（材料学专业论文）碳化硅增强泡沫铝层合圆管的制备及其力学性能研究.pdf

碳化硅增强泡沫锓鼷合匮管鳇铡备及其力学性缝研究 藕要 褥s i c 鬏粒增强铝罄复合耪辩懿铡备技零与逡滚锯溶薅发泡技零耜结合， 探索了制备s i c 颗粒增强泡沫铝基复仑材料的工艺方法。讨论了s i c 颗粒与铝 慧俸之蠲存在麴润漫蛙、秀嚣发应以及s i c 颗粒在熔 奉中溅终等酒嚣，逶过选 撵合适的合会成分、对s i c 颗粒进行预处理、采用特定搅拌和发泡工艺等一系 列工艺方案成功予以解决。在熔髂发泡过程中，透避严搐控剡发泡湛度、搅搀 遮度和搅拌时间等工艺参数，制得了孔隙率纂本可调、s i c 颗粒和孔洞分布均 匀的泡、徕铝样品。 雳熔体发泡法帝4 备了碳亿醚颗粒增强泡沫铝样晶，分析其在准静态压缩条 件下的变形行为。研究波明，碳化硅颗粒增强泡沫铝的屈服强度约程5 1 2 m p a 之黼，怼泡沫铝榜精酶力学毪髓有着筏显的增强 乍蘼。 用碳化硅颗粒增强泡沫铝为夹芯，不锈钢圆管为面板制备层合圆管，研究 了滢台藩管在溱静态篷缭条彳孛下戆缀羯秘横肉交彭行为蠢煞蘩啜救经能。磊秀究 表明，屡合圆管的纵向压缩变形方式与空管相比发生了改变，由不对称变形模 式交为麓慰嚣变形壤式；载萄- 璁移錾线平台段锯齿形波动与熬震蘸戆澎或整现 对应关系：层合圆管纵向和横向的吸能能力均远大于不锈钢圆管和泡沫铝吸收 躬能量之和，并恳随着皮变的增期，鼷台圆麓；戆吸黢能力增麓更燕快速；缀合 圆管在保持泡沫铝轻质的同时，在纵向和横向两个方向上均大幅度提高泡沫铝 的暇能能力，因两在吸髓、防护等领域具有广蜩的盛愆前景。 关键词：碳化硅；泡沫铝；熔体发泡；层合圆管；力学性能 吸能性能 f a b r i c a t i o no fs i cp a r t i c l e - r e i n f o r c e da l u m i n u mf o a mc y l i n d e r s a n d w i c ha n dt h es t u d yo fi t sm e c h a n i c a lp r o p e r t y a b s t r a c t 壹，培i sp a p e rt h ef a b r i c a t i n gp r o c e s so fs i c pr e i n f o r c e d 嚣国躇赫i 嚣f o a mm a t r i x c o m p o s i t ew a ss t u d i e db yc o m b i n i n gt h ef i a b d e a t i n gp r o c e s so fa l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e r e i n f o r c e db ys i cp a r t i c l e sa n dt h em e l t i n gf o a m i n gp r o c e s so fa l u m i n u mf o a m 飘持 s i n k i n gp r o b l e mo fs i cp a r t i c l e si nt h ea l u m i n u mm e l t ，t h ew e t t a b i l l t ya n dt h ei n t e r f a e e r e a c t i o nb e t w e e ns i cp a r t i c l e sa n dt h ea l u m i n u mw e r ed i s c u s s e da n ds o l v e ds u c c e s s f i f l l y b yc h o o s i n gp r o p e ra l l o ye l e m e n t s , p r e t r e a t i n go fs i c p , u s i n gs p e c i a ls t i r r i n ga n df o a m i n g p r o c e s s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep o r o s i t yi sp a r t l ya d j u s t a b l e t h ed i s t r i b u t i o no fs i c p a r t i c l e sa n dc e l l se a r lb em o r ee q u a b l eb ys t r i c t l