[发明专利]注入气泡耦合上引定向凝固制备定向多孔材料的方法及其定向凝固装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向多孔金属材料的制备方法及其定向凝固装置，特别是一种利用直接注入气泡法制备定向多孔材料的方法及其定向凝固装置，应用于藕状多孔金属材料制备技术领域。

背景技术

多孔金属作为一种兼具结构材料和功能材料属性的新型材料，已经广泛运用于工业、医疗卫生、建筑、环保、航空航天及高新科技等多领域。传统意义上的多孔金属的孔状都是呈球状或类球状而且孔洞大小不均匀，孔洞尺寸不一致，孔洞的长径比也较小。相比较传统的多孔泡沫金属来说，定向多孔材料密度低，轻质，比模量和比强度高，不仅具有比相同材质的整块致密材料的综合机械性能更加突出，而且与传统方法制造的多孔材料比较起来，也具有很多优异的性能特点，比如小的应力集中、高的机械性能、良好的导热能力等。由于定向多孔材料具有特殊的结构和性能，使定向多孔材料具有广阔的应用前景，在大分子过滤器、自润滑材料、火箭燃烧室冷却元件以及宇航轻质镁板等方面应用广泛。

目前，多孔泡沫金属的传统制备方法主要是金属熔体法、粉末冶金法以及沉积法。

金属熔体法主要是向金属熔体中添加发泡剂，发泡剂在热的作用下分解并释放出气体，从而使金属熔体发泡。该工艺方法是由日本的Shinco Wire公司在1986年研发，其主要工艺就是首先向熔体中添加Ca，并进行搅拌从而提高金属熔体的粘度，接下来再向熔体中添加在高温下可以释放出气体的发泡剂，在熔体中释放出气体后，该熔体便会慢慢膨胀起来，在接下来的冷却凝固的过程中，释放出的气体会逐渐凝固进固相而制备出多孔泡沫金属。虽然该工艺较为简单，但是在具体生成过程中，难于对发泡率以及在固相中气泡孔洞形貌和分布以及泡沫结构的有效控制，而且该工艺亦难实现连续铸造。

对于业界已认可度极高的粉末冶金法制备多孔泡沫金属，首先就是要对金属粒子进行筛选，在筛选出适当的尺寸金属粒子后，将其填入模具中加压成型，随后再进行无压烧结而获得多孔金属。可见，该工艺存在的缺点极多，工艺过程复杂，耗费时间对其进行筛选。而且烧结后的多孔金属的孔隙结构根本无法控制，同样，制备的材料强度也极低。

对于沉积技术制备多孔泡沫金属，主要是采用物理或化学法，就是以易溶解的有机物为基体，将多孔泡沫金属的金属物沉积上边即可。主要有电沉积技术和气象沉积技术。电沉积技术主要是先进行化学镀，然后再进行电镀。其中，在化学镀过程中需要用到含有价格昂贵Pb的PbCl2溶液，而且在电镀完后，还需要对其进行高温处理。金属气相沉积技术主要是在真空或较高惰性气氛中进行，即过程就是需要缓慢蒸发金属材料，然后蒸汽即会沉积在多孔状的有机物基底上。虽然该金属沉积技术较为成熟，但是制备工艺复杂，需要基体，并且难以制备出宏观结构的多孔泡沫金属。

目前，定向多孔材料的制备方法则主要有普通定向凝固法，直拉法，区域熔炼连铸法。

普通定向凝固法就是在铸型底部放置一块起到冷却作用的水冷铜底，而实现定向凝固的传统铸造方法。但是该方法不适合制备热传导率低的材料，并且孔洞结构、形貌尺寸以及分布不可控。

直拉法，又叫提拉法或丘克拉斯基法，由波兰科学家Czochralski于1916年发明，它包括全部置于一个高压容器内的融化系统和棒料的移动机构。直拉法是在熔体内充入一定压力的溶解性气体和非溶解性气体，将相同材质的金属棒向下移动至接触熔体表面，然后以一定速度向上缓慢移动。直拉法没有强制冷却，其定向凝固的方向性不明显，会导致气孔生长方向不一致，气孔长度较短，而且提拉速度很慢，效率很低。

目前的区域熔炼连铸法，主要是在一个密闭的高压容器内，运用电机拉制棒材实现定向多孔材料的制备。而存在的缺点极多，首先是设备复杂，而且系统需要加压；其次，由于熔体悬浮在空中而限制了拉制尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注入气泡耦合上引定向凝固制备定向多孔材料的方法及其定向凝固装置，可在任意环境压强下制备定向凝固多孔材料，并在实际生产过程中，在特定的方向上由一个或多个出气嘴分别注入一个或多个分立、互不影响的气泡，在上引定向凝固过程中实现连通型通孔或闭孔定向凝固多孔材料的制备，能够实现对定向凝固多孔材料制备工艺的孔洞结构、形貌、分布以及孔隙率的有效控制。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种注入气泡耦合上引定向凝固制备定向多孔材料的方法，包括如下步骤：

a. 将熔体槽中的固体加热到熔点以上，形成熔体；

b. 将结晶器的下部浸入熔体槽中的熔体内，引锭杆装置的引锭头竖直向下伸入结晶器腔内并与熔体直接接触；