学镀、电沉积或熔模铸造的方法制造出具有规则孔隙结构和确定孔隙率的泡沫 金属制品。并研究泡沫镍的结构和性能之剃的对应关系。该目标的实现，使人 们可以按照使用要求，预先设计泡沫金属的结构，获得具有理想性能的泡沫金 ：些矍坠鳖髫些：兰：= ：= ：。：。= ：尘堑坠： 属制品，以满足不同类型的需要，具有重要的应用价值。 综上所述，此类材料设计属于宏观材料设计，计算机技术的发展为该问题 的解决提供了可能。把快速成型技术和化学镀技术、电沉积技术以及熔模铸造 技术结合起来，形成新的工艺路线，按照该路线可以设计制造出具有规则孔隙 结构的多孔金属。该研究首次把计算机技术和快速成型技术用于泡沫会属的结 构设计和制造，实现了计算机c a d c a m 技术、先进制造技术和新材料技术的 有机结合，是材料研究方法的重要创新，具有重要的科学研究意义。 第二章泡沫结构的研究与设计 泡沫余属结构多种多样，根据制造方法不同，其结构特征也不相同。泡沫 金属的性能是和结构特点密切相关的，在材质一定的条件下，泡沫金属的结构 直接决定了其性能，也决定其应用，泡沫金属的性能与孔的形状、尺寸、分布 以及孔隙率、密度呈函数关系，尤其是消声、透过等功能方面的性能则完全取 决于其结构。随着社会的进步和科学技术的不断发展，人们对材料的要求不断 提高，尤其在高科技领域，对轻型结构及多功能材料提出了新的要求。因此， 泡沫金属结构性能的研究具有重要意义，可通过对其结构的控制得到所需的性 能指标，满足实际需要，使其更加广泛地应用于生产生活当中。本研究从材料 设计的角度出发，根据材料设计的概念，对多孔金属的结构进行预先设计，精 确控制其结构，使孔的尺寸、形状、分布以及孔隙率、密度均达到可控的状态， 可以针对应用对象的不同需要，设计制造相应结构的泡沫会属。 2 1 泡沫金属的结构与性能的关系 泡沫余属是一种由金属骨架、较大孑l 径及高孔隙率组成的新型结构功能材 料，具有重量轻、比重小的特点，其主要的结构参数有孔径、孔隙率、密度、 比表面积、通孔度、开孔度及流通特性等。而泡沫余属的性能主要取决于孔在 基体材料内的分布情况，包括：孔的类型、形状、尺寸、孔隙率、均匀性、比 表面积等。采用不同的制各工艺，所获得的泡沫金属材料的结构与性能也必然 不尽相同。如：熔体发泡法制得胞状闭孔泡沫余属，具有高的能量吸收性能： 而高孔隙率的通孔泡沫金属具有良好的渗透性。 2 1 1 泡沫金属机械性能与结构的关系 般来讲，泡沫余属材料的结构不同，性能也必然不尽相同。泡沫令属的机 械性能与密度有着密切的关系，其机械性能很大程度由其密度决定，但孔的尺 寸、结构和分布也是影响机械性能的重要参数。泡沫金属的机械性能不仅与骨 架金属的性能及相对密度有关，而且受孔的形状、方位影响较大。 ( 1 ) 强度与结构的关系 泡沫金属的杨氏模量和强度都与其密度成正比，随密度的增加而增加。泡 沫铝密度愈大，强度愈高。因此，可通过调整泡沫金属的密度而获得所需要的 山东理i _ 人学坝j 学位论文 第一章泡诛结构的研究与设计 强度。在孔隙率( 或密度) 不变的前提下，平均孔径越小，孔的强度越高，其 基体金属骨架起重要作用。孔在泡沫金属的分布具有任意性，在施加外载情况 不同，所测得强度不同，横向施载比纵向施载强度高。对泡沫会属的强度而言， 孔的类型是开孔或闭孔对其影响不大。 ( 2 ) 刚度与结构的关系 结构部件的刚度决定了受载时在弹性范围内的形状和尺寸稳定性。刚度取 决于结构部件的形状和弹性模量。为了在尽可能小的质量下得到较大的单位抗 弯刚度，结构材料e p 之比应尽可能大，其中p 为材料密度。可通过改变 密度，调节弹性模量，从而得到所需要的弹性模量。 2 1 2 泡沫金属吸能特性与结构的关系 泡沫金属的吸能特性与屈服强度应变限有真接关系，而屈服强度与密度、 孑l 结构、孔分布等密切相关，所以泡沫金属的吸能特性主要由密度、孔结构、 孑l 分布等结构参数和应变限决定。