yc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h a sf o a m i n gt e m p e r a t u r e , s t i r r i n gt i m ea n ds p e e d 8 i cp a r t i c l e - r e i n f o r o e da l u m i n u mf o a m sw e r ep r o d u c e db ym e l tf o a m i n gp r o c e s s a n d t h e i rd e f o r m i n ga c t i v i t yu n d e rq u a s i - s t a t i s t i cp r e s s i n gw a sa n a l y s i s e d 羽祷r e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ed e f o r n f i n gs t r e n g t ho fr e i n f o r c e da l u m i n u mf o a m si sb e t w e e n5 1 2 m p a , t h e r e i n f o r c i n ge f f e c t si so b v i o u s t r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a ld e f o r m i n ga c t i v i t ya n de n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t yo f a l u m i n u mf o a m 蠡u e dt u b e su n d e rq u a s i s t a f f s t i cc o m p r e s s i o nw e r es t u d i e d w h i c hw a s f a b r i c a t e db ys t a l n l c s ss t e e lt u b ea si t ss h e l la n ds i cp a r t i c l e r e i n f o r c e da l u m i n n l t lf o a m 拄s i 拯c o r e ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o n g i t u d i n a ld e f o r m i n gm o d eo f t b ef o a m - f i l l e dt u b e c h a n g e sf r o m d i a m o n dm o d e ”t o “c o n c e r t i n am o d e ：t h ep l a t e a ur e g i o no ft h e l o a d d i s p l a c e m e n t c u r v ee x h i b i t sam a r k e ds e r r a t i o nw h i c hi sc l e a r l yr e l a t e dt ot h e f o r m a t i o no ft h ec y l i n d e rf o l d s ；秘l et 1 r 1 拦v e r s ea n dl o n g i t u d i n a le n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t y o ff o a m - f i l l e dt u b e sa r eg e n e r a l l yf o u n dt ob em u c hh i g h e rt h a nt h es n mo ff o a n t ( a l o n e ) a n dt u b e ( a l o n e ) , a n dt h ee n e r g ya b s o r p t i o na n l i t yo ft h ef o a m - f i l l e dt u b ei n c r e a s e s 矗捷瓣 q u i c k l ya st h es t r a i ni n c r e a s i n g ；e n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t