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TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料蓄热过程数值模拟及实验

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化工进展 2022年第9期41卷 4918-4927页

作者：杨喆刘飞张涛邓兴张正文重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 金属增材制造(3D打印)重庆市重点实验室重庆400044 重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 中国核动力设计研究院第一研究所四川成都610213

传统相变材料受限于自身热导率小,其相变蓄热效率难以提升,通过在相变材料中添加具有高热导率的金属多孔结构是强化传热的重要手段之一。本文建立了三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)多孔铝-石蜡复合相变材料的三... 详细信息

传统相变材料受限于自身热导率小,其相变蓄热效率难以提升,通过在相变材料中添加具有高热导率的金属多孔结构是强化传热的重要手段之一。本文建立了三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)多孔铝-石蜡复合相变材料的三维、瞬态包含自然对流的相变蓄热模型,利用数值仿真结合实验的方法研究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料在蓄热过程中的固液相界面演变规律、实时温度变化、热传输特性以及蓄热性能。结果表明,在纯石蜡中添加primitive杆状(primitive sheet,PS)、primitive壳状(primitive network,PN)两种TPMS多孔铝结构后,石蜡相变温度范围内出现明显的相变温度平台,PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的相变起始时间较纯石蜡分别减少了74.1%与91.4%,竖直方向上的最大温度梯度由纯石蜡的1605.7℃/m分别下降至PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的840℃/m、943.8℃/m,蓄热速率较纯石蜡分别提高3.10倍、4.69倍。最后,通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术成型了PS、PN多孔铝结构,并采用浇筑法制备了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料样品,利用可视化实验平台对仿真结果进行实验验证,发现仿真结果同实验吻合较好。

关键词：相变蓄热石蜡三周期极小曲面多孔铝数值模拟

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基于真实结构的多孔铝缓冲吸能研究

塑性工程学报 2023年第1期30卷 112-121页

作者：李成兵叶强孙娟李春兴张吉涛李锐李仁富杨兰英西南石油大学机电工程学院四川成都610500 石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台四川成都610500 中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司陕西宝鸡721015 东方电气集团东方汽轮机有限公司四川德阳618000 成都理工大学机电工程学院四川成都610059

基于真实结构的多孔铝材料,提出了随机胞孔投放算法与材料属性识别算法,并根据结构特点建立了具有随机胞孔大小、随机胞孔分布及随机壁厚的数值计算模型。利用现有实验数据对数值计算模型进行了准静态压缩及动态压缩验证,然后分析了冲... 详细信息

基于真实结构的多孔铝材料,提出了随机胞孔投放算法与材料属性识别算法,并根据结构特点建立了具有随机胞孔大小、随机胞孔分布及随机壁厚的数值计算模型。利用现有实验数据对数值计算模型进行了准静态压缩及动态压缩验证,然后分析了冲击速度、胞孔随机分布、均匀壁厚和随机壁厚对闭孔多孔铝材料缓冲吸能的影响。结果表明,所建立三维细观模型在准静态及动态压缩下的结果与实验数据趋势一致,在准静态下空气对闭孔多孔铝的力学性能影响可忽略。闭孔多孔铝的缓冲吸能能力受冲击速度和壁厚的影响较明显,受胞孔随机分布的影响很小。

关键词：真实结构多孔铝数值计算模型冲击吸能

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造孔剂法制备多孔铝中梯度孔隙与微通道研究

造孔剂法制备多孔铝中梯度孔隙与微通道研究

作者：张天策北方工业大学

学位级别：硕士

多孔铝因具有低相对密度、高比强度、高比表面积等优点,在很多领域都得到了应用。以高硬度、高熔点、易溶于水的氯化钠作为造孔剂,并结合粉末冶金的方法,因其流程简单,且可以精确地控制孔形态、尺寸、分布与孔隙率,已成为重要的多孔铝... 详细信息

