论文总字数：23116字

摘 要

泡沫铝因是一种特殊的多孔结构材料，具有轻质、高比刚度、高比强度、冲击能量吸收、防烧隔热和电磁屏蔽等优良性能，并且在载人航天，高速列车等各个方面获得应用。大量研究显示，泡沫铝的孔结构对其各种性能有决定性作用。气泡的初始形核规律强烈影响着气泡的生长成型过程，最终影响孔的结构。因此，通过对初始气泡形成规律的研究，可以实现对其气泡生长的控制，以达到优化孔结构的效果。

小孔径泡沫铝较大孔径泡沫铝有更高的强度，冲击能量吸收，高的抗拉强度的优势。在制备过程中，小孔结构的形成和演变受到发泡剂分解释气、排液、气泡合并等诸多因素的影响，制备困难。因此，本论文试图通过研究气泡的形核规律来达到控制气泡孔径大小的目的，并在此基础上进一步探讨孔结构的控制与优化。

本研究的主要内容是：以碳酸钙和菱镁矿作为发泡剂，探究在不同温度和保温时间下的铝熔体泡沫铝的发泡情况；使用TiH₂作为发泡剂，研究在快速凝固的条件下，加入发泡剂时不同的搅拌转速和搅拌时间对泡沫铝内气泡形核的影响；使用碳酸钙作为发泡剂，进行小孔径泡沫铝的制备。总结不同的制备工艺和材料参数对泡沫铝生长以及孔结构特征的影响，以此为基础通过实验手段探究小孔径泡沫的制备方法。

关键词：泡沫铝，孔隙率，多孔材料，形核规律

Abstract

As a special porous structure material, aluminum foam has excellent properties such as light weight, high specific stiffness, high specific strength, impact energy absorption, heat insulation and electromagnetic shielding, and has been applied in various aspects such as manned space flight, high-speed train and so on. A large number of studies have shown that the pore structure of foamed aluminum plays a decisive role in various properties. The initial nucleation law of bubbles strongly influences the growth and formation process of bubbles, and ultimately affects the structure of holes. Therefore, by studying the law of initial bubble formation, the control of bubble growth can be achieved, and the effect of optimizing the pore structure can be achieved.

Small pore aluminum foam and larger pore aluminum foam have the advantage of higher strength, impact energy absorption and high tensile strength. In the process of preparation, the formation and evolution of pore structure are affected by many factors, such as the decomposition and release of foaming agent, liquid discharging, bubble coalescence and so on. Therefore, this paper attempts to achieve the purpose of controlling the size of the bubble by studying the nucleation law of the bubble, and further explores the control and optimization of the pore structure on this basis.

The main contents of this study are: using calcium carbonate and magnesite as foaming agent, the foaming conditions of aluminum foam in aluminum melt at different temperatures and holding time are explored. Using TiH2 as foaming agent, the influence of different stirring speed and stirring time on bubble nucleation in foam aluminum under the condition of rapid solidification is studied. Preparation of pore size aluminum foam. The effects of different preparation processes and material parameters on the growth and pore structure characteristics of aluminum foam were summarized. Based on this, the preparation method of small pore foam was explored through experimental means.

Keywords: Aluminum foam, porosity, porous materials, nucleation law

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 泡沫铝的性能与用途 2

1.1.2 泡沫铝的发展与制备方法 4

1.1.3本实验的研究意义 7

1.2 研究目标及内容 8

1.3 论文的组织结构 8

第二章 低温条件下泡沫镁铝合金的发泡规律 9

2.1 实验方法及内容 9

2.1.1 实验仪器 9

2.1.2 发泡剂的选择 10

2.1.3 预制件的制备 12

2.1.4 预制件二次发泡 14

2.2 实验结果与分析 15

2.2.1 碳酸钙发泡剂常压环境发泡 15

2.2.2 碳酸钙发泡剂负压环境发泡 16

2.2.3 菱镁矿发泡剂常压环境发泡 17

2.2.4 菱镁矿发泡剂负压环境发泡 19

2.3 本章小结 21

第三章 快速凝固条件下泡沫铝的形核规律 22

3.1 实验方法及内容 22

3.1.1 实验仪器 22

3.1.2 发泡剂的选择 22

3.1.3 预制件的制备 23

3.2 实验结果与分析 23

3.2.1 900r/min转速发泡情况 24

3.2.2 1200r/min转速发泡情况 26

3.3 本章小结 28

第四章 小孔径泡沫铝的制备 29

4.1 实验方法及内容 29

4.1.1 实验仪器 29

4.1.2 发泡剂的选择 29

4.1.3 小孔径泡沫铝的制备 29

4.2 实验结果与分析 31

4.3 本章小结 32

第五章 总结与展望 33

5.1 论文整体总结 33

5.2 论文后续工作展望 33

参考文献 34

致 谢 37

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

多孔材料是一种网络结构的材料，由相互贯通或封闭的孔洞构成，而孔洞的表面或边界由支柱或平板构成。多孔材料可以分为二维多孔材料和三维多孔材料， 二维多孔材料是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于形状与蜂房的六边形结构相似，二维多孔材料也被称为“蜂窝”材料。三维多孔材料更为普遍，它们由大量多面体形状的孔洞在空间聚集而形成三维结构， 也被称为“泡沫”材料。如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界（即孔洞之间是相通的），则称为开孔；如果孔洞表面也是实心的，即每个孔洞与周围孔洞完全隔开，则称为闭孔；而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。多孔材料广泛存在于我们周围,具有优异的物理和力学性能。因此,在自然界中,多孔材料是十分常见的，他们一般作为结构或功能材料(例如木材和骨骼)。海绵被广泛应用于社会生产和生活的各个环节,是一种常见的人工制备的多孔泡沫材料。而近年来，越来越多的科学家们发现金属也可以制备成多孔结构甚至是泡沫结构,而且具有许多独特的性能,这将使得金属泡沫在今后有着广泛的应用前景。

泡沫金属是一种含有泡沫孔隙的特殊金属材料。泡沫金属具有独特的结构特点，具有密度小、隔热性好、隔音、电磁波吸收等一系列优点。它是随着人类技术的发展而逐渐发展起来的一种新型材料。它常用于航空航天、石油化工等一系列工业发展中。泡沫金属的渗透性很高，几乎所有的孔隙都是连通的。孔隙表面积大，容重小。泡沫金属的性能受制备工艺的影响。泡沫金属的力学性能随孔隙率的增加而降低，电导率和导热系数呈指数下降。当泡沫金属受到压力时，由于应力区的增加和由孔塌引起的应变硬化效应，泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性。

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