Прогресс исследований нового функционального материала из алюминиевой пены

1. Введение

Вспененный алюминий — это новый тип функционального материала, который представляет собой пенообразный -сверх-легкий металлический материал с многочисленными пузырьками, рассеянными в металлической алюминиевой матрице, а общая пористость составляет 40–98 процентов. В 1948 году Соник предложил метод получения вспененного алюминия путем испарения и вспенивания ртути в алюминии, а затем в 1951 году Эллиот успешно приготовил вспененный алюминий. В 1960-х годах компания American Ethyl Company стала базой научно-исследовательского центра по разработке алюминиевой пены. В 1991 году Японский институт промышленных металлов Кюсю разработал технологический маршрут для индустриализации вспененного алюминия, и теперь крупные и мелкие детали могут производиться методами вспенивания металла и перколяции. До сегодняшнего дня США, Япония, Великобритания, Франция, Канада и другие страны последовательно разработали ряд технических патентов. В моей стране также была проведена определенная исследовательская работа по фундаментальным исследованиям процесса получения пеноалюминия, и был достигнут определенный прогресс.

Алюминиевая пена обладает многими превосходными свойствами благодаря своей уникальной структуре. Он не только обладает легкими свойствами пористых материалов, но также обладает превосходными механическими свойствами, а также тепловыми, электрическими и другими физическими свойствами, которыми обладают металлы, такими как проникновение, демпфирование, поглощение энергии, высокая удельная поверхность, электромагнитное экранирование и другие свойства. В настоящее время основными областями применения пеноалюминия являются огнеупорные и звукопоглощающие-панели, материалы, поглощающие энергию удара, строительные панели, полупроводниковые газодиффузионные пластины, теплообменники, электромагнитное экранирование и т.д. Его можно использовать в областях металлургии, химической промышленности, аэрокосмической промышленности, судостроения, электроники, автомобилестроения и строительства, а область применения постоянно расширяется.

2. Способ приготовления алюминиевой пены

2.1 Метод литья

Метод литья широко используется в производстве пеноалюминия, а метод подготовки является относительно зрелым. Несколько связанных методов представлены ниже.

2.1.1 Метод просачивающейся заливки

Метод перколяционного литья заключается в пропитке высокотемпературным жидким металлическим алюминием в пустоты частиц наполнителя под определенным давлением и удалении растворимых частиц, заключенных в алюминиевом сплаве после затвердевания, то есть в получении вспененного алюминия с связная клеточная структура. Этот метод можно разделить на метод инфильтрационного литья под высоким давлением и метод инфильтрационного литья под отрицательным давлением. Метод сернистого литья под верхним давлением представляет собой электродный материал с прочностью, высокой проводимостью, отличной теплопередачей и сопротивлением ползучести по сравнению с методом инфильтрационного литья под отрицательным давлением.

(3) Средний срок службы дисперсионно-упрочненных -медных электродов Al2O3 для сварки алюминизированных стальных листов толщиной 1,5 мм составляет 7200 баллов, что вполне соответствует требованиям взрывозащищенной ленточной сварки CPT-.

Его преимущества заключаются в простоте технологического процесса, высокой скорости предварительного нагрева, высокой производительности и выходе, большом коэффициенте безопасности, небольших инвестициях в оборудование и простоте механизированного производства. Среди них весьма ответственным является подбор и обработка частиц наполнителя, обладающего следующими характеристиками: достаточной жаропрочностью, не плавящейся при температуре заливки; достаточная прочность и жесткость, не ломается и не деформируется под действием фильтрационных давлений; хорошее удаление Частицы наполнителя в трехмерных-порах могут быть полностью удалены растворителем или водным раствором после затвердевания жидкого алюминия; химическая стабильность, не вступает в реакцию с алюминиевой жидкостью. Этот метод прост в эксплуатации, а средняя пористость может достигать 70 процентов, что удобно для крупномасштабного-производства. В настоящее время метод перколяции используется не только при производстве пеноалюминия, но и при производстве пеноматериалов, таких как цинк, магний, свинец, олово и железо, которые могут быть использованы для изготовления деталей сложной формы.

