（材料加工工程专业论文）多孔铝的制备及其在热管中的应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w i n gt ot h ep o i o u sa l u m i n u m h a ss o m em e r i t s , s u c ha sl o w e rd e n s i t y , w i t ht h e l a r g es p e c i f i c 吼l l f l l e ea r e a , h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h i 曲c a p a c i t ye o o l i gh e a t e x c h a n g e r , g o o dp e r m e a b i l i t y , e x c e l l e n tm a e h i n a b i l i t ya n dc h e a p ，i tt l e c , o l n e t l a e r e s e a r e l ah o ts p o to fh e a te x c h a n g em a t e r i a l s ，a n dp l a yi m p o r t a n tr o l ee s p e c i a l l yt h e a p p f i e a t i o no fh e a tp i p e s t h ed i a m e t e rc o n t r o l l a b l ep o t o i l sa l u m i n u mw a sp r e p a r e d 、 r i t l at h es p a r kp l a s m as i n t e r i n g ( s p s ) f i r s t , t h e d i a m e t e rc o n t r o l l a b l el 删i e l e s w e p l q ，a r e d v i a t h ea n l i s o l v e n t c r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d t h es m a l l e s tp a r t i c l e sl t a e hs e v e r a lm i e r o m o t h e ra d d i t i v e s w ma d d e di n t ot h ea l c o h o lt od e c r e a s es a l ts o l u b i l i t yi n t h ep t e p a 枷o l ln a c i p a r t i c l e sp r o c e s sb ) ，t h ca n t i s o l v e n te r y s t n l l i 刎o nm e t h o d ，s a t u r a t i o ni st h ek e y f a c t o r i nt h ca n t i s o l v c n tc r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d w h e nt h ea l c o h o la sas i n g l eo r g a n i c s o l v e n t s , t h em i x i n gl i m ei sl o n g e r , t h en a c ig r a i ns i z ei sl a r g e r t h ea c i d i cs o l u t i o n c a l , l s 鹤r e l l l i o no fp a r t i d e s t h eb a s i cs o l u t i o n 黜sl a r g e rp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n a n d m o l eg a p s ，s i m h e i p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dm o l l el g l l l a l rc u b es a l tp a r t i c l e s w e p r e p a r e du s i n gn e u l 埘o r g a n i ca d d i t i v e sa sa na n t i s o l v e n t , t h em o u n to f o r g a n i c a m e n d m e n t sa f f e c t s 血cs a l tr , a r t i e l es i z e b u ti ti sl i t t l e re f f e c t0 1 1t h em o r p h o l o g y t h e n c u l r a lo w a i es o l v e n t sa sa d d i t i v e sw e 犯c h o s e nt oe