CN1609244A

CN1609244A - 具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法

Info

Publication number: CN1609244A
Application number: CN 200410080069
Authority: CN
Inventors: 杨思一; 孟文哲; 吕广庶
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2005-04-27

Abstract

本发明涉及具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，属于金属材料技术领域。本发明是将计算机技术和快速成型技术用于泡沫金属的结构设计和制造，实现了计算机CAD/CAM技术、先进制造技术和新材料技术的有机结合，形成了新的泡沫金属材料制造方法，使用该方法可以设计制造具有规则孔型结构的通孔泡沫金属制品(如泡沫镍、泡沫钛等)，使孔的尺寸、形状、分布以及孔隙率、密度均达到可控的状态，进而可以控制泡沫金属的性能。本发明能满足电极材料、贮氢材料、生物医用材料、轻质结构材料和催化剂载体等不同领域的需要。

Description

具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法

技术领域本发明涉及具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，属于金属材料

技术领域。

背景技术泡沫金属是一种功能型金属材料，是用特殊方法制成的具有多孔结构的材料，孔型分为开孔和闭孔两种，孔径尺寸小到几微米，大到数毫米。具有重量轻、透气、吸音、隔热、减震、不燃烧、无污染等许多优良性能，可用在轻质结构材料、吸音材料、过滤材料、建筑装饰材料、热交换材料等多个方面，在军工和科技领域、建筑、环保、汽车、能源、机械、化工等各个工业领域都有重要用途，并为解决许多重要科技难题提供了可能。生产泡沫金属的常用方法有发泡法、渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法和化学镀法等，各种制造方法具有不同的工艺特点，可以制造不同类型的泡沫金属。

泡沫金属结构多种多样，根据制造方法不同，其结构特征也不相同。泡沫金属的性能是和结构特点密切相关的，在材质一定的条件下，泡沫金属的结构直接决定了其性能，也决定其应用，泡沫金属的性能与孔的形状、尺寸、分布以及孔隙率、密度呈函数关系，尤其是消声、透过等功能方面的性能则完全取决于其结构。然而，按照传统方法所制造多孔金属结构是不规则的，孔径尺寸、孔的形状、分布状态和孔隙率大小是随机的，其性能不能得到充分优化。过去所使用的熔模铸造法、电沉积法和化学镀法是依据有机泡沫材料成形的，孔型是不规则的。只能着眼于用改变工艺措施和调整工艺参数的办法来改变孔隙结构，仅能做到宏观控制，不能获得具有精确孔径尺寸和规则形状结构的多孔金属。存在着孔的大小不均匀、孔隙率低且难以调整等缺点，也不能有效地控制其性能，导致使用性能不足，限制了应用范围。

已有专利技术中，曾经有人以发泡树脂或泡沫塑料等材料为基体，使用化学镀和电沉积的方法生产泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属材料，这种泡沫镍可用于制造电池电极。由于所使用的发泡树脂或泡沫塑料的结构不规则性，导致泡沫镍的结构难于精确控制，用这种泡沫镍所制造的电极不能使电池容量最大化，限制了其功能。也有人以发泡树脂或泡沫塑料等材料为基体，采用熔模铸造的办法生产泡沫金属，同样也存在着结构不规则性的不足。

本发明的目的是为解决已有技术的不足，将计算机CAD/CAM技术、先进制造技术和新材料技术的进行有机结合，从材料设计的角度出发，设计制造一种具有规则结构泡沫骨架，代替上述过程中发泡树脂或泡沫塑料，生产具有规则孔型结构的泡沫金属。根据材料设计的概念，对多孔金属的结构进行预先设计，在制造过程中精确控制其结构，使孔的尺寸、形状、分布以及孔隙率、密度均达到可控的状态，可以针对应用对象的不同需要，设计制造相应结构的泡沫金属，能最大限度地发挥使用潜能，从而代替传统方法所制造的不规则结构的泡沫金属，以满足不同类型的应用。

发明内容本发明是这样完成的，在泡沫金属的结构设计制造过程中，使用计算机技术和快速成型技术并结合传统技术，即：将计算机CAD/CAM技术、先进制造技术和新材料技术的进行有机结合，设计制造具有规则孔型结构的通孔泡沫金属材料(多孔金属材料)。用计算机CAD技术设计泡沫结构软件模型，用快速成型(形)技术制造具有泡沫结构的立体骨架模型，以此立体骨架作为制造泡沫金属的基体材料，通过化学镀、电沉积或熔模铸造的方法制造泡沫金属。所制造的泡沫金属制品孔型结构可以是任意形状的，呈任意分布，孔隙率和密度能达到可控状态，具有极高的孔隙率和极高的比表面积，宏观结构可以是任意形状的。

附图说明

图1-设计制造流程；

图2-泡沫单元体；

图3-具有泡沫结构的立体软件模型。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

依靠计算机CAD技术，利用Unigraphics、ProE、Solidwork、Cimatron和Catia等计算机软件，进行泡沫金属立体软件模型设计，再把文件传入快速成型机进行分层切片处理，制造出具有泡沫结构的立体骨架模型，然后用化学镀、电沉积的方法制造出具有规则孔隙结构和确定孔隙率的通孔泡沫金属制品，形成了如图1所示的工艺路线。首先在上述某个计算机软件中，通过造型，设计出所期望的立体软件模型。把文件传入快速成型机，进行快速成型制造，得到具有泡沫结构的立体骨架。快速成型制造方式有许多种，目前常用的有立体光固化、分层实体制造、选择性激光烧结和熔积成型四种。根据成型方式的不同，骨架材质可以是树脂、塑料和橡胶等。在所得到的泡沫立体骨架上施以化学镀和电沉积工艺，在骨架表面镀上一定厚度的金属，镀层金属复制了泡沫立体骨架的形状。然后通过高温灼烧去除泡沫立体骨架，留下的就是具有规则孔型结构的泡沫金属。用此方法可以制造泡沫镍、泡沫铜以及生物医用材料泡沫钛等。另外，如图1所示也可以和熔模铸造相结合，向泡沫立体骨架中灌入流态高熔点固体浆料，烧结硬化，同时去除泡沫骨架，留下具有泡沫结构的型腔。浇入液态金属并加压，迫使液态金属进入型腔中去。冷却后清理，除去固态非金属材料，留下的即为泡沫金属。按照这种方式可以生产泡沫铝、泡沫锌等等材料。