2.1.2 Метод добавления шара

Метод добавления шариков заключается в добавлении частиц или полых сфер к жидкому алюминиевому сплаву, усилении перемешивания и разливе алюминиевой жидкости, которая все еще находится в относительном потоке, для получения алюминиевого сплава и композита частиц, а затем растворении и удалении матрицы из алюминиевого сплава. . Были получены растворимые частицы и пеноалюминий со связанными-ячейками.

2.1.3 Метод литья по выплавляемым моделям

Сначала в качестве исходного материала используется трехмерный-вспененный губчатый материал с определенной пористостью, а затем в губку заливается легко удаляемый--огнеупорный материал{{ 3}}подобно пене, сушат и затвердевают для формирования сборной формы, а затем обжигают для затвердевания огнеупорного материала и изготовления его. Губка из пенопласта испаряется и разлагается, а затем заготовку помещают в металлическую форму, заливают расплавленным металлом, и к ней прикладывают определенное давление или производят вакуумное литье для заполнения пор формы расплавленным металлом, а после остывания ее извлекают. Блок огнеупорного материала может быть получен трехмерной сеткой-через-пористый алюминиевый пенопласт. Алюминиевая пена, полученная с помощью этого процесса подготовки литья по выплавляемым моделям, имеет хорошее трехмерное-проникновение, этот процесс имеет широкий спектр применений, не вызывает коррозии и имеет хорошие перспективы в производстве жидкостей. -проницаемые продукты.

2.1.4 Метод вспенивания

Существует два вида метода вспенивания газа и метод вспенивания металлической жидкости. Метод вспенивания газа заключается в том, чтобы вдувать газ в расплав расплавленного металла для вспенивания расплава металла. Газом, используемым для вспенивания, может быть кислород, аргон, воздух, пары воды, углекислый газ и т. д. Технический ключ заключается в том, что расплав должен иметь подходящую вязкость, состав металла должен обеспечивать достаточно широкий диапазон температур вспенивания, а сформированная пена должна иметь достаточную стабильность, чтобы пена не порвалась при последующем процессе сбора и формования. Способ газового вспенивания в настоящее время является самым дешевым способом получения металлической пены. Размер пены очень велик, а пористость изделий из вспененного алюминия может достигать 97 процентов. Метод вспенивания жидким металлом широко использовался в первые дни, в основном добавляя TiH2, ZrH2, CaH2 и другие пенообразователи в жидкий алюминиевый сплав, а затем нагревая для разложения пенообразователя с выделением газа и расширением газа. алюминиевый сплав в пену, а затем охлаждается То есть получается вспененный алюминиевый продукт. Пеноалюминий, приготовленный этим способом, относится к пеноалюминию с закрытыми порами. Структура и пористость пор связаны с вязкостью расплавленного металла и временем вспенивания. Контролируя вязкость расплавленного металла и время вспенивания в процессе плавления, можно контролировать пористость. Однако поры независимы друг от друга, их размер и распределение неравномерны, а контроль затруднен.

2.1.5 Метод затвердевания эвтектики

Газ имеет определенную растворимость в расплавленном металле, и она увеличивается с повышением давления и температуры. Когда растворимость газа в металле достигает заданного значения, металл и газовая фаза подвергаются эвтектическому затвердеванию с получением желаемого пеноалюминия. , точно контролируя условия охлаждения (давление, скорость охлаждения, направление рассеивания тепла), можно получить изотропные и анизотропные высокопористые алюминиевые пенопласты с различной формой пор [18].

2.2 Метод осаждения

2.2.1 Метод напыления

Метод напыления заключается в использовании технологии распыления для равномерного распыления порошка инертным газом на металл из алюминиевого сплава и нагревания его до точки плавления металла, так что газ, добавленный в металлическую матрицу, расширяется в отверстия, а после При охлаждении получается вспененный алюминий с вспененной структурой. Объемную долю пор продукта, полученного данным способом, можно регулировать, регулируя парциальное давление инертного газа при осаждении, а массовую долю газа включения можно варьировать в диапазоне {{0} },015 процента до 0,23 процента.

