本发明涉及泡沫金属新材料技术领域，尤其涉及一种泡沫多胞子弹及其制备方法。
背景技术：
泡沫金属材料有时也称为胞状金属材料或多孔金属材料，泡沫金属材料的制备方法不仅与其材料的结构与性能同样密切相关，而且能够直接影响到泡沫金属材料的实际应用。经研究发现，易溶于颗粒材料的食用盐(氯化钠)是一种白色结晶体，熔点804℃，沸点1413℃，易溶于水；工业纯铝的熔点约660℃，其熔沸点明显低于工业食用盐。
随着新型高强韧轻质复合结构的开发，亟需发展仿爆炸实验技术以了解其抗爆炸性能。采用泡沫金属子弹模拟爆炸载荷在实现上简单、安全、经济、可控，但均匀的泡沫子弹对爆炸载荷衰减规律的模拟较粗糙，引入梯度多胞子弹则可能实现通过梯度设计准确地调控冲击载荷。对于研制什么样的泡沫多胞子弹才能够符合试验要求，如何制备且批量低成本的制备满足该实验要求的多胞子弹是需要解决的问题，因此，针对以上问题，提供一种泡沫多胞子弹及其制备方法具有重要意义。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于提供一种泡沫多胞子弹的制备方法。
有鉴于此，本申请提供了一种泡沫多胞子弹，由金属质柱体形成，所述金属质柱体由多胞结构筛孔组成，所述多胞结构筛孔的相邻空隙间相连通，所述多胞结构筛孔自金属质柱体一端至另一端呈梯度蜂窝状分布。
优选的，所述金属质柱体为圆柱体或方柱体。
优选的，所述金属质柱体的材质为纯铝质材料或铝合金质材料。
优选的，所述泡沫多胞子弹的上表面的单位面积质量为0.02～0.5g/cm2，所述泡沫多胞子弹的下表面的单位面积质量为0.02～0.5g/cm2，所述泡沫多胞子弹的横截面上的单位面积质量递增或递减。
本申请还提供了所述的泡沫多胞子弹的制备方法，包括以下步骤：
a)将初始金属质柱体进行均布横剖面切片处理，得到叠加后可恢复成一体的若干切片；
将所述切片的表面进行照射扫描，以获取蜂窝结构空隙特征图形；
在所述蜂窝结构空隙特征图形上点滴食盐液，结晶后形成结晶层结构；相邻的结晶层结构之间设置有连接条相连；
按照上述方式制备多组，以使叠加后的切片与所述初始金属质柱体在外形上相同，得到成型模具；
b)将成型模具进行预热，以去除表面的结晶水；
c)将金属液体覆盖于所述成型模具上，使所述金属液体填充于所述结晶层结构的缝隙中，并与成型模具形成一体；
d)将步骤c)得到的成型罐进行加压渗流铸造，得到初始模型；
e)将所述初始模型进行脱溶处理，得到泡沫多胞子弹。
优选的，所述泡沫多胞子弹的制备在制备装置中进行，所述制备装置包括金属熔融机构和成型机构；
所述金属熔融机构包括安装于支撑架上的井式电阻炉、设置于井式电阻炉内底面的电加热坩埚、设置于井式电阻炉底部的控制柜，所述井式电阻炉的侧板内部设置有保温热电偶，所述保温热电偶上安装有温控仪；
所述成型机构包括上支撑板、下底板、设置于支撑板与下底板之间的支柱、固定安装于下底板上表面的制备成型罐、安装于制备成型罐顶部的封盖、安装于上支撑板底部且升降杆穿过封盖且端部设置有与制备成型罐内侧壁挤压配合密闭压盘的液压油缸，所述制备成型罐侧部连通有一安装有气压表的气体管道；
所述井式电阻炉与制备成型罐之间通过安装有电动法兰蝶阀的连接管相连通。
优选的，所述切片的厚度为0.5～1mm。
优选的，相邻所述结晶层结构之间单侧临边处设置的连接条至少有一个，所述连接条(602)的直径为0.5～1mm。
优选的，所述相邻的结晶层结构之间的缝隙为1～5mm。
本申请提供了一种泡沫多胞子弹，其由金属质柱体形成，所述金属质柱体由多胞结构筛孔组成，所述多胞结构筛孔的相邻空隙间相连通，所述金属质柱体一端至另一端的多胞结构筛孔呈梯度蜂窝状分布。本申请还提供了一种泡沫多胞子弹的制备方法，其利用工业食用盐与金属材料熔沸点的不同，反向的导出并制备成带有蜂窝状梯度的多胞子结构的泡沫多胞子弹，该方法能够精准地控制多胞子弹的密度分布，且能够准确、高效、重复、低成本的生产和制备符合所需要求的多胞子弹。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的泡沫多胞子弹的结构示意图；
