Raziskovalni napredek novega funkcionalnega materiala iz aluminijeve pene

1. Uvod

Penasti aluminij je nova vrsta funkcionalnega materiala, ki je penast-podoben ultra-materijal iz lahke kovine s številnimi mehurčki, razpršenimi v kovinski aluminijasti matriki, s splošno poroznostjo pa je 40–98 odstotkov. Leta 1948 je Sonik predlagal metodo za pripravo penastega aluminija z uparjanjem in penjenjem živega srebra v aluminiju, nato pa je Elliot leta 1951 uspešno pripravil penasti aluminij. V 60. letih prejšnjega stoletja je American Ethyl Company postalo znanstveno raziskovalno središče za razvoj aluminijeve pene. Leta 1991 je japonski inštitut za industrijske kovine Kyushu razvil procesno pot za industrializacijo penjenega aluminija, zdaj pa je mogoče velike in majhne dele proizvajati z metodami penjenja in perkolacije kovin. Do danes so ZDA, Japonska, Združeno kraljestvo, Francija, Kanada in druge države zaporedno razvile številne tehnične patente. V moji državi je bilo opravljenega tudi nekaj raziskovalnega dela na temeljnih raziskavah postopka priprave penastega aluminija in nekaj napredka je bilo doseženega.

Aluminijasta pena ima številne odlične lastnosti zaradi svoje edinstvene strukture. Ne le, da ima lahke lastnosti poroznih materialov, ampak ima tudi odlične mehanske lastnosti ter toplotne, električne in druge fizikalne lastnosti, ki jih imajo kovine, kot so penetracija, dušenje, absorpcija energije, visoka specifična površina, elektromagnetna zaščita in druge lastnosti. Zdaj so glavne uporabe penastega aluminija: ognjevarne in zvočno{0}}absorbirajoče plošče, materiali, ki absorbirajo udarno energijo, gradbene plošče, polprevodniške plinske difuzijske plošče, toplotni izmenjevalci, elektromagnetna zaščita in tako naprej. Uporablja se lahko na področju metalurgije, kemične industrije, vesoljske industrije, ladjedelništva, elektronike, avtomobilske proizvodnje in gradnje, področje uporabe pa se nenehno širi.

2. Metoda priprave aluminijeve pene

2.1 Metoda vlivanja

Metoda litja se pogosto uporablja pri izdelavi penastega aluminija, metoda priprave pa je relativno zrela. Spodaj je predstavljenih več povezanih metod.

2.1.1 Metoda vlivanja s curkom

Metoda perkolacijskega litja je infiltriranje visoko{0}}teče kovinskega aluminija v praznine delcev polnila pod določenim tlakom in odstranitev topnih delcev, ki so zaprti v aluminijevi zlitini po strjevanju, to je, da dobimo penasti aluminij z povezana celična struktura. To metodo lahko nadalje razdelimo na metodo litja z infiltracijo z zgornjim tlakom in metodo litja z infiltracijo pod tlakom. Metoda žveplanja z visokim tlakom je elektrodni material z močjo, visoko prevodnostjo, odličnim prenosom toplote in odpornostjo proti lezenju v primerjavi z metodo litja z infiltracijo pod negativnim tlakom.

(3) Povprečna življenjska doba bakrenih elektrod, ojačanih z disperzijo Al2O3-za varjenje 1,5 mm debelih aluminiziranih jeklenih plošč, je 7200 točk, kar lahko zadosti potrebam CPT protieksplozijsko-varjenja jermenov.

Prednosti so enostavnega delovanja postopka, hitre hitrosti predgrevanja, visoke produktivnosti in donosa, velikega varnostnega faktorja, majhne naložbe v opremo in enostavne mehanizirane proizvodnje. Med njimi je zelo kritična izbira in obdelava delcev polnila, ki ima naslednje značilnosti: zadostna toplotna odpornost, ne tali se pri izlivni temperaturi; zadostna trdnost in togost, ki ni zlomljena in deformirana pod vplivom izcednega tlaka; dobro odstranjevanje Delce polnila v tridimenzionalnih-porah je mogoče popolnoma odstraniti s topilom ali vodno raztopino, potem ko se aluminijasta tekočina strdi; kemična stabilnost, ne reagira z aluminijevo tekočino. Ta metoda je enostavna za uporabo, povprečna poroznost pa lahko doseže 70 odstotkov, kar je priročno za obsežno-proizvodnjo. Trenutno se metoda perkolacije ne uporablja samo pri izdelavi aluminijeve pene, temveč tudi pri proizvodnji penastih materialov, kot so cink, magnezij, svinec, kositer in železo, ki se lahko uporabljajo za izdelavo delov kompleksnih oblik.

