Progrés de la investigació del nou material funcional escuma d'alumini

1. Introducció

L'alumini escumat és un nou tipus de material funcional, que és un material metàl·lic ultralleuger semblant a una escuma amb nombroses bombolles disperses a la matriu d'alumini metàl·lic, i la porositat general és del 40% ~ 98%. El 1948, Sonik va proposar un mètode per preparar alumini escumat vaporitzant i escumant mercuri en alumini, i després Elliot va preparar amb èxit alumini escumat el 1951. En la dècada de 1960, American Ethyl Company es va convertir en un centre d'investigació científica per al desenvolupament de l'escuma d'alumini. El 1991, l'Institut kyushu de metalls industrials del Japó va desenvolupar una ruta de procés per a la industrialització de l'alumini escumat, i ara les peces grans i petites es poden produir mitjançant mètodes d'escuma i percolació metàl·lica. Fins avui, els Estats Units, el Japó, el Regne Unit, França, Canadà i altres països han desenvolupat successivament una sèrie de patents tècniques. Al meu país, també s'ha dut a terme un treball exploratori sobre la investigació bàsica sobre el procés de preparació de l'alumini escumat, i s'han fet alguns progressos.

L'escuma d'alumini té moltes propietats excel·lents a causa de la seva estructura única. No només té les propietats lleugeres dels materials porosos, sinó que també té excel·lents propietats mecàniques i tèrmiques, elèctriques i altres propietats físiques que tenen els metalls, com ara penetració, amortiment, absorció d'energia, alta superfície específica, blindatge electromagnètic i altres propietats. Ara, les principals aplicacions de l'alumini escumat són: panells ignífugs i absorbents de so, materials absorbents d'energia d'impacte, panells de construcció, plaques de difusió de gasos semiconductors, intercanviadors de calor, blindatge electromagnètic, així successivament. Es pot utilitzar en els camps de la metal·lúrgia, la indústria química, l'aeroespacial, la construcció naval, l'electrònica, la fabricació i la construcció d'automòbils, i l'àmbit d'aplicació s'està expandint constantment.

2. Mètode de preparació d'escuma d'alumini

2.1 Mètode de fosa

El mètode de fosa s'utilitza àmpliament en la fabricació d'alumini escumat i el mètode de preparació és relativament madur. A continuació s'introdueixen diversos mètodes relacionats.

2.1.1 Mètode de fosa de la menta

El mètode de fosa de percolació és infiltrar l'alumini metàl·lic líquid d'alta temperatura en els buits de les partícules de farciment sota una certa pressió, i eliminar les partícules solubles tancades en l'aliatge d'alumini després de la solidificació, és a dir, obtenir alumini escumat amb una estructura cel·lular connectada. Aquest mètode es pot dividir encara més en el mètode de fosa d'infiltració a pressió superior i el mètode de fosa d'infiltració de pressió negativa. El mètode de fosa de sofre de pressió superior és un material d'elèctrode amb força, alta conductivitat, excel·lent transferència de calor i resistència a l'arrossegament en comparació amb el mètode de fosa d'infiltració de pressió negativa.

(3) La vida útil mitjana dels elèctrodes de coure reforçats per dispersió Al2O3 per a la soldadura de plaques d'acer aluminitzat d'1,5 mm de gruix és de 7200 punts, que bé poden satisfer les necessitats de soldadura de cinturó a prova d'explosió CPT.

Té els avantatges d'un funcionament de procés senzill, velocitat de preescalfament ràpid, alta productivitat i rendiment, gran factor de seguretat, inversió de petits equips i fàcil producció mecanitzada. Entre elles, la selecció i processament de partícules de farciment és molt crítica, que té les següents característiques: suficient resistència a la calor, no fondre's a la temperatura d'abocament; suficient força i rigidesa, no trencada i deformada sota l'acció de la pressió de la menta; bona eliminació Les partícules de farciment en els porus tridimensionals es poden eliminar completament amb una solució solvent o aquosa després que el líquid d'alumini se solidifiqui; estabilitat química, no reacciona amb el líquid d'alumini. Aquest mètode és senzill d'operar, i la porositat mitjana pot arribar al 70%, que és convenient per a la producció a gran escala. En l'actualitat, el mètode de percolació no només s'utilitza en la fabricació d'escuma d'alumini, sinó també en la producció de materials d'escuma com zinc, magnesi, plom, estany i ferro, que es poden utilitzar per fabricar peces amb formes complexes.