图2为本发明实施例2制备的泡沫多胞子弹的结构示意图；
图3为泡沫多胞子弹的梯度蜂窝结构的示意图；
图4为本发明制备泡沫多胞子弹的一种制造装置的结构示意图；
图5为图3中高位a-a剖面视图；
图6为与图3中a-a剖面视图的切片的纹路相嵌合的成型模的结构示意图；
图7为图3中低位b-b剖面视图；
图8为与图3中b-b剖面视图的切片的纹路相嵌合的成型模的结构示意图；
图9为本发明提供的泡沫多胞子弹制备方法的步骤图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中的泡沫金属材料，本申请提供了一种泡沫多胞子弹，其由金属质柱体形成，所述金属质柱体由多胞结构筛孔组成，所述多胞结构筛孔的相邻空隙间相连通，所述金属质柱体一端至另一端的多胞结构筛孔呈梯度蜂窝状分布。
本申请所述泡沫多胞子弹是由金属质柱体制备得到的，其具有由多胞结构筛孔组成，且相邻空隙相连通；进一步的，本申请中所述多胞结构筛孔自金属质柱体一端至另一端呈梯度蜂窝状分布，即所述泡沫多胞子弹的多胞结构筛孔的密度呈梯度分布，具体可参照图3、图5和图7所示。
在本申请中，所述金属质柱体为本领域技术人员熟知的柱体形状，在具体实施例中，所述金属质柱体为圆柱体或方柱体。
为了使得所述泡沫多胞子弹具有较好的应用性，所述泡沫多胞子弹也即金属质柱体的材质为纯铝质材料或铝合金质材料。
本申请中所述泡沫多胞子弹的上表面的单位面积质量为0.02～0.5g/cm2，所述泡沫多胞子弹的下表面的单位面积质量为0.02～0.5g/cm2；在具体实施例中，所述泡沫多胞子弹的上表面的单位面积质量为0.02～0.2g/cm2，所述泡沫多胞子弹的下表面的单位面积质量为0.02～0.2g/cm2；由于所述泡沫多胞子弹的正或负梯度设计，其在横截面上，单位面积质量是按照不同函数类型进行递增或递减的，例如，在高度方向上泡沫多胞子弹分割为第1层、第2层、第3层······第n层，第1层至第n层的单位面积质量是递增或递减的。
本申请还提供了所述泡沫多胞子弹的制备方法，包括以下步骤：
a)将初始金属质柱体进行均布横剖面切片处理，得到叠加后可恢复成一体的若干切片；
将所述切片的表面进行照射扫描，以获取蜂窝结构空隙特征图形；
在所述蜂窝结构空隙特征图形上点滴食盐液，结晶后形成结晶层结构；相邻的结晶层结构之间设置有连接条相连；
按照上述方式制备多组，以使叠加后的切片与所述初始金属质柱体在外形上相同，得到成型模具；
b)将成型模具进行预热，以去除表面的结晶水；
c)将金属液体覆盖于所述成型模具上，使所述金属液体填充于所述结晶层结构的缝隙中，并与成型模具形成一体；
d)将步骤c)得到的成型罐进行加压渗流铸造，得到初始模型；
e)将所述初始模型进行脱溶处理，得到泡沫多胞子弹。
本申请所述泡沫多胞子弹的制备方法可以在特定设备中进行，也可不在特定设备中进行，对此本申请没有特别的限制。在具体实施例中，所述泡沫多胞子弹在特定设备中进行，在此情况下，所述泡沫多胞子弹的制备流程具体如图9所示，s01安装制备装置→s02颗粒原料选择→s03成型模具制作→s04成型模具和颗粒原料预热→s05金属原料融化准备→s06加压渗流铸造→机械加工和清洗。
按照上述流程，首先安装制备装置，所述制备装置具体如图4所示，其中，1为支柱，2为上支撑板，3为下底板，4为液压油缸，5为封盖，6为金属框，7和13为金属液体，8为制备成型罐，9为气体管道，10为气压表，11为保温热电偶，12为井式电阻炉，19为连接管，14为电加热坩埚，15为温控仪，16为控制柜，17为支撑架，18为电动法兰蝶阀。
