溶化直接發(fā)泡法制備純鋁基泡沫鋁材料的研究.pdf

1、泡沫鋁是由金屬相和氣孔組成的復(fù)合材料,它把連續(xù)相鋁的金屬特點(如強度大,耐高溫等)和分散相氣孔的特性(如阻尼,隔熱,隔聲,消音,減震,屏蔽等)有機結(jié)合在一起,可廣泛應(yīng)用于交通運輸、建筑機械、冶金化工、電子通訊和航天航空等多個領(lǐng)域,其研究成為當(dāng)今世界材料科學(xué)高技術(shù)領(lǐng)域的重要研究、開發(fā)內(nèi)容之一。
　　 目前在工業(yè)應(yīng)用中,人們對泡沫鋁的力學(xué)性能越來越關(guān)注,尤其是其能量吸收性能。由于基體金屬純鋁是一種很好的韌性材料,純鋁基泡沫鋁作為一種

2、韌性泡沫金屬材料越來越受到人們的關(guān)注。但由于基體材料純鋁的熔點較高,與發(fā)泡劑氫化鈦的分解溫度不相匹配,以及凝固時收縮較大,用熔體直接發(fā)泡法制備純鋁基泡沫鋁材料較為困難。本文系統(tǒng)地進行了熔體直接發(fā)泡法制備純鋁基泡沫鋁材料的實驗室試驗和工程化試驗研究。
　　 研究了純鋁基泡沫鋁材料的凝固過程。研究表明,純鋁基泡沫鋁材料具有獨特的凝固性質(zhì),在自然冷卻條件下冷卻時,外層泡沫以層狀凝固方式進行凝固,內(nèi)層泡沫以體積凝固方式進行凝固,內(nèi)層泡沫

3、泡孔泡壁上有許多分散性的微小縮孔;當(dāng)在強制水冷條件下進行冷卻時,凝固得到的泡沫鋁泡壁表面粗糙,凝固收縮在垂直于泡壁方向進行,均勻分布于整個泡壁。垂直于泡壁方向的凝固收縮消除了泡壁局部由于凝固而產(chǎn)生的裂紋,收縮的結(jié)果使泡壁變薄。由對純鋁基泡沫鋁材料凝固特性的分析建立了泡孔凝固模型。通過對泡沫鋁凝固過程中基體材料以及氣孔內(nèi)氣體的體積變化的計算可知,純鋁基泡沫鋁材料在凝固過程中孔隙率有所增大。
　　 討論了熔體直接發(fā)泡法制備泡沫鋁過程

4、中工藝條件的控制。純鋁基泡沫鋁制備過程中,在金屬鈣的添加量、攪拌溫度、發(fā)泡時間和冷卻條件一定的條件下,通過改變氫化鈦的加入量和攪拌時間可以控制泡沫鋁的孔隙率。制備的純鋁基泡沫鋁材料的最大孔隙率可達92％以上,最小密度可達0.25/cm3以下。
　　 對無泡層的形成與控制進行了研究,在泡沫鋁制備過程中無泡層的形成分為三個階段:第一階段為發(fā)泡初期短時間內(nèi)形成,在這個過程中,氣泡向上運動,部分液體未被氣泡運動所攜帶成為泡沫中的液膜,最

5、后殘留在底部形成無泡層;第二階段和第三階段為氣泡長大過程中,由于Plateau邊界處液體與液膜處液體存在壓力差,促使液膜處的液體流向Plateau邊界處,最后通過Plateau通道流向底部形成無泡層。在泡沫鋁制備過程中,當(dāng)熔體的粘度越大,表面張力越小時,無泡層的厚度越小。向含有3wt.％Ca的鋁熔體中再加入0.5wt.％Mg后,熔體的表面張力顯著降低,制得的泡沫鋁中的無泡層厚度得到了很好的控制。
　　 通過工程化生產(chǎn)純鋁基泡沫鋁

6、材料的試驗,確立了純鋁基泡沫鋁材料產(chǎn)業(yè)化完整的工藝條件,成功地制造出了可商業(yè)化銷售的純鋁基泡沫鋁板材(1000×1800×Xmm3)。
　　 研究了熔體直接發(fā)泡法制備純鋁基泡沫鋁材料時鋁熔體泡沫的穩(wěn)定性。在熔體直接發(fā)泡法制備純鋁基泡沫鋁過程中,金屬鈣加入到熔體中以后產(chǎn)生了金屬間化合物Al20CaTi2、Al4Ca和氧化物Al2O3。金屬間化合物Al20CaTi2、Al4Ca彌散在鋁熔體中使熔體的粘度增大,抑制了熔體的排液:而Al

7、2O3存在于界面處,這些氧化物在界面處的存在改變了曲面的毛細曲率,從而減緩了液膜和Plateau邊界處間的毛細流動,而且氧化物對氫的吸附作用降低了界面能。上述三種作用提高了鋁熔體泡沫的穩(wěn)定性。
　　 對純鋁基閉孔泡沫鋁材料和Al-6Si基閉孔泡沫鋁材料進行了靜態(tài)和動態(tài)壓縮,試驗中發(fā)現(xiàn),純鋁基閉孔泡沫鋁和鋁硅基閉孔泡沫鋁材料在靜態(tài)和動態(tài)壓縮過程中,均表現(xiàn)出不同的特點:純鋁基閉孔泡沫鋁材料的壓縮曲線較為平緩,顯示出比較明顯的塑性泡沫

8、材料的特征;而鋁硅基閉孔泡沫鋁材料的壓縮曲線則波動比較大,顯示出比較明顯的脆性泡沫材料的特征;通過分析兩種基體材料的微觀形貌和成分,發(fā)現(xiàn)Al基閉孔泡沫鋁微觀形貌主要是小塊狀和球狀(Al20CaTi2),無大塊或長條狀金相;而Al-6Si基閉孔泡沫鋁微觀形貌主要是大片狀和長條狀相(Al3.21Si0.47、Al2O3、CaAl2Si2和Al3Ti)。
　　 對閉孔泡沫鋁的能量吸收性能進行了分析,從閉孔泡沫鋁的能量吸收能力、能量吸收