多孔铝因具有低相对密度、高比强度、高比表面积等优点,在很多领域都得到了应用。以高硬度、高熔点、易溶于水的氯化钠作为造孔剂,并结合粉末冶金的方法,因其流程简单,且可以精确地控制孔形态、尺寸、分布与孔隙率,已成为重要的多孔铝制备工艺。多孔材料的功能特点为物质或能量在由孔隙连接而成的通道中的传递以及与孔壁的接触。而利用梯度孔隙与微通道可以提高物质或能量在多孔材料中的传递与接触效率。首先,对纯铝中的梯度孔隙与微通道的影响因素进行研究。根据材料成型过程的特点,从两套工艺流程和五种工艺参数入手对其影响进行研究。以Na Cl颗粒的溶解速率来间接——整体地表征微通道的状态,并与传统的直接——局部表征手段相结合,进行综合研究。研究发现了在成型过程中会产生三类微通道:间隙微通道、裂纹微通道和网状微通道。这三种微通道在尺寸与数量方面有很大差异,并在不同工艺下呈现多种状态。氯化钠参与烧结抑制了网状微通道形成但却促进了间隙微通道、裂纹微通道的形成与发展。氯化钠的尺寸、含量、烧结温度、压制压力能够对微通道产生影响,但烧结时间却不能。在此基础之上,进行梯度孔隙研究以及宏观结构优化。以Na Cl颗粒作为造孔剂制备梯度多孔铝时,大粒径区域会出现孔隙分布不均、通孔率低、层间裂纹等现象。分层对比研究发现了大Na Cl颗粒难以充分协调压制能量并形成过度集中的分布,并在烧结过程中进一步影响体积膨胀。结合前人经验以及生物中类似结构的特点,首次提出了层内梯度与层间梯度相结合的解决方案与优化概念。通过向大尺寸造孔剂中添加小尺寸的造孔剂,可以制备出具有层内梯度的多孔铝。压制与烧结过程中由大Na Cl颗粒导致的多个问题可以被该方法及其结构解决。此外,该结构还可以提高物质或能量在大孔隙区域的传递与接触效率。随后,进行合金反应对梯度孔隙与微通道影响的研究。反应合成法与造孔剂法相结合制备多孔铝材料时,难以发挥出各自的优势。通过控制钛含量制备多孔Ti Al-Al来寻求一种可以结合两者优点的方法。此外,进一步研究了在该方法中不同钛含量时的成分、结构和力学性能。降低钛含量并于空气中烧结的方法降低了钛和铝的反应强度。孔壁形貌,原位生成的小孔在一定程度上被保留,且产物仅有Ti Al。钛含量引起的一系列复杂的变化不仅导致多孔铝形貌改变和基体转变,还影响了力学性能。多孔铝的微观结构和力学性能在不同钛含量阶段的变化是非常大的,有利于丰富多孔铝的结构与功能的设计。最后,针对合金反应的诸多问题,通过控制反应过程来解决,并以此对多孔铝的微观结构进行优化。以传统的钛铝元素粉末反应合成法制备Ti Al金属间化合物时,反应的强度与反应量的关联稳固,不利于材料的结构设计。利用添加微量镁的镁元素添加法首次打破了这个关联。镁以不同的方式在三个阶段控制反应进程:初始熔化区与初始反应区、与液相线一致的扩散速率所形成的动态平衡和高流动性的共熔液相。镁的存在仅影响了过程,并未改变产物。镁元素在各阶段的扩散状态及其与铝形成的共熔液相是关键因素。通过添加镁元素,可以改变反应过程,并以此来调节孔隙结构和增加材料的可设计性。

关键词：多孔铝造孔剂梯度孔隙微通道

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重力渗流制备正方形孔多孔铝工艺研究

铸造 2017年第11期66卷 1159-1164页

作者：李钰王晗张高节冯丁帅郝海大连理工大学材料科学与工程学院辽宁大连116024

利用ProCAST铸造仿真模拟软件对正方形孔多孔铝重力渗流制备过程进行了数值模拟。运用控制变量法,研究了冒口高度、浇注温度、预热温度、孔径与壁厚的大小关系对正方形孔多孔铝铸造缺陷的影响规律,由此得出重力渗流法制备正方形孔多孔... 详细信息

利用ProCAST铸造仿真模拟软件对正方形孔多孔铝重力渗流制备过程进行了数值模拟。运用控制变量法,研究了冒口高度、浇注温度、预热温度、孔径与壁厚的大小关系对正方形孔多孔铝铸造缺陷的影响规律,由此得出重力渗流法制备正方形孔多孔铝的优良工艺,并以此工艺成功制备了正方形孔多孔铝试样,对模拟结果进行实验验证。

关键词：多孔铝正方形孔重力渗流铸造工艺 ProCAST

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多孔铝对流换热系数的反演分析

材料研究学报 2007年第1期21卷 20-24页

作者：张伟开李乃哲何德坪东南大学材料科学与工程系南京210096

建立了多孔铝的一维瞬态对流换热模型,采用反演分析方法求得了多孔铝的体积对流换热系数．给出了多孔铝对流换热的无量纲准则关联式,并在较宽的孔结构范围内(孔隙率为60．0%～95．0%、孔径为2．5～6．0 mm)研究了孔结构对多孔铝换热系... 详细信息

建立了多孔铝的一维瞬态对流换热模型,采用反演分析方法求得了多孔铝的体积对流换热系数．给出了多孔铝对流换热的无量纲准则关联式,并在较宽的孔结构范围内(孔隙率为60．0%～95．0%、孔径为2．5～6．0 mm)研究了孔结构对多孔铝换热系数的影响．结果表明:多孔铝的换热系数随着风速的增加而提高．在风速相同的条件下,换热系数随着孔径和孔隙率的减小而提高．在风机功率相同的条件下,换热系数随着孔隙率的增大而提高,在孔隙率约为85%时达到峰值．

