可控制孔形、孔径组织的海棉状金属材料制法 本发明涉及一种可控制孔形、孔径组织的海棉状金属材料制法，特别是提供一种具有多孔质海棉组织状的金属材料制法，可利用本制法变换海棉组织的金属物理机械特性及材质，并控制成型后组织的孔部大小与形状，进而获得组织比重、密度、强度、韧性、防火性、隔音性、隔热性或防电磁波干扰等单一或复合特性的掌控，以利供给作为特殊金属结构材料使用。
在坊间，已有一种可将金属材料组织构造制成海棉状的技术，其主要是选用铝作为金属材料，并利用铝具有轻质及优良的散热特性，以利再将铝铸造成多孔质组织的泡沫状铝板(ALUMINUM POROUS BOARD，简称AP板)，板体组织间是由薄的铝合金氧化膜及许多气泡所构成，故能利用这些气泡组织来阻隔热源的传导、音波及电磁波…等等，同时又能提升铝材原有轻质及利于散热的特性，以至于成为轻质且具有良好的防火性，散热性、隔音性以及防电磁波干扰等特性的建材选用料。
惟，已知的多孔质铝合金板的铸造技术仍不尽理想，因为它难于控制组织内形成气泡孔部的大小、形状体积、强度及密度，且仅能制出较小单位面积地铝板泡沫组织，以至于所制成的泡沫铝板的防火性、隔音性、隔热性以及防电磁波等效力受到局限，而难予再提升；同时，已知的泡沫铝板在制造时，必须仰赖极高成本的连续铸造发泡设备，亦是极其困扰的技术障碍所在，且制成多孔组织后的各单位气泡孔部的大小、密度及独立性难予获得控制，因此其物理机械性不佳，亦是其缺点所在。
再者，已知的多孔质(如非独立泡沫状或海棉状)铝板的发泡铸造技术，并不适合通用实施于其他合金材料上，且目前除了多孔质铝板以外，包括其他的高熔点合金及低熔点合金等金属材料，皆未曾见有制成多孔质海棉组织的技术，极为可惜，因为除了铝之外，若能转藉其他金属材料的原有物理机械特性，而同样将其制成多孔质的海棉(或独立气泡)组织状，将可获得降低原有材料比重、提升组织抗压强度、防火性、隔音性、隔热性以及防电磁波干扰等单一或复合效力，惟此项技术却尚未被研创问市。
本发明的目的是在于：提供可控制孔形、孔径组织的一种海棉状金属材料制法，包含可选择制作海棉组织的金属材质，并控制成型后组织的孔部大小与形状，进而获得降低组织结构比重、控制组织的多孔密度，以利提增组织抗压强度、防火性、隔音性、隔热性或防电磁波干扰等单一或复合特性的掌控。
为达到上述目的，本发明在制程中必须先依照所需制成的海棉状多孔组织中孔部的大小、形状，以及所需制成的金属材料属性，来配合进行选用胚料、选用金属熔液、选配耐火泥浆等步骤，而后再让胚料进行沾浆、干燥、烧结、积层、预热及低压铸造等步骤；其中：
在选用胚料中，是必须以选用有机物(较无环保问题)作为胚料使用为原则，该等胚料的形状及体积大小，即是决定制成海棉组织后内部各中空单位孔部的形状及体积大小；相对于海棉组织中多孔分布的组织排列形态及其组织密度，是配合由积层步骤时的聚合方式来控制。
在选用金属熔液与选配耐火泥浆用料过程中，具有极其重要的关连性，因此在本发明中，是依所需制成海棉状金属材料的属性，而区分成在选用高熔点合金或低熔点合金时的二种选配耐火泥浆的用料方法及其调制过程，以促进上述胚料在沾浆并经干燥、烧结后，于表面成型耐火层的稳定性，进而达到制成所需形状与大小体积的中空陶球，来与高熔点合金或低熔点合金于低压铸造聚合成所需孔形的组织的海棉状金属材料。
