郭占成等：超重力治金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 ·1607 化：同时，超重力条件下渗流前沿的静压力P。也显 图21所示是80%W-Cu实验样品性能比较10， 著增加，比如常重力常压时渗流前沿的静压力P。 渗流温度为1150℃，常重力渗流时间为90min,超 为20.26kPa,在重力系数为500时渗流前沿的静 重力渗流时间为5min.当重力系数超过500时， 压力P。达到了10132.5kPa.由此可见，超重力渗 样品的硬度就优于了目前加压渗流生产的商用 流可以显著提高渗流驱动力，从而改善产品质量 80%W-Cu复合材料性能 Before infiltration After infiltration: Supergravity 100 -G=1 300 -G=200 98 15.5 ◆-G=S00 250 -G=1000 -Commodity 96 15.0 94 200 Relative density 14.5 -Bulk density 150 % 14.0 100 135 Cu layer W-Cu layer 86 13.0 2 3 4 5 6 0 200400 600 800 1000 Supergravity direction Gravity coefficient 图21超重力渗流法制备的80%W-Cu合金宏观与微观形貌以及重力系数对合金性能的影响 Fig.21 Macro and microstructure of an 80%W-Cu alloy fabricated by supergravity-induced infiltration,and the effect of the gravity coefficient on its properties 电子器件封装的A-SiC复合材料，一方面要 颗粒复合加压熔渗一样，只是多了一道水溶去除 求工作面导热性好和耐磨性好，另一方面要求封 模板的工序，例如多孔泡沫铝，以氯化钠颗粒堆集 装面可加工性好.SiC颗粒含量高的A-SiC复合 体为模板，然后加入铝液加压渗流，待凝固冷却后 材料需要采用加压渗流法生产，但是由于铝液的 水溶去除氯化钠便可获得泡沫铝.但是，加压渗流 表面张力大、与SC颗粒的接触角大，渗流阻力很 铸造很难获得孔隙率高、孔径小、结构均匀一致 大，导致产品的致密度不高.超重力条件下A1液 的多孔金属材料.如前所述，超重力具有显著提高 与SC颗粒的接触角小（渗流毛细管力大），且渗 渗流驱动力的作用，因此可作为一种高孔隙率泡 流压力大，因此采用超重力渗流更容易获得高致 沫金属材料的制备技术 密度的A1-SiC梯度复合材料.图22所示是SiC颗 图23所示，分别采用三种粒级氯化钠颗粒 粒体积分数约50%预制体在超重力系数500时实 (200、400、600μm)、空芯玻璃漂珠(~100m)、 验结果，采用平均粒径分别为20、50、150m的三 PU海绵-石膏预制体在超重力系数500条件下渗流铝 种SiC颗粒时，都能获得相对密度99.5%以上A- 液的实验结果.以氯化钠颗粒堆集体或PU海绵-石 SC梯度复合材料，既满足机械加工的要求，又可 膏预制为模板，可以获得通孔泡沫铝o7-10:以空芯 满足工作面的耐磨和导热要求 玻璃漂珠堆集体为模板，可以获得闭孔泡沫铝网 7.2多孔金属材料 当超重力系数较大时，以氯化钠颗粒堆集体为模板 高性能的吸能、吸声、隔热、隔音多孔金属材 的泡沫铝，呈现通孔-半通孔结构，孔表面形状可以 料也是通过加压渗流制造的，其原理与金属-陶瓷 复制氯化钠颗粒表面的粗糙结构，这种结构尤其适化；同时，超重力条件下渗流前沿的静压力 Pc 也显 著增加，比如常重力常压时渗流前沿的静压力 Pc 为 20.26 kPa，在重力系数为 500 时渗流前沿的静 压力 Pc 达到了 10132.5 kPa. 由此可见，超重力渗 流可以显著提高渗流驱动力，从而改善产品质量. 图 21 所示是 80%W−Cu 实验样品性能比较[106] ， 渗流温度为 1150 ℃，常重力渗流时间为 90 min，超 重力渗流时间为 5 min. 当重力系数超过 500 时 ， 样品的硬度就优于了目前加压渗流生产的商用 80%W−Cu 复合材料性能. Before infiltration: After infiltration: Supergravity 20 μm 5 μm G=1 G=200 G=500 G=1000 Cu layer W−Cu layer 300 250 200 150 100 Microhardness (HV) 1 3 4 5 6 7 8 2 Supergravity direction Commodity Relative density/ % 100 98 96 94 92 90 88 86 0 200 400 600 800 1000 Gravity coefficient 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 13.0 Bulk density/(g·cm3 ) Relative density Bulk density 图 21    超重力渗流法制备的 80%W−Cu 合金宏观与微观形貌以及重力系数对合金性能的影响 Fig.21    Macro and microstructure of an 80%W−Cu alloy fabricated by supergravity-induced infiltration, and the effect of the gravity coefficient on its properties 电子器件封装的 Al−SiC 复合材料，一方面要 求工作面导热性好和耐磨性好，另一方面要求封 装面可加工性好. SiC 颗粒含量高的 Al−SiC 复合 材料需要采用加压渗流法生产，但是由于铝液的 表面张力大、与 SiC 颗粒的接触角大，渗流阻力很 大，导致产品的致密度不高. 超重力条件下 Al 液 与 SiC 颗粒的接触角小（渗流毛细管力大），且渗 流压力大，因此采用超重力渗流更容易获得高致 密度的 Al−SiC 梯度复合材料. 图 22 所示是 SiC 颗 粒体积分数约 50% 预制体在超重力系数 500 时实 验结果，采用平均粒径分别为 20、50、150 μm 的三 种 SiC 颗粒时，都能获得相对密度 99.5% 以上 Al− SiC 梯度复合材料，既满足机械加工的要求，又可 满足工作面的耐磨和导热要求. 7.2    多孔金属材料 高性能的吸能、吸声、隔热、隔音多孔金属材 料也是通过加压渗流制造的，其原理与金属−陶瓷 颗粒复合加压熔渗一样，只是多了一道水溶去除 模板的工序，例如多孔泡沫铝，以氯化钠颗粒堆集 体为模板，然后加入铝液加压渗流，待凝固冷却后 水溶去除氯化钠便可获得泡沫铝. 但是，加压渗流 铸造很难获得孔隙率高、孔径小、结构均匀一致 的多孔金属材料. 如前所述，超重力具有显著提高 渗流驱动力的作用，因此可作为一种高孔隙率泡 沫金属材料的制备技术. 图 23 所示 ，分别采用三种粒级氯化钠颗粒 （200、400、600 μm）、空芯玻璃漂珠（～100 μm）、 PU 海绵−石膏预制体在超重力系数 500 条件下渗流铝 液的实验结果. 以氯化钠颗粒堆集体或 PU 海绵−石 膏预制为模板，可以获得通孔泡沫铝[107−108] ；以空芯 玻璃漂珠堆集体为模板，可以获得闭孔泡沫铝[109] . 当超重力系数较大时，以氯化钠颗粒堆集体为模板 的泡沫铝，呈现通孔−半通孔结构，孔表面形状可以 复制氯化钠颗粒表面的粗糙结构，这种结构尤其适 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1607 ·