o n l z o lt h em o r p h o l o g yo f n a c l p a r t i c l e s s e c o n d l y , t h ed i f f e l 日a tp a r t i c l es i z eo f n a c lw e 托c h o s e na sr , o r - r e a t i n gm a t l 盯t o p r e p a r el o ww e i g h tf l 硎o nn a c i a ic o m p o s i t em a t e r i a l s , s i n t e r i n gt e m p e r a t 哦， s i t e r i gp l e s s u ，h e a l i n gr a t e 懈d i s c u s s e db yt h e $ p s ，p r e p a r i n gn a c i a i c o m p o s i t em a t e r i a l sb yt h es p si sf c a s i b l e e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s i n t e r i g p r e s s u r ea n dt h ec o n t e n ta n ds i z eo fn a c lw e r ed i s c u s s e do nt h ep o r o u sa l u m i n u m p o r o s i t ya n dp o r es l l u e t u r et or e c e i v et h e b e s ts i t e 趣p a l d m e t e 幅t h er e s u l t si s s h o w nt h 缸t h ep o r o s i t yo fn a c i a 1c o m p o s i t em a t e r i a l sr e a c h6 9 4 1 , t h r o u g h s i t e r i gt h e6 0 s o d i me l a l o r i d em i x e dp o w d e ru n d e r1 5 m p aa n d5 9 0 1 2 ，t h e s m a l l e s ta o e r t u r ei sa b o u t5 1 a m , t h ea v e r a g ep o r es i z ei sa r o t m d 2 0 1 t i n n i r dt h ei l s s o c i 础 ep r o p e r t yo ft h ep o r o u sl a y e ra n dt h ec o m b i n a t i o no f 武汉理工大学硕士学位论文 a l u m i n u ma l l o yp l a t eo f6 0 w t n a c l + 4 0 w t a l + a l u m i m n na l l o yb l o c k ( a v e r a g e 2 0 p mn a c ia n dt h ep t l 嗍l r e2 0 口幻i sw e l lu n d e r2 5 一5 0 2 m i n 一8 0 l m i n - 1 3 0 l l m i n - 4 0 0 4 m i n 5 1 5 ，4 m i n 5 6 0 4 m i n 5 6 8 ，2 m i n 5 7 0 5 m i n , t h e p o w s i t yo f p o r o u sl a y e ri s6 9 a n d t h ea v e r a g ep o r es i z ei s2 0 t u n f i n a l l y , t h es i n t e r e dh o tp l a mw a sa p p l i e dt ot h eo u r s e l v e sd e s i g n e df l a th e a tp i p e ， t h es i n t e r e dp o r o u sl a y e rb a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t so fh e a t d e v i c e , h e a t t r a n s f e ri ss t a b l e r k e y w o r d s ：p o r o ma l u m i n u m , s p s ，s i z ec o n 血o l , i x o s i t y , h e a tp i p c 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工文学或其它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 当今传热工程面i 临两大问题，即研究高绝热材料和高导热材料。