高强度孔结构可控钛纤维多孔材料烧结机理研究

Metal fiber porous materials of its unique three-dimensional network skeleton and the open pore structure makes it has a series of special function, can be applied to the filtration separation, sound-absorbing noise reduction, electromagnetic shielding, high efficient combustion and strengthen heat transfer, etc. Titanium and titanium alloy has excellent corrosion resistance, high specific strength properties. Titanium wire after drawing into extremely thin fiber porous materials, made up of nodes and pore and the three elements of fiber skeleton of microstructure fiber porous titanium material structure is the basis of function integration and diversification, the forming process is closely related to the material characteristics, forming and sintering process, involving the textile science, mechanics of multiphase flow, physical metallurgy and materials science, and many other disciplines. This project mainly studies the titanium fiber after establishment, preloading molding, sintering after forming fiber porous materials, by studying the raw material properties and the influence law of forming process parameters on the pore structure characteristics and process of sintering material migration and grain growth law, find out titanium fiber porous microstructure formation mechanism. Achieve high strength of materials, sintered nodes, pore structure and fiber skeleton collaborative control, reduce the structure weight, improve the efficiency of the structure, enhancing the improvement of structural reliability, longevity, satisfy the high temperature and corrosion environment of new functional materials.

金属纤维多孔材料其独特的三维网络纤维骨架和全连通孔隙结构使其拥有一系列特殊功能，可应用于过滤分离、吸声降噪、电磁屏蔽、高效燃烧和强化换热等领域。钛及钛合金具有优良的抗腐蚀、比强度高等特性。钛丝经过拉拔成极细纤维制成多孔材料，由结点、孔隙和纤维骨架三要素构成的微结构是钛纤维多孔材料结构功能一体化与多样化的基础，其形成过程与原料特性、成形与烧结工艺密切相关，涉及纺织科学、多相流动力学、材料科学和物理冶金等众多学科。 本项目主要研究钛纤维经过编制、预压成型，形成纤维多孔材料后烧结，通过研究原料性能及成形工艺参数对孔结构特性的影响规律、烧结过程物质迁移与晶粒长大规律，找出钛纤维多孔材料微结构形成机理。实现材料强度高，烧结结点、孔隙结构和纤维骨架的协同可控，获得减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境的新型功能材料。

金属纤维多孔材料由于独特的三维网络纤维骨架和全连通孔隙结构使其拥有一系列特殊功能，广泛应用于过滤分离、吸声降噪、电磁屏蔽、高效燃烧和强化换热等领域。钛及钛合金具有优良的抗腐蚀、比强度高等特性。由拉拔而成的极细钛纤维制成多孔材料，其形成过程与原料特性、成型与烧结工艺密切相关，涉及纺织科学、材料科学和物理冶金等众多学科。其中结点、孔隙和纤维骨架三要素构成的微结构是钛纤维多孔材料结构功能一体化与多样化的基础。本课题主要研究钛纤维通过原料性能及成型工艺参数对孔结构特性的影响规律、烧结过程物质迁移与晶粒长大规律，找出钛纤维多孔材料微结构形成机理。.采用 Φ 5.5mm 钛丝通过单丝拉拔、退火等工艺制备出丝径为 Φ 70~120μm 钛纤维，原料经过编织、剪切、压制等工艺制备出孔隙度为 40%~85%及平均孔径为40~120μm 钛纤维多孔材料，研究了孔隙度、丝径、渗透系数等参数之间的关系。实验中烧结温度为 1250℃时，显微组织观察烧结颈生长充分，压缩应力-应变曲线表明其力学性能优异。钛纤维多孔材料在丝径相同的情况下，随着孔隙度的逐渐降低，平均压缩屈服强度可以达到 70MPa 以上。烧结颈的形成与烧结温度、纤维丝径有关。确定了烧结温度 1250℃，保温 1 小时的最佳烧结制度，采用 SEM 观察到不同取向纤维之间形成良好的烧结颈，纤维之间为冶金结合，同一丝径下烧结颈生长发育取决于烧结温度。采用试样尺寸的收缩曲线间接得到烧结颈的变化模型，结合 Kostornov 稳定颈长方程，得到 1250℃时求得钛纤维多孔材料中 n=6.76，烧结机制以晶界扩散机理为主，其它扩散机理为辅的烧结机制。分析了钛纤维多孔材料形成烧结颈生长的动力学行为，利用板-球模型推导出并验证了钛纤维多孔材料烧结晶界扩散机制动力学颈长方程。.研究纤维丝径、孔隙度和空气层厚度对钛纤维多孔材料吸声性能的影响。丝径越小低频吸声性能较差，高频吸声性能较好，低频吸声系数随频率的增加在高频段出现不同程度的起伏。随着孔隙度的增大吸声性能在低频段吸声系数减小，当频率升高时吸声系数将逐渐增大。试样背后设置不同空气层厚度，材料的吸声频率曲线出现吸声峰和吸声谷，研究表明当空气层的厚度为入射声波 1/4 波长的奇数倍时，吸声系数达到最大；而为 1/2 波长的整数倍时，吸声系数最小。