Onderzoeksvooruitgang van nieuw functioneel materiaal aluminiumschuim

1. Inleiding

Geschuimd aluminium is een nieuw type functioneel materiaal, een schuimachtig ultralicht metaalmateriaal met talrijke luchtbellen verspreid in de metalen aluminiummatrix, en de algemene porositeit is 40 procent ~ 98 procent. In 1948 stelde Sonik een methode voor om geschuimd aluminium te bereiden door kwik in aluminium te verdampen en te schuimen, en vervolgens bereidde Elliot in 1951 met succes geschuimd aluminium voor. In de jaren zestig werd American Ethyl Company een wetenschappelijk onderzoekscentrum voor de ontwikkeling van aluminiumschuim. In 1991 ontwikkelde het Japanse Kyushu Institute of Industrial Metals een procesroute voor de industrialisatie van geschuimd aluminium, en nu kunnen grote en kleine onderdelen worden geproduceerd door metaalschuim- en percolatiemethoden. Tot op heden hebben de Verenigde Staten, Japan, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Canada en andere landen achtereenvolgens een aantal technische patenten ontwikkeld. In mijn land is ook enig verkennend werk verricht met betrekking tot het fundamentele onderzoek naar het bereidingsproces van geschuimd aluminium, en er is enige vooruitgang geboekt.

Aluminiumschuim heeft door zijn unieke structuur veel uitstekende eigenschappen. Het heeft niet alleen de lichtgewicht eigenschappen van poreuze materialen, maar heeft ook uitstekende mechanische eigenschappen en thermische, elektrische en andere fysieke eigenschappen die metalen hebben, zoals penetratie, demping, energieabsorptie, hoog specifiek oppervlak, elektromagnetische afscherming en andere eigenschappen. Nu zijn de belangrijkste toepassingen van geschuimd aluminium: brandwerende en geluidsabsorberende panelen, schokabsorberende materialen, bouwpanelen, halfgeleidergasdiffusieplaten, warmtewisselaars, elektromagnetische afscherming enzovoort. Het kan worden gebruikt op het gebied van metallurgie, chemische industrie, ruimtevaart, scheepsbouw, elektronica, automobielproductie en constructie, en het toepassingsgebied wordt voortdurend uitgebreid.

2. Bereidingswijze van aluminiumschuim

2.1 Gietmethode:

De gietmethode wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van geschuimd aluminium en de bereidingsmethode is relatief volwassen. Hieronder worden verschillende gerelateerde methoden geïntroduceerd.

2.1.1 Kwelgietmethode

De percolatiegietmethode is om vloeibaar metaalaluminium op hoge temperatuur te infiltreren in de holtes van de vulstofdeeltjes onder een bepaalde druk en de oplosbare deeltjes te verwijderen die in de aluminiumlegering zijn ingesloten na het stollen, dat wil zeggen, om geschuimd aluminium te verkrijgen met een verbonden celstructuur . Deze methode kan verder worden onderverdeeld in gietmethode voor infiltratie onder hoge druk en gietmethode voor infiltratie onder negatieve druk. De gietmethode voor het zwavelen onder hoge druk is een elektrodemateriaal met sterkte, hoge geleidbaarheid, uitstekende warmteoverdracht en kruipweerstand in vergelijking met de gietmethode met negatieve druk infiltratie.

(3) De gemiddelde levensduur van Al2O3-dispersieversterkte koperelektroden voor het lassen van 1,5 mm dikke gealuminiseerde staalplaten is 7200 punten, wat goed kan voldoen aan de behoeften van CPT-explosiebestendig riemlassen.