在高导热 材料中，有铝、紫铜、银等，其导热系数分别为2 0 2w ( m ) ，3 8 5w ( m ) ， 4 1 0w ( m ) ，导热数量级为1 0 2w ( m ) ，远不能解决特殊工况下对快速散 热和传热的要求。但是热管可以，它被称为迄今为止的最高效的传热元件【i 埘。 而且对于电脑，面对c p u 越来越高的热量，传统风冷散热器是心有余而力不足， 热管散热器则能解决上面这些问题。 对于热管的构想1 9 4 2 年首次由美国人r s g a n g e r 提出。1 9 6 2 年l t r e f e t h e n 再次提出类似于o a u o e r 的传热元件用于宇宙飞船，但因这种建议并 未经过实验证明，亦未能付诸实施。1 9 6 3 年美国l o sa l a m o s 国家实验室的 g m g - r o v e r 重新独立发明了类似于渤u g l e r 的传热元件，并进行了性能测试实 验，在美国应用物理杂志上公开发表了第一篇论文，并正式将此传热元件 命名为热管“h e mp i p e 。1 9 6 4 年，美国l o ea l a m 科学实验室的g m g r o v e r 及 其合作者t p c o t t e r 与g f e b o n 制成高温钠热管p 一。 1 9 6 5 年c o t t e r 首次提出较为完整的热管理论，莫定了热管研究的理论基础， 也成为热管性能分析和热管设计的根据。随着热管设计的蓬勃发展，上世纪6 0 7 0 年代涌现出了各种类型的热管，平板式热管的概念也应运而生。直至近期， 电子技术的高速发展呼唤着高效稳定的冷却手段，平板热管再次引起业界和学 术界的广泛关注 5 - 6 1 。 1 2 热管的研究现状 1 2 1 热管的工作原理 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成。将管内抽成1 3 ( 1 0 1 - 1 0 4 ) p a 的负 压后充以适量的工作液体 9 - 埘，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液 体后加以密封。管的一端为蒸发段( 加热段) ，另一端为冷凝段( 冷却段) ，根据应 武汉理工大学硕士学位论文 用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽 化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料 靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另端。 其工作原理如图1 1 所示。 热量流入 热量流出 ，f7 ，竹，? ， 刘- 一 r 习厂厂一黼霸! 一。一匿 ， i f 流磊 1 1 i i l l i 1 2 2 热管的分类【1 4 1 图1 1 热管的工作原理图 f i g 1 - 1h e a tp i p ep r i n c i p l e 1 2 2 1 按热管的运行温度分类 ( 1 ) 低温热管 低温热管是指工作温度在4 2 0 0 k 范围内的热管。用氦做工质，可以在4 k 以下工作。氢和氖可以在2 0 3 0 k 范围内使用。温度再高一些，可用的工质有 氮和氧。在1 0 0 2 0 0 k 范围内常用的工质有甲烷、乙烷、f 1 3 等。低温工质 的特点是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。它们与一般的工程材料均能 相容，但用氢作工质时需注意氢脆问题。 ( 2 ) 中温热管 中温热管是指工作在2 0 0 7 0 0 k 范围内的热管。这是目前使用最广泛的一 2 武汉理工大学硕士学位论文 类熟管。在此温度范围内，水的热性能最好，能在3 5 0 5 0 0 k 温度下使用，其 缺点是与铝、钢等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容，而且其凝固点高， 因此限制了它的使用。近年来通过大量的研究在钢水相容性方面取得了进展， 钢水热管在余热回收方面得到广泛应用。在2 0 0 3 5 0 k 范围内最佳的工质是 氨，其热性能仅次于水，能与铝、钢等常用工程材料长期相容，其凝固点也低， 因此在卫星、飞船上得到了广泛的应用【l l - 1 2 l 。在3 0 0 4 0 0 k 范围内常用的工质 是甲醇、f 1 1 、f 2 l 、f 1 1 3 等。其中甲醇的热性能仅次于氨，有良好的控制 灵敏度。在5 0 0 7 0 0 k 范围内合适的工质不多，目前常用的是导热姆、联苯等。 这一温区对于热能回收、化工过程有很大意义，但寻找合适的工质仍然是一个 重要课题。 ( 3 ) 高温热管 高温热管是工作在7 0 0 k 以上的热管，用银做工质最高温度能达到3 0 0 0 k 。 高温热管的工质均是液态金属。汞可在5 0 0 9 0 0 k 内使用，并具有很好的热力 性能。汞在常温下是液态，所以比其他金属容易充装，但汞有毒又不能很好地 湿润吸液芯，所以没有得到广泛应用。温度再高一些，常用的工质有铯、钾、 纳、锂等【陆1 4 1 。高温热管的传热能力比中低温热管大得多，径向热阻比中低温 热管小得多，所能达到的最大径向热流密度也要高得多。 1 2 2 2 按外部结构分类 从外部形态看，熟管有很多式样，不同的形式是为了满足不同的需要。