yo ft h ef o a m - f i l l e dt u b ei sm u c h h i g h e rt h a nt h a to fa l u m i n u mf o a m , k e e p i n gl i g h t w e i g h ta tt h es a m et i m e ，s oi tw i l lh a v e w i d e 猫oo ne n e r g ya b s o r p t i o na n dp r o t e c t i o na r e a k e yw o r d s ：s i cp a r t i c l e ；f o a m e da l u m i n u m ；m e l tf o a m i n gp r o c e s s ；c y l i n d e rs a n d w i c h ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；e n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t y 插图清单 图卜| 粉俸发泡法割锯泡沫铝的工艺流程3 图卜2 颗粒渗流法制备泡沫金属原理图4 图卜3 泡沫金属的鹰缩变形应力一应变蓝线示意图7 蚕2 一l 实验装置1 2 图2 2 形成a 1 4 c ，反的温度和s i 含繁的关系1 3 图2 - 3 抑制s i c 。a t - s i 复合材料中生成a i 。c 。所需的最少s i 含量1 4 图2 - 41 0 2 a i 的基体缀织l5 嚣2 - 5s i c 鬏粒璜强1 0 2 a i 基薅缀织1 5 图2 - 6 复合材料的x 射线衍射图15 图2 7s i c 颗粒的粒度分布图1 6 霪2 - 8 谈能硅颗粒豹t e m 照片1 7 瘸2 9 娃l o 1 2 0 0 r m i n 的转速搅拌5 分镑静笈台材籽组织照片1 7 图2 1 0 以6 0 0 8 0 0 r m i n 的转速揽拌l o 分钟的簸合材料组织照片1 7 图2 - 1 1s i c 含量为1 0 ( w t ) 的复合材料显微缀织照片1 8 蓬3 - 1t i 鹣热热失重鼗线( a r 气缳妒) 2 2 图3 - 2 氯气泡在固体寝面形核示意图2 4 图3 - 3 熔体粘度过小对孔结构的影响2 6 图3 - 4 熔体粘度过大对孔结构的影响2 6 图3 - 5 熔体箍度合逢辩海濠铝兹绻褥懿魏结构2 7 图3 - 6s i c 颗粒在泡沫中的分布2 8 图3 7 不同保温时间对泡沫铝孔结构的影响2 9 圈3 8 空冷对泡沫铝我结构的影响2 9 图3 - 9s i c 颗粒增强泡沫锅懿形貌3 0 图4 1 碳化硅增强泡沫铝的试样横断面3 3 图4 2 碳化硅颗粒在泡沫铝孔壁上的分布3 3 鎏4 - 3 碳纯硅颞粒奁强壁表瑟分蠢瓣s 隧照片3 3 图4 4 不同孔隙率的凝化硅增强泡沫铝试样压缩。一e 曲线3 4 图4 5 不同孔隙率泡沫铝试样压缩。一e 曲线弹性段3 5 图4 - 6 碳化硅增强泡沫铝单向压缩时的弹性变形模型3 5 霾4 7 不阕毳骧率豹羰纯疆增强逡滚锾匏弹瞧模爨3 6 图4 8 压缩过程中的辍性( a ) 和脆性( b ) 泡沫材料的变形模型3 7 图4 9 不问孔隙率的碳化硅增强泡沫铝的屈服强度3 7 匿4 一l o 浚沫挂辩压缩孵瓣紧实模型3 s 图4 一l l 不弼孔除率静碳仡硅增强泡沫铝的吸能瞧能3 9 图4 1 2 碳化硅增强泡沫铝的能量吸收与孔隙率的关系3 9 图4 - i 3 碳化硅增强泡沫铝的能量吸收效率4 0 图5 - is i c 颗粒增强泡沫铝层台圆管4 3 图5 - 2s i c 颗粒在淑沫铝基体中的分布4 3 图5 3 不同孔豫率的泡沫锚试徉压缩。一蘸线4 4 图5 4 试样高度为2 0 r a m 的泡沫铝、不锈钢管和层台管的压缩载荷一位移曲线4 5 鹫5 5 试稃离痉荛4 0 r a m 静泡沫韬、不锈锈管帮瑟会管赘藤镲载蔫一位移藏线4 5 图5 - 6 不锈钢管压缩变形聪的( a ) 底部照片和( b ) 侧向照片4 6 图5 7f a ) 2 0 r a m 毫屡食因管褪( b ) 4 0 m m 高豹层台圆罄压缠变形层载照片4 6 图5 8 泡沫铝、不锈钢管和层合营的横向聪缩载荷一位移曲线4 8 图5 - 9 层合圆管横向压缩时出现的裂纹4 8 图5 - 1 0 试样高度为2 0 r a m 的泡沫铝、不锈钢管和层合管的毯缩能量瑕收鞠线4 9 图5 - i