在积层及低压铸造步骤中，为能有效控制海棉组织中多孔分布的组织排列形态及其组织密度，直接选配有大、中、小体积的既定形状的中空陶球数量与比例加以预先混合均匀，然后置入低压铸造设备的模穴中积层并预热，取得所需多孔分布的组织排列形态及其组织密度后，再行低压铸造，来聚合该等呈现多孔分布的中空陶球组织，是其方法之一；或为利用粘稠状的有机淀粉、精密铸造用蜡、树脂或有机胶质材料作为定型剂，并控制其粘稠度，先行聚合该等已预先搅拌混合均匀的既定形状及数量的大、中、小体积中空陶球，使陶球间的聚合密度获得掌控，再利用模框来积层，并干燥分布于该等中空陶球间隔空隙中的定型剂，形成定型雏件，以利取得多孔分布的组织排列形态及其组织密度，而后再将雏件干燥后置入低压铸造设备中预热并灌铸所需的金属熔液，使中空陶球间的固态定型剂被金属熔液烧失碳化并填载其间隙，来聚合该等呈现独立多孔分布的中空陶球组织，是其方法之二；利用此二种积层聚合的方法，再配合中空陶球选用形状及大小配比上的聚合搭配，即有利于取得该等中空陶球之间所形成的间隔空隙的体积大小，进而有效控制海棉组织中多孔分布的组织排列形态及其组织密度。
再者，多孔海棉组织的抗压、抗折、抗弯等强度以及防火、隔音、隔热及防电磁波干扰等特性，是可由各中空陶球单元体的球壳厚度(即胚料沾浆干燥烧结后所形成的耐火层厚度)、各中空陶球单元体的形状及组织排列形态与密度来获得有效的控制。
为能更加详述本发明，兹配合图式流程所列举的较佳实施例，详加说明如后：
附图简单说明：
图1：是本发明揭示制造中空陶球的主流程图；
图2：是本发明例举选用三种不同粒状圆形胚料所组成的胚料族群示意图；
图3：是揭示多种耐火材料的热膨胀特性曲线图；
图4：是本发明在胚料外围形成有耐火层的剖示图；
图5：是本发明中空陶球单元体的剖示图；
图6：是本发明以三种不同体积大小及数量的中空陶球所组成的陶球族群示意图；
图7：是本发明将各种所需数量、形状与体积大小配比的中空陶球先行均匀混合的放大剖示图；
图8：是本发明揭示间接积层方法的流程图；
图9：是本发明揭示间接积层方法中利用模框制作成型雏件的剖示图；
图10：是本发明成型雏件的局部放大剖示图；
图11：是本发明灌铸金属熔液载入组织间隙中的局部放大示意图；
图12：是本发明制成具圆形孔部的海棉状金属材料成品的立体示意图；
图13：是本发明制成具六方晶粒状孔部的海棉状金属材料成品的局部放大剖示图；
图14：是本发明制成具椭圆形孔部的海棉状金属材料成品的局部放大剖示图；
图15：是本发明多层海棉状金属材料成品与韧性材料相互胶结复合实施的局部放大剖示图。
首先参阅图1所示，本发明所提供可控制孔形、孔径组织的一种海棉状金属材料制法，主要是必须先进行选用胚料1、选用金属熔液2及选配耐火泥浆3后，再进行沾浆4、干燥5、烧结6、积层7、预热8及低压铸造9等步骤，以完成制造海棉状金属材料成品10的方法；其中：
在选用胚料1时，是以选用有机物作胚料1使用为原则，例如选用热塑性塑胶粒、硬蜡，或是有机类的植物种子或淀粉制粒等作为有机胚料1使用。
这些有机胚料1的形状，是可选用或制成圆形粒状、椭圆粒状、六方晶粒状或其他在成型组织中需求形成的中空孔部的所需形状，以利能在制成海棉组织后，取得整体所需的良好隔音、隔热、防火及防电磁波干扰等效果。
诸如以选用或制成具有圆粒状或椭圆粒状的有机物(如选用植物种子的米、豆等，或为预制成型的塑胶粒或蜡粒等)作胚粒1使用，在制成海棉组织后，可得较佳的隔音、隔热、防火及防电磁波干扰等效果；换言之，亦可制作六方晶粒状的有机物(可利用塑胶射出成型或铸蜡成型技术来取得六方晶粒状的塑胶粒或蜡粒)作为胚料1，在制成海棉组织后，可使海棉组织的整体抗压、抗折或抗弯强度大为提增；其间尚必须配合后续说明的积层7实施方式，来取得海棉组织中的组织形态与密度控制，以及选用合适属性的金属熔液进行低压铸造，才能有效落实隔音、隔热、防火及防电磁波干扰等效果，以及提升抗压、抗折或抗弯等强度的需求。
以选用圆形的粒状硬蜡作有机胚料1而附加说明如下：该有机胚料1，是可区分由大粒11、中粒12及小粒13三种分类，并各别聚集成一定数量比例，以组成一胚料族群(配合图2所示)，他们在进行沾浆4至烧结6制成圆形中空陶球过程(容后详述)中，皆必须依大小体积分类而独立进行制作，以促进在后续积层7时，能控制海棉组织的质密度配比，并取得整体均匀且良好的隔音、隔热、防火及防电磁波干扰等效果。
