熔体直接发泡法制备纯铝基泡沫铝材料的研究

论文摘要

泡沫铝是由金属相和气孔组成的复合材料,它把连续相铝的金属特点（如强度大,耐高温等）和分散相气孔的特性（如阻尼,隔热,隔声,消音,减震,屏蔽等）有机结合在一起,可广泛应用于交通运输、建筑机械、冶金化工、电子通讯和航天航空等多个领域,其研究成为当今世界材料科学高技术领域的重要研究、开发内容之一。目前在工业应用中,人们对泡沫铝的力学性能越来越关注,尤其是其能量吸收性能。由于基体金属纯铝是一种很好的韧性材料,纯铝基泡沫铝作为一种韧性泡沫金属材料越来越受到人们的关注。但由于基体材料纯铝的熔点较高,与发泡剂氢化钛的分解温度不相匹配,以及凝固时收缩较大,用熔体直接发泡法制备纯铝基泡沫铝材料较为困难。本文系统地进行了熔体直接发泡法制备纯铝基泡沫铝材料的实验室试验和工程化试验研究。研究了纯铝基泡沫铝材料的凝固过程。研究表明,纯铝基泡沫铝材料具有独特的凝固性质,在自然冷却条件下冷却时,外层泡沫以层状凝固方式进行凝固,内层泡沫以体积凝固方式进行凝固,内层泡沫泡孔泡壁上有许多分散性的微小缩孔；当在强制水冷条件下进行冷却时,凝固得到的泡沫铝泡壁表面粗糙,凝固收缩在垂直于泡壁方向进行,均匀分布于整个泡壁。垂直于泡壁方向的凝固收缩消除了泡壁局部由于凝固而产生的裂纹,收缩的结果使泡壁变薄。由对纯铝基泡沫铝材料凝固特性的分析建立了泡孔凝固模型。通过对泡沫铝凝固过程中基体材料以及气孔内气体的体积变化的计算可知,纯铝基泡沫铝材料在凝固过程中孔隙率有所增大。讨论了熔体直接发泡法制备泡沫铝过程中工艺条件的控制。纯铝基泡沫铝制备过程中,在金属钙的添加量、搅拌温度、发泡时间和冷却条件一定的条件下,通过改变氢化钛的加入量和搅拌时间可以控制泡沫铝的孔隙率。制备的纯铝基泡沫铝材料的最大孔隙率可达92%以上,最小密度可达0.25g/cm3以下。对无泡层的形成与控制进行了研究,在泡沫铝制备过程中无泡层的形成分为三个阶段：第一阶段为发泡初期短时间内形成,在这个过程中,气泡向上运动,部分液体未被气泡运动所携带成为泡沫中的液膜,最后残留在底部形成无泡层；第二阶段和第三阶段为气泡长大过程中,由于Plateau边界处液体与液膜处液体存在压力差,促使液膜处的液体流向Plateau边界处,最后通过Plateau通道流向底部形成无泡层。在泡沫铝制备过程中,当熔体的粘度越大,表面张力越小时,无泡层的厚度越小。向含有3wt.%Ca的铝熔体中再加入0.5wt.%Mg后,熔体的表面张力显著降低,制得的泡沫铝中的无泡层厚度得到了很好的控制。通过工程化生产纯铝基泡沫铝材料的试验,确立了纯铝基泡沫铝材料产业化完整的工艺条件,成功地制造出了可商业化销售的纯铝基泡沫铝板材（1000×1800×Xmm3）。研究了熔体直接发泡法制备纯铝基泡沫铝材料时铝熔体泡沫的稳定性。在熔体直接发泡法制备纯铝基泡沫铝过程中,金属钙加入到熔体中以后产生了金属间化合物Al20CaTi2、Al4Ca和氧化物Al2O3。金属间化合物Al20CaTi2、Al4Ca弥散在铝熔体中使熔体的粘度增大,抑制了熔体的排液；而A12O3存在于界面处,这些氧化物在界面处的存在改变了曲面的毛细曲率,从而减缓了液膜和Plateau边界处间的毛细流动,而且氧化物对氢的吸附作用降低了界面能。上述三种作用提高了铝熔体泡沫的稳定性。