李　杰，游曉紅，王錄才，張河清（太原科技大學，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，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，和較均勻的孔結構。通孔泡沫金屬可應用于流體透過，強制對流散熱，催化劑載體和電磁屏蔽等許多領域。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構特征的研究現(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

泡沫金屬是一種結構功能一體化的新型金屬材料。其結構可以理解為金屬基體相與氣體相的復合結構，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。表征泡沫金屬結構的參數(shù)有：孔隙率（或相對密度），孔徑，比表面積?？紫堵适侵笟怏w相所占體積分數(shù)的多少，相應的，相對密度是指基體相所占體積分數(shù)的多少；孔徑是一個平均化的指標，即氣相的體積除以孔的個數(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。特殊的結構意味著特殊的功能。泡沫金屬的輕質(zhì)結構可被用作交通工具上的結構件，建筑材料等；泡沫金屬的通孔結構加以強制對流可用于需要加強散熱的場合；泡沫金屬的空隙可作為化學反應的空間，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，磁學，聲學性能，更加擴大了泡沫金屬的應用領域[1]。

通孔泡沫金屬是指氣體相貫通的泡沫金屬。相對于閉孔泡沫金屬來說，通孔泡沫金屬具有孔隙率高，強度較低，表面積較大等特點，有許多特別的功能，例如流體透過，強制對流散熱，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。本文旨在總結前人對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，進行焙燒脫模，經(jīng)預熱后澆注金屬液，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可以鑄造各種合金材料，尤其對形狀復雜，大型，薄壁的鑄件很有優(yōu)勢。

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，易實現(xiàn)工業(yè)化的優(yōu)點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，泡沫母體的結構好壞決定著最終泡沫金屬的結構和性能；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

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，這類模樣是利用計算機造型技術設計并通過快速成型技術制備出來的，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)點是可以設計泡沫的結構，而且使實際情形和模擬情形達到了高度的一致，因此可以通過先期模擬來優(yōu)化泡沫材料的結構參數(shù)，力學性能和其他性能也得到了優(yōu)化；缺點是成本高昂，制備時間長。

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)點是價格低廉，缺點是聚氨酯的筋太細，制備時難以充型，即使制備成功強度也不高。而泡沫金屬就是泡沫聚氨酯的復型，因此要想在此基礎上制備更高相對密度的泡沫金屬就必須對泡沫聚氨酯的孔棱進行加粗處理，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)可以對相對密度進行定量控制。東南大學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撲規(guī)律和孔結構參數(shù)。開孔泡沫金屬獨立孔穴的面數(shù)f，棱數(shù)e，和頂點數(shù)v復合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]。德國魯爾大學的Alexander Martin Matz等詳述了孔棱加粗的實驗方法，孔棱處理的方法主要有三個步驟：噴膠，撒粉，加熱處理；做了相應的細觀結構的表征，對于大直徑的粉末來說，Sst，x≈dp·nth+Sst，0；對于小 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，泡沫結構需要型殼容易破壞，所以應該提高石膏的潰散性，在石膏中加入MgSO4以提高其潰散性[4]。石膏型的烘干強度需要保證金屬液澆注時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度及烘干過程中的抗拉強度變化。分析了烘干過程中石膏型抗拉強度隨烘干時間、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度進行了對比分析[5]。對于澆注溫度在1 200℃～1 500℃之間的金屬應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℃左右會發(fā)生水化反應及分解反應，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金屬基體增強處理

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

2　通孔泡沫金屬結構特征

2.1通孔泡沫金屬的孔結構

具有較低相對密度的開孔泡沫金屬一般以三維網(wǎng)狀骨架形式出現(xiàn)。宏觀結構參數(shù)有：孔隙率，孔徑，孔形狀各向異性率，比表面積。微觀結構參數(shù)有：孔棱厚度，孔棱長度，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)。

要想準確評價泡沫金屬，就要測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量，而有些參數(shù)是通過已得到的數(shù)據(jù)計算出來的。張偉開等對以聚氨酯海綿制備的泡沫金屬進行了孔結構的拓撲分析，認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通孔泡沫金屬的結構模型

圖3　面數(shù)不同的多面體孔穴

要對泡沫金屬進行力學性能模擬就需要建立泡沫金屬模型，通過孔結構的分析結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。通過對模型單元在三維空間上復制可以得出整體的泡沫金屬模型。再利用Ansys等力學模擬軟件模擬泡沫金屬的力學性能實驗。楊思一等以金剛石結構為模型，研究了規(guī)則孔型多孔結構材料等效模量，得到相對等效彈性模量與相對密度呈二次多項式變化[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，分析了相對彈性模量隨模型體胞數(shù)以及不同截面而變化的關系[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密度，網(wǎng)狀骨架的筋特別細，鋁液滲流時阻力較大，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該運用與之對應的模型，對模型與實際泡沫金屬的匹配是今后的一個研究方向。

3）前人對熔模法制備泡沫的研究要么只限于工藝上的可行性，要么只限于孔結構的分析。通過孔棱加粗的處理能夠成制備出孔棱粗細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)構建解釋高孔隙率開孔泡沫金屬結構與性能之間關系的理論應該是當前研究的重點。

參考文獻：

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［10］ 楊思一，王錄才，王彥啟.基于規(guī)則孔型的多孔結構材料等效彈性模量的有限元分析［J］.鑄造設備與工藝，2009（4）：11-13.

［11］ 石上路，盧子興.基于十四面體模型的開孔泡沫材料彈性模量的有限元分析［J］.機械強度，2006，28（1）：108-112.

中圖分類號：TG146.2+1

文獻標識碼：A

文章編號：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