一种二十四面螺旋体结构泡沫铜的制备方法与流程

本发明涉及一种泡沫铜的制备方法，具体的涉及一种二十四面螺旋体结构泡沫铜的制备方法。

背景技术：

泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料，具有轻质、密度小、多孔以及高比强度、减振、吸声吸能等泡沫金属共有的特性，而且其导电性和延展性所体现的优势使泡沫铜在用于电池作电极的基体材料方面有明显的优点，在汽车、航空航天、热交换、建筑等领域泡沫铜有着广泛的应用。泡沫铜不仅具备良好的力学性能，其制备成本也较低，可用于制作催化剂载体、电磁屏蔽材料、换热器等。制备泡沫铜的方法主要有：电沉积法、定向凝固法、渗流铸造法、粉末冶金法、去合金法和松烧结法。现有的制备方法不能精确控制泡沫铜孔隙分布，孔尺寸大小不均匀、孔隙率均匀性和连通性较差，难以保证泡沫铜成品的力学性能。

技术实现要素：

本发明提供一种二十四面螺旋体结构泡沫铜的制备方法，这种三周期极小曲面结构除能保证力学性能外，其防撞击性能较其他结构具备明显优势，还具备光滑连续、连通性良好、三维贯通的孔隙结构。该方法可以通过改变方程的周期参数和曲率参数、模型的壁厚对孔结构、孔隙率进行调整和精确控制，从而保证孔结构的均匀一致，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。其中，该制备方法包含以下几个步骤：

（1）pla骨架的制备：利用熔融沉积式3d打印机直接打印所设计的pla材料的二十四面体螺旋体结构，分层厚度0.1~0.2mm，打印速度60mm/s，周期参数1~4，曲面厚度0.5~2mm，曲率0~1；

（2）基于二十四面螺旋体结构多孔预制块的制备：将步骤（1）所获得的螺旋结构固定于模具中，把混合好的石膏浆料灌于模具中，施加一定的机械振动；待浆料硬化后，放在180~200℃烘干箱中保温1~2h，熔化pla材质的二十四面螺旋体结构，然后倒掉pla熔体，并清洗，再置于焙烧炉中焙烧，在5℃/min升温至200℃，再以5~10℃/min升温至700℃，保温4~6h，再以5~6℃/min，降温至300℃，保温3~5h，该方法能使石膏内部温度趋于均匀，减少了开裂倾向，即可得到基于二十四面螺旋体结构的多孔预制块；

（3）铜合金液的制备：选用hsi80-3铜合金，合金含铜75-85%，si2-6%，zn12-18%，mn0.15-0.5%（优选方案中，含铜80.95%，si3.47%，zn15.22%，mn0.36%，）将铜合金在真空下加热到1050±10℃进行熔化；

（4）铜/石膏复合材料的制备：将步骤（2）所获得的多孔预制块放在模具中，预制块的预热温度为500~600℃，再将步骤（3）所获得的铜合金液直接浇注到预制块上，铜液的浇注温度980~1020℃，同时并对其施加0.02~0.04mpa的压力，使铜合金液充填于预制块的孔隙中，获得铜和石膏的复合材料；

（5）基于二十四面螺旋体结构泡沫铜的制备：将步骤（4）所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行三次，即可制备二十四面螺旋体结构泡沫铜。

本发明具有如下有益效果：

本发明的技术方案中石英玻璃有助于减缓石膏型受热变形和开裂倾向，硅藻土能提高石膏透气性及焙烧过程中的抗裂能力，加入耐火黏土能减轻浇注时石膏与铜合金的相互作用。

本发明技术方案得到的二十四面螺旋体结构是一种三周期极小曲面结构，除

能保证力学性能外，还具备光滑连续、连通性良好、三维贯通的孔隙结构，相较于一般多孔结构如蜂窝结构，受力更加均匀，整体更加稳定以及空间排列更加多样性和可控性，可以通过调整二十四面螺旋体结构的周期参数来控制孔结构及孔隙大小。