外 部形式的多变性和灵活性是热管得到广泛应用的一个重要原因。目前，在实际 应用中常出现的有以下几种：( 1 ) 圆柱形；( 2 ) 环形；( 3 ) 星形；( 4 ) 长挠性形：( 5 ) 传 热面积随着螺旋松开而改变的挠性螺线管形：( 6 ) 蒸汽室形；( 7 ) 平板形；( 8 ) 分离 式热管。 1 2 3 热管的优点1 1 卅 ( 1 ) 传热效率高。热管中热量的传递是靠介质相变而形成的对流进行的， 而不象铜、铝等金属的传热是靠分子的热运动而传导的，所以，热管能传递的 热量和速度比银、铜等金属大几百倍。 ( 2 ) 压力损失小。热管表面的温度是由蒸汽温度控制的，当局部受热量增 武汉理工大学硕士学位论文 大时，管内的蒸汽压力升高，管内空间的温度变得更均匀。这种等温性与热管 的形状和尺寸关系不大。 ( 3 ) 优良的热响应性。热管的启动温差( 蒸发段温度与冷凝段温度之差) 很 小，只要蒸发段的温度稍微高于其冷凝段的温度，热管就可以开始工作。热管 内部压力很小，当蒸发端受热后，蒸汽就以近似于该温度下的速度前进。 ( 4 ) 尺寸变化范围大，维护费用少。 ( 5 ) 无运动部件，运行可靠，使用寿命长。 ( 6 ) 能在失重状态下工作。 1 2 4 热管的应用及展望0 4 1 1 2 4 1 热管在余热回收方面的应用 2 0 世纪7 0 年代以来，虽然管壳式换热器在使用方面仍有优势，但是板式、 板翅式、螺旋板式等新型热管换热器和空冷器发展很快。对于小温差的换热，现 代紧凑式换热器单位体积的换热面积可达几千平方米。热管在冷却方面的应用 主要有以下几方面：( 1 ) 用于冷却大容量电力电容器；( 2 ) 可用于冷却电力变压器， 从根本上提高变压器发热部分的换热系数，可以增加变压器的负荷而不超过允 许的温度范围，而且也为变压器冷却采用无泵系统提供了可能性，这将大大提 高变压器运行的可靠性；( 3 ) 可用于冷却蓄电池由于蓄电池充、放电时电解液 中产生的热量不容易通过外壳散掉，从而大大限制了充、放电电流。特别是长 时间充电。使用本身热阻很小的热管插入电解液中来冷却蓄电池，可以大大降 低充、放电时电解液的温度。 1 2 “熟管用于电子元件及微型组件的散热 对电子元件或部件进行热控制是电子设备向前发展需要解决的重要问题， 由于技术的进步，电器设备向大功率、紧凑化方向发展，所以单位体积产生的 热量很大与此同时，有效的散热面积却相应缩小，从而使散热问题更为突出。 要设计一个有效的传热系统。其中一个重要因素是减小热源和冷源问的热阻 热管以其高传热性能和温度可控性使其能在电子器件的热控制方面发挥作用。 以上主要列举了热管应用的几个方面，综合起来说热管的应用领域有以 下方面 9 - “l ：( 1 ) 冷却方面，例如反应堆的冷却、空间核动力、炉子、自动阻风 4 武汉理工大学硕士学位论文 阀、发动机的冷却、水泥房冷却、冰袋局部冷却器、太阳能、m c 主轴和气 轮机等的冷却、旋转机械的冷却、变压器的冷却、开关的冷却、火箭和卫星装 配设备的冷却、电力设备、仪表的冷却、二极管集成电路和大规模集成电路的 冷却、可控硅的冷却；( 2 ) 加热方面，例如化油器加热、汽车、干燥器、熔炉、 锅炉、省煤器和空气预热器、蒸汽发生器、废热回收、排气、去硫器、过程热 交换器、烤炉、煎饼用的浅锅和冰冻贮藏、烹调用的小刀、厨房设备、储热器、 温室加热、均温、空气调节、卫星均温、航空领域、雪的融化和防冰冻系统、 冻土保护装置、民用技术，等等。 近2 0 年来，在密封高效的高温热能系统发展过程中，提高辐射和对流热交 换的技术变得越来越重要了u 6 】。由于多孔介质具有很大的比表面积，在流体的 通道内填充孔率适当( 孔率太大则压力损失太大) 的金属的多孔体，使得实际传 热面积比流体通道本身的传热面积大得多，以此作为热交换器，大大的降低了 能耗，促进了热交换，其换热效率得到大大的提高。而热管是多孔介质热交换 器的一个重要类型，是一种内表面覆盖多孔芯材结构的密封排液溶器。多孔金 属比表面积大而具有大的比表面能，促使气泡很快地脱离壁面，在蒸发段既加 强了液体的扰动，使沸腾损热得以强化：传热主要是经过饱和吸液芯液体组合 体的导热以及毛细孔中回流液体的对流，而多孔芯的结构无疑决定了热管的整 体性能，因其结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。一个性能优良 的管芯应具有： ( 1 ) 足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径； ( 2 ) 较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率； ( 3 ) 良好的传热特性，即有小的径向热阻； ( 4 ) 良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。 目前热管多孔芯的结构主要有3 种，微槽、丝网和颗粒烧结p 4 1 ，丝网容易 结合不紧密，而且容易阻止气泡的脱离；微槽价格贵，不容易实现机械加工， 很难满足毛细要求；而颗粒的烧结作为多孔芯易重复，可以满足毛细要求，可 靠，可使实际的传热面积比流体通道本身的传热面积大的多，以此作为热交换 器，可使其熟交换效率得到大大提高。