Het heeft de voordelen van een eenvoudige proceswerking, hoge voorverwarmsnelheid, hoge productiviteit en opbrengst, grote veiligheidsfactor, kleine investering in apparatuur en gemakkelijke gemechaniseerde productie. Onder hen is de selectie en verwerking van vulstofdeeltjes zeer kritisch, die de volgende kenmerken heeft: voldoende hittebestendigheid, niet smelten bij de giettemperatuur; voldoende sterkte en stijfheid, niet gebroken en vervormd onder invloed van kweldruk; goede verwijdering De vulstofdeeltjes in de driedimensionale poriën kunnen volledig worden verwijderd met een oplosmiddel of waterige oplossing nadat de aluminiumvloeistof stolt; chemische stabiliteit, reageert niet met de aluminiumvloeistof. Deze methode is eenvoudig te bedienen en de gemiddelde porositeit kan 70 procent bereiken, wat handig is voor grootschalige productie. Momenteel wordt de percolatiemethode niet alleen gebruikt bij de vervaardiging van aluminiumschuim, maar ook bij de productie van schuimmaterialen zoals zink, magnesium, lood, tin en ijzer, die kunnen worden gebruikt om onderdelen met complexe vormen te vervaardigen.

2.1.2 Bal toevoegen methode

De baltoevoegingsmethode is om deeltjes of holle bollen toe te voegen aan de vloeibare aluminiumlegering, het roeren te versterken en de aluminiumvloeistof te gieten die nog steeds in relatieve stroom is om een ​​aluminiumlegering en deeltjescomposiet te verkrijgen, en vervolgens de aluminiumlegeringsmatrix op te lossen en te verwijderen . Oplosbare deeltjes en een aluminiumschuim met verbonden cellen werden verkregen.

2.1.3 Investeringsgietmethode

Eerst wordt een driedimensionaal continu schuimsponsmateriaal met een bepaalde porositeit als het moedermateriaal gebruikt, en vervolgens wordt een gemakkelijk te verwijderen vuurvast materiaal in het sponsachtige schuim gespoeld, gedroogd en gehard om een ​​geprefabriceerde vorm te vormen, en vervolgens gebakken om het vuurvaste materiaal te harden en te maken. De schuimspons wordt verdampt en ontleed, en vervolgens wordt de voorvorm in een metalen mal geplaatst, in gesmolten metaal gegoten en er wordt een bepaalde druk op uitgeoefend of vacuümgieten wordt uitgevoerd om de poriën van de mal met gesmolten metaal, en het wordt verwijderd na afkoeling. Het blok vuurvast materiaal kan worden verkregen door een driedimensionaal netwerk van aluminiumschuim met doorlopende cellen. Het aluminiumschuim geproduceerd door dit voorbereidingsproces voor investeringsgieten heeft een goede driedimensionale penetratie en het proces heeft een breed scala aan toepassingen en is niet-corrosief, en heeft goede vooruitzichten bij de vervaardiging van vloeistofdoorlatende producten.

2.1.4 Schuimmethode

Er zijn twee soorten gasschuimmethodes en metaalvloeistofschuimmethodes. De gasschuimmethode is om gas in de gesmolten metaalsmelt te blazen om de metaalsmelt te schuimen. Het gas dat voor het schuimen wordt gebruikt, kan zuurstof, argon, lucht, waterdamp, kooldioxide, enz. zijn. De technische sleutel is dat de smelt een geschikte viscositeit moet hebben, de samenstelling van het metaal moet zorgen voor een voldoende breed schuimtemperatuurbereik en de gevormd schuim moet voldoende stabiliteit hebben om ervoor te zorgen dat het schuim niet breekt tijdens het daaropvolgende verzamel- en vormproces. De gasschuimmethode is momenteel de goedkoopste methode om metaalschuim te produceren. De grootte van het schuim is erg groot en de porositeit van geschuimde aluminiumproducten kan 97 procent bereiken. De schuimmethode met vloeibaar metaal werd in de begintijd veel gebruikt, voornamelijk door TiH2, ZrH2, CaH2 en andere schuimmiddelen aan de vloeibare aluminiumlegering toe te voegen en vervolgens te verwarmen om het schuimmiddel te ontleden om het gas vrij te maken, en de uitzetting van het gemaakte gas. de aluminiumlegering in een schuim, en dan afgekoeld Dat wil zeggen, het geschuimde aluminiumproduct wordt verkregen. Het volgens deze methode bereide aluminiumschuim behoort tot aluminiumschuim met gesloten cellen. De structuur en porositeit van de poriën zijn gerelateerd aan de viscositeit van het gesmolten metaal en de schuimtijd. Het regelen van de viscositeit van het gesmolten metaal en de schuimtijd tijdens het smeltproces kan de porositeit regelen. De poriën zijn echter onafhankelijk van elkaar, hun grootte en verdeling zijn ongelijk en de controle is gecompliceerd.

