熔模法制备通孔泡沫金属的研究现状

李　杰，游晓红，王录才，张河清（太原科技大学，山西太原　030024）



·综 述·

熔模法制备通孔泡沫金属的研究现状

李杰，游晓红，王录才，张河清
（太原科技大学，山西太原030024）

摘要：通孔泡沫金属一般具有较高的孔隙率，较大的比表面积，和较均匀的孔结构。通孔泡沫金属可应用于流体透过，强制对流散热，催化剂载体和电磁屏蔽等许多领域。熔模法是制备通孔泡沫金属的一种重要方法。基于熔模铸造法，利用可溶石膏型，使金属液在压力下流入石膏型的缝隙中，凝固冷却除去石膏后得到通孔泡沫金属。本文综述了通孔泡沫金属的熔模法制备工艺及其结构特征的研究现状，提出了亟需解决的问题及以后的研究方向。

关键词：可溶石膏型，聚氨酯母体，孔棱厚度，泡沫金属

泡沫金属是一种结构功能一体化的新型金属材料。其结构可以理解为金属基体相与气体相的复合结构，根据气体相是否贯通可分为通孔型和闭孔型，气体相贯通即为通孔型，气体相不贯通即为闭孔型。表征泡沫金属结构的参数有：孔隙率（或相对密度），孔径，比表面积。孔隙率是指气体相所占体积分数的多少，相应的，相对密度是指基体相所占体积分数的多少；孔径是一个平均化的指标，即气相的体积除以孔的个数；比表面积是指单位体积或单位质量物体所具有的表面积。特殊的结构意味着特殊的功能。泡沫金属的轻质结构可被用作交通工具上的结构件，建筑材料等；泡沫金属的通孔结构加以强制对流可用于需要加强散热的场合；泡沫金属的空隙可作为化学反应的空间，而基体则作为催化剂的载体；再加上金属基体所具有的电学，磁学，声学性能，更加扩大了泡沫金属的应用领域[1]。

通孔泡沫金属是指气体相贯通的泡沫金属。相对于闭孔泡沫金属来说，通孔泡沫金属具有孔隙率高，强度较低，表面积较大等特点，有许多特别的功能，例如流体透过，强制对流散热，催化剂载体和电磁屏蔽。高孔隙率的泡沫金属一般都是通孔型的，而通孔泡沫金属不一定具有高的孔隙率。本文旨在总结前人对熔模法通孔泡沫金属的研究现状。

1　通孔泡沫金属的熔模法制备工艺

熔模铸造的工艺流程主要是制模，制壳（芯），熔模浇注等。首先选用合适的模料，通过一定方法成型为模样，在模样内外表面浸涂上耐火涂料，再在内外表面加上一层砂粒使模样表面形成一定厚度的型壳和型芯，或者直接使用石膏等可溶性型芯使型壳型芯一体化。型壳（芯）硬化干燥后，进行焙烧脱模，经预热后浇注金属液，冷却凝固后去除型壳，得到与模样在形状尺寸上完全一致的铸件。利用熔模精密铸造技术可以铸造各种合金材料，尤其对形状复杂，大型，薄壁的铸件很有优势。

如图1，以泡沫铝为例说明熔模铸造法制备泡沫金属的步骤。熔模铸造法以其工艺成熟，易实现工业化的优点吸引了泡沫金属研究者的注意。理论上，熔模铸造法可以制备出任何相对密度的均匀分布的一定孔径范围内的通孔泡沫金属材料。首先，泡沫母体的结构好坏决定着最终泡沫金属的结构和性能；其次，熔模铸造所用的铸型材料和铸造工艺直接影响着泡沫金属的几何公差和表面粗糙度。

图1　 熔模铸造工艺流程

1.1泡沫模样处理技术

泡沫金属所用泡沫模样一般为高分子聚合物，可以分为规则型和不规则型。

规则型泡沫模样是专门为熔模法生产泡沫金属制备的模样，这类模样是利用计算机造型技术设计并通过快速成型技术制备出来的，具有规则的孔形和周期性的孔穴排列。规则型泡沫模样来自于泡沫材料的模型。泡沫模样的优点是可以设计泡沫的结构，而且使实际情形和模拟情形达到了高度的一致，因此可以通过先期模拟来优化泡沫材料的结构参数，力学性能和其他性能也得到了优化；缺点是成本高昂，制备时间长。