而多孔金属作为吸液芯不仅能够起毛细 作用，还能提高热管的辐射和对流传熟，有很好的应用前景。因此使用多孔金 属材料是一项很有发展前景和可望成功的技术i l ”。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 多孔铝制备及其发展现状 1 3 1 多孔铝的主要制备方法 1 3 1 1 液相法 ( 1 ) 熔体发泡法 在熔融的铝液中加入发泡剂和粘结剂，高温下发泡剂分解放出气体使铝液 发泡，浇注便得到多孔铝，搅拌速度和熔体的粘度是两个非常重要的因素，分 别控制气泡的分散和抑制气泡的溢出和长大协朋。此工艺成本较高，可连续生 产，但是壁厚和气泡大小难以控制，不能得到静形产品。制品一般为闭孔的， 平均孔径为0 5 3 0 m m ，孔隙率为5 0 9 6 。 ( 2 ) 渗流铸造法【1 9 1 先将粒状的填料或多孔的预制块填入铸模内，填料占据一定的空间，将熔 融的铝或合金注入铸模内，以填充填料之间的空隙，冷却成型后，除去填料即 得到多孔铝。制品为开孔，孔径为0 3 5 m m ，孔隙6 0 7 0 。这种方法成本 较高，且容易留下细小的包覆物和渗不满造成样品不完整刚。 ( 3 ) 熔体注气法 向熔融的铝液中吹入气体而使铝液发泡。关键是液体要有一定的粘度和保 证足够宽的发泡温度区间。所得制品为闭孔，平均孔径3 2 5 m m ，孔隙8 0 9 8 1 2 1 - 2 2 。该方法成本较低，但壁厚和气泡大小难以控制。 ( 4 ) 熔模铸造法 熔模铸造法采用泡沫塑料( 海绵) 浸入耐火材料浆液中，使其充满塑料孔隙， 然后风干，硬化，加热使泡沫塑料分解，形成一个三维网状骨架的铸型，将液 体金属浇入此铸型内，凝固后除去耐火材料，就获得了具有三维网状互连的多 孔铝。如果耐火材料之间的孔隙过于狭窄，就不能只依靠重力来进行铸造填充， 需要对模具加热和加压1 2 3 - 2 4 。这种工艺方法可以复现原母体材料的三维网状结 构，获得开孔铝合金制品，并且孔隙形状、大小均匀 2 5 - 2 6 1 ，但制品骨架强度较 低，工艺较复杂，成本较高。采用这种工艺方法制得的多孔铝的孔隙率一般在 8 0 - 9 7 之间。 ( 5 ) 共晶凝固法 2 7 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 气体在熔融的金属中有一定的溶解度，并随压力的增大而增大，当溶解度 达到预定的值后，金属与气相进行共晶凝固而得到多孔金属。此工艺较复杂， 成本较高。 ( 6 ) 软陶瓷球占位法 2 s l 软陶瓷球是用粗糙的a 1 2 0 3 粒子、聚乙烯醇、水、少量的斑脱土和梭甲基 纤维素或经丙基甲基纤维素制成，它们可以代替坚硬和立方体形状的n a c l 晶体 颗粒，而且具有耐高温、高压、易在沸水中除去、弹性好、易于压缩包装等特 点。使用少量的斑脱土( a 1 2 0 3 的1 0 w t ) 是为了使其在铸造时耐高温和耐高压。 聚乙烯醇是胶合剂，朋2 0 3 、水和聚乙烯醇的质量比为1 0 0 ：4 8 ：4 7 。加入梭甲基 纤维素或轻丙基甲基纤维素是为了增加陶瓷球的可压缩性，同时也起到保湿的 作用。把这些物质混合后切成3 - 5 r a m 的立方体，再球磨1 2 0 - 2 4 0 s ，由于这种陶 瓷球很软，很快它们就会变成球形。把这些陶瓷球放入不锈钢模具中，再使加 热到7 4 0 的铝液渗入空隙之中，待冷却后用超声波震动除去陶瓷球，就得到 开孔的多孔铝了，采用这种软陶瓷球占位制得的多孔铝孔隙大小均匀可控，最 高孔隙率可达8 8 5 。 1 3 1 2 固相法 ( 1 ) 粉末烧结法 2 9 - 3 0 l 将粉和发泡剂混合，采用轧制等压力将粉末压制成形，加热到铝的熔点 附近，发泡剂受热分解放出气体形成气泡，凝固后形成多孔铝。己制备出孔径 1 s m m ，孔隙率为4 0 n , 6 8 5 的样品。 ( 2 ) 烧结溶解法【3 1 - 3 2 1 烧结溶解法是近几年发展起来制备多孔铝的一种方法。该方法是以铝或铝 合金粉末为基体，加入一定量的造孔剂、粘结剂，通过混粉、压坯、烧结和溶 解等工艺过程来制取多孔铝的。常用的造孔剂有n a c l l 3 加、尿素、碳酸氨等。在 压制过程中，造孔剂一般保持原貌，铝粉发生塑性变形而填充造孔剂之问的大 部分空隙，形成连续的网状基体。 烧结溶解法的优点主要在于通过选择造孔剂的形状与粒径，可以控制孔隙 的形貌和尺寸；通过控制铝粉与造孔剂的体积比和压制压力可以在一定范围内 孔隙率；并且可以生产净形成品。该方法的缺点是当孔隙率较低和造孔剂分解、 溶解不充分时，制品内常常会残留杂质，影响成品性能；烧结和溶解阶段耗时较 7 武汉理工大学硕士学位论文 多，工艺周期较长。采用该方法可以获得开孔结构，孔隙率在5 0 8 5 之间， 孔径在o 1 i m m 之间。 1 3 1 3 沉积法 ( 1 ) 喷溅沉积法1 3 4 - 3 6 喷溅沉积法是采用喷溅技术把夹有惰性气体的粉末均匀地喷射到铝合金金 属上，并加热到金属的熔点，使夹在金属基体中的气体膨胀成孔，待冷却后即 得到具有网状结构多孔铝的一种方法 ( 2 ) 气相蒸发沉积法1 4 l 】 在较高压的惰性气氛中缓慢蒸发金属铝，蒸发出来的金属原子在向前运动 时与惰性气体发生一系列的碰撞、散射作用，迅速失去动能，从而部分凝聚起 来形成金属烟，金属烟在自身重力作用及惰性气流的携带作用下沉积，且在下 行过程中继续冷却降温，最后达到基底，因其温度低，原子难以迁移或扩散， 故金属烟微粒只是疏松地堆砌起来，形成多孔结构。