2.1.5 Eutectische stollingsmethode

Het gas heeft een zekere oplosbaarheid in het gesmolten metaal en neemt toe met de toename van druk en temperatuur. Wanneer de oplosbaarheid van het gas in het metaal een vooraf bepaalde waarde bereikt, ondergaan het metaal en de gasfase eutectische stolling om het gewenste aluminiumschuim te verkrijgen. Door de koelomstandigheden (druk, koelsnelheid, warmteafvoerrichting) nauwkeurig te regelen, kunnen isotrope en anisotrope aluminiumschuimen met een hoge porositeit met verschillende porievormen worden verkregen [18].

2.2 Afzettingsmethode

2.2.1 Sputterdepositiemethode

De sputterdepositiemethode is om de sputtertechnologie te gebruiken om het poeder gelijkmatig met inert gas op het aluminiumlegeringsmetaal te sproeien en het te verwarmen tot het smeltpunt van het metaal, zodat het gas dat in de metalen matrix wordt toegevoegd in gaten uitzet, en na koeling, het is Een geschuimd aluminium met een geschuimde structuur wordt verkregen. De poriënvolumefractie van het product dat met deze methode wordt verkregen, kan worden geregeld door de partiële druk van het inerte gas in de afzetting te regelen, en de massafractie van het insluitgas kan worden gevarieerd in het bereik van {{0} }0,015 procent tot 0,23 procent .

2.2.2 Afzetting door verdamping van damp

In een inerte atmosfeer met relatief hoge druk (1 0 2 ~ 103 Pa) wordt metaalaluminium langzaam verdampt en ondergaan de verdampte metaalatomen een reeks botsingen en verstrooiing met het inerte gas tijdens het voortschrijden en verliezen snel kinetische energie, dus gedeeltelijk condenserend om metaalrook te vormen. De metaalrook wordt afgezet onder invloed van zijn eigen zwaartekracht en gedragen door de inerte gasstroom, en blijft afkoelen tijdens het neerwaartse proces en bereikt uiteindelijk de basis. Vanwege de lage temperatuur is het moeilijk voor atomen om te migreren of te diffunderen, dus de metaaldampdeeltjes worden slechts losjes opgestapeld om een ​​celschuimstructuur te vormen. Het aluminiumschuim dat met deze techniek wordt geproduceerd, verschilt van het geschuimde aluminium met een macroscopische structuur. Het is samengesteld uit een groot aantal sub-micron-schaal metaaldeeltjes en microporiën, en de dichtheid is ongeveer 1 procent van de dichtheid van het moedermetaal aluminium, en het minimum is 0,15 procent.

2.2.3 Elektrodepositie

Deze methode is om het geschuimde plastic te bedekken met meerdere stappen, zoals opruwbehandeling, sensibiliserings- en activeringsbehandeling, chemische pre-plating en chemische plating, enz., en vervolgens het geschuimde plastic te verwarmen om te ontleden om geschuimd aluminium te verkrijgen. Onder hen spelen de twee processen van sensibilisatie en activeringsbehandeling een zeer belangrijke rol. Sensibilisatiebehandeling is om het oppervlak van het geruwde deel de reducerende ionen te laten adsorberen, zodat tijdens de ionenactiveringsbehandeling het oppervlak van het onderdeel een laag vormt met katalytische eigenschappen. De rol van de edelmetaallaag, zodat de stroomloze beplating spontaan kan worden uitgevoerd, zodat het schuim een ​​halfgeleider wordt, wat op zijn beurt het succes van het galvaniseren van aluminium bevordert. Het met deze methode bereide aluminiumschuim heeft een goede porieconnectiviteit, uniforme verdeling en grote porositeit, maar de dikte van het product is beperkt en de kosten zijn hoog.