对纯铝基闭孔泡沫铝材料和Al-6Si基闭孔泡沫铝材料进行了静态和动态压缩,试验中发现,纯铝基闭孔泡沫铝和铝硅基闭孔泡沫铝材料在静态和动态压缩过程中,均表现出不同的特点：纯铝基闭孔泡沫铝材料的压缩曲线较为平缓,显示出比较明显的塑性泡沫材料的特征；而铝硅基闭孔泡沫铝材料的压缩曲线则波动比较大,显示出比较明显的脆性泡沫材料的特征；通过分析两种基体材料的微观形貌和成分,发现Al基闭孔泡沫铝微观形貌主要是小块状和球状（Al20CaTi2）,无大块或长条状金相；而Al-6Si基闭孔泡沫铝微观形貌主要是大片状和长条状相（Al3.21Si0.47、Al2O3、CaAl2Si2和Al3Ti）。对闭孔泡沫铝的能量吸收性能进行了分析,从闭孔泡沫铝的能量吸收能力、能量吸收效率和能量吸收图进行了详细的研究,结果表明：压缩速率相同,密度相等时,纯铝基闭孔泡沫铝的能量吸收能力要大于Al-6Si基闭孔泡沫铝的能量吸收能力；纯铝基泡沫铝材料能量吸收效率最高可达80%；对纯铝基泡沫铝材料能量吸收图的研究发现,纯铝基闭孔泡沫铝材料作为缓冲吸能材料使用时,具有相当好的能量吸收能力,且最大容许应力也较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 泡沫铝国内外发展状况
• 1.2.1 国外泡沫铝材料研发概况
• 1.2.2 国内泡沫铝材料研发概况
• 1.3 泡沫铝材料的性能
• 1.4 泡沫铝在工业上的应用
• 1.5 泡沫铝主要的制备方法
• 1.5.1 开孔泡沫铝材料的制备方法
• 1.5.2 闭孔泡沫铝材料的制备方法
• 1.6 现存的主要问题
• 1.7 本文研究的意义与内容
• 第二章 制备纯铝基泡沫铝材料的试验研究
• 2.1 坩埚内发泡试验
• 2.1.1 试验设备及装置
• 2.1.2 试验原料
• 2.1.3 试验过程
• 2.1.4 试验结果与讨论
• 2.2 转移发泡试验的研究
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试验方法
• 2.2.3 试验结果
• 2.3 纯铝基泡沫铝制备过程中工艺条件的控制
• 2.4 本章小结
• 第三章 制备纯铝基泡沫材料工程化试验的研究
• 3.1 引言
• 3.2 工程化试验方法
• 3.3 工艺条件的调整
• 3.3.1 金属钙加入量的发泡试验
• 3.3.2 搅拌温度的试验
• 3.3.3 搅拌速度、搅拌时间的试验
• 3.3.4 发泡温度、发泡时间试验
• 3.3.5 工程化制备泡沫铝时泡沫体的冷却
• 3.4 工程化试验制得的纯铝基泡沫铝样品
• 3.5 泡沫铝生产中无泡层的形成与控制
• 3.5.1 无泡层的形成过程
• 3.5.2 无泡层形成的原因
• 3.5.3 熔体中加入金属镁对无泡层厚度的影响
• 3.6 工业化生产纯铝基泡沫铝的流程
• 3.7 本章小结
• 第四章 泡沫稳定机理的研究
• 4.1 引言
• 4.2 现存的金属泡沫稳定机理
• 4.2.1 注气发泡法制备的金属泡沫稳定机理
• 4.2.2 粉末冶金法制备的金属泡沫稳定机理
• 4.3 纯铝基泡沫稳定机理
• 4.4 本章小结
• 第五章 泡沫铝材料压缩和能量吸收性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 泡沫铝准静态压缩性能
• 5.2.1 闭孔泡沫铝准静态压缩变形机制
• 5.3 泡沫铝动态压缩性能
• 5.4 泡沫铝能量吸收性能
• 5.4.1 泡沫材料吸能性能表征
• 5.4.2 闭孔泡沫铝能量吸收性能
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简介