关键词：金属材料多孔铝体积对流换热系数瞬态对流换热实验反演分析

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微米孔径多孔铝的制备及性能

中国有色金属学报 2012年第8期22卷 2340-2346页

作者：黄国涛左孝青陆建生周芸昆明理工大学材料科学与工程学院昆明650093 中国重汽济南卡车股份有限公司济南250116

为获得高强度的微米孔径多孔铝,通过真空压力烧结溶解工艺制备微米孔径多孔铝,对制备过程、微米孔径多孔铝的强度及渗透性能进行研究。结果表明：真空环境下的压力烧结可明显促进铝粉烧结,提高微米孔径多孔铝的抗弯强度;在压制压力500 ... 详细信息

为获得高强度的微米孔径多孔铝,通过真空压力烧结溶解工艺制备微米孔径多孔铝,对制备过程、微米孔径多孔铝的强度及渗透性能进行研究。结果表明：真空环境下的压力烧结可明显促进铝粉烧结,提高微米孔径多孔铝的抗弯强度;在压制压力500 MPa、烧结温度650℃、烧结时间2 h以及烧结压力150~200 MPa条件下可获得孔隙率44%~61%、平均孔径55~230μm的多孔铝;随着孔隙率和平均孔径的提高,微米孔径多孔铝的相对渗透系数增大;与尺寸相同、孔结构相似的多孔不锈钢相比,微米孔径多孔铝具有较好的渗透性能和较高的耐压破坏比强度。

关键词：多孔铝微米孔径强度渗透性

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多孔铝应用于爆炸容器防护实验研究

兵工学报 2009年第S2期30卷 267-271页

作者：赵生伟唐玉志周刚西北核技术研究所陕西西安710024

以多孔铝衰减效应研究为背景,设计并实施爆炸容器实验。采用电阻应变计测量爆炸作用下容器外壁应变;比较容器内无内衬多孔铝和内衬不同厚度多孔铝条件下的应变峰值,分析比较其应变波形;进行落体台撞击实验,采用压电式加速度传感器记录... 详细信息

以多孔铝衰减效应研究为背景,设计并实施爆炸容器实验。采用电阻应变计测量爆炸作用下容器外壁应变;比较容器内无内衬多孔铝和内衬不同厚度多孔铝条件下的应变峰值,分析比较其应变波形;进行落体台撞击实验,采用压电式加速度传感器记录落锤撞击LY-12与多孔铝的加速度波形,比较分析加速度峰值及脉宽的变化。研究表明:多孔铝作为一种轻质的结构功能性材料,应用于爆炸容器内防护时,显著降低容器壁面应变,缩短应变持续时间,能够起到良好的衰减爆炸冲击波作用。

关键词：多孔铝爆炸容器防护

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多孔铝对流换热系数的确定

铸造技术 2014年第9期35卷 1913-1914页

作者：宫玉荣郑州大学河南郑州450001 郑州成功财经学院河南郑州451200

计算了不同条件下多孔铝的对流换热系数。结果表明,随着孔径的减小,多孔铝呈现比表面积增加,流通性能降低的趋势。随着风速的增加,多孔铝的换热系数变大。风机功率相同时,多孔铝的孔隙率增加,换热系数提高。

关键词：多孔铝孔结构对流换热系数

添加升华性造孔剂的放电等离子法制备多孔铝块体材料

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粉末冶金工业 2016年第2期26卷 38-43页

作者：冯威孔清泉朱晓东孙艳张永强成都大学机械工程学院四川成都610106 四川大学材料科学与工程学院四川成都610065

为解决高孔隙率多孔金属材料制备过程中的污染问题,以升华性萘颗粒为造孔剂,采用放电等离子脉冲烧结法(SPS)进行多孔铝块体材料的制备。结果表明,升华性造孔剂可在实现多孔铝材料高孔隙率的同时,有效提高其洁净度。采用该方法在350℃时... 详细信息

为解决高孔隙率多孔金属材料制备过程中的污染问题,以升华性萘颗粒为造孔剂,采用放电等离子脉冲烧结法(SPS)进行多孔铝块体材料的制备。结果表明,升华性造孔剂可在实现多孔铝材料高孔隙率的同时,有效提高其洁净度。采用该方法在350℃时可以制备出结构与尺寸可控性好、开孔效果好、孔隙率(63.33%)较高、粉体颗粒无明显长大的多孔金属铝块体材料。升华性造孔剂可对孔隙体积进行有效调节,实现多孔铝材料体内小孔与大孔的合理搭配,进一步改善多孔铝材料孔隙之间的连通性,该方法与SPS烧结技术相结合后,对于开孔性与颗粒连接性要求较高的多孔金属材料制备具有技术优势。

关键词： SPS 升华性材料造孔剂多孔铝孔隙率