用这种技术生成的泡沫铝 与具有宏观结构的泡沫铝不同，它是由大量亚微米尺度的金属微粒和微孔隙构 成，其密度约为母体金属铝密度的l ，最小为0 5 。 ( 3 ) 镀覆金属法【3 7 3 l l 镀覆金属法是把泡沫塑料经粗化处理、敏化和活化处理、化学预镀及电镀 等多个步骤，将铝覆盖在泡沫塑料上，然后加热使泡沫塑料分解得到泡沫铝的 一种方法。其中敏化与活化处理两道工序起着非常重要的作用。敏化处理是使 粗化后的零件表面吸附一层有还原性的离子，以便在离子活化处理时，使零件 表面形成一层有催化作用的金属层，从而使化学镀能自发的进行，使泡沫塑料 成为导体，进而促进电镀铝的成功进行。该方法制得的成品孔隙相互连通，结 构均匀，孔隙率高达8 0 9 9 。 1 3 2 放电等离子烧结( s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ，简称s p s ) 技术简介 “放电等离子烧结 ( s p a r kp l a s m as t n t e r m g ，s p s ) 又称“等离子活化烧 结”( p l a s m aa c t i v a t e ds t n t e r i n g ，p a s ) ，是上个世纪九十年代出现的材料制备新 技术之一，它是利用脉冲大电流直接施加于模具和样品上。产生体加热( 如图l 2 示) ，使被烧结样品快速升温；同时，脉冲电流引起颗粒问的放电效应，可净化 0 武汉理工大学硕士学位论文 颗粒表面，实现快速烧结，有效地抑制颗粒长大。传统的热压烧结主要是由通 电产生的焦耳热( 1 2 r ) 和加压造成的塑性变形这两个因素来促使烧结过程的进 行。而s p s 过程除了上述作用外，在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的 直流脉冲电流，并有效利用在粉体颗粒间放电所产生的自身发热作用，具有不 同于传统烧结方法的特点： ( 1 ) 烧结温度低，烧结时间短，可获得晶粒细小、均匀的组织，并能保持 原始材料的自然状态； ( 2 ) 能获得高致密度材料； ( 3 ) 通过控制烧结组分与工艺，能烧结类似于梯度材料及大型工件等复杂 材料； ( 4 ) 放电产生局部高温使晶粒局部结合，可制各多孔材料。 目前在国外，尤其是在日本，用s p s 制备新材料的研究较多，部分产品已 投入生产。s p s 可以加工的材料种类如表1 3 所示。利用其特定的优点，s p s 系统已经被成功地应用于梯度功能材料( f g m ) 、金属基复合材料( m m c ) 、纤维 增强复合材料( f r c ) 、多孔材料和高致密度、细晶粒陶瓷等各种新材料的制备， 同时在硬质合金的烧结，多层金属粉末的同步焊接( b o n d i n g ) ，陶瓷粉末和金属 粉末的焊接以及固体粉末固体的焊接等方面已有广泛的应用嗍。 i 盥d l o d 1 石墨模具2 石墨圆盘3 电极4 石墨压头5 样品 6 水冷真空室7 红外测温仪 图l - 2s i s 设备烧结原理 f i g 1 - 2s i n t e d n gp r i n c i p l eo f s p s 9 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 3s p s 可加工的材料 t a b 1 - 3m a c h i n a b l em a t e r i a lb ys p s 分类 金属f e ，c u ，a i ，a u ，a g ，n i ，c r 几乎所有金属 陶瓷氧化物 a 1 2 0 3 ，z r 0 2 ，m g o ，s i o ：，t i 0 2 ，h f 0 2 碳化物s i c ，b c ，t a c ，t i c ，w c ，z r c ，v c 氮化物s i 3 n 4 ，n n ，t i n ，a i n ，z r n ，v n 硼化物t i b 2 ，h m 2 ，l a b 6 ，z r 8 2 ，v b 2 氟化物l i f ，c a f 2 ，m g f 2 金属陶瓷 s h n + n i ， a 1 2 0 3 + n i ，z r 0 2 + n i ，a 1 2 0 3 + t i c ，s u s + 加2 ， 金属间化合物1 r i 趾，m o s i 2 ，s i 3 z r s ，n i a j ，n b c o ，n b 舢，s m 2 c 0 1 7 基宣挝整查扭挝整【鐾壁垩壁笠) ：复金挝整 1 3 3 多孔铝的应用 相对于致密金属材料，多孔铝具有许多优良的特性，如密度小、比表面积 大、能量吸收性能好、热导率高( 开孔体) 、换热散热能力高( 开孔体) 、吸声性能 好( 开孔体) 、隔音形佳( 闭孔体) 、透过性能( 渗透性) 优( 通孔体) 、电磁波吸收性 能好( 通孔体) 、阻火( 通孔体) 、耐热耐火、抗热震、气敏、能再生、加工性能好 等，多孔铝兼顾了多孔材料的绝大部分优异性能，其应用几乎涵盖了多孔材料 的所有用途 4 0 - “1 ，如：利用多孔铝的均匀透过性可制作各种过滤器、分离器、 流体分布器、混合器等；利用其大的比表面积可制作各种多孔电极、催化剂及 催化剂载体、电容器、电解槽阳极以及热交换器热管等，利用其毛细管现象可 制作火箭鼻锥、机翼前沿等所使用的各种强制发散冷却材料和自发汗材料、灯 芯和吸油气等。 