2.2.4 Gesmolten zout galvaniseren van aluminium

Gesmolten zout galvaniserend aluminium is een soort poreus aluminiumschuim gemaakt door elektrodepositieproces in gesmolten zout dat aluminiumzout bevat, met schuimplastic als elektrodekathode en aluminiumplaat als anode. Het aluminiumschuim dat met deze methode wordt gemaakt, heeft een hoge porositeit en uniforme poriën.

2.3 Poedermetallurgie

2.3.1 Poederschuimmethode

De poederschuimmethode is om aluminiumpoeder te mengen met een schuimmiddel (TiH2) en dit axiaal samen te persen bij een bepaalde temperatuur om een ​​voorvorm met een luchtdichte structuur te verkrijgen. Een methode om het product te expanderen om geschuimd aluminium te verkrijgen. Mengen, persen en opschuimen zijn de drie belangrijke schakels in de poederschuimmethode. Tegelijkertijd kan door het aanpassen van de parameters in het schuimproces (de hoeveelheid schuimmiddel, schuimtemperatuur en schuimtijd) geschuimd aluminium met verschillende celstructuren worden verkregen.

2.3.2 Methode voor het vormen van drijfmest

De slurryvormmethode is om een ​​suspensie van metaalaluminiumpoeder, schuimmiddel (fluorwaterstofzuur, aluminiumhydroxide of orthofosforzuur) en organische drager te vormen, het in een staat te roeren die schuim bevat en het vervolgens in een vorm te doen en het te verwarmen. Na calcineren , kan massief metalen aluminium met poreuze structuur worden verkregen. Deze methode werd aanvankelijk gebruikt om geschuimde materialen van Be, Fe, Cu en roestvrij staal te maken en later om geschuimd aluminium te maken. Maar de productsterkte is erg laag.

2.3.3 Poedervormmethode:

De poedervormmethode is een methode om metaalaluminiumpoeder te mengen met een schuimmiddel (TiH2), het te vormen door koude of hete druk en het vervolgens te sinteren tot geschuimd aluminium. Het heeft twee belangrijke voordelen: een daarvan is dat het kan worden gebruikt voor een breder scala aan legeringssamenstellingen dan andere methoden, waardoor de mechanische eigenschappen van aluminiumschuim worden gecontroleerd; Sandwichvormig aluminiumschuim en met aluminiumschuim gevulde turbinestructuren

2.3.4 Losse poedersintermethode:

Het principe van de losse poedersintermethode is dat wanneer de fijne deeltjes met elkaar in contact zijn, ze aan elkaar kunnen worden gehecht door de werking van oppervlaktespanning. Deze fijne metaalaluminiumpoeders worden in de mal gedaan om te sinteren en de deeltjes worden aan elkaar gehecht om een ​​poreus gesinterd lichaam te vormen. Deze methode kan ook worden gebruikt om filters te produceren met een porositeit van doorgaans 40 tot 60 procent.

2.3.5 Impregnatiespons sintermethode:

In poedermetallurgie kan het sponsachtige materiaal ook worden gebruikt als een tijdelijke ondersteuningsstructuur om uniforme aluminiumschuimen met hoge porositeit te genereren. De sponsachtige organische stof wordt in de gewenste vorm gesneden en vervolgens geïnfiltreerd met een slurry die het te verwerken metaalaluminiumpoeder bevat (de drager van de suspensie is water en organische vloeistof). Het ondergedompelde sponsachtige organische materiaal wordt gedroogd om het vloeimiddel te verwijderen en na afkoeling kan het geschuimde metaalaluminium met een driedimensionale structuur met hoge porositeit worden verkregen. De methode wordt ook gebruikt om geschuimde zilvervellen te produceren met een porositeit van 70 tot 90 procent.

