泡沫金屬發(fā)泡過程的泡沫演化動(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程中，影響泡沫尺寸及其分布的因素眾多，單純

2、通過傳統(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，成本高，而且很難全面了解各種參數(shù)的影響，更無法掌握其機(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)值模擬方法對金屬泡沫從液態(tài)到固態(tài)的演化過程動(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)測模型。主要研究內(nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面： 對泡沫析液現(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。其中泡沫的孔徑對最終的孔隙率有較大的影響，而粘度對最終的孔隙率影響較小，只是對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。對單條泡沫體Plateau邊界內(nèi)部的速度場的研究表明：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析液過程的影響，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程中起著關(guān)鍵的作用。通過理論建模和數(shù)值計(jì)算預(yù)測了發(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(Phase field)方法對界面演化

6、過程進(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。 通過析液方程和由于氣體擴(kuò)散造成的氣泡長大的方程的耦合，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)展過程，討論了表面張力、亨利常數(shù)、擴(kuò)散率等因素對泡沫尺寸分布發(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，對金屬泡沫多面體氣泡的演化過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程研究的可行性、可靠性。 建立了一個(gè)簡化的泡