2.1.2 Afegeix un mètode de bola

El mètode d'addició de boles és afegir partícules o esferes buides a l'aliatge d'alumini líquid, enfortir l'agitació i llançar el líquid d'alumini que encara està en flux relatiu per obtenir un aliatge d'alumini i compost de partícules, i després dissoldre i eliminar la matriu d'aliatge d'alumini. Es van obtenir partícules solubles i una escuma d'alumini de cèl·lules connectades.

2.1.3 Mètode de fosa d'inversió

En primer lloc, s'utilitza un material d'escuma contínua tridimensional amb una certa porositat com a material pare, i després s'utilitza un material refractari fàcil d'eliminar a l'escuma en forma d'esponja, s'asseca i s'endureix per formar una forma prefabricada, i després es dispara per endurir el material refractari i fer-lo L'esponja d'escuma es vaporitza i es descompon, i després la preforma es col·loca en un motlle metàl·lic, s'aboca en metall fos, i s'aplica una certa pressió o es realitza la fosa al buit per omplir els porus del motlle amb metall fos, i s'elimina després del refredament. El bloc de material refractari es pot obtenir escuma d'alumini tridimensional de xarxa a través de cèl·lules. L'escuma d'alumini produïda per aquest procés de preparació de fosa d'inversió té una bona penetració tridimensional, i el procés té una àmplia gamma d'aplicacions i no és corrosiu, i té una bona perspectiva en la fabricació de productes permeables a fluids.

2.1.4 Mètode d'escuma

Hi ha dos tipus de mètode d'escuma de gas i el mètode d'escuma líquida metàl·lica. El mètode d'escuma de gas és bufar gas a la fosa del metall fos per escumar la fusió del metall. El gas utilitzat per a l'escuma pot ser oxigen, argó, aire, vapor d'aigua, diòxid de carboni, etc. La clau tècnica és que la fusió ha de tenir una viscositat adequada, la composició del metall ha de garantir un rang de temperatura d'escuma prou ampli i l'escuma formada ha de tenir prou estabilitat per garantir que l'escuma no es trenqui durant el procés de recollida i modelat posterior. El mètode d'escuma de gas és actualment el mètode més barat per produir escuma metàl·lica. La mida de l'escuma és molt gran, i la porositat dels productes d'alumini escumat pot arribar al 97%. El mètode d'escuma de metall líquid es va utilitzar àmpliament en els primers dies, principalment afegint TiH2, ZrH2, CaH2 i altres agents d'escuma a l'aliatge d'alumini líquid, i després escalfant per descompondre l'agent escumant per alliberar el gas, i l'expansió del gas va fer l'aliatge d'alumini en una escuma, i després es va refredar, és a dir, s'obté el producte d'alumini escumat. L'escuma d'alumini preparada per aquest mètode pertany a l'escuma d'alumini de cèl·lules tancades. L'estructura i porositat dels porus estan relacionades amb la viscositat del metall fos i el temps d'escuma. El control de la viscositat del metall fos i el temps d'escuma durant el procés de fusió pot controlar la porositat. No obstant això, els porus són independents entre si, la seva mida i distribució són desiguals, i el control és complicat.

2.1.5 Mètode de solidificació eutèctica

El gas té una certa solubilitat en el metall fos, i augmenta amb l'augment de la pressió i la temperatura. Quan la solubilitat del gas en el metall arriba a un valor predeterminat, el metall i la fase gasosa se sotmeten a una solidificació eutèctica per obtenir l'escuma d'alumini desitjada. , controlant amb precisió les condicions de refrigeració (pressió, velocitat de refredament, direcció de dissipació de calor), es poden obtenir escumes d'alumini isotròpic i anisotròpic d'alta porositat amb diverses formes de porus [18].

2.2 Mètode de deposició

2.2.1 Mètode de deposició de polvorització

El mètode de deposició de polvorització és utilitzar la tecnologia de polvorització per ruixar uniformement la pols amb gas inert sobre el metall d'aliatge d'alumini i escalfar-la fins al punt de fusió del metall, de manera que el gas afegit a la matriu metàl·lica s'expandeixi en forats i, després de refredar-la, s'obté un alumini escumat amb una estructura escumada. La fracció de volum de porus del producte obtingut per aquest mètode es pot controlar controlant la pressió parcial del gas inert en la deposició, i la fracció de massa del gas d'inclusió pot variar en el rang del 0,015% al 0,23%.