在选用金属熔液2及选配耐火泥浆3过程中，又可分成使用高熔点合金21类型的金属熔液时，所必须选用的A种耐火泥浆31，或为使用低熔点合金22类型的金属熔液时，所必须选用的B种耐火泥浆32(如图1所示)；这些耐火泥浆3，皆必须具备有以下条件：
1、耐金属熔液的急热冲刷。
2、较小的热膨胀性，以确保耐火层的厚度尺寸的稳定性。
3、良好的高温强度。
4、在高温状态下不能产生分解作用或结晶变态。
5、要和金属熔液间具有良好的接融性。
基于上述要件，可选用下列表一中的耐火泥料成份及耐温特性：成份Al2O3ZrO2SiO2Na2OFe2O3TiO2CaOMgO熔点(℃)石英0.11--99.8--0.0330.022TrTr1700熔融石英0.05--99.9--0.020.0150.010.005(同上)熔融氧化铝99.5--0.30.350.030.0150.050.0052050氧化铝(结晶)99.0--0.10.020.4--0.07--(同上)锆砂(A)65.034.0--0.10.25----2300锆砂(B)0.79Min66.32Max3223--Max0.04Max0.2----(同上)氧化锆(稳定化)0.3994.60.35--0.190.213.520.462690钙铝氧化物79.0--0.10.50.3--18.00.41700烧成粘土41.6--52.81.21.52.50.30.4 -Flint粒子47.5--47.70.9(rotalAlkali)1.12.50.20.2 -Mullite熔融762--23.00.440.130.110.050.051810分解Mullite73.5--22.40.93.2----(同上)Kvanite57～60--37～410.08-0.41.20.30.31550共融马来砂(molochite)42～43--54～55Na2()1K2()1.5～200.750.080.10.1-
表一：是本发明揭示多种耐火泥浆成份的粉末配比及耐温特性比较表。
同时请配合图3所示的耐火材料的热膨胀特性曲线图，即可获知表一中多种耐火泥浆的线性热膨胀率。当然，为能使表一中各类耐火粉末成份皆能相聚合成泥浆，使用粘结剂是有其绝对必要性的，如使用水玻璃(SodiumSilicate，Na2SiO3)、硅酸乙酯(Ethyl Silicate)或硅胶液(ColloidalSilicate，SiO2)等，这些粘结剂皆是利用其成份内的硅胶(Silica Gel)来作粘结工作；且知水玻璃在调配时应加酸中和分解，由于控制上较困难，因此容易产生胶质化(Gelatinous)析出，而降低其粘结作用，故在本发明中较不适宜采用；另知，以硅酸乙酯作为粘结剂时，是必须要加水分解，但因水与硅酸乙酯四十的亲和力差，故要配以酒精调制，同时为求达到催化作用，常配予各种酸，如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、醋酸(CH3COOH)或磷酸(H3PO4)等等，但因手续繁杂且不方便，故在本发明中仍较不适宜采用；原则上本发明所使用的粘结剂33，较趋向采用取得容易且手续简便的硅胶液，因为硅胶液在精密铸造上已使用多年，且可轻易在市场上购买取得，同时硅胶液的化学特性非常稳定，除非储存在低于冰点以下的环境中才会破坏其特性，此外只要将其脱水干燥后，即不会再吸收水分恢复原性质，因此，硅胶液在储存与使用中极具稳定性，是本发明选用硅胶液作为粘结剂33的主因。
因此更明确的说，在本发明中以高熔点合金21作为金属熔液时，其A种耐火泥浆31的组成种类，是可由下列表二中选用取得：
表二：A种耐火泥浆31的组成种类性状表。