不规则型泡沫模样多采用聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫是聚氨酯经过发泡得到的。聚氨酯泡沫的优点是价格低廉，缺点是聚氨酯的筋太细，制备时难以充型，即使制备成功强度也不高。而泡沫金属就是泡沫聚氨酯的复型，因此要想在此基础上制备更高相对密度的泡沫金属就必须对泡沫聚氨酯的孔棱进行加粗处理，处理次数不同，孔棱加粗的程度也不同，改变之后的相对密度也就不同。通过调节一次加粗的量和加粗的次数可以对相对密度进行定量控制。东南大学的张伟开利用加粗处理后的聚氨酯成功制备出高孔隙率（ε=92%～98%）的海绵铝（以下称泡沫金属），并分析了泡沫金属骨架所遵循的拓扑规律和孔结构参数。开孔泡沫金属独立孔穴的面数f，棱数e，和顶点数v复合Euler定律f-e+v=2.文中提到处理聚氨酯骨架，但是并没有给出具体的方法[2]。德国鲁尔大学的Alexander Martin Matz等详述了孔棱加粗的实验方法，孔棱处理的方法主要有三个步骤：喷胶，撒粉，加热处理；做了相应的细观结构的表征，对于大直径的粉末来说，Sst，x≈dp·nth+Sst，0；对于小 直 径的粉 末来说，公式中Sst，x表示处理x次后孔棱的直径，dp为粉末直径，nth为处理次数，Sst，0表示未处理时的孔棱直径。图2为作者利用此方法制备出的不同孔隙率的AlZn11泡沫体[3]。

图2　熔模铸造法制备的不同空隙率的泡沫AlZn11

1.2灌浆材料选择

泡沫金属制备时型壳材料的选择主要决定于金属液的浇注温度。若为铝液，金属铝的浇注温度较低，一般选择石膏为耐火材料，泡沫结构需要型壳容易破坏，所以应该提高石膏的溃散性，在石膏中加入MgSO4以提高其溃散性[4]。石膏型的烘干强度需要保证金属液浇注时其形状和尺寸的完整性。王兰馨等人在石膏型中分别添加氧化钙、聚丙烯酰胺、甲基纤维素、玻璃纤维四种添加剂，研究加入添加剂后石膏型在室温下抗拉强度及烘干过程中的抗拉强度变化。分析了烘干过程中石膏型抗拉强度随烘干时间、失水率的变化规律，并与石膏型在微波烘干过程的抗拉强度进行了对比分析[5]。对于浇注温度在1 200℃～1 500℃之间的金属应选择牙科铸造所用的磷酸盐基耐火材料，由于耐火材料在1 000℃左右会发生水化反应及分解反应，因此不适合于工业铸造金属，只适合于不易腐蚀的装饰贵金属及其合金[6]。

1.3金属基体增强处理

熔模法制备泡沫金属的增强处理包括变质处理，热处理和添加SiC颗粒得到复合材料泡沫。变质处理是在铝合金熔炼时加入变质剂。吴进等人研究了变质处理和热处理对ZL101泡沫金属合金压缩吸能性的影响，认为变质剂使泡沫金属合金凝固时晶粒得到细化[7]。曹晓卿等人研究了热处理对泡沫金属合金力学性能及吸能性的影响。通常变质处理与热处理结合进行，目的是提高泡沫金属的强度[8]。EkkADAK WICHIANRATL等人向AC3A铝合金中添加SiC颗粒得到复合材料泡沫，将SiC颗粒嵌入在孔棱基体及表面中，得到复合材料泡沫，从而改善泡沫金属的力学性能[9]。

泡沫铝合金热处理要求基体材料为亚共晶铝硅合金，因此，铸造性能良好的ZL102不能用热处理的方法得到强化。

2　通孔泡沫金属结构特征

2.1通孔泡沫金属的孔结构

具有较低相对密度的开孔泡沫金属一般以三维网状骨架形式出现。宏观结构参数有：孔隙率，孔径，孔形状各向异性率，比表面积。微观结构参数有：孔棱厚度，孔棱长度，面的连接因子，棱的连接因子，空穴的平均面数，空穴的平均棱数。