按照本发明，所述制备装置具体包括金属熔融机构和成型机构，所述金属熔融机构包括安装于支撑架(17)上的井式电阻炉(12)、设置于井式电阻炉(12)内底面的电加热坩埚(14)、设置于井式电阻炉(12)底部的控制柜(16)，所述井式电阻炉(12)的侧板内部设置有保温热电偶(11)，所述保温热电偶(11)上安装有温控仪(15)；
所述成型机构包括上支撑板(2)、下底板(3)、设置于支撑板(2)与下底板(3)之间的支柱(1)、固定安装于下底板(3)上表面的制备成型罐(8)、安装于制备成型罐(8)顶部的封盖(5)、安装于上支撑板(2)底部且升降杆穿过封盖(5)且端部设置有与制备成型罐(8)内侧壁挤压配合密闭压盘(401)的液压油缸(4)，所述制备成型罐(8)侧部连通有一安装有气压表(10)的气体管道(9)；所述井式电阻炉(12)与制备成型罐(8)之间通过安装有电动法兰蝶阀(18)的连接管(19)相连通；安装上述结构对制备装置进行安装，所述电动法兰蝶阀(18)和连接管(19)内部结构均为耐高温陶瓷材质。
本申请所述泡沫多胞子弹优选在上述装置中制备。
上述制备装置准备完成后，则进行原料的准备。首先进行颗粒原料的选择，在本申请中以工业食盐颗粒为颗粒原料。之后进行成型模具制作：即将初始金属质柱体进行均布横剖面切片处理，得到叠加后可恢复成一体的若干切片；将所述切片的表面进行照射扫描，以获取蜂窝结构空隙特征图形；在所述蜂窝结构空隙特征图形上点滴食盐液，结晶后形成结晶层结构；相邻的结晶层结构之间设置有连接条相连；按照上述方式制备多组，以使叠加后的切片与所述初始金属质柱体在外形上相同，得到成型模具；具体可如图6、图8所示，所述初始金属质柱体优选由3d打印得到；所述切片的厚度为0.5～1mm。本申请利用上述制备装置由丝杠驱动滑移的点滴头经电脑控制进行高浓度食盐液点滴，按照所需制备的泡沫多胞子弹的蜂窝结构空隙特征在金属框(6)的内填充一层由高浓度食盐液经结晶后形成的与之相嵌合的结晶层结构(601)，相邻的结晶层结构(601)之间设置有连接条(602)相连，并制作多组使叠加后与所需制备的泡沫多胞子弹的蜂窝结构的切片完全嵌合且高度一致，完成成型模具制作。相邻所述结晶层结构之间单侧临边处设置的连接条至少有一个，且连接条的直径为0.5～1mm。相邻所述结晶层结构(601)之间的缝隙与金属质柱体的蜂窝结构内壁厚度一致，所述蜂窝结构内壁厚为1-5mm。
在成型模具制备完成之后，在成型模具的表面覆盖有结晶层结构，其之间的缝隙具体如图6、图8所示。然后将成型模具进行预热，以去除其中的结晶水；在本申请中，具体可将成型模具进行低温长时间的烘烤。然后将多个成型模具由底部至上依次放入制备成型罐底部。
按照本发明，然后进行金属液体的灌注，此过程首先将金属液体进行热熔，得到的金属液体(7)后经连接管(19)流入至制备成型罐(8)中，使金属液体(7)完全覆盖于最上部的成型模具之上，所述金属液体(7)填充于结晶层结构(601)的缝隙中，并与成型模具形成一体。在上述过程中，所述金属液体可以为纯铝金属或锌铝合金。
在所述金属液体填充于所述结晶层结构的缝隙中后，则进一步进行加压渗流铸造，以保证泡沫多胞子弹具体形貌的形成且质量的稳定；具体为：通过所述控制柜(16)控制液压油缸(4)带动密闭压盘(401)对制备成型罐(8)内部进行加压，且通过气体管道(9)输入惰性气体进行加压并由气压表(10)进行实时监测气压值，然后直至成型模具冷却成型。
本申请最后将得到的模型进行脱溶处理，以得到泡沫多胞子弹。具体为：将所述制备成型罐(8)冷却后成为一体的所有成型模具取出，去除金属框(6)后按照所需形状经由切割机对其整体进行切割后得到所需形状的内置有食盐颗粒的泡沫多胞子弹，然后进行水浴脱溶处理，使食盐经连接条(602)全部溶解，即得到所需制备的多胞子弹。
本发明的多胞子弹采用蜂窝状梯度结构形状，利用工业食用盐与金属材料熔沸点的不同，反向的导出并制备成所需的带有蜂窝状梯度的多胞子结构的泡沫多胞子弹；同时，本方法提供的制备方法能够精准地控制多胞子弹的密度分布，可实现多种类型的正梯度或负梯度，且能够准确、高效、重复、低成本的生产和制备符合所需要求的多胞子弹。