换言之，在本发明中以低熔点合金22作为金属熔液时，其B种耐火泥浆32的组成，是以选用石膏质的耐火材料即可，即以石膏本身具有二分子结晶水(CaSO4·2H2O)，如作耐火材料用时，视工作时间及凝固时间的需要，将石膏中的水份除去一部分，剩余水份在1-11/2分子之间[CaSO4·(1-1)H2O]成为熟石膏，使用时加水调制即可，且通常在市面上即可购买得使用。
依使用金属熔液2的种类特性而选用合适的耐火泥浆3后，属高熔点合金21所选用的A种耐火泥浆31，皆必须进行泥浆的调制作业如下：
a.用螺旋桨在搅拌桶内1725rpm的高速转动下，将A种耐火泥浆31与粘结剂33调配至均匀，然后置入旋转桶中供给沾浆4使用。其间必须注意当泥浆一经调制完成时，在沾浆4前要保持搅拌桶内慢速的运转，使粘结剂33与A种耐火泥浆31间经常保持在最均匀混合的情况下为最佳。
b.泥浆的粘度控制：一般是使用詹氏杯(Zahn Cup)4#及5#二种，如使用詹氏杯5#进行调制时，是在9～30秒间所取得的粘度较为适宜(配合表二所不)。
c.添加湿润剂34(Wetting Agent)：湿润剂34为属一种界面活性剂，在A种耐火泥浆31中加入湿润剂34的主要目的，为使泥浆较容易粘著在塑胶粒、蜡粒、有机淀粉粒或植物种子制成的胚料1上。一般若是以选用硅酸乙酯当粘结剂33使用时，因其湿润性较好，故无需添加湿润剂34。
d.添加消泡剂35(Antifoam)：为了泥浆中含有的气泡，而添加辛醇(n-Octyl alcoho1)，此剂不会对泥浆起胶化作用，故具使用稳定性。
e.添加聚酯酸乙烯(Polyvinyl Acetate)：用来提升A种耐火泥浆31的湿态强度；且当选用蜡粒作为胚料1并进行沾浆4时，聚酯酸乙烯可防止脱蜡现象发生；同时在烧结6时，聚酯酸乙烯能防止塑胶粒状胚粒1破裂；并且在烧结6后，具有去除耐火层50内有机质之效。
当调制好上述合适的泥浆后，必须依所选用的有机胚料1的大小体积，各别分类进行沾浆4运作，然后再以130℃±20℃的温度进行干燥5，促使各胚料1外围形成硬化状态的耐火层50(如图4所示)，再利用回转炉烧结6方式，以800℃～1800℃的温度，将耐火层50内的有机胚料1碳化烧失，以制成具孔部19的中空陶球14(如图5所示)。其中各种形状与体积大小的有机胚料1，皆是各别分类进行沾浆4、干燥5而至烧结6等制程后，即可取得所需数量配比的各种形状与体积大小的中空陶球15、16及17(配合图6所示)，以备后续积层7步骤使用。
在积层7步骤中，又可区分成直接堆叠的积层方法，或为利用定型剂72聚合、模框73定型、干燥74到制成成型雏件75等间接积层的方法。兹将逐一详述如后：
其中，该直接堆叠的积层方法，是将各种所需数量、形状与体积大小配比的中空陶球15、16及17族群先行混合至均匀(如图7所示)，并直接置入低压铸造9所用的设备的模穴91中，促使已混合均匀的中空陶球15、16及17，皆能依其所需的组织排列形态与分布的质密度形态，进行直接相互堆叠积层的作业，形成海棉状组织雏型，并藉其堆叠后形成的缝隙18，来作为后续低压铸造金属熔液2的流道(如图7所示)。
另，该间接积层的方法(如图8所示)，是必需选用粘稠状的定型剂72先行搅拌聚合这些已依所需数量、形状与体积大小配比混合均匀的中空陶球15、16及17族群，再将其倒入所需型体的模框73内定型(配合图9所示)，并在常温下或施予微温烘干74中空陶球15、16及17间的粘稠状定型剂72，以利自模框73中取出制成海棉状组织形态的成型雏件75(如图10所示)。
其中即是利用该定型剂72来控制中空陶球族群中的组织密度，以及在接受金属熔液2灌铸时，各中空陶球单元体之间的瞬间聚合强度。该粘稠状的定型剂72用料，是可选用精密铸造用蜡、有机淀粉、有机胶质或树脂等原料调制而成。