要想准确评价泡沫金属，就要测量以上各种宏观参数和微观参数，有些参数可以直接观察到，有些需通过一些方法去测量，而有些参数是通过已得到的数据计算出来的。张伟开等对以聚氨酯海绵制备的泡沫金属进行了孔结构的拓扑分析，认为无论孔穴的形状是怎样的，平均棱边数均为5.如图3所示，展示了面数不同的多面体孔穴。

2.2通孔泡沫金属的结构模型

图3　面数不同的多面体孔穴

要对泡沫金属进行力学性能模拟就需要建立泡沫金属模型，通过孔结构的分析结果可以为泡沫金属模型的建立提供条件。如图4，常用的模型有金刚石体模型，菱形十二面体模型和十四面体模型。通过对模型单元在三维空间上复制可以得出整体的泡沫金属模型。再利用Ansys等力学模拟软件模拟泡沫金属的力学性能实验。杨思一等以金刚石结构为模型，研究了规则孔型多孔结构材料等效模量，得到相对等效弹性模量与相对密度呈二次多项式变化[10]。石上路等基于十四面体研究了开孔泡沫材料的弹性模量，分析了相对弹性模量随模型体胞数以及不同截面而变化的关系[11]。

图4　常用的泡沫金属模型

3　存在的问题与展望

1）熔模铸造制备泡沫金属所用的聚氨酯母体多为高孔隙率低相对密度，网状骨架的筋特别细，铝液渗流时阻力较大，较难充型。

2）通孔泡沫金属的模型有很多种，不同的制备方法制备出来的泡沫金属应该运用与之对应的模型，对模型与实际泡沫金属的匹配是今后的一个研究方向。

3）前人对熔模法制备泡沫的研究要么只限于工艺上的可行性，要么只限于孔结构的分析。通过孔棱加粗的处理能够成制备出孔棱粗细不同的开孔泡沫金属，这些泡沫金属在性能上有何不同，如何系统构建解释高孔隙率开孔泡沫金属结构与性能之间关系的理论应该是当前研究的重点。

参考文献：

［1］John Banhart.Manufacture，characterisation and application of cellular metals and metal foams［J］.Progress in Materials Science，2001，46：559-632.

［2］ 张伟开，何德坪，汤小东，等.海绵铝的形成及其孔结构［J］.材料热处理学报2005.26（6）：36-40.

［3］ Alexander Martin Matz.Mesostructural Design and Manufacturing of Open-Pore Metal Foams by Investment Casting［J］.Advances in Materials Science and EngineeringVolume，2014，Article ID 421729，9 pages.

［4］ 李海娟，王录才，王芳，等.可溶石膏型制取泡沫金属的工艺研究［J］.机械工程材料，2004（5）：20-21.

［5］ 王兰馨，赵忠兴，耿德军.添加剂对石膏型强度的影响.沈阳理工大学学报2009，28（6）：24-27.

［6］ Rath S，Banmeister G，Hausseh J．Investments for Casting Micro Parts with Base Alloys［J］．Microsystem Technologies，2006，12 （3）：258-266．

［7］ 吴进，程和法，黄笑梅，等.变质处理及热处理对泡沫金属合金压缩吸能性的影响［J］.特种铸造及有色合金，2011，31（4）：82-85.

［8］ 曹晓卿，杨桂通.热处理对泡沫金铝合金力学性能及吸能性的影响［J］.稀有金属材料与工程，2006（7）：117-121.

［9］ EkkaDak WICHIANRATl.Microstructural examination and mechanical properties of replicated aluminium composite foams［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22：1674-1679.

［10］ 杨思一，王录才，王彦启.基于规则孔型的多孔结构材料等效弹性模量的有限元分析［J］.铸造设备与工艺，2009（4）：11-13.

［11］ 石上路，卢子兴.基于十四面体模型的开孔泡沫材料弹性模量的有限元分析［J］.机械强度，2006，28（1）：108-112.

中图分类号：TG146.2+1

文献标识码：A

文章编号：1674-6694（2016）01-0050-04

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.016

收稿日期：2015-08-29

作者简介：李杰（1990-），男，硕士研究生。

通讯作者：游晓红（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