本申请制备的泡沫多胞子弹可模拟炸药对结构的冲击，并避免了炸药的危险性，为在实验室大量地测试新型结构的冲击特性提供了一种简单、可靠、安全和经济的动态实验加载和测试技术；比如高能炸药在水下爆炸时，固态爆炸物转化为气态反应产物，形成的球形激波以接近声速传播并传递到周围水体，其峰值压强与爆炸物的类型、质量和距离均有关系，到达峰值压强后以近似指数的规律衰减，持续时间不超过数毫秒。通过对多胞子弹进行梯度设计，即可使得多胞子弹冲击载荷的衰减规律与爆炸载荷的衰减规律保持基本一致，从而利用设计的梯度多胞子弹开展水下爆炸荷载对材料结构的冲击性能测试。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的泡沫多胞子弹的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
如图3～9所示，一种泡沫多胞子弹的制备方法，包括如下步骤：
s01、安装制备装置：制造装置包括金属熔融机构和成型机构，金属熔融机构包括安装于支撑架17上的井式电阻炉12、设置于井式电阻炉12内底面的电加热坩埚14、设置于井式电阻炉12底部的控制柜16，井式电阻炉12的侧板内部设置有保温热电偶11，保温热电偶11上安装有温控仪15；
成型机构包括上支撑板2、下底板3、设置于支撑板2与下底板3之间的支柱1、固定安装于下底板3上表面的制备成型罐8、安装于制备成型罐8顶部的封盖5、安装于上支撑板2底部且升降杆穿过封盖5且端部设置有与制备成型罐8内侧壁挤压配合密闭压盘401的液压油缸4，制备成型罐8侧部连通有一安装有气压表10的气体管道9；井式电阻炉12与制备成型罐8之间通过安装有电动法兰蝶阀18的连接管19相连通；安装上述结构对制备装置进行安装，电动法兰蝶阀18和连接管19内部结构均为耐高温陶瓷材质；
s02、颗粒原料选择：选用工业食盐颗粒为颗粒原料；
s03、成型模具制作：通过对经3d打印形成的初始金属质柱体进行均布横剖面切片处理，获取可经叠加而恢复形成一体的切片，对切片表面进行照射扫描以获取蜂窝结构空隙特征图形，通过由丝杠驱动滑移的点滴头经电脑控制进行高浓度食盐液点滴，按照所需制备的泡沫多胞子弹的蜂窝结构空隙特征在金属框6内填充一层由高浓度食盐液经结晶后形成的与之相嵌合的结晶层结构601，相邻结晶层结构601之间设置有连接条602相连，并制作多组使叠加后与所需制备的泡沫多胞子弹的蜂窝结构的切片完全嵌合且高度一致，完成成型模具制作；
s04、成型模具和颗粒原料预热：对上述步骤的成型模具和覆盖于其表面的食盐颗粒进行低温下长时间烘烤，使去除其表面的结晶水，然后将多个成型模具由底部至上依次放入至制备成型罐8底部；
s05、金属原料融化准备：在所述电加热坩埚14内加入纯铝金属或锌铝合金进行热熔，生成金属液体7后经连接管19流入至制备成型罐8中，使金属液体7完全覆盖于最上部的成型模具之上，金属液体7填充于结晶层结构601的缝隙中，并与成型模具形成一体；
s06、加压渗流铸造：通过控制柜16控制液压油缸4带动密闭压盘401对制备成型罐8内部进行加压，且通过气体管道9输入惰性气体进行加压并由气压表10进行实时监测气压值，然后直至成型模具冷却成型；
s07、机械加工和清洗：将制备成型罐8冷却后成为一体的成型模具取出，去除金属框6后按照所需形状经由切割机对其整体进行切割后得到所需形状的内置有食盐颗粒的泡沫多胞子弹，然后进行水浴脱溶处理，使食盐经连接条602全部溶解，即得到泡沫多胞子弹；
其中，步骤s03中的切片厚度为0.8mm；
其中，相邻结晶层结构601之间单侧临边处设置的连接条602至少有一个，连接条602的直径为0.8mm；
其中，相邻结晶层结构601之间的缝隙与金属质柱体的蜂窝结构内壁厚度一致，蜂窝结构内壁厚为2mm；
按照上述方法制备具体的泡沫多胞子弹：