在基体金属材料和应变限一定的情况下，随 密度的增加泡沫金属的吸能特性明显增强。在基体金属材料、密度和应变限都 确定的情况下，平均孔径将是影响泡沫金属吸能性能的重要因素，孔径越小， 吸收能量的性能越强。 2 1 3 泡沫金属阻尼性能与结构的关系 泡沫金属是一种有商能量吸收特性的轻质高阻尼材料，能够有效地吸收冲 击能。根据密度的不同，泡沫金属的吸能能力可达4 9 03 4 3 0 k j m 。泡沫会属 的阻尼内耗来源于其孔隙结构之中，随表面积增大面增大。在同一振幅作用下， 振动频率的改变不会造成内耗的显著变化。 2 1 4 泡沫金属热传导性能与结构的关系 泡沫金属是一种优良的隔热耐热材料，闭孔泡沫金属的导热系数仅为纯金 属的1 5 1 1 5 0 ，可用作绝热材料。其孔类型对热传导性能有主要影响， 闭孔结构隔热性优于通孔结构。提高泡沫会属隔热惶能的主要途径是提高孔隙 率。在容重确定后，孔尺寸和形态是影响隔热材料导热系数的主要因素。通过 优化工艺使气孔尺寸减小并呈闭气孔形态，将显著提高材料隔热性能，并有助 于改善强度性能。 山东理r 大学硕士学位论文 第二章泡沫结构的研究r j 设计 相反，将泡沫会属置于空气或流动的液体中，出于其大的比表面积、孔隙 形状不规则、孔的分粕不均匀等特点，以及复杂的三维流动，使散热性能明显 加强。散热性能随比表面积的增大而增强。在孔隙率一定时，随孔径增大换热 效果略有提高；在孔径相同时，随孔隙率增大，自然对流使换热效果提高，但 强迫对流却相反：孔隙结构相同时，增大样品高度可提高换热效果，但效果有 限；强迫对流比自然对流更能提高通孔泡沫会属的换热能力。同一孔隙结构下 的泡沫金属，厚度增加使材料的换热效果提高，但到达定厚度之后，换热效 果便不会有显著的提高。 2 1 5 泡沫金属消声减震性能与结构的关系 泡沫金属吸声性能的影响因素主要有泡沫金属材料的厚度、孔尺寸和密度 ( 或孔隙率) 。随着泡沫余属厚度的增加，较低频率区的吸声系数有所提高， 而高频率区的变化不大，当厚度超过某个值后，在整个频率范围内平均吸声系 数变化不大。孔结构愈细小，孔相互连接在一起的程度愈高，声音吸收能力也 愈大。泡沫金属的吸声性能随密度的减小而增大。 2 1 6 泡沫金属渗透性能与结构的关系 渗透性是开孔泡沫金属用作过滤器、液液分离器、消声器等的关键性能。 渗透性能一般随孑l 隙尺寸和孔隙率的增大而增加，同时也受i l 隙表面粗糙度的 影响。通孔泡沫金属具有高的渗透性。一般粉末冶金多孔材料的渗透系数为 1 0 1 5 ，1 0 1 m 。，而多孔会属表观渗透系数为1 0 1 。1 0 “”m2 ( t 【新建】，在弹出 的对话框中选择尺寸单位、指定路径和输入文件名后点击【确定】按纽，进入 u g 主界面。 ( 2 ) 选择【应用1 【建模】命令进入建模功能模块，指定相应的坐标系、 层等预设置参数，即可开始进行具体的工作。 口o ( 3 ) 点击工具栏中的咖舀”图标或菜单【插入】 t 草图】，选择合适的坐 标平面，u g 的主界面改变为创建萆图的界面，并弹出草图平面工具条。 ( 4 ) 选择草图工具条中的宜线工具，在草图中创建两条夹角为1 0 9 2 8 的 线段( 任取长度，暂取长为3 毫米) ，再用同样的方法作出与这两条线段分别平 行且长度相等的另两条线段。如图2 - 2 所示，然后点击左上角的“p ，图标完成 草图操作。 图2 2u g 建模草图 ( 5 ) 完成草图操作后又回到! j g 建模界面，点击“”图标( 软锋) ，然后 依次选择每条直线作为引导线选择内径为o ，生成实心杆状结构( 外径任选， - 1 9 山东理工大学硕士学位论文第二章泡沫结构的研究与设计 暂取0 3 m m ) ，如图2 3 所示( 为叙述方便，把它们分别记为第1 、2 、3 、4 根 杆1 。 ( 6 ) 点击“固，图标( 基准轴) ，做一条与第三根杆的轴线重合的基准轴， 如图2 4 所示。 图2 - 3 生成实心杆状结构图2 4 确定基准轴 ( 7 ) 点击“嬲”图标( 阵列) ，在弹出的选择条中选择圆周阵列，然后选择 第四根杆，将他绕第三根杆的轴线傲圆周阵列，数字为3 ，角度为1 2 0 ，便作 出如图2 - 5 所示的另两根杼。 ( 8 ) 然后用同样的命令，让除了第一根杆 ；i 外的所有杆绕第一根杆的轴 线做圆周阵列，便得到如图2 - 6 所示的结构。 闰2 - 5 阵列国2 - 6 圆周阵列 ( 9 ) 选择【插入】，t 曲线】，【基本曲线】命令，打开基本曲线对话框 山东理工大学顽：匕学位论文第二章泡沫结构的研究与设计 将最外面的四根杆的外端连成两条异面直线，如图2 7 所示。 ( 1 0 ) 将原点移到其中一条直线的中点位置，并设置x 轴方向与这条直线 重合，y 轴方向与另一条直线平行。然后以这条直线的中点为起点沿y 轴正 负方向画线，延伸到与另一条曲线的端点等长的时候系统会有提示，即可确定 直线的长度。然后以同样的方法在另条直线的中点处画线，如图2 - 8 所示。 图2 7 连成两条异面直线圈2 - 8 画线 ( 1 1 ) 这样一个空间立方体的八个端点就找出来了，用同样的画线命令将 这八个顶点连接起来，这就是金剐石结构的一个基本立方体，利用它可以在长、 宽、高三个方向复制出金刚石的整体结构，如图2 - 9 所示- 图2 - 9 形成金刚石结构的基本立方体 ( 1 2 ) 选择【编辑】 i 变换】命令，弹出变换选择框，选择所有实体， 然后选择【平移】 【多重复制】，在图中设置好移动参考点和移动目标点， 即可沿x 轴方向复制出n ( 本例选择n = 9 ) 个同样的结构，如图2 _ 1 0 所示。 山东理丁大学硕士学位论文 第二章泡沫结构的研究与设计 图2 1 0 纵向复制 然后用同样的方法选择所有的实体沿y 轴方向复制，如图2 1 1 所示。再 沿z 轴方向重复同样的步骤就能得出最终的类似于会刚石型结构，如图2 1 2 所示。最后以s t i 格式存盘，以遍进行下一步的快速成型制造。 圈2 - 1 1 横衙复制 山东理t 大学顺 学位论义 第一章泡沫结构的研究与殴计 图2 1 2 金刚石型泡沫缩构模型 金剐石呈正四面结构，其点阵的排列里高度的空间对称，骨架稳定性高， 抵抗变形的能力大。因而，依据这种骨架所制造的泡沫会属材料将具有高刚度 和高强度特点。用这种方法还可以设计多种拓扑结构。 2 4 小结 ( 1 ) 本章提供了种具有规则孔型的泡沫金属结构设计方法。根据性能 的要求，设计制造具有规则孔型结构的通孔泡沫金属材料。其特点是，泡沫金 属制品的孔型结构可以是任意形状的，呈任意分布；孔隙率和密度均能达到可 控状态；泡沫余属制品的宏观结构可以是任意形状的。该方法把计算机 c a d c a m 技术、先进制造技术和新材料技术进行有机结合，是材料研究方法 的重要创新。 ( 2 ) 本文研究并设计出四种不同的泡沫结构，并对会剐石结构的结构特性 进行了分析和计算，结果表明，通过这种方法我们可以设计具有规则孔隙率和 规则比表面积的泡沫结构。此法方便快捷、设计灵活，孔隙率和比表面积可以 随意调整，孔型结构可控，达到了我们设计具有规则孔型结构的泡沫金属的目 由乐理：大掌弼扛学链论文第二二牵泡诛结构靛联究写设诗 的。 ( 3 ) 使用u g 软件成功地进行了会刚石型泡沫结构和分形结构谢尔寅斯基 “海缀”鲍三维实体建模，并对袅剐露型缝糖戆设计步骤傲了谨鳃谈竣。算撬软 件是设计泡沫结构的有效工具，设计非常灵活，可以设计正四面体、六嘲体、 八委俗戳及分形绻擒等，变傀无穷，爵隰汲诗任意形凝匏宏溪结椽，爨麴可疆 设计制造一魑医用仿生结构( 牙形、骨形结构等) 。 山东理工大学硕= 卜学位论文 第三章多孔泡沫金属