2.2.2 Осаждение методом испарения паров

В инертной атмосфере относительно высокого давления (102~103 Па) металлический алюминий медленно испаряется, а испаряемые атомы металла в процессе продвижения испытывают серию столкновений и рассеяний с инертным газом и быстро теряют кинетической энергии, таким образом, частично конденсируясь с образованием металлического дыма. Металлический дым осаждается под действием собственной силы тяжести и уносится потоком инертного газа, продолжает остывать во время нисходящего процесса и, наконец, достигает основания. Из-за его низкой температуры атомам трудно мигрировать или диффундировать, поэтому частицы металлического дыма лишь свободно накапливаются, образуя ячеистую структуру пены. Алюминиевая пена, полученная по этой технологии, отличается от пеноалюминия макроскопической структурой. Он состоит из большого количества металлических частиц суб-микронного-размера и микропор, а его плотность составляет около 1 процента от плотности исходного металла алюминия, а минимум составляет 0,15 процента.

2.2.3 Электроосаждение

Этот метод заключается в покрытии пенопласта несколькими этапами, такими как обработка для придания шероховатости, сенсибилизация и активация, предварительное химическое покрытие и химическое покрытие и т. д., а затем нагревание пенопласта для разложения с получением пеноалюминия. Среди них очень важную роль играют два процесса сенсибилизации и активационного лечения. Сенсибилизирующая обработка заключается в том, чтобы заставить поверхность шероховатой детали адсорбировать восстанавливающие ионы, так что во время обработки ионной активацией поверхность детали образует слой с каталитическими свойствами. Роль слоя драгоценного металла, так что химическое покрытие может быть выполнено спонтанно, так что пена становится полупроводником, что, в свою очередь, способствует успеху гальванопокрытия алюминия. Алюминиевая пена, приготовленная этим способом, имеет хорошую связность пор, равномерное распределение и большую пористость, но толщина продукта ограничена, а стоимость высока.

2.2.4 Гальваническое покрытие алюминия расплавленной солью

Гальванический алюминий с расплавленной солью представляет собой пористую алюминиевую пену, изготовленную методом электроосаждения в расплавленной соли, содержащей соль алюминия, с пенопластом в качестве катода электрода и алюминиевой пластиной в качестве анода. Алюминиевая пена, полученная этим методом, имеет высокую пористость и равномерные поры.

2.3 Порошковая металлургия

2.3.1 Метод вспенивания порошка

Метод порошкового вспенивания заключается в смешивании алюминиевого порошка с пенообразователем (TiH2) и сжатии его в осевом направлении при определенной температуре для получения преформы с воздухонепроницаемой структурой. Способ вспенивания изделия для получения вспененного алюминия. Смешивание, прессование и вспенивание являются тремя важными звеньями в методе вспенивания порошка. В то же время, регулируя параметры процесса вспенивания (количество пенообразователя, температуру вспенивания и время вспенивания), можно получить вспененный алюминий с различной структурой ячеек.

2.3.2 Метод формирования суспензии

Метод суспензионного формования заключается в формировании суспензии порошка металлического алюминия, пенообразователя (фтористоводородной кислоты, гидроксида алюминия или ортофосфорной кислоты) и органического носителя, перемешивании ее до состояния, содержащего пену, а затем помещении ее в форму и нагревании после прокаливания. , можно получить твердый металлический алюминий с пористой структурой. Первоначально этот метод использовался для изготовления материалов из вспененного Be, Fe, Cu и нержавеющей стали, а затем для создания вспененного алюминия. Но прочность продукта очень низкая.

2.3.3 Метод порошкового формования

Метод порошкового формования представляет собой метод смешивания металлического алюминиевого порошка с пенообразователем (TiH2), формования его холодным или горячим давлением, а затем спекания в пеноалюминий. Он имеет два важных преимущества: во-первых, его можно использовать для более широкого диапазона составов сплавов, чем другие методы, тем самым контролируя механические свойства пеноалюминия; Алюминиевая пена в форме сэндвича-и заполненные алюминиевой пеной{2}}турбинные конструкции

2.3.4 Метод спекания рассыпчатого порошка

Принцип метода спекания рыхлого порошка заключается в том, что когда мелкие частицы находятся в контакте друг с другом, они могут быть связаны друг с другом за счет действия поверхностного натяжения. Эти мелкие порошки металлического алюминия помещают в форму для спекания, и частицы соединяются друг с другом, образуя пористое спеченное тело. Этот метод также может быть использован для производства фильтров с пористостью обычно от 40 до 60 процентов.