2.1.2 Metoda dodajanja krogle

Metoda dodajanja krogle je dodajanje delcev ali votlih krogel v tekočo aluminijevo zlitino, krepitev mešanja in odlivanje aluminijeve tekočine, ki je še vedno v relativnem toku, da dobimo aluminijevo zlito in kompozit delcev, nato pa raztopimo in odstranimo matriko aluminijeve zlitine. . Topni delci in pridobljena je-celična aluminijeva pena.

2.1.3 Metoda investicijskega vlivanja

Najprej se kot osnovni material uporabi tridimenzionalni neprekinjeni penasti gobasti material z določeno poroznostjo, nato pa se v gobo splakne ognjevzdržni material, ki se-lahko-lahko odstrani{{ 3}}kot pena, posušena in utrjena, da se oblikuje montažna oblika, nato pa žgana, da se ognjevzdržni material strdi in naredi. in se nanj izvaja določen pritisk ali se izvede vakuumsko litje, da se pore kalupa zapolnijo s staljeno kovino, in se po ohlajanju odstrani. Blok ognjevzdržnega materiala je mogoče pridobiti s tridimenzionalno mrežo-z-celično aluminijasto peno. Aluminijeva pena, proizvedena s tem postopkom priprave litja za vlaganje, ima dobro tridimenzionalno penetracijo-, postopek pa ima širok spekter uporabe in ni-jedko ter ima dobre možnosti za proizvodnjo tekočine -prepustni izdelki.

2.1.4 Metoda penjenja

Obstajata dve vrsti metode plinskega penjenja in metode kovinskega tekočega penjenja. Metoda plinskega penjenja je pihanje plina v talino staljene kovine, da se ta talina pene. Plin, ki se uporablja za penjenje, je lahko kisik, argon, zrak, vodna para, ogljikov dioksid itd. Tehnični ključ je, da mora imeti talina primerno viskoznost, sestava kovine zagotavlja dovolj široko temperaturno območje penjenja in oblikovana pena mora imeti dovolj stabilnosti, da se zagotovi, da se pena med nadaljnjim postopkom zbiranja in oblikovanja ne zlomi. Metoda plinskega penjenja je trenutno najcenejša metoda za proizvodnjo kovinske pene. Velikost pene je zelo velika, poroznost izdelkov iz penastega aluminija pa lahko doseže 97 odstotkov. Metoda penjenja tekočih kovin se je v zgodnjih dneh široko uporabljala, predvsem dodajanje TiH2, ZrH2, CaH2 in drugih penilcev tekoči aluminijevi zlitini, nato pa segrevanje za razgradnjo penilnega sredstva, da se sprosti plin, in razširitev plina. aluminijevo zlitino v peno in nato ohlajeno To pomeni, da dobimo penasti aluminijev izdelek. Aluminijeva pena, pripravljena po tej metodi, spada v aluminijevo peno z zaprtimi{4}}celicami. Struktura in poroznost por sta povezani z viskoznostjo staljene kovine in časom penjenja. Nadzorovanje viskoznosti staljene kovine in časa penjenja med postopkom taljenja lahko nadzoruje poroznost. Vendar so pore med seboj neodvisne, njihova velikost in porazdelitev sta neenakomerna, nadzor pa je zapleten.

2.1.5 Metoda evtektičnega strjevanja

Plin ima določeno topnost v staljeni kovini in se povečuje s povečanjem tlaka in temperature. Ko topnost plina v kovini doseže vnaprej določeno vrednost, se kovina in plinska faza evtektično strdita, da dobimo želeno aluminijevo peno. , z natančnim nadzorom pogojev hlajenja (tlak, hitrost hlajenja, smer odvajanja toplote) je mogoče dobiti izotropne in anizotropne visoko{0}}porozne aluminijeve pene z različnimi oblikami por [18].

2.2 Metoda nanašanja

2.2.1 Metoda nanašanja z brizganjem

Metoda nanašanja z brizganjem je uporaba tehnologije brizganja za enakomerno razprševanje prahu z inertnim plinom na kovino aluminijeve zlitine in segrevanje do tališča kovine, tako da se plin, dodan v kovinski matriks, razširi v luknje in po hlajenje, je Dobimo penasti aluminij s penasto strukturo. Volumenski delež por produkta, pridobljenega s to metodo, je mogoče nadzorovati z nadzorom parcialnega tlaka inertnega plina pri usedanju, masni delež inkluzivnega plina pa je mogoče spreminjati v območju {{0} },015 odstotkov do 0,23 odstotka.