2.3.6 Vezelsintermethode:

De metalen aluminiumdraad die bij deze methode wordt gebruikt, is een metaaldraad die wordt verkregen door mechanisch trekken of andere methoden. De metalen aluminiumdraad wordt tot een vilten ring gemaakt door middel van slipgieten of een mechanische viltringmethode en vervolgens gesinterd om de vereiste sterkte te bereiken. en porositeit. Het met deze methode bereide poreuze aluminiumschuim heeft opmerkelijke voordelen: een hogere porositeit dan poedersinteren kan worden verkregen, tot 95 procent; alle poriën zijn onderling verbonden poriën; de maximale porositeit blijft behouden. structurele eigenschappen; bij dezelfde porositeit zijn de sterkte en taaiheid meerdere malen hoger dan die van poedermetallurgie. Het kan ook worden gebruikt om verschillende metalen filters te maken, zoals roestvrij staal, koper, nikkel, nichrome, enz.

2.3.7 Sinteroplossingsmethode

De sinteroplosmethode is een nieuwe methode voor het vervaardigen van geschuimd aluminium die in de afgelopen jaren is ontwikkeld. Het is een methode om aluminiumschuim met doorgaande cellen te bereiden door aluminiumpoeder en vulstofdeeltjes te mengen, onder druk te brengen, te sinteren en op te lossen. Het heeft de kenmerken dat de vorm, grootte, porositeit en verdeling van poriën nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd, en het heeft een goede uitgebreide index van kwaliteit en prijs. Het is een effectieve methode om aluminiumschuim met gemiddelde dichtheid te produceren met uniforme of gradiënt fijne openingen.

3. Eigenschappen en toepassingen van aluminiumschuim

Qua structuur kan aluminiumschuim worden onderverdeeld in twee soorten: aluminiumschuim met gesloten cellen en aluminiumschuim met open cellen. De organisatorische en morfologische kenmerken van aluminiumschuim, waaronder de structuur van poriën (open of gesloten), relatieve dichtheid, poriegrootte, porievorm, poriewanddikte, anisotropie, enz. Elektronenmicroscopie en röntgentomografie worden gebruikt voor analyse en onderzoek , en het onderzoek op dit gebied ontwikkelt zich snel. Door verschillende structuren zijn de eigenschappen ervan heel verschillend, dus het heeft verschillende toepassingen. Vergeleken met traditioneel metaalaluminium heeft geschuimd aluminium de volgende kenmerken en wordt het veel gebruikt in de metallurgie, de chemische industrie, de lucht- en ruimtevaart, de scheepsbouw, de elektronica, de automobielindustrie en de bouwsector. en andere velden zijn op grote schaal gebruikt.

3.1 Lage dichtheid

Omdat aluminiumschuim grote en kleine poriën heeft in de aluminiummatrix, heeft het een kleinere dichtheid. De dichtheid van aluminiumschuim kan binnen een groot bereik variëren en de maximale porositeit die momenteel kan worden verkregen, kan 97 procent bereiken, en de poriegrootte varieert van enkele micrometers tot tientallen millimeters. Hoe lager de dichtheid. Kan worden gebruikt in verpakkingsdozen, met name luchtvrachtcontainers.

3.2 Sterke hittebestendigheid

Geschuimd aluminium heeft een hoge hittebestendigheid en zal niet smelten, zelfs niet als het het smeltpunt van de legering bereikt. Over het algemeen varieert de smelttemperatuur van aluminiumlegeringen van 560 tot 700 e, maar het geschuimde aluminium smelt niet, zelfs niet bij verhitting tot 1400 graden. Bovendien geeft het bij hoge temperaturen geen schadelijke gassen vrij en kan het in veel gevallen schuimhars en asbestproducten vervangen als warmte-isolerende en hittebestendige materialen en kernonderdelen van verschillende warmtewisselaars.

3.3 Goede doorlaatbaarheid

Aluminiumschuim kan worden gebruikt als filtermateriaal om vaste deeltjes uit vloeistof of gas te filteren. Over het algemeen neemt de permeabiliteit toe met de toename van de poriegrootte, maar deze wordt ook beïnvloed door oppervlakteruwheid. doorlaatbaarheid. Het kan worden gebruikt om filters te maken voor verschillende vloeistoffen en gassen.