实施例1
请参阅图1和图3所示，按照上述方法制备泡沫多胞子弹，其包括金属质柱体，金属质柱体采用圆柱体，其整体内部呈多胞子结构筛孔，金属质柱体的主体一端至另一端呈梯度蜂窝结构设计，相邻空隙间相连通，金属质柱体上表面的单位面积质量为0.04g/mm2，下表面的单位面积质量为0.16g/mm2，泡沫多胞子弹用于爆炸载荷的冲击加载试验以及缓冲结构应用领域；其中，金属质柱体采用纯铝质材料。
实施例2
请参阅图2和图3所示，按照上述方法制备泡沫多胞子弹，其包括金属质柱体，金属质柱体采用方柱体，其整体内部呈多胞子结构筛孔，金属质柱体的主体一端至另一端呈梯度蜂窝结构设计，相邻空隙间相连通，金属质柱体上表面的单位面积质量为0.02g/mm2，下表面的单位面积质量为0.04g/mm2，泡沫多胞子弹用于爆炸载荷的冲击加载试验以及缓冲结构应用领域；其中，金属质柱体采用镁铝合金质材料。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种泡沫多胞子弹，由金属质柱体形成，所述金属质柱体由多胞结构筛孔组成，所述多胞结构筛孔的相邻空隙间相连通，所述多胞结构筛孔自金属质柱体一端至另一端呈梯度蜂窝状分布。
2.根据权利要求1所述的泡沫多胞子弹，其特征在于，所述金属质柱体为圆柱体或方柱体。
3.根据权利要求1所述的泡沫多胞子弹，其特征在于，所述金属质柱体的材质为纯铝质材料或铝合金质材料。
4.根据权利要求1所述的泡沫多胞子弹，其特征在于，所述泡沫多胞子弹的上表面的单位面积质量为0.02～0.5g/cm2，所述泡沫多胞子弹的下表面的单位面积质量为0.02～0.5g/cm2，所述泡沫多胞子弹的横截面上的单位面积质量递增或递减。
5.权利要求1～4任一项所述的泡沫多胞子弹的制备方法，包括以下步骤：
a)将初始金属质柱体进行均布横剖面切片处理，得到叠加后可恢复成一体的若干切片；
将所述切片的表面进行照射扫描，以获取蜂窝结构空隙特征图形；
在所述蜂窝结构空隙特征图形上点滴食盐液，结晶后形成结晶层结构；相邻的结晶层结构之间设置有连接条相连；
按照上述方式制备多组，以使叠加后的切片与所述初始金属质柱体在外形上相同，得到成型模具；
b)将成型模具进行预热，以去除表面的结晶水；
c)将金属液体覆盖于所述成型模具上，使所述金属液体填充于所述结晶层结构的缝隙中，并与成型模具形成一体；
d)将步骤c)得到的成型罐进行加压渗流铸造，得到初始模型；
e)将所述初始模型进行脱溶处理，得到泡沫多胞子弹。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫多胞子弹的制备在制备装置中进行，所述制备装置包括金属熔融机构和成型机构；
所述金属熔融机构包括安装于支撑架上的井式电阻炉、设置于井式电阻炉内底面的电加热坩埚、设置于井式电阻炉底部的控制柜，所述井式电阻炉的侧板内部设置有保温热电偶，所述保温热电偶上安装有温控仪；
所述成型机构包括上支撑板、下底板、设置于支撑板与下底板之间的支柱、固定安装于下底板上表面的制备成型罐、安装于制备成型罐顶部的封盖、安装于上支撑板底部且升降杆穿过封盖且端部设置有与制备成型罐内侧壁挤压配合密闭压盘的液压油缸，所述制备成型罐侧部连通有一安装有气压表的气体管道；
所述井式电阻炉与制备成型罐之间通过安装有电动法兰蝶阀的连接管相连通。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述切片的厚度为0.5～1mm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，相邻所述结晶层结构之间单侧临边处设置的连接条至少有一个，所述连接条(602)的直径为0.5～1mm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述相邻的结晶层结构之间的缝隙为1～5mm。
技术总结