泡沫金屬發(fā)泡過(guò)程的泡沫演化動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、閉孔泡沫金屬是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有大量孔隙的新型功能材料，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能、機(jī)械性能、聲學(xué)性能和熱性能，以及可回收利用性等，成為一種極具開(kāi)發(fā)前途的工程材料。在眾多制備泡沫金屬的方法中，吹氣發(fā)泡法因?yàn)樵O(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、可以連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn)，更適用于規(guī)模化生產(chǎn)。生產(chǎn)過(guò)程中，如何控制氣泡的尺寸大小及與分布、以及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是該項(xiàng)工藝的核心問(wèn)題。從發(fā)泡到凝固成型，從濕泡沫到干泡沫再到泡沫金屬成品過(guò)程中，影響泡沫尺寸及其分布的因素眾多，單純

2、通過(guò)傳統(tǒng)的以小規(guī)模實(shí)驗(yàn)為主的經(jīng)驗(yàn)方法，不僅工作量大，周期長(zhǎng)，成本高，而且很難全面了解各種參數(shù)的影響，更無(wú)法掌握其機(jī)理與規(guī)律。本文以相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究為依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)金屬泡沫從液態(tài)到固態(tài)的演化過(guò)程動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)分析，從深層次上揭示液態(tài)金屬演化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為吹氣法制備泡沫金屬提供準(zhǔn)確而可靠的科學(xué)依據(jù)和理論預(yù)測(cè)模型。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面： 對(duì)泡沫析液現(xiàn)象從二個(gè)方面進(jìn)行了研究。一是宏觀方面，即研究泡沫群的整體

3、行為；二是微觀方面，即對(duì)單條Plateau邊界、節(jié)點(diǎn)、液膜等的研究。宏觀方面，初步嘗試了泡沫金屬析液過(guò)程的二維數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性比較，研究了在不同工況參數(shù)下金屬泡沫鋁的孔隙率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：泡沫最終的孔隙率受到泡沫初始孔隙率、泡沫層的高度、泡沫的直徑、重力加速度和熔體粘度等因素的影響。其中泡沫的孔徑對(duì)最終的孔隙率有較大的影響，而粘度對(duì)最終的孔隙率影響較小，只是對(duì)析液速率有較大的影響。微觀方面，研究了單條Plat

4、eau邊界及節(jié)點(diǎn)處的析液現(xiàn)象。對(duì)單條泡沫體Plateau邊界內(nèi)部的速度場(chǎng)的研究表明：泡沫體內(nèi)部Plateau邊界內(nèi)的速度要小于同等條件下的容器壁面處Plateau邊界內(nèi)的速度，間接解釋了宏觀析液過(guò)程中析液速率與不同容器條件的關(guān)系。分析了Plateau邊界中界面流變特性對(duì)析液過(guò)程的影響，進(jìn)而將單條Plateau邊界內(nèi)液體流動(dòng)的分析結(jié)果應(yīng)用于泡沫體析液過(guò)程的宏觀研究，建立了一個(gè)析液模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較顯示：在泡沫層上部、中部吻合較

5、好，在底部存在一定誤差。 建立了描述了吹氣法制備泡沫鋁過(guò)程中泡沫孔隙率隨空間的變化的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明，在不考慮氣泡的合并的情況下，熔液粘度、表面張力、重力加速度、氣體的流量對(duì)泡沫孔隙率，即Plateau邊界的橫截面積，有顯著的影響。重力加速度和表面張力在析液過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。通過(guò)理論建模和數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)了發(fā)泡層高度隨時(shí)間，氣體流速等的關(guān)系，模型能較好的解釋泡沫層高度的變化。利用相場(chǎng)(Phase field)方法對(duì)界面演化

6、過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，較為直觀合理的解釋了液膜破裂現(xiàn)象。 通過(guò)析液方程和由于氣體擴(kuò)散造成的氣泡長(zhǎng)大的方程的耦合，建立了鋁合金熔體泡沫中氣泡尺寸分布發(fā)展的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得出了不同工況下泡沫尺寸分布的發(fā)展過(guò)程，討論了表面張力、亨利常數(shù)、擴(kuò)散率等因素對(duì)泡沫尺寸分布發(fā)展的影響。計(jì)算結(jié)果表明：表面張力越大、亨利常數(shù)越大，泡沫尺寸演化過(guò)程越劇烈；含液率較小的泡沫體析液量很小，所以，泡沫尺寸分布變化主要由氣體擴(kuò)散引起。 利用S

7、urface Evolver軟件及MacPherson等人的最新理論成果，對(duì)金屬泡沫多面體氣泡的演化過(guò)程中的泡沫尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了定性的比較，一些特征非常相似。利用Potts模型對(duì)液態(tài)金屬泡沫胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)模擬，得到了二維泡沫的胞元尺寸、拓?fù)鋮?shù)以及分布等定量特征信息。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合，表明Potts模型應(yīng)用于熔體泡沫演化過(guò)程研究的可行性、可靠性。 建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的泡