2.2.2 Odlaganje s hlapi

V razmeroma visokem tlaku inertne atmosfere (102~103Pa) kovinski aluminij počasi izhlapi, izhlapeni kovinski atomi pa so med napredovanjem podvrženi seriji trkov in razprševanja z inertnim plinom in hitro izgubijo kinetična energija, ki se tako delno kondenzira v kovinski dim. Kovinski hlapi se odlagajo pod delovanjem lastne gravitacije in prenašajo s tokom inertnega plina ter se med procesom navzdol še naprej ohlajajo in na koncu dosežejo osnovo. Zaradi nizke temperature je atomom težko migrirati ali razpršiti, zato se delci kovinskih hlapov le ohlapno kopičijo, da tvorijo strukturo celične pene. Aluminijasta pena, proizvedena s to tehniko, se razlikuje od penastega aluminija z makroskopsko strukturo. Sestavljen je iz velikega števila pod-mikronskih- kovinskih delcev in mikropor, njegova gostota pa je približno 1 odstotek gostote matične kovine aluminija, najmanjša pa 0,15 odstotka.

2.2.3 Elektrodepozicija

Ta metoda je, da penasto plastiko prekrijete z več koraki, kot so obdelava hrapavosti, senzibilizacija in aktivacijska obdelava, kemična pred-prevleka in kemična prevleka itd., nato pa se penasta plastika segreje, da se razgradi, da dobimo penasti aluminij. Med njimi imata zelo pomembno vlogo dva procesa senzibilizacije in aktivacijskega zdravljenja. Senzibilizacijska obdelava je, da površina hrapavega dela adsorbira redukcijske ione, tako da med ionsko aktivacijsko obdelavo površina dela tvori plast s katalitskimi lastnostmi. Vloga sloja plemenite kovine, tako da se lahko brezelektrična prevleka izvede spontano, tako da pena postane polprevodnik, kar posledično spodbuja uspeh galvanizacije aluminija. Aluminijasta pena, pripravljena po tej metodi, ima dobro povezljivost por, enakomerno porazdelitev in veliko poroznost, vendar je debelina izdelka omejena in stroški so visoki.

2.2.4 Galvanizacija aluminija s staljeno soljo

Aluminij za galvanizacijo s staljeno soljo je vrsta porozne aluminijaste pene, izdelane s postopkom elektrodepozicije v staljeni soli, ki vsebuje aluminijevo sol, s penasto plastiko kot katodo elektrode in aluminijasto ploščo kot anodo. Aluminijasta pena, izdelana po tej metodi, ima visoko poroznost in enakomerne pore.

2.3 Metalurgija prahu

2.3.1 Metoda penjenja v prahu

Metoda penjenja v prahu je mešanje aluminijevega prahu s penilcem (TiH2) in aksialno stiskanje pri določeni temperaturi, da se dobi predoblika z nepredušno strukturo. Metoda razširitve izdelka za pridobitev penjenega aluminija. Mešanje, stiskanje in penjenje so trije pomembni členi v metodi penjenja prahu. Hkrati lahko s prilagajanjem parametrov v procesu penjenja (količina penilnega sredstva, temperature penjenja in časa penjenja) dobimo penasti aluminij z različnimi celičnimi strukturami.

2.3.2 Metoda oblikovanja gnojevke

Metoda oblikovanja v obliki suspenzije je, da se tvori suspenzija kovinskega aluminija v prahu, penilnega sredstva (fluorovodikova kislina, aluminijev hidroksid ali ortofosforjeva kislina) in organskega nosilca, ki se premeša v stanje, ki vsebuje peno, nato pa se da v kalup in segreje Po kalcinaciji , lahko dobimo trdni kovinski aluminij s porozno strukturo. Ta metoda je bila sprva uporabljena za izdelavo penastega Be, Fe, Cu in materialov iz nerjavnega jekla, kasneje pa za izdelavo penastega aluminija. Toda moč izdelka je zelo nizka.

2.3.3 Metoda prašnega oblikovanja

Metoda prašnega oblikovanja je metoda mešanja kovinskega aluminijevega prahu s penilnim sredstvom (TiH2), ki ga tvori s hladnim ali vročim pritiskom in nato sintranje v penasti aluminij. Ima dve pomembni prednosti: ena je, da se lahko uporablja za širši nabor sestavov zlitin kot druge metode, s čimer nadzoruje mehanske lastnosti aluminijeve pene; Aluminijasta pena v obliki sendviča-in turbinske strukture, polnjene z aluminijasto peno-

2.3.4 Metoda sintranja v prahu

Načelo metode sintranja v prahu je, da se lahko fini delci, ko so v stiku med seboj, med seboj povežejo s površinsko napetostjo. Ti fini kovinski aluminijevi prah se dajo v kalup za sintranje, delci pa se med seboj povežejo, da tvorijo porozno sintrano telo. Ta metoda se lahko uporablja tudi za izdelavo filtrov s poroznostjo običajno 40 do 60 odstotkov.