随后，可利用具恒温加热能力的低压铸造9设备，来实施先行预热8以及灌铸金属熔液2的运作。其中：
该利用直接堆叠的积层方法所编组而成的海棉状中空陶球组织族群，是直接堆叠形成于设备的模穴91内，因此必须先在模穴91内预热8该等海棉状中空陶球组织族群，以利在灌铸金属熔液2时，能增加金属熔液2在缝隙18间的流动性；随后，再利用压板92，将前述配妥的高熔点合金21或低熔点合金22制成的金属熔液2，灌铸进入模穴91中并顺利排气，即可让金属熔液2顺利地注入堆叠缝隙18中(如图11所示)，以便将这些海棉组织状的中空陶球族群加以融聚定型，进而产制出由具有圆形孔部19的中空陶球15、16及17所编铸制成的海棉状金属材料成品10(如图12所示)。
该利用间接堆叠的积层方法所制成的海棉组织状成型雏件75，是直接置于低压铸造9的设备的模穴91内先行预热8，并再利用压板92，将上述所需合适的金属熔液2灌铸进入海棉状成型雏件75内，促使各中空陶球15、16及17之间的干固状定型剂72，皆被金属熔液2所碳化烧失，在其碳化烧失的瞬间，金属熔液2并即刻的充填在其缝隙18空间内，亦可产制出组织质密度及强度均获得有效控制的海棉状金属材料成品10(如图12所示)。其间：
在上述进行灌铸金属熔液2前，利用具恒温加热能力的低压铸造9设备中的模穴91，先行预热8该直接在模穴91中堆叠积层完妥的海棉状中空陶球组织族群，或为先行预热8该制于模穴91内的海棉组织状成型雏件75，是极为必要的程序，因为先行预热8乃有利于增加金属熔液2在铸入缝隙18过程中的流动性，尤其是以低熔点合金22作为金属熔液2时的流动性。
以上所述，皆是以选用圆形粒状胚料1所作的实施例说明。但事实上，当本发明以选用或制成六方晶粒状的有机物作为胚料1使用时，亦需配合选用上述所需适当的金属熔液2及耐火泥浆3，并进行沾浆4、干燥5、烧结6、积层7、预热8及低压铸造9等步骤，促使所制成的海棉状金属材料成品10a的中空孔部19a，呈现出六方晶钻形的蜂巢状态(如图13所示)，以利提升金属海棉组织的强度至最佳化状态，亦即达到提升整体抗压、抗折或抗弯强度的目的。
相对的，当本发明以选用或制成椭圆粒状(或其他物形形状)的有机物作胚料1使用，亦可经由上述选用金属熔液2、选用耐火泥浆3、沾浆4、干燥5、烧结6、积层7、预热8及低压铸造9等步骤，促使所制成的海棉状金属材料成品10b的中空孔形组织，呈现出原先胚料外形的椭圆形孔部19b(如图14所示)或其他既定形体，以利提升金属海棉组织的强度、隔音、隔热、防火及防电磁波干扰等效力。同时，值得一提的是，在利用所选用的有机胚料外形来架构出海棉组织中各单位孔部的形状时，在其积层7控制中，是可变换中空陶球的堆叠方向，以利除了可以控制孔部的形状及密度以外，亦可使孔中形成方向获得控制。
同时，值得一提的是，在利用所选用的有机胚料外形来架构出海棉组织中各单位孔部的形状时，在其积层7控制中，是可变换中空陶球的堆叠方向，以利除了可以控制孔部的形状及密度以外，亦可使孔部形成方向获得控制。
同时，经上述本发明制法所制成的各种具有圆形、六方晶粒形及椭圆形孔部19、19a及19b的海棉状金属材料成品10、10a及10b等，是可相互胶合成多层夹板组织形态(如图15所示)，且各夹层间并可依需求而胶结复合上一层或一层以上的韧性材料93(如碳纤维布、金属夹板、或金属网板…等等)，以便能依照各种抗压性、韧性、防火性、隔音性、隔热性以及防电磁波干扰等单一或复合特性的需求而自行搭配使用。
综上所述，利用本发明所提供可控制孔形、孔径组织的海棉状金属材料制法，是利用制作中空陶球的成型技术手段，来解决积层控制海棉组织密度与强度的问题，以及多孔组织的隔热性(即防火性)、隔音性以及防电磁波等效力，同时又能变换海棉组织的金属材质，因此理应备具高度技术的利用价值，于是提出发明专利申请。