该目标的实现，使人们可以按照使用要求，预先设计泡沫金属的结构，获得具有理想性能的泡沫金属制品，满足特定需求，具有重要的应用价值。此类材料设计属于宏观材料设计，计算机技术的发展为该问题的解决提供了可能。本发明把计算机技术和快速成型(形)技术用于泡沫金属的结构设计和制造，实现了计算机CAD/CAM技术、先进制造技术和新材料技术的有机结合，是材料研究方法的重要创新，具有重大的科学研究意义。

本发明的优点：①设计灵活，孔型结构可以是任意形状、呈任意分布，可以设计正四面体、六面体、八面体以及分形结构等，变化无穷，可以设计任意形状的宏观结构，例如可以设计制造一些医用仿生结构，如牙形、骨形结构；②制造柔性好，制造过程不受孔型结构和宏观结构的复杂程度限制，均可以进行制造；③可以获得极高的孔隙率和极高的比表面积，也具有高的比刚度，由于设计制造灵活，孔隙率可以随意调整；④具有极高的制造精度。按照这种方法制造的具有规则孔型结构的泡沫金属，其制造工艺、结构和性能特点是任何传统制造方法都不具备的。

本发明所制备的具有规则孔型的泡沫金属材料，可以更好地满足电极材料、贮氢材料、生物医用材料、轻质结构材料和催化剂载体等不同领域的需要。

具体实施方式以下实施例详细说明具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法。

实施例：具有金刚石型泡沫结构的泡沫镍的设计制造过程

在Unigraphics(UG)软件中完成结构设计过程，首先进入UG主界面，建立X-Y-Z坐标系，设置结构参数，骨架杆直径0.3mm，杆长3mm，生成单元体如图2所示，然后分别沿X轴、Y轴和Z轴三个方向复制，形成如图3所示具有泡沫结构的立体软件模型。金刚石型结构呈紧密排列，其点阵的排列呈高度的空间对称，骨架稳定性高，抵抗变形的能力大。因而，依据这种骨架所制造的泡沫金属材料具有高刚度、高强度等特点。

开启FDM3000快速成型机，设置好模型材料温度、支撑材料温度和环境温度，把文件转换成STL格式，传入FDM3000快速成型机，在inight软件中，通过分层处理，做刀路，完成文件处理工作，然后运行机器完成快速成型制造，得到呈泡沫结构的塑料骨架模型，材质为ABS工程塑料。FDM3000快速成型机属于熔积成型方式，所制造的立体模型强度高、表面质量好。

以泡沫塑料骨架为基体，通过化学镀镍在骨架表面制备导电层，然后用电沉积的方法使镍层增厚，再经过灼烧处理去除ABS塑料骨架，得到泡沫镍。化学镀镍过程如下：①除油，首先去除塑料骨架上面的油污和灰垢，把塑料骨架浸入到C₂H₅OH溶液中10min，取出用水清洗，然后浸入到NaOH溶液中10min，取出用水清洗，再浸入到HCl溶液中10min，取出用水清洗，30℃烘干；②活化，采用低浓度胶体活化液，具有溶液稳定、工艺成熟、质量可靠等优点，将除油后的塑料骨架浸入到活化溶液中10min，用水清洗，然后再浸入到10％HCl溶液中5min，，用水清洗，再浸入到3％的次磷酸钠NaH₂PO₂H₂O溶液中1min，用水清洗；③化学镀，配制化学镀液，将活化后的塑料骨架放入化学镀镍溶液中，施镀20min，在施镀过程中要进行搅拌，可得到均匀光亮的镀层。之后进行电镀镍，镍层的厚度一般控制在1.0～2.4mm，面密度控制在200～550g/m²。最后进行灼烧，用明火将电镀好的泡沫镍的基体塑料骨架烧除，在氢气氛围下950±50℃保温1小时。采用上述工艺所制得的泡沫镍孔隙率可以达到98％，孔径在小至几十微米、大至数毫米的范围内可调。泡沫镍是制造镍-镉电池、镍-氢电池和燃料电池的最佳电极材料。

Claims

1、一种具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，其特征在于：在泡沫金属的结构设计制造过程中使用计算机技术和快速成型技术，即：将计算机CAD/CAM技术、先进制造技术和新材料技术的进行有机结合，设计制造具有规则孔型结构的通孔泡沫金属材料；

2、如权利要求1所述具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，其特征在于：用快速成型技术制造具有泡沫结构的立体骨架模型，以此立体骨架作为制造泡沫金属的基体材料；

3、如权利要求1所述具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，其特征在于：泡沫金属制品的孔型结构可以是任意形状的，呈任意分布；

4、如权利要求1所述具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，其特征在于：泡沫金属制品的孔隙率和密度均能达到可控状态；

5、如权利要求1所述具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法，其特征在于：泡沫金属制品的宏观结构可以是任意形状的。