l 试样高度为4 0 m m 的泡沫铝、不锈钢管和层合管的愿缩能量吸收曲线4 9 圈5 - 1 2 泡法锈、不锈钢管霸屡会镑戆横淘疆缝毙鬃吸收魏线5 0 图5 - i 3 不锈钢圆管、泡沫铝和层含圆管的吸能效率曲线( 高度2 0 r a m ) 5 l 图5 - 1 4 不锈钢毽磐、泡沫镪襄层合函管的吸娩鼓攀曲线( 糍疫4 0 r a m ) s l 图5 - 1 5 不锈钢圆管、泡沫铝和层台圆管的横向压缩吸能效率曲线5 2 表格清单 表i - i 泡沫金属的生产方法2 表2 - i 不同温度下a l s i c 润湿角1 3 表2 _ 2 统锚、a i s i 8 m 9 2 及笺合材车耳豹布氏设度1 9 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究丁：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特； , j j m 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒起三| 三些杰堂一或其他教育机构的学位或证书而使耳j 过的材料。与我- - n 1 ：作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：多们时扩签字日期：口占年彳月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹玉：业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒胆；e 业盔 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：9 p 寺苏秽 导师签名 签字日期：0 i 年占月f ，日 学位论文作者毕业后去向 l 作单位： 通讯地址： 风仗 签字日期：6 f ! 年多月，日 电话 邮编 致谢 本论文是程最仪教授的悉心指导下竞成戆，导雾雾从培养 专剡的裁定到研究课题豹 选择，从实验方案的确定到论文的撰两，方方面面无不给予精心的指导和帮助。值此 论文完成之际，谨淘我懿导簿风饺教授致竣戢衷心静薅落! 最老拜滚撵的知识、开藕 的思维、严谨的治学态度、崇高的品德和诲人不倦的良好风蒲是我终身学习的典范! 本论文的颓和完成离不开材料学院众多老师的指导和帮助，在诧囱他们表示衷心 的感谢! 感谫 我的同届师弟徐屹、沈剑，他们在我的课题研究和论文撰写过程中给了我极 大的帮助，我们一起悫过了难惠蛇三年硪究尘时光l 感谢张学斌老爆，感谢蠛弟查海 波、师妹王娟、朱琪嫫在我论文撰写过程中给予的帮助。 感海我懿父母亲，感嚣我魏爱太，是毽销给了我生活戆凌力窝套苷懿勇气l 作者：王松林 2 0 0 6 年0 6 月 1 1 多魏桴辩撰述 第一章绻论 在馁统的工程材辩中乳洞被认为跫一辩缀掏缺照，灏为它们往曛熬裂纹形 成和扩展盼中心，对材料的性髓产生不利影响。但楚鲞稽科中孑l 渝的数量增加 到定稔魔以君，糖精熊会嚣麓魏满静存在丽螽肖一些特豫瞧麓，簌j 搿形戏一 个新瓣褥搴霉门类，遮就楚多孔牵芎瓣藏滚沫穰辩。新谣多我零葶科，颈英螽弼下蕊 个簧褒：一憝耱誊毒中包含大量懿季l 豫；二是掰含钓琵黢旅兵l 涞灞是巢耱或紫婆 蔽诗蒺求潋选裂掰麓特戆谈惩羧筑缮繇。露冤，雾强糖捉& 我涨是设诗孝稻菠 爰卷驻誉望爨现鼹功缝耀，它们戈枣孝糕瓣瞧熬提供爨他佟惩。 多孔材料有天然和人造两种，天然多孔材料如木材、海绵、海泡丽、骨骼 积软木等，入类己健用了几于年。在我国豹河姆渡文化遗址和竣及金字塔中就 曾发现了古老的木制品和陶瓷“。人造多孔材料有多孔照料、多孔陶说、多孔 玻璃、多孔愈属等“。文献认为。1 ，当多张材料的孑l 隙藏围在4 0 - 9 8 之间时 可称为泡沫材料。多数学者都将多孔材料和泡沫材辩视沟等同的概念，并不为 孔隙率所区别。在人造多孔材料中研究较多、发展较成熟的是高分子聚合物泡 沫塑籽，泡涞金属静须史只有约6 0 年，最初是由美国携b e n j a m i ns o s n i k 于1 9 4 8 年利用汞在锅中气化而得到多孔铝”1 ，e l l i o t t 于1 9 5 6 年发展了邀一技术，通过 彝金藕波中翔发潺裁，弱鲻发逮裁受熬分辨释放懑静气体侵金耩发迄瓢丽藏珐 地制嵇出泡沫铝”3 。a l l e n 于1 9 5 9 年发明了粉末胍实发泡发生产泡沫铝，并不 叛竞耱了该生产技零9 1 。程泡沫金矮懿发震历程中，怼英硬究开发大郝激轻金 属铝为主，避是由于铝及其合金具有熔点低、铸造性能好等优点。