真空诱导电铸法制备自成形表皮的金属泡沫：界面无连接增强传热与力学性能研究

推荐：本研究针对传统金属泡沫-表皮结构存在界面热阻高、机械连接缺陷等问题，创新性地开发了真空诱导电铸系统，通过COMSOL模拟与实验验证相结合，实现了镍镀层在铜泡沫骨架上的共形沉积。结果表明降低电流密度至1A/dm2 可显著提升镀层均匀性，当表皮厚度超过34.6±2.4μm时，界面结合位点的增加使三点弯曲强度提升至24.36MPa，为热交换器、电子散热器等需要高效传热的应用提供了新方案。

　　

金属泡沫因其高比表面积和优异的能量吸收特性，在航空航天、汽车工业等领域具有广泛应用前景。然而传统制造方法如扩散焊接、钎焊等形成的泡沫-表皮结构存在明显缺陷：过渡界面导致热阻增加，复杂三维形状难以实现无缝连接，且加工过程中泡沫核心易受压变形。这些问题严重制约了其在热交换器、电子散热器等高效传热场景的应用。

为解决这一技术瓶颈，来自中国的研究团队创新性地提出真空诱导电铸法，通过《Materials》发表的研究成果表明，该方法能实现金属泡沫与表皮的界面无连接一体化成型。研究人员设计了一套包含真空泵、电解液循环系统和特殊夹具的装置，利用负压使泡沫紧密贴合阴极基板，同时促进电解液在泡沫孔隙中的渗透。通过调节电流密度（1-2A/dm²
）、阳极距离（8-11mm）等参数，系统研究了电铸层在泡沫骨架不同高度位置的生长规律。

关键技术包括：1）真空辅助电解液循环系统（借鉴VARTM工艺原理）；2）COMSOL多物理场耦合模拟（结合CD二次电流分布与DG变形几何模块）；3）三级力学性能测试（三点弯曲、压缩和拉伸剪切实验）；4）显微结构表征（Keyence显微镜与Zeiss场发射电镜联用）。所有实验样本采用10-14ppi铜泡沫，经盐酸活化预处理后，在氨基磺酸镍电解液体系中进行电铸。

研究结果部分：

1. 数值分析显示电铸层厚度不均匀性随时间加剧，高位置（距阴极3-4mm）沉积速率比低位置（1-2mm）快42%。1A/dm²
   电流密度使表皮厚度提升23%，而倍增阳极距离仅改善4%且易导致表皮孔隙缺陷。

2. 实验验证发现实际产品的电铸层厚度普遍高于模拟值（最大偏差33%），归因于泡沫骨架局部凸起引发的尖端电场集中。20小时电铸后，表皮厚度达41.8μm，与泡沫骨架形成机械互锁结构，EDS图谱显示铜镍界面无显著元素扩散。

3. 力学测试表明，当表皮厚度超过34.6±2.4μm时，三点弯曲强度从2.99MPa跃升至24.36MPa，失效模式从界面剥离转变为表皮断裂。压缩强度同步提升471%，而15小时电铸样本的界面剪切强度出现突变（从0.36MPa增至1.74MPa），对应电镜观察到骨架-表皮连接位点数量级增长。

该研究突破性地证明：真空诱导电铸能实现金属泡沫与表皮的原位冶金结合，较传统方法减少界面热阻的同时，通过调控电铸参数可精确控制表皮厚度。特别值得注意的是，34.6±2.4μm被确定为机械性能强化的临界阈值，这为后续优化工艺提供了量化依据。研究还揭示电流密度对沉积均匀性的调控效力优于阳极距离，这一发现对复杂曲面部件的电铸工艺具有重要指导价值。尽管该方法目前存在大尺寸件镀层均匀性控制的局限，但其在相变散热器、航天器防热结构等领域的应用潜力已得到充分验证。