通过本发明的步骤制备出的二十四面螺旋体结构泡沫铜，通过对螺旋体结构进行设计，构造可控孔径大小、孔隙率、气孔形状的泡沫铜结构，该方法制备的泡沫铜具有相互连通的三维多孔结构，形状规则且可控，厚度可调，孔隙率可在80%~95%范围内调整。另外，该方法制备的泡沫铜，结合了极小曲面结构高强度、耐冲击性、低相对密度、热声隔离性能等优良特质，使所制备的泡沫铜在工业领域上有极大的应用空间。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步的说明：

图1为二十四面螺旋体最小单元格示意图。

图2为二十四面螺旋体结构一制备的泡沫铜示意图。

图3为二十四面螺旋体结构二制备的泡沫铜示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

（1）pla骨架的制备：利用熔融沉积式3d打印机打印所设计的pla材料的二十四面体螺旋结构，分层厚度0.1mm，4×4×4cm范围的立方体，周期参数2，曲面厚度1mm，曲率0；

（2）基于二十四面螺旋体结构的多孔预制块的制备：将步骤一所获得的螺旋结构固定于模具中，把配制好的石膏浆料灌于模具中，其中石膏、石英玻璃、硅藻土、耐火黏土的质量比为50：40：3：7，施加一定的机械振动；待浆料硬化后，放在200℃烘干箱中保温2h，熔化pla材料，然后倒掉pla熔体，并进行清洗，再置于焙烧炉中焙烧，在5℃/min升温至200℃，再以5℃/min升温至700℃，保温4h，再以6℃/min，降温至300℃，保温5h，即可得到基于二十四面螺旋体结构的多孔预制块；

（3）铜合金液的制备：将铜合金在真空下加热到1050℃进行熔化；

（4）铜/石膏复合材料的制备：将步骤二所获得的多孔预制块放在模具中，预制块的预热温度为600℃，再将步骤三获得的铜合金液直接浇注到预制块上，铜合金液的浇注温度1000℃，同时并对其施加0.04mpa的压力，使铜合金液充填于预制块的孔隙中，获得铜和石膏的复合材料；

（5）基于二十四面螺旋体结构泡沫铜的制备：将步骤四所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行多次，即可制备二十四面螺旋体结构泡沫铜，孔隙率为86.89%，如图2所示。

实施例二

（1）pla骨架的制备：利用熔融沉积式3d打印机直接打印所设计的pla材料的二十四面螺旋体结构，分层厚度0.1mm，4×4×4cm范围的立方体，周期参数3，曲面厚度1mm，曲率0.5；

（2）基于二十四面螺旋体结构的多孔预制块的制备：将步骤一所获得的螺旋结构固定于模具中，把配制好的石膏浆料灌于模具中，其中石膏、石英玻璃、硅藻土、耐火黏土的质量比为50：40：3：7，施加一定的机械振动；待浆料硬化后，放在200℃烘干箱中保温2h，熔化pla材质的二十四面螺旋体结构，然后倒掉pla熔体，并进行清洗，再置于焙烧炉中焙烧，在5℃/min升温至200℃，再以5℃/min升温至700℃，保温4h，再以6℃/min，降温至300℃，保温5h，即可得到基于二十四面螺旋体结构的多孔预制块；

（3）铜合金液的制备：将铜合金在真空下加热到1050℃温度进行熔化；

（4）铜/石膏复合材料的制备：将获得步骤所获得的多孔预制块放在模具中，预制块的预热温度为600℃，再将步骤三所获得的铜合金液直接浇注到预制块上，铜合金液的浇注温度1000℃，同时并对其施加0.04mpa的压力，使铜合金液充填于预制块的孔隙中，获得铜和石膏的复合材料；

（5）基于二十四面螺旋体结构泡沫铜的制备：将步骤四所获得的复合材料试样采用流水冲洗并配以机械振动或压缩空气冲击方式清理，反复进行多次，即可制备二十四面螺旋体结构泡沫铜，孔隙率为87.44%，如图3所示。