泡沫铝合金发泡机理的研究

论文摘要

泡沫铝合金是近年来发展起来的一种新型结构功能材料。它具有轻质、阻燃、阻尼、高能量吸收等优良的物理性能，其应用已经涉及了航天航空、运输、电子、军工、等各个高科技领域及一般工业领域。熔体发泡法制备泡沫铝合金，因其生产工艺简单、成本低，因而最具有工业化规模生产的前途，有着广阔的市场前景。本论文利用ZL102(Al-Si12)为基体材料，Ca粉作增粘剂，复合碱金属碳酸盐作发泡剂，采用熔体发泡法制备泡沫铝合金。试验对泡沫铝合金制备过程进行了基础的分析和研究，结果表明：发泡剂在铝熔体融化温度650℃附近达到其分解峰值，且分解反应区间较窄，符合制备结构可控泡沫铝所需的发泡剂条件。铝熔体中加入金属Ca，由于生成金属间化合物CaAl4和CaAl2被铝液部分润湿和包裹起到增粘作用，并且还能聚集铝液使气泡壁不易发生破裂，起到泡孔稳定作用。试验设计的四叶搅拌轮进行搅拌时，熔体能径向流动，还能轴向运动，使得加入的发泡剂在熔体中分布趋于均匀。试验通过对熔体发泡过程中发泡剂的加入量、发泡温度及增粘剂加入量、搅拌时间、保温时间工艺参数进行调整，找出了铝合金熔体泡沫化过程中对发泡效果有利的控制条件范围，以此为基础，通过L16（45）正交实验确定出最佳工艺参数：发泡温度680℃、发泡剂加入量2．5％、增粘剂加入量2．5％、搅拌时间2．0mim，保温时间4．0mim。本论文同时对熔体发泡过程进行理论研究，从发泡热力学微观机制出发，通过对发泡剂的分解、行核、气泡长大等发泡过程的热力学进行分析，得出了发泡剂分解、非均匀形核和气孔的生长等热力学条件，揭示了气孔演化的趋势；从发泡动力机制出发，考虑各个发泡阶段对孔结构的影响，建立了发泡过程的动力学方程：（dr）/（dt）=（RT）/（4πr2p）n0（dα）/（dt），方程表明：气泡的长大速率dr／dt与发泡剂分解速率dn／dt之间存在函数关系，气泡半径随着气泡内CO2量的增加而增大，保温发泡阶段是气泡的主要生长期，这时粘附在气泡上的发泡剂释放气体，使气泡进一步长大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 泡沫铝的国内外研究动态
• 1.1.1 国外泡沫铝的研究动态
• 1.1.2 国内泡沫铝的研究动态
• 1.2 泡沫体的形成过程
• 1.2.1 以粉末冶金法制备形成过程
• 1.2.2 以气体发泡法制备形成过程
• 1.2.3 以溶体发泡法制备形成过程
• 1.3 泡孔的形成过程及结构特点
• 1.3.1 泡孔的形成过程
• 1.3.2 泡孔的结构特点
• 1.4 泡沫体对性能的影响及规律
• 1.4.1 力学性能
• 1.4.2 隔热性能
• 1.4.3 隔声与吸声性能
• 1.5 课题的研究内容
• 1.6 课题的科学意义和应用前景
• 1.6.1 泡沫铝的应用前景
• 1.6.2 课题的研究意义
• 第二章 铝熔体发泡过程基础研究
• 2.1 发泡剂的选取及制备试验
• 2.1.1 发泡剂条件的确定
• 2.1.2 发泡剂的确定及分析试验
• 2.2 铝熔体增粘试验及机理分析
• 2.2.1 试验方法
• 2.2.2 铝基体直接制备泡沫铝
• 2.2.3 钙增粘制备泡沫铝
• 2.2.4 增粘机理研究
• 2.3 铝熔体搅拌试验研究
• 2.3.1 搅拌装置的选取及机理分析
• 2.3.2 叶轮搅拌过程中的三维单相流场
• 2.3.3 叶轮尺寸的确定
• 2.3.4 搅拌对熔体粘度的影响试验
• 2.4 本章小结
• 第三章 熔体发泡法制备泡沫铝过程控制
• 3.1 原材料、主要设备及制备过程
• 3.1.1 实验原材料
• 3.1.2 基体材料的选择
• 3.1.3 实验设备及实验工艺流程图
• 3.1.4 试验过程
• 3.2 泡沫铝试样孔结构的描述
• 3.2.1 测量方法
• 3.2.2 孔结构的观察
• 3.3 熔体发泡法泡沫铝孔结构的控制
• 3.3.1 固定的工艺参数因素
• 3.3.2 单因素影响分析
• 3.3.3 正交实验分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 铝熔体发泡行为与演化过程的研究
• 4.1 泡孔形成的性质研究
• 4.2 泡孔演化过程
• 4.3 泡孔发泡行为热力学分析
• 4.3.1 发泡剂分解
• 4.3.2 泡孔形核
• 4.4 泡孔演化过程热力学分析
• 4.4.1 泡孔生长
• 4.4.2 气泡运动
• 4.5 气泡稳定性分析
• 4.6 泡孔形成过程动力学分析
• 4.6.1 发泡剂分解
• 4.6.2 泡孔形核
• 4.7 泡孔演化过程动力学分析
• 4.7.1 气泡长大
• 4.7.2 气泡合并
• 4.7.3 气泡的破裂
• 4.8 微观动力学方程及限制性环节
• 4.9 本章结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 存在问题与展望
• 5.2.1 存在问题
• 5.2.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 图版