3.4 Groot specifiek oppervlak

Door gebruik te maken van het grote specifieke oppervlak van aluminiumschuim om een ​​hoge warmte-uitwisseling te bereiken, is het een goed materiaal voor het maken van verwarmers en warmtewisselaars. Daarnaast kan het ook gebruikt worden als drager voor chemische reacties die een enorm oppervlak vergen, zoals een katalysatordrager. , poreuze elektroden, plaatmaterialen voor oplaadbare batterijen, warmtewisselaars, energieabsorbers en katalysatordragers, enz.

3.5 Sterke geluidsisolatie

Aluminiumschuim kan de energie van geluid absorberen door de trilling van de gatwand en kan worden gebruikt om geluid te dempen en te verwijderen. Over het algemeen zijn de geluidsabsorptieprestaties van aluminiumschuim met doorgaande cellen beter. De grootte van het gat beïnvloedt het absorptievermogen voor het gehele frequentiebereik van de geluidsgolf. Hoe kleiner het gat, hoe groter het geluidsabsorptievermogen.

Hoge geluidsabsorptieprestaties kunnen worden verkregen door de grootte en vorm van de poriën van aluminiumschuim te veranderen. Het kan worden gebruikt voor decoratieve binnen- en buitendelen, vliesgevels, verplaatsbare scheidingsdeurpanelen in de bouwsector, productie van hoogwaardige geluidsabsorberende panelen, geluidsisolerende wanden, verschillende geluiddempers, enz.

3.6 Heeft hoge prestaties bij het absorberen van impactenergie;

Geschuimd aluminium is niet directioneel zoals honingraatmaterialen, en heeft ook geen rebound-effect zoals polymeerschuimmaterialen. Het heeft goede schokabsorberende eigenschappen en is een goed materiaal voor het maken van slagvaste onderdelen. Het kan worden gebruikt in autoremmen, spanners en beschermende hulzen en bumpers in ruimtevaartapparatuur. De grootte van de demping is gerelateerd aan de grootte van de poriegrootte van de poriën. Het kan worden gebruikt voor veiligheidskussens voor liften en transportbanden, schokabsorberende en energieabsorberende voeringen voor hogesnelheidsbeschermkappen, basissen voor zeer nauwkeurige werktuigmachines, enz.

3.7 Mechanische eigenschappen

De mechanische eigenschappen van aluminiumschuim worden voornamelijk bepaald door de dichtheid, maar ook de grootte, structuur en verdeling van poriën zijn belangrijke parameters die de mechanische eigenschappen bepalen. Onder invloed van drukspanning, nadat het materiaal aanvankelijke elastische vervorming heeft ondergaan, komt het aluminiumschuim het spanningscurveplatform binnen, dat wil zeggen, het aluminiumschuim begint te scheuren, en de spanning blijft in wezen onveranderd tijdens de fase van het breken van het schuim. Na een grote hoeveelheid plastische vervorming is het schuim volledig gebroken en komt het materiaal de dichte binnen. Tijdens de chemische fase neemt de spanning snel toe. Zowel de Young's modulus als de shear modulus van aluminiumschuim nemen toe met de toename van de dichtheid.

3.8 Elektromagnetische afschermingsprestaties

Aluminiumschuim heeft een goed afschermend effect op hoogfrequente elektromagnetische golven, die elektromagnetische interferentie met meer dan 80 procent kunnen verminderen. Aluminiumschuim met gesloten cellen met een dikte van 5 mm en een porositeit van 90 procent, de elektromagnetische afschermingsprestaties bij 60 ~ 1000 MHz zijn 35 ~ 75 dB, die kunnen worden gebruikt in elektromagnetische afschermingsruimten (afdekkingen), elektronische instrumentbehuizingen, radio-opnameruimten, elektromagnetische afscherming en andere gelegenheden.

3.9 Andere eigenschappen

Aluminiumschuim heeft ook gasgevoeligheid, brandwerendheid, katalyse, enz. De elektrische geleidbaarheid van geschuimd aluminium wordt sterk beïnvloed door de relatieve dichtheid, terwijl de grootte van de poriegrootte weinig effect heeft op de elektrische geleidbaarheid. Verwacht wordt dat het goede toepassingsvooruitzichten zal hebben op nieuwe gebieden zoals lucht- en ruimtevaart, telecommunicatie en milieubescherming.