规则孔型泡沫金属的构形与制备技术研究

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1、山东理工大学硕士学位论文摘要摘要本文研究了一种新型的利用石膏型熔模铸造制备规则孔型泡沫铝的工艺。该工艺利用CAD软件的建模功能预设计出多孔结构模型，通过快速成形(RP)技术制作相应蜡模，并采用可溶性石膏作为铸型材料。实验中设计了三种规则多孔结构(金刚石型结构、正十四面体结构、菱形十二面体结构)，并通过分析结构各部分间的几何关系，利用UG环境下的草图和表达式功能创建了全参数化尺寸驱动的模型，为结构有限元分析和快速成形提供了建模支持。随后以金刚石型结构为例，选择圆形截面作为分析结构的支柱截面，利用结构代表单元模型推导出了相对密度公式；通过施加周期性边界条件，采用有限元法得到了小应变下的结构

2、变形形态及等效弹性模量，最后借助Origin的曲线拟合功能得到了相对模量随相对密度的变化关系。利用选区激光烧结(SLS)快速成形工艺，以PS基模料为成形材料，制作出了上面三种结构的成形模样。根据石膏型的高温线收缩特性及强度要求，配制了石膏混合料；分析了PS模料的热失重(TG)曲线，根据模料的分解与温度之间的关系，并考虑石膏型的焙烧特性制定出了石膏型焙烧工艺曲线；在石膏混合料中通过添加13．8％的水溶性盐MgS04，提高了石膏型的水溶性，降低了铸件的清理难度；最后利用抽真空的方法浇注出了材质为ZLl02的多孔铝。实验表明，这种基于C舢)／I冲技术的石膏型熔模铸造工艺成功地解决了目前多孔泡

3、沫金属制备中存在的结构不规则、工艺可控性不高、性能变化较大等问题。关键词：多孔泡沫金属；参数化设计；结构代表单元；有限元法；SLS快速成形；石膏型熔模铸造独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人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：时跏雅钿夕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

4、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：导师签名：夕旧2踞梅瑚州山东理工人学硕士学位论文第一章绪论1．1研究背景第一章绪论多孔泡沫金属是由基体金属和体积占70％以上的气孑L组成的非均匀材料。在传统的工程材料中，这种金属内部的孔洞通常被认为是一种结构缺陷(如缩孔、缩松)，因为它们往往是裂纹形成和扩展的中心，并对材料的性能产生不利影响。但是当材料中孔洞的数量增加到一定程度后(孔隙率40～98％，孔径0．5～6mm或更大

5、)，反而会由于气孔的存在而获得一系列特殊的性能：良好的可压缩性、压缩平台应力及在变形过程中泊松比的改变等，并且能够将多种性能结合在一起，例如可以综合低密度、高刚度、冲击吸能性、低热导率、低磁导率和良好阻尼性等，这是传统材料所达不到的【lJ。因此在需要综合利用这些性能的领域，多孔泡沫金属有着广阔的应用前景。多孔泡沫金属的这些性能除与基体材料的内在性质有关外，还直接依赖于孔的形状和分布，即孔的几何结构，其波动会导致密度的不均匀，而相对密度又是表征多孔金属性能的最主要特征之一，因此孔几何结构的规则性和梯度均匀性是影响其性能的关键因素。但是就目前的多孔金属制备现状来看，制备工艺决定了多孔材料的

6、结构特性，工艺过程的可控性不高，性能变化范围较大，无法满足各种使用要求。尽管从多孔泡沫金属制备工艺的第一项专利到现在已经有十几种，但迄今尚未实现大规模的商业化生产，阻碍这种材料推广应用的因素主要是价格高，结构、性能稳定性和重现性差。因此，需要开发更加完善的制造工艺。1．2多孔泡沫金属的结构与性能多孔泡沫金属从结构上可分为开孔和闭孔泡沫金属两种(见图1．1)。前者是连续贯通的三维多孔结构，而后者则含有大量独立存在的气孔。其结构表征参数主要有相对密度、孔隙率、孔径、通孔度及比表面积等。所有的多孔材料都具有轻质、高比刚度等特性，但与泡沫塑料相比，泡沫金属的刚度、使用温度范围及抗有机溶剂溶解能

7、力都大大提高；与泡沫陶瓷相比，其韧性、热性能、电性能及成型性都处于优势地位【l】。多孔泡沫金属的性能不仅与制备其所用材料的性能和相对密度有关，而且还取决于材料的几何结构，如比刚度性能主要与孔隙率有关，而其它功能应用型性能则强烈依赖于孔的结构(孔单元结构和孔壁厚度)。山东理工大学硕士学位论文第一章绪论图卜1典型的三维开孑L和闭孑L泡沫材料【2】1．2．1电、热、声学性能能量吸收、阻尼减振、降噪(隔声、吸声、消声)、隔热、散热、电磁屏蔽等材料性能的