8、孔连通泡沫铝制备工艺研究

第三章 试验装置设计及试验过程

3.1 试验装置设计

为用渗流铸造法制备出孔连通、孔隙率高于70%的泡沫铝，本文对一些参数进行了理论计算，并根据理论计算设计安装了试验装置。

用渗流铸造法制备泡沫铝，其孔隙率主要出填料粒子的堆积体积所决定。根据等径球的紧密堆积原理，可以得到所制备的泡沫铝孔隙率的理论值。在晶体中，具有一定半径的球体相互堆积时，出于质点之间的相互作用力，会尽可能使质点互相靠近，并占有最小的空间，从而使晶体具有最小的内能。对应于球体的堆积模型，则要求球体间相互作最紧密的堆积，此即为球体最紧密堆积原理。

等径球在一个层内的最紧密堆积只有一种方式，这时每个球周围有六个球围绕相切，并在球与球之间形成三角形的空隙，其中有半数的三角形空隙的尖角指向下方，另半数的三角形空隙的尖角指向上方。

在此球体堆积层上再堆积第二层时，球只能置于第一层的三角形空隙上才是最紧密的。

再继续堆积第三层球时，则有两种不同的方式。第一种方式是第三层球的中心与第一层球的中心相对，即第三层球重复了第一层球的位置。另一种方式是第三层球置于第一层和第二层相重叠的三角形空隙的位置上，即第三层球不重复第一层球也不重复第二层球的位置。

如果在上述第一种方式的基础上使第四层球与第二层球重复，第五层球又与第三层球重复，按此两层重复…次的规律堆积下去。这种堆积方式我们可以用AB AB AB…的顺序来表示。按这种方式堆积的球体在空间的分布与六方布喇菲格子相对应(但不全同)，因此将这种最紧密堆积方式称为六方最紧密堆积。

如果在上述第二种方式的基础上第四层球的堆积位置与第一层重复，第五层与第二层重复，第六层与第三层重复，按此每三层重复一次的规律堆积下去。这种堆积方式可以用ABCABCABC…的顺序来表示。这种方式堆积的球体在空间的分布与面心立方布喇菲格子一致，称为立方最紧密堆积。

以上两种方式是最基本的和最常见的最紧密堆积方式。当然还可以有四层重复一次(如：ABCB ABCB…)，五层重复一次(如：ABABC ABABC…)，六层重复一次(如：ABCACB ABCACB…) 的等等。

在等径球作最紧密堆积时，球体之间仍存有空隙，可以计算出空隙占整体空间的26%。计算如下：设球体的半径为r，则边长a=2r

共有六个球在六角最紧密堆积里。

因此六个球的体积为：

V_球=4/3×π×r³×6

c=（4√6）/3×r

V_总=A×c

A=2×√2×r²+2r×2×√2×r=6×√3×r²

V_总=6×√3×r²×（4×√6）/3=24×√2×r³

V_球/V_总=（8πr³）/（24×√2×r³）=（√2/6）×π=0.74=74%

空隙共有两种。一种空隙是出四个球围成的，将这四个球的中心联接起来可以构成一个四面体，所以这种空隙称为四面体空隙。另一种空隙是由六个球围成的，其中三个球在下层，三个球在上层，上下层球错开60°，将这六个球的中心联结起来可以构成一个八面体，所以这种空隙称为八面体空隙。在球体作最密堆积时，每个球的周围有12个球与其接触，共形成14个空隙(其中有6个八面体空隙和8个四面体空隙)。

等径球的堆积方式很多，上述的两种堆积方式具有最高的空间利用率(74%)。上述结构可以看作是由各种形式的多面体共用顶点、边或面相互联接而成的一种三维体系。

利用上述最紧密堆积原理，选用珠粒作型腔完全可以制造出孔隙率达70%以上，三维连通的泡沫铝。

本实验选用NaCl粒子为型腔。NaCl粒子的紧密程度直接影响成型体的制作，因此，装NaCl粒子时一定要保证NaCl粒子堆积紧密，以便干成型体的制作、保证泡沫铝的高孔隙率与均匀连通性。