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8、孔連通泡沫鋁制備工藝研究

第三章 試驗裝置設計及試驗過程

3.1 試驗裝置設計

為用滲流鑄造法制備出孔連通、孔隙率高于70%的泡沫鋁，本文對一些參數進行了理論計算，并根據理論計算設計安裝了試驗裝置。

用滲流鑄造法制備泡沫鋁，其孔隙率主要出填料粒子的堆積體積所決定。根據等徑球的緊密堆積原理，可以得到所制備的泡沫鋁孔隙率的理論值。在晶體中，具有一定半徑的球體相互堆積時，出于質點之間的相互作用力，會盡可能使質點互相靠近，并占有最小的空間，從而使晶體具有最小的內能。對應于球體的堆積模型，則要求球體間相互作最緊密的堆積，此即為球體最緊密堆積原理。

等徑球在一個層內的最緊密堆積只有一種方式，這時每個球周圍有六個球圍繞相切，并在球與球之間形成三角形的空隙，其中有半數的三角形空隙的尖角指向下方，另半數的三角形空隙的尖角指向上方。

在此球體堆積層上再堆積第二層時，球只能置于第一層的三角形空隙上才是最緊密的。

再繼續堆積第三層球時，則有兩種不同的方式。第一種方式是第三層球的中心與第一層球的中心相對，即第三層球重復了第一層球的位置。另一種方式是第三層球置于第一層和第二層相重疊的三角形空隙的位置上，即第三層球不重復第一層球也不重復第二層球的位置。

如果在上述第一種方式的基礎上使第四層球與第二層球重復，第五層球又與第三層球重復，按此兩層重復…次的規律堆積下去。這種堆積方式我們可以用AB AB AB…的順序來表示。按這種方式堆積的球體在空間的分布與六方布喇菲格子相對應(但不全同)，因此將這種最緊密堆積方式稱為六方最緊密堆積。

如果在上述第二種方式的基礎上第四層球的堆積位置與第一層重復，第五層與第二層重復，第六層與第三層重復，按此每三層重復一次的規律堆積下去。這種堆積方式可以用ABCABCABC…的順序來表示。這種方式堆積的球體在空間的分布與面心立方布喇菲格子一致，稱為立方最緊密堆積。

以上兩種方式是最基本的和最常見的最緊密堆積方式。當然還可以有四層重復一次(如：ABCB ABCB…)，五層重復一次(如：ABABC ABABC…)，六層重復一次(如：ABCACB ABCACB…) 的等等。

在等徑球作最緊密堆積時，球體之間仍存有空隙，可以計算出空隙占整體空間的26%。計算如下：設球體的半徑為r，則邊長a=2r

共有六個球在六角最緊密堆積里。

因此六個球的體積為：

V_球=4/3×π×r³×6

c=（4√6）/3×r

V_總=A×c

A=2×√2×r²+2r×2×√2×r=6×√3×r²

V_總=6×√3×r²×（4×√6）/3=24×√2×r³

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

空隙共有兩種。一種空隙是出四個球圍成的，將這四個球的中心聯接起來可以構成一個四面體，所以這種空隙稱為四面體空隙。另一種空隙是由六個球圍成的，其中三個球在下層，三個球在上層，上下層球錯開60°，將這六個球的中心聯結起來可以構成一個八面體，所以這種空隙稱為八面體空隙。在球體作最密堆積時，每個球的周圍有12個球與其接觸，共形成14個空隙(其中有6個八面體空隙和8個四面體空隙)。

等徑球的堆積方式很多，上述的兩種堆積方式具有最高的空間利用率(74%)。上述結構可以看作是由各種形式的多面體共用頂點、邊或面相互聯接而成的一種三維體系。

利用上述最緊密堆積原理，選用珠粒作型腔完全可以制造出孔隙率達70%以上，三維連通的泡沫鋁。

本實驗選用NaCl粒子為型腔。NaCl粒子的緊密程度直接影響成型體的制作，因此，裝NaCl粒子時一定要保證NaCl粒子堆積緊密，以便干成型體的制作、保證泡沫鋁的高孔隙率與均勻連通性。