2.3.5 Метод спекания пропиточной губки

В порошковой металлургии губчатый материал также можно использовать в качестве временной опорной конструкции для получения высокопористого однородного пеноалюминия. Губчатому органическому веществу нарезают желаемую форму, а затем пропитывают суспензией, содержащей порошок металлического алюминия, подлежащий обработке (носителем суспензии является вода и органическая жидкость). Погруженное губчатое-органическое вещество сушат для удаления флюса, и после охлаждения можно получить вспененный металлический алюминий с высокопористой трехмерной-структурой. Этот метод также используется для производства пеносеребряных листов с пористостью от 70 до 90 процентов.

2.3.6 Метод спекания волокна

Металлическая алюминиевая проволока, используемая в этом методе, представляет собой металлическую проволоку, полученную механическим волочением или другими способами. Металлоалюминиевая проволока превращается в войлочное кольцо методом шликерного литья или методом механического войлочного кольца, а затем спекается для достижения требуемой прочности. и пористость. Пористая алюминиевая пена, полученная этим методом, имеет весьма выдающиеся преимущества: можно получить более высокую пористость, чем при спекании порошка, до 95%; все поры сообщаются между собой; максимальная пористость сохраняется. Структурные свойства; при одинаковой пористости прочность и ударная вязкость в несколько раз выше, чем у порошковой металлургии. Он также может быть использован для изготовления различных металлических фильтров, таких как нержавеющая сталь, медь, никель, нихром и т. д.

2.3.7 Метод растворения при спекании

Метод спекания-растворения — новый метод производства пеноалюминия, разработанный в последние годы. Это метод получения пеноалюминия со сквозными-ячейками путем смешивания, прессования, спекания и растворения алюминиевого порошка и частиц наполнителя. Его характеристики позволяют точно контролировать форму, размер, пористость и распределение пор, а также он имеет хороший комплексный показатель качества и цены. Это эффективный метод производства пеноалюминия средней-плотности с равномерными или градиентными отверстиями.

3. Свойства и области применения пеноалюминия

С точки зрения структуры пеноалюминий можно разделить на два типа: пеноалюминий с закрытыми-порами и пеноалюминий с-открытыми порами. Организационно-морфологические характеристики пеноалюминия, в том числе структура пор (открытые или закрытые), относительная плотность, размер пор, форма пор, толщина стенки пор, анизотропия и др. Используются электронная микроскопия и рентгеновская томография. для анализа и исследований, и исследования в этой области быстро развиваются. Из-за разной структуры его свойства очень разные, поэтому он имеет различное применение. По сравнению с традиционным металлическим алюминием пеноалюминий имеет следующие характеристики и широко используется в металлургии, химической промышленности, аэрокосмической, судостроительной, электронной, автомобильной и строительной отраслях. широко используются и в других областях.

3.1 Низкая плотность

Поскольку алюминиевая пена имеет большие и малые поры в алюминиевой матрице, она имеет меньшую плотность. Плотность пеноалюминия может варьироваться в широких пределах, а максимальная пористость, которую можно получить в настоящее время, может достигать 97 процентов, а размер его пор колеблется от нескольких микрометров до десятков миллиметров. Чем ниже плотность. Может использоваться в упаковочных коробках, особенно в грузовых авиаконтейнерах.

3.2 Высокая термостойкость

Вспененный алюминий обладает высокой термостойкостью, и он не расплавится, даже если достигнет температуры плавления сплава. Обычно температура плавления алюминиевых сплавов колеблется от 560 до 700°С, но вспененный алюминий не плавится даже при нагреве до 1400°С. Кроме того, он не выделяет вредных газов при высокой температуре и во многих случаях может заменить продукты из вспененной смолы и асбеста в качестве тепло-изоляционных и термостойких-материалов и основных частей различных теплообменников.