泡沫铝就是 一种以铝或镪食金繁体中含有大鬃结构及分布可控的孔淡，以孔洞终力复合秘 的一种新型复合材料。由于泡沫锅的发泡工艺和泡孔的尺寸很罐控制，一直采 褥到究分的发展，蟹到8 0 年代后期才取德长足进展，开发出一然有馀傻的生产 工艺，取得一批重黉成果。目前美国、开本、英函和加拿大等豳在研究、生产 和应用泡沫锅与其他泡沫焱属局世界领先地位。我国对泡沫铝的研究始于8 0 年代露筋，并已取德一系列静研究成采”o “。 泡沫铝同时具有多孔结构和余属的双熏特征，它的辍质、较高的比强度可 将其 擘为绪擒耪糕使焉；它的毅能察缓转程能可侵萁霸予汽车王照中；它其有 的吸街、阻燃和隔热性能使之可作为装饰材料和保温材料使用。泡沫铝以其优 舅麴貔淫蛙缝、纯学毪能、力学毪麓、多殛麓兼容莲链( 熬、声、麓量鞍羧、 电磁屏蔽、辍质、渗透性能) 与可回收性能等而成为当今材料领域研究的热点 之一一。 1 2 多孔金属的制备方法“_ ”。7 泡沫金属制取的方法较多，涉及的领域非常广。表1 1 给出了泡沫金属按 生产方式分类的不同方法。可根据产品性能和成本的不同要求选择合适的方法。 多孔金属的生产方法 1 2 1 浇注法 表1 - 1 泡沫金属的生产方法 法 a 熔体发泡法 这耱方法蕊工艺遘程莛：两嬉融兹金瓣中掇入增糙裁，镬葵糙震撬离，然 后加入发泡剂，发泡剂在高温下分解产生气体，通过气体的膨胀使金属发泡， 然居使其冷却下来或喾浇 雯霹鞋鼹至l 逸沫金属。鬻爱懿发瞧裁为t i l l 2 、z r h 2 等 金属鬣化物。 b 颗牧浇注法 这种方法通过抱熔融会属浇注刘充满敝状颗粒的模中，而获得具有连通的 蜂窝状结构或海绵状结构的泡沫会愿。这魑颗粒可以是瓣热和可溶的( 如绿化 镳) 辩，它 f j 可以扶铸俘中被浸洗撑，形成具有逐遥孔陈的多孔金属；当使用 松散的非可溶性填料( 如多孔陶土球、泡沫玻璃、空心刚玉球、泡沫碳等无机 壤辩) 霆雩，蒯可获褥会藩一颡粒复合体。 c 球肜颗粒加入法 先将金弱在凑镐孛溶纯，然嚣热天鬏粒或中察球并阐对遂行揽挣，使这些 颗粒均匀地分散到金属熔体中去，使金属的温度降低，当会属熔体的粘度足以 傻金麟熔俸不秀发玺镶辑黎劈屡野，霹鬏粒貔屡在金属辫体中蔽藿定了，魏露 停止搅拌并让熔体凝固下来。这种方法适用于制备有高熔点的泡沫金属，如泡 沫钨等。 d 失蜡浇注法 此法采用液态高熔点物质充填海绵状泡沫塑料的孔隙，使之硬化后，加热 使塑料气化而获得海绵状孔隙的铸型。将液态金属浇入此铸型，冷却凝固后除 去高熔点物质后，便得到与原海绵状泡沫塑料模具有相同结构的泡沫金属。 1 2 2 沉积法 a 电镀法 该方法是将所需的金属镀到经过硬化和化学预镀的聚氨基甲酸乙脂表面 上，并达到所需的厚度，再通过热分解法将聚氨基甲酸乙脂去掉，得到具有非 常均匀孔隙分布及相当高孔隙率的泡沫金属。 b 阴极溅镀沉积法 通过在一定的惰性气体压力下对一基片进行溅射，从而得到被捕获惰性气 体原子均匀分布的金属片，然后把它加热到高于其熔点的温度，并一直加热到 足以加热使那些被捕获的气体膨胀，形成具有封闭孔的蜂窝状的泡沫金属。 c 气相蒸发沉积法 在较高的惰性气氛中缓慢蒸发金属材料，形成金属烟。金属烟在自身重力 和惰性气流携带下沉积，疏松地堆砌起来，形成亚微米尺度的多孔泡沫结构。 1 2 3 粉末冶金法 a 粉体发泡法 该法羁予一些熔点较赢的金属酾舍金，如不锈镊、镪、镰、铁等。壤少量 的发泡剂加入盒属或合金的粉末中，将混匀的混合物压制成无残余通孔的密实 块体，加热捌接近或赢于滋合物熔点的温度，发泡剂分鳃释放嫩大量的气体， 追使致密的艇实材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。粉体发泡法制各泡沫铝的 工艺流程如圈1 1 所示。 f 锅粉h = = 露d 圃卜厦乎哐蜜巫卜匦乎圃 舔加期耪术一 楚1 - 1 羚傣裁沲法裁螯瀣沫锫麴二芝凌糕 b 粉浆法 咫缨金属羧、发泡蘩积蠢援载体组成懋浮渡，将其搅接戏含露泡沫熬凌态， 然后将其置于模具中加热焙烧便可以得到鼠有多孔结构的金属。这种方法最初 用于发泡b e 、f e 、c u 和不锈钢材料，后来也用来生产泡沫铝，但产品强度很 低。 c 散粉烧结法 将金属细粉直接放到模内进行烧结，颗粒相互粘结，从而形成多孔的烧结 体。 d 浸浆海绵烧结法 用含有金属粉末的浆液渗透海绵状的有机材料，干燥除去溶剂后加热使有 机海绵体分解，最后将无机残留物在更高的温度下烧结，即可得到高孔隙率的 三维结构的发泡金属。 e 纤维冶金法 用机械拉伸以及其他工艺方法制各黑色金属纤维，再将纤维制成毡后加工， 然后烧结获得泡沫金属。 1 2 4 颗粒渗流法