一般多孔技术的导电性能、导热性、加工性、耐热性、抗热震性，以及强 度、韧性、抗冲击能力等综合力学性能等，均优于其他多孔材料【帕l ，所以多孔 武汉理工大学硕士学位论文 金属在用于电极、换热散热、高温密封等方面，有很独特的优势。常用多孔金 属材料的材质有铜、镍、钛、铝不锈钢，以及其他金属和合金，在所有多孔金 属中受到特别重视的是泡沫铝( 4 r j 。 1 3 4 多孔铝的研究现状 1 9 0 1 年，国外就已有粉末冶金制备多孔材料的专利，随着工业的发展，人 们对多孔金属的孔隙结构、大小、均匀性、形貌以及其物理、化学、生物等性 能要求进一步提高。近几十年来，人们对多孔铝的研究产生了更加浓厚的兴趣， 并在多孔铝的制备和应用方面取得一定进展。 对多孔材料的研究比较早的1 9 2 2 年问世的青铜多孔减磨滑动轴承h 明。1 9 3 6 年又研制成功铁基多孔含油轴承。自从1 9 4 8 年s o n i k ( 美国) 利用汞在熔融态的 铝中气化而得到了多孔泡沫金属，人们第一次有了金属发泡体的概念和认识。 随后美国科学家e l l i o t 于1 9 5 1 年成功地制造出泡沫铝i 删。上个世纪6 0 年代美 国乙烷公司( e t h y l 公司) 己成为研制泡沫铝的中心【删。据报道【5 l 】，日本1 9 8 2 年 以前所公布的2 0 多个有关泡沫铝的技术专利中，有一半是来自美国的e t h y l 公 司和罗尔公司( l o r 公司) 。可以看出欧美一些国家对多孔铝的研究相当得重视， 多孔金属的系统化的研究是在1 9 8 0 年以后。1 9 8 3 年，g j d e s 和s h u z h c n ( 舒 震，中国) 发表的论文应该是多孔泡沫金属系统研究开始的标志。期间，主要的 出版物和事件主要有：l j g i b s o n ，m f a s h b y 于1 9 8 8 年出版的“多孔固体结构 和性能”专著【5 2 】，该著作至今仍然是多孔材料领域的重要论著；美国e r g 公司 用一种 n u o c e r t y 法制得的泡沫金属材料已在美国航天飞机上获得应用。美国 陆军办公室将具有重量轻、多方向能量吸收与耗散等性能的泡沫金属作为新型 功能材料研究和开发的重p ”。日本神户钢铁公司生产的亚尔波拉斯泡沫铝材在 日本的高速列车制造中也获得了应用1 5 4 。另外，日本大阪大学产业科学研究所 通过气体加压气氛下的熔炼凝固法，开发出一种新型的孔向一致的多孔金属。 而日本虹技公司用金属纤维填充入模内进行加压烧结得到了高气孔率( 8 0 9 8 ) 的烧结多孔材料瞰】。德国用泡沫金属作为电梯夹层板材料m 】，并且德国卡曼 汽车公司还用复合泡沫铝材制造出了性能优越的吉雅轻便轿车( g h i a m a d s 嘲。 1 9 9 1 年日本九州工业金属研究所还开发出泡沫铝工业化生成的工艺路线，目前 己能用金属发泡法和渗流法产生大型和小型部件【5 ”。最近，法国学者进行了在 武汉理工大学硕士学位论文 微重力条件下的发泡实验研究，试图减少发泡时重力引起的浮泛( 会导致泡沫凝 聚) 和沉积对流( 会改变液相中的浓度场和温度场) 等作用，以提高液膜的稳定性 闻。加拿大学者在熔融吹气发泡工艺研列5 9 1 中，发现了添加增粘剂是二种可行 的简便措施，这将使泡沫铝的气孔、尺寸和形态更加均匀。美国杜克大学的富 兰克林科克斯教授于1 9 9 1 年在微重力条件下利用太阳能和氢气制造出了微孔 泡沫金属唧】。1 9 9 2 年m f a s h b y t 6 1 墚一次系统地总结了泡沫金属的制备、性能 和应用：1 9 9 9 年，由j b a a h a r t 牵头，创立了泡沫金属的国际性学术机构，每年 召开有关的国际学术会和活动。2 0 0 1 年，j b a n h a r t 的论文1 6 2 对泡沫金属的近期 研究和发展工作进行了系统的结；2 0 0 2 年，h _ p d e g i s e h e r 出版了最新的泡沫金 属论著，是目前泡沫金属的研究的最新成果的总结和叙述。 迄今为止，国内学者对多孔铝的制备工艺进行了一些探索性的基础研究工 作，但目前还处于实验室制备和开发应用上。东南大学、哈尔滨工业大学、东 北大学帕3 1 、武汉科技大学州、昆明理工大学【6 5 1 、广东工业大学嗍、太原重型机 械学院等研究机构都在从事相关研究。其中，国内以南京东南大学材料系对泡 沫金属材料的研究开展最早，并在多孔铝的性能测试方面做了大量的工作，侧 重声、热、渗透性能的研究，具备了一定的研究水平。随着多孔金属取得重大 研究进展的同时，也暴露了一些问题，例如理论研究不足，测试水平有限，对 多孔铝制备工艺因素的的匹配及众多现象中所隐藏的规律，仍然没有认识清楚。 其实多孔铝涉及多学科的综合，9 0 年代后期，我国开始认识到前沿材料对高新 技术和材料发展的重要，进行多学科渗透。