2.2.2 Deposició d'evaporació de vapor

En una atmosfera inert de pressió relativament alta (102 ~ 103Pa), l'alumini metàl·lic s'evapora lentament, i els àtoms metàl·lics evaporats experimenten una sèrie de col·lisions i dispersió amb el gas inert en el procés d'avançar, i perden ràpidament energia cinètica, condensant-se parcialment per formar fum metàl·lic, el fum metàl·lic es diposita sota l'acció de la seva pròpia gravetat i és transportat pel flux de gas inert, i continua refredant-se durant el procés descendent, i finalment arriba a la base. A causa de la seva baixa temperatura, és difícil que els àtoms migrin o es difonguin, de manera que les partícules de fum metàl·lic només s'amunteguen lliurement per formar l'estructura de l'escuma cel·lular. L'escuma d'alumini produïda per aquesta tècnica és diferent de l'alumini escumat amb una estructura macroscòpica. Es compon d'un gran nombre de partícules metàl·liques i microporus a escala de sub-micres, i la seva densitat és d'aproximadament l'1% de la densitat de l'alumini metàl·lic pare, i el mínim és del 0,15%.

2.2.3 Electrodeposició

Aquest mètode consisteix a cobrir el plàstic escumat amb múltiples passos com el tractament d'asprotec, el tractament de sensibilització i activació, el pre-xapat químic i el revestiment químic, etc., i després escalfar el plàstic escumat per descompondre's per obtenir alumini escumat. Entre ells, els dos processos de sensibilització i tractament d'activació juguen un paper molt important. El tractament de sensibilització consisteix a fer que la superfície de la part rugida adsorbi els ions reductors, de manera que durant el tractament d'activació d'ions, la superfície de la peça formi una capa amb propietats catalítiques. El paper de la capa de metall preciós, de manera que el revestiment electroless es pot dur a terme de forma espontània, de manera que l'escuma es converteix en un semiconductor, el que al seu torn promou l'èxit de la galvanoplàstia d'alumini. L'escuma d'alumini preparada per aquest mètode té una bona connectivitat de porus, distribució uniforme i gran porositat, però el gruix del producte és limitat i el cost és elevat.

2.2.4 Sal fosa Galvanoplàstia Alumini

L'alumini de galvanoplàstia de sal fosa és una mena d'escuma porosa d'alumini feta per procés d'electrodeposició en sal fosa que conté sal d'alumini, amb plàstic d'escuma com càtode d'elèctrode i placa d'alumini com a ànode. L'escuma d'alumini fabricada per aquest mètode té una alta porositat i porus uniformes.

2.3 Metal·lúrgia en pols

2.3.1 Mètode d'escuma en pols

El mètode d'escuma en pols és barrejar pols d'alumini amb un agent d'escuma (TiH2), i comprimir-lo axialment a una certa temperatura per obtenir una preforma amb una estructura hermètica. Un mètode d'ampliació del producte per obtenir alumini escumat. La barreja, el premsat i l'escuma són els tres enllaços importants en el mètode d'escuma en pols. Al mateix temps, ajustant els paràmetres en el procés d'escuma (la quantitat d'agent d'escuma, temperatura d'escuma i temps d'escuma), es pot obtenir alumini escumat amb diferents estructures cel·lulars.

2.3.2 Mètode de formació de purins

El mètode d'emmotllament de purins és formar una suspensió de pols d'alumini metàl·lic, agent d'escuma (àcid hidrofluoric, hidròxid d'alumini o àcid ortofosfòric) i portador orgànic, remenar-lo en un estat que contingui escuma i, a continuació, posar-lo en un motlle i escalfar-lo Després de la calcinació, es pot obtenir alumini metàl·lic sòlid amb estructura porosa. Aquest mètode es va utilitzar inicialment per fer materials d'escuma Be, Fe, Cu i acer inoxidable, i més tard per crear alumini escumat. Però la força del producte és molt baixa.

2.3.3 Mètode d'emmotllament en pols

El mètode d'emmotllament en pols és un mètode de barreja de pols d'alumini metàl·lic amb un agent d'escuma (TiH2), formant-lo per pressió freda o calenta i, a continuació, sinteritzat en alumini escumat. Té dos avantatges importants: un és que es pot utilitzar per a una gamma més àmplia de composicions d'aliatge que altres mètodes, controlant així les propietats mecàniques de l'escuma d'alumini; Escuma d'alumini en forma d'entrepà i estructures de turbina plenes d'escuma d'alumini

2.3.4 Mètode de sinterització en pols solta

El principi del mètode de sinterització en pols solta és que quan les partícules fines estan en contacte entre si, es poden unir entre si mitjançant l'acció de la tensió superficial. Aquestes pols d'alumini metàl·lic fi es posen al motlle per a la sinterització, i les partícules s'uneixen entre si per formar un cos porós sinteritzat. Aquest mètode també es pot utilitzar per produir filtres amb porositat típicament del 40% al 60%.

2.3.5 Mètode de sinterització d'esponja impregnació

En la metal·lúrgia en pols, el material esponjós també es pot utilitzar com a estructura de suport temporal per generar escumes d'alumini uniformes d'alta porositat. La matèria orgànica esponjosa es talla a la forma desitjada i després s'infiltra amb un purí que conté la pols d'alumini metàl·lic a processar (el portador de la suspensió és aigua i líquid orgànic). La matèria orgànica submergida en forma d'esponja s'asseca per eliminar el flux i, després de refredar-la, es pot obtenir l'alumini metàl·lic escumat amb una estructura tridimensional d'alta porositat. El mètode també s'utilitza per produir làmines de plata escumada amb porositat del 70% al 90%.

2.3.6 Mètode de sinterització de fibra

El filferro d'alumini metàl·lic utilitzat en aquest mètode és un filferro metàl·lic obtingut per dibuix mecànic o altres mètodes. El filferro d'alumini metàl·lic es converteix en un anell de feltre mitjançant fosa de lliscament o mètode d'anell de feltre mecànic, i després sinteritzat per aconseguir la força requerida. Porositat. L'escuma porosa d'alumini preparada per aquest mètode té avantatges força destacats: es pot obtenir una porositat més alta que la sinterització en pols, fins a un 95%; tots els porus són porus interconnectats; es manté la màxima porositat. Propietats estructurals; a la mateixa porositat, la força i la duresa són diverses vegades més altes que les de la metal·lúrgia en pols. També es pot utilitzar per fabricar diversos filtres metàl·lics, com ara acer inoxidable, coure, níquel, nicrom, etc.

2.3.7 Mètode de dissolució de la sinterització

El mètode de dissolució de sinterització és un nou mètode per a la fabricació d'alumini escumat desenvolupat en els últims anys. És un mètode de preparació d'escuma d'alumini a través de cèl·lules mitjançant la barreja, pressurització, sinterització i dissolució de partícules de pols i farciment d'alumini. Té les característiques que la forma, mida, porositat i distribució dels porus es poden controlar amb precisió, i té un bon índex integral de qualitat i preu. És un mètode eficaç per produir escuma d'alumini de densitat mitjana amb obertures fines uniformes o degradades.

3. Propietats i aplicacions de l'escuma d'alumini

En termes d'estructura, l'escuma d'alumini es pot dividir en dos tipus: escuma d'alumini de cel·la tancada i escuma d'alumini de cel·la oberta. Les característiques organitzatives i morfològiques de l'escuma d'alumini, incloent l'estructura dels porus (oberts o tancats), densitat relativa, mida dels porus, forma de porus, gruix de la paret de porus, anisotropia, etc. La microscòpia electrònica i la tomografia de raigs X s'utilitzen per a l'anàlisi i la investigació, i la investigació en aquesta àrea s'està desenvolupant ràpidament. A causa de diferents estructures, les seves propietats són molt diferents, per la qual cosa té diferents usos. En comparació amb l'alumini metàl·lic tradicional, l'alumini escumat té les següents característiques i s'utilitza àmpliament en metal·lúrgia, indústria química, aeroespacial, construcció naval, electrònica, fabricació d'automòbils i indústries de la construcció. i altres camps han estat àmpliament utilitzats.

3.1 Baixa densitat

Com que l'escuma d'alumini té porus grans i petits a la matriu d'alumini, té una densitat menor. La densitat de l'escuma d'alumini pot variar en una àmplia gamma, i la porositat màxima que es pot obtenir en l'actualitat pot arribar al 97%, i la seva mida de porus va des de diversos micròmetres fins a desenes de mil·límetres. Com més baixa és la densitat. Es pot utilitzar en caixes d'embalatge, especialment contenidors de càrrega aèria.

3.2 Forta resistència a la calor

L'alumini escumat té una alta resistència a la calor i no es fondrà fins i tot si arriba al punt de fusió de l'aliatge. En general, la temperatura de fusió dels aliatges d'alumini oscil·la entre 560 i 700 e, però l'alumini escumat no es fon ni tan sols quan s'escalfa a 1400 ° C. A més, no allibera gasos nocius a alta temperatura, i pot reemplaçar la resina escumada i els productes d'amiant com a materials aïllants i resistents a la calor i parts centrals de diversos intercanviadors de calor en moltes ocasions.

3.3 Bona permeabilitat

L'escuma d'alumini es pot utilitzar com a material de filtre per filtrar les partícules sòlides de líquid o gas. En general, la permeabilitat augmenta amb l'augment de la mida dels porus, però també es veu afectada per la rugositat superficial. permeabilitat. Es pot utilitzar per fer filtres per a diversos líquids i gasos.

3.4 Gran superfície específica

Utilitzant la gran superfície específica d'escuma d'alumini per aconseguir un alt intercanvi de calor, és un bon material per fer escalfadors i intercanviadors de calor. A més, també es pot utilitzar com a portador de reaccions químiques que requereixen una superfície enorme, com ara un portador de catalitzadors. , elèctrodes porosos, materials de placa per a bateries recarregables, intercanviadors de calor, absorbents d'energia i portadors de catalitzadors, etc.

3.5 Fort aïllament acústic

L'escuma d'alumini pot absorbir l'energia del so a través de la vibració de la paret del forat, i es pot utilitzar per silenciar i eliminar el soroll. En termes generals, el rendiment d'absorció sonora de l'escuma d'alumini a través de cèl·lules és millor. La mida del forat afecta el seu rendiment d'absorció per a tot el rang de freqüència d'ona sonora. Com més petit sigui el forat, més gran serà la capacitat d'absorció sonora.

Es pot obtenir un alt rendiment d'absorció sonora canviant la mida i la forma dels porus d'escuma d'alumini. Es pot utilitzar per a peces decoratives interiors i exteriors, parets de cortina, panells de portes mòbils en particions en la indústria de la construcció, fabricació de panells absorbents de so d'alt rendiment, parets aïllants de so, diversos silenciadors, etc.

3.6 Té un alt rendiment d'absorció d'energia d'impacte

L'alumini escumat no és direccional com els materials de bresca, ni té un efecte de rebot com els materials d'escuma de polímer. Té bones propietats d'absorció de xoc i és un bon material per fer peces resistents a l'impacte. Es pot utilitzar en frens d'automòbils, tensors i mànigues protectores i para-xocs en equips aeroespacials. La mida del seu amortiment està relacionada amb la mida de la mida dels porus dels porus. Es pot utilitzar per a coixinets de seguretat per a ascensors i transportadors, revestiments d'absorció de xoc i absorció d'energia per a guàrdies de molí d'alta velocitat, bases per a màquines-eina d'alta precisió, etc.

3.7 Propietats mecàniques

Les propietats mecàniques de l'escuma d'alumini estan determinades principalment per la seva densitat, però la mida, l'estructura i la distribució dels porus també són paràmetres importants que determinen les propietats mecàniques. Sota l'acció de l'estrès compressiu, després que el material experimenti una deformació elàstica inicial, l'escuma d'alumini entra a la plataforma de la corba d'estrès, és a dir, l'escuma d'alumini comença a trencar-se i l'estrès es manté bàsicament sense canvis durant l'etapa de trituració de l'escuma. Després d'una gran quantitat de deformació plàstica, l'escuma s'ha trencat completament i el material entra en el dens Durant la fase química, l'estrès augmenta ràpidament. Tant el mòdul del Young com el mòdul de cisaç de l'escuma d'alumini augmenten amb l'augment de la densitat.

3.8 Rendiment del blindatge electromagnètic

L'escuma d'alumini té un bon efecte de blindatge sobre les ones electromagnètiques d'alta freqüència, que poden reduir la interferència electromagnètica en més d'un 80%. Escuma d'alumini de cel·la tancada amb un gruix de 5 mm i una porositat del 90%, el rendiment de blindatge electromagnètic a 60 ~ 1000MHz és de 35 ~ 75 dB, que es pot utilitzar en sales de blindatge electromagnètic (cobertes), tancaments d'instruments electrònics, sales de gravació de ràdio, blindatge electromagnètic i altres ocasions.

3.9 Altres propietats

L'escuma d'alumini també té sensibilitat al gas, resistència al foc, catàlisi, etc. La conductivitat elèctrica de l'alumini escumat es veu molt afectada per la densitat relativa, mentre que la mida de la mida del porus té poc efecte sobre la conductivitat elèctrica. S'espera que tingui bones perspectives d'aplicació en nous camps com l'aeroespacial, les telecomunicacions i la protecció del medi ambient.