3.3 Хорошая проходимость

Алюминиевая пена может использоваться в качестве фильтрующего материала для фильтрации твердых частиц из жидкости или газа. Как правило, проницаемость увеличивается с увеличением размера пор, но на нее также влияет шероховатость поверхности. проницаемость. Его можно использовать для изготовления фильтров для различных жидкостей и газов.

3.4 Большая удельная поверхность

Используя большую удельную поверхность алюминиевой пены для достижения высокого теплообмена, это хороший материал для изготовления нагревателей и теплообменников. Кроме того, его также можно использовать в качестве носителя для химических реакций, требующих большой поверхности, например, в качестве носителя катализатора. , пористые электроды, пластинчатые материалы для аккумуляторных батарей, теплообменников, поглотителей энергии и носителей катализаторов и др.

3.5 Сильная звукоизоляция

Алюминиевая пена может поглощать энергию звука за счет вибрации стенки отверстия и может использоваться для приглушения и устранения шума. Вообще говоря, звукопоглощающая способность алюминиевой пены со сквозными-ячейками выше. Размер отверстия влияет на его характеристики поглощения во всем диапазоне частот звуковых волн. Чем меньше отверстие, тем больше звукопоглощающая способность.

Высокие характеристики звукопоглощения можно получить, изменив размер и форму пор алюминиевой пены. Его можно использовать для изготовления внутренних и наружных декоративных элементов, навесных стен, перегородок, подвижных дверных панелей в строительной отрасли, производстве высокоэффективных-звукопоглощающих панелей, звуко-изоляционных стен, различных глушители и др.

3.6 Обладает высокими показателями поглощения энергии удара

Вспененный алюминий не является направленным, как сотовые материалы, и не имеет эффекта отскока, как материалы из полимерной пены. Он обладает хорошими амортизирующими свойствами и является хорошим материалом для изготовления ударопрочных-деталей. Его можно использовать в автомобильных тормозах, натяжителях, защитных рукавах и бамперах аэрокосмического оборудования. Величина его затухания связана с размером пор, размером пор. Его можно использовать в качестве защитных подкладок для элеваторов и конвейеров, амортизирующих и энергопоглощающих накладок для высокоскоростных-защитных ограждений, оснований для-прецизионных станков и т. д.

3.7 Механические свойства

Механические свойства пеноалюминия в основном определяются его плотностью, но размер, структура и распределение пор также являются важными параметрами, определяющими механические свойства. Под действием сжимающего напряжения, после того как материал претерпевает начальную упругую деформацию, пеноалюминий выходит на платформу кривой напряжения, то есть пеноалюминий начинает разрушаться, а напряжение остается практически неизменным на стадии дробления пены. После большой пластической деформации пена полностью разрушается, и материал переходит в плотную форму. Во время химической фазы напряжение быстро возрастает. Как модуль Юнга, так и модуль сдвига пеноалюминия увеличиваются с увеличением плотности.

3.8 Характеристики электромагнитного экранирования

Вспененный алюминий хорошо экранирует-высокочастотные электромагнитные волны, что позволяет уменьшить электромагнитные помехи более чем на 80 процентов . Алюминиевая пена с закрытыми-ячейками толщиной 5 мм и пористостью 90 процентов, эффективность электромагнитного экранирования на частоте 60 ~ 1000 МГц составляет 35 ~ 75 дБ, что может использоваться в помещениях с электромагнитным экранированием (крышках), корпусах электронных приборов, комнаты для записи радио, электромагнитное экранирование и другие случаи.

3.9 Другие свойства

Алюминиевая пена также обладает чувствительностью к газам, огнестойкостью, катализом и т. д. На электропроводность пеноалюминия сильно влияет относительная плотность, в то время как размер пор мало влияет на электропроводность. Ожидается, что он будет иметь хорошие перспективы применения в новых областях, таких как аэрокосмическая промышленность, телекоммуникации и защита окружающей среды.