2.3.5 Metoda sintranja impregnacijske gobice

V metalurgiji prahu se lahko gobast material uporablja tudi kot začasna podporna struktura za ustvarjanje visoko{0}}poroznih, enakomernih aluminijevih pen. Gobasto organsko snov razrežemo v želeno obliko in nato infiltriramo z raztopino, ki vsebuje kovinski aluminijev prah za obdelavo (nosilec suspenzije sta voda in organska tekočina). Potopljena goba-podobna organska snov se posuši, da se odstrani tok, in po ohlajanju lahko dobimo penasti kovinski aluminij z visoko porozno tridimenzionalno strukturo. Metoda se uporablja tudi za izdelavo penastih srebrnih plošč s poroznostjo od 70 do 90 odstotkov.

2.3.6 Metoda sintranja vlaken

Kovinska aluminijasta žica, ki se uporablja pri tej metodi, je kovinska žica, pridobljena z mehanskim vlečenjem ali drugimi metodami. Kovinska aluminijasta žica je izdelana v obroč iz klobučevine z drsnim litjem ali mehansko metodo obroča iz klobučevine in nato sintrana, da se doseže zahtevana trdnost. in poroznost. Porozna aluminijeva pena, pripravljena po tej metodi, ima precej izjemne prednosti: dobimo lahko višjo poroznost kot prašno sintranje, do 95 odstotkov; vse pore so med seboj povezane pore; največja poroznost se še vedno ohranja. Strukturne lastnosti; pri enaki poroznosti sta trdnost in žilavost nekajkrat višji kot pri metalurgiji prahu. Uporablja se lahko tudi za izdelavo različnih kovinskih filtrov, kot so nerjaveče jeklo, baker, nikelj, nikrom itd.

2.3.7 Metoda raztapljanja s sintranjem

Metoda raztapljanja s sintranjem je nova metoda za proizvodnjo penastega aluminija, razvita v zadnjih letih. Gre za metodo priprave skozi{0}}celično aluminijevo peno z mešanjem, stiskanjem, sintranjem in raztapljanjem aluminijevega prahu in delcev polnila. Ima značilnosti, da je mogoče natančno nadzorovati obliko, velikost, poroznost in porazdelitev por, in ima dober izčrpen indeks kakovosti in cene. Je učinkovita metoda za proizvodnjo aluminijeve pene srednje{1}}zmerne gostote z enakomernimi ali gradientnimi finimi odprtinami.

3. Lastnosti in uporaba aluminijeve pene

Glede na strukturo lahko aluminijevo peno razdelimo na dve vrsti: zaprto-aluminijevo peno z odprtimi celicami in odprto{1}}aluminijevo peno. Organizacijske in morfološke značilnosti aluminijeve pene, vključno s strukturo por (odprte ali zaprte), relativno gostoto, velikostjo por, obliko por, debelino stene por, anizotropijo itd. Uporabljata se elektronska mikroskopija in rentgenska tomografija za analize in raziskave, raziskave na tem področju pa se hitro razvijajo. Zaradi različnih struktur so njegove lastnosti zelo različne, zato ima različno uporabo. V primerjavi s tradicionalnim kovinskim aluminijem ima penasti aluminij naslednje značilnosti in se pogosto uporablja v metalurgiji, kemični industriji, vesoljski industriji, ladjedelništvu, elektroniki, avtomobilski industriji in gradbeništvu. in druga področja so bila široko uporabljena.

3.1 Nizka gostota

Ker ima aluminijeva pena velike in majhne pore v aluminijasti matrici, ima manjšo gostoto. Gostota aluminijeve pene se lahko spreminja v širokem razponu, največja poroznost, ki jo lahko dosežemo trenutno, pa lahko doseže 97 odstotkov, njena velikost por pa se giblje od nekaj mikrometrov do desetin milimetrov. Manjša je gostota. Lahko se uporablja v pakirnih škatlah, zlasti v zabojnikih za zračni tovor.

3.2 Močna toplotna odpornost

Penasti aluminij ima visoko toplotno odpornost in se ne tali, tudi če doseže tališče zlitine. Na splošno se temperatura taljenja aluminijevih zlitin giblje od 560 do 700 e, vendar se penasti aluminij ne topi niti pri segrevanju na 1400 stopinj. Poleg tega ne sprošča škodljivih plinov pri visoki temperaturi in lahko v mnogih primerih nadomesti penaste smole in azbestne izdelke kot toplotno{3}}izolacijski in toplotno-odporni materiali ter osrednje dele različnih toplotnih izmenjevalnikov.

3.3 Dobra prepustnost

Aluminijasta pena se lahko uporablja kot filtrirni material za filtriranje trdnih delcev iz tekočine ali plina. Na splošno se prepustnost povečuje s povečanjem velikosti por, vendar nanjo vpliva tudi hrapavost površine. prepustnost. Uporablja se lahko za izdelavo filtrov za različne tekočine in pline.

3.4 Velika specifična površina

Z uporabo velike specifične površine aluminijeve pene za doseganje visoke izmenjave toplote je dober material za izdelavo grelnikov in toplotnih izmenjevalcev. Poleg tega se lahko uporablja tudi kot nosilec za kemične reakcije, ki zahtevajo veliko površino, kot je nosilec katalizatorja. , porozne elektrode, ploščni materiali za polnilne baterije, toplotni izmenjevalci, absorberji energije in nosilci katalizatorjev itd.

3.5 Močna zvočna izolacija

Aluminijasta pena lahko absorbira energijo zvoka z vibracijami stene luknje in se lahko uporablja za dušenje in odstranjevanje hrupa. Na splošno je zvočna absorpcija z{0}}celično aluminijevo peno boljša. Velikost luknje vpliva na njeno absorpcijo za celotno frekvenčno območje zvočnih valov. Manjša kot je luknja, večja je sposobnost absorpcije zvoka.

Visoko zmogljivost absorpcije zvoka je mogoče doseči s spreminjanjem velikosti in oblike por iz aluminijeve pene. Uporablja se lahko za notranje in zunanje dekorativne dele, zavese, pregradne premične vratne plošče v gradbeništvu, proizvodnjo visoko{0}}zvočno{1}}zvočno absorbirajočih plošč, zvočno{2}}izolacijskih sten, različnih dušilci itd.

3.6 Ima visoko zmogljivost absorbiranja udarne energije

Penasti aluminij ni usmerjen kot materiali iz satja, niti nima povratnega učinka kot materiali iz polimerne pene. Ima dobre lastnosti blaženja udarcev in je dober material za izdelavo{0}}odpornih delov. Uporablja se lahko v avtomobilskih zavorah, napenjalnikih ter zaščitnih rokavih in odbijačih v letalski opremi. Velikost njegovega dušenja je povezana z velikostjo velikosti por por. Uporablja se lahko za varnostne blazinice za dvigala in transportne trakove, obloge za blaženje udarcev in energije za visoko{1}}varovala za brusilne stroje, podstavke za visoko{2}}natančna strojna orodja itd.

3.7 Mehanske lastnosti

Mehanske lastnosti aluminijeve pene so v glavnem določene z njeno gostoto, vendar so tudi velikost, struktura in porazdelitev por pomembni parametri, ki določajo mehanske lastnosti. Pod delovanjem tlačne napetosti, potem ko material doživi začetno elastično deformacijo, aluminijeva pena vstopi v platformo krivulje napetosti, to pomeni, da se aluminijasta pena začne poči, napetost pa ostane v bistvu nespremenjena v fazi drobljenja pene. Po veliki količini plastične deformacije je pena popolnoma polomljena in material vstopi v gosto. Med kemično fazo se napetost hitro poveča. Tako Youngov modul kot strižni modul aluminijeve pene se povečata s povečanjem gostote.

3.8 Učinkovitost elektromagnetne zaščite

Aluminijeva pena ima dober zaščitni učinek na visoko{0}}elektromagnetne valove, kar lahko zmanjša elektromagnetne motnje za več kot 80 odstotkov. Aluminijasta pena z zaprtimi celicami z debelino 5 mm in poroznostjo 90 odstotkov, zmogljivost elektromagnetne zaščite pri 60 ~ 1000 MHz je 35 ~ 75 dB, ki se lahko uporablja v prostorih za elektromagnetno zaščito (pokrovi), ohišja elektronskih instrumentov, radijske snemalne sobe, elektromagnetna zaščita in druge priložnosti.

3.9 Druge lastnosti

Aluminijeva pena ima tudi občutljivost na plin, požarno odpornost, katalizo itd. Na električno prevodnost penastega aluminija močno vpliva relativna gostota, medtem ko velikost velikosti por malo vpliva na električno prevodnost. Pričakuje se, da bo imel dobre možnosti uporabe na novih področjih, kot so letalstvo, telekomunikacije in varstvo okolja.