综合集成研究以成为多孔铝研究和 开发的新趋势。但是在多孔铝制备中的孔隙结构的控制、孔径大小、形貌和应 用前景的某些物理传热性能、毛细作用、作为热管的多孔芯等方面的性能并没 有得到深入的研究。 1 4 本文研究的目的、主要内容及技术路线 1 4 1 本文研究的目的 目前制备多孔铝的方法有很多种，与其它方法相比，粉末冶金法显示出较 独特的优越性，所制备的样品孔径小，孔隙率调整范围宽，成本较低。本论文 采用s p s 制备出多孔铝样品并对其结构和性能进行分析测试，进而研究多孔铝 武汉理工大学硕士学位论文 孔隙的基本参数( 孔隙率、孔隙形貌) 、工艺条件( 温度、压力) 及多孔铝在热管中 的作用的关系及影响规律，找到以粉末冶金法制备的多孔铝的结构和性能较好 的工艺方法。现在孔隙结构的控制和生产稳定性问题一直困扰着研究者。因此， 从技术上解决多孔铝孔隙结构的可控制性，并研究出低成本可连续化生产的简 单可靠的工艺技术对生产实践有着实际的指导意义。本论文为今后进一步研究 多孔铝，获得较好性能的微细孔径多孔铝以及多孔铝在小型平板热管中的应用 提供理论参考 1 4 2 本文研究的主要内容 本研究旨在利用s p s 烧结系统制备出高孔隙率、孔隙小、孔隙分布均匀的 多孔铝，设计出传热性能好，工艺简单，价格便宜的灿基热管，并把多孔铝成 功应用在平板热管上面。主要内容有： ( 1 ) 制备不同粒径的食盐颗粒( 孔径大小) ； ( 2 ) 找出合适的舢粉与食盐的配比和粒径比，制备出孔隙率较高的多孔金 属铝； 研究烧结温度对多孔铝特性的影响； 研究造孔剂的含量与平均孔隙率和密度的关系； 研究多孔铝的孔隙率、孔径对传热性能和渗透性能的影响。 ( 3 ) 设计尺寸合适的平板热管，并研究多孔铝在热管中的作用。 1 4 3 本文研究技术路线 武汉理工大学硕士学位论文 图l - 4 技术路线图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章粒径可控的n a c l 颗粒的制备 ” 2 1 引言 对于大多数可溶性无机盐，在工业上一般采用蒸发结晶的方法来制各n a c l 晶体。当食盐溶液在缓慢蒸发时，许多立方晶形n a c l 被结晶出来。为了减少 n a c i 晶体制备的成本，最近一种新的方法被发展反溶剂结晶法【3 3 】。 2 2 基本原理及特点 超细颗粒，特别是纳米级粒子已在材料、化工、轻工、冶金、电子、生物 医学等领域得到广泛应用。超细粒子的制备有多种方法，一般使溶质从过饱和 溶液中沉积出来，形成结晶或无定形粉体。通常用蒸发、加热或是冷却，也有 通过化学反应产生不溶性化合物来导致过饱和现象的产生，从而析出溶质颗粒。 超临界流体沉积技术正是在研究中的一种新技术【6 7 】，反溶剂结晶法正是超 临界流体沉积技术之一，它是将要制成纳微米粉的固体( 溶质) 先溶于溶剂形成 饱和溶液，而在超临界流体中的溶解度很小，但是超临界流体与溶剂互溶，当 超临界流体溶解到溶液中时，使溶液稀释膨胀，降低原溶剂对溶质的溶解能力， 在短时间内形成较大的过饱和度而使溶质结晶析出。此过程的最大特点是：当 选择的超临界流体和操作条件合适时，溶液中的溶剂会被超临界流体完全溶解， 析出的溶质可以形成纯度高、粒径分布均匀的微细颗粒。在此结晶过程过程中， 以下两个条件一定要满足闻：一是溶质不溶或微溶于反溶剂流体中；二是反溶 剂流体在液相中的溶解度相当大。 反溶剂结晶法制备超细粉末，具有操作条件接近常温，对产品无化学作用、 不产生任何污染，产品纯度高、无溶剂残留、对粉体颗粒进行定性控制，以及 流程短、工艺简单等特点。 在用反溶剂结晶法制备n a c i 颗粒中，主要的特点是它能够提供控制颗粒形 貌和尺寸的条件，其主要的影响因素可以分为两大类： ( 1 ) 化学参数主要包括溶液的化学成分( 添加物即有机溶剂或杂质的成分) ， 过饱和度的水平以及p h 值； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 物理参数主要包括温度，搅拌和反应时间。 每一个因素能够通过沉淀热力学或是动力学的影响来对结晶有所贡献，特 别是有机添加剂能够影响成核，结块和结晶形状，主要是通过选择性的加速或 是减慢某一结晶面的生长来控制。 本实验主要研究了不同有机添加剂、p h 值、搅拌速度和n a c l 溶液质量分 数对颗粒形貌与尺寸的影响。 2 3 实验 2 3 1 原料 精制碘盐：湖北省盐业总公司产品，含有精致盐、碘酸钾、抗结剂；丙酮： 天津市德恩化学试剂有限公司，纯度大于9 9 5 ；酒精：国药集团化学试剂有 限公司，纯度大于9 9 7 ；n a o h 天津市博迪化工有限公司，纯度不小于9 6 ； 柠檬酸：上海市化学试剂有限公司，纯度不小于9 9 5 ：通过扫描电镜来观察 n a c l 颗粒的形貌。 2 3 2 实验设备 烧杯：量筒：玻棒；漏斗；恒温磁力搅拌机 2 3 3 实验方法 将4 5 0 9 n a c l 溶于1 l 水中形成过饱和食盐溶液，分别以酒精、氢氧化钠 丙酮，柠檬酸等有机溶剂为反溶剂，称取一定量的反溶剂倒入烧杯中，然后放 在恒温磁力搅拌机上以一定的速度搅拌，再将饱和n a c l 溶液倒入烧杯中，控制 n a c l 溶液的流入速度和流量，同时也控制搅拌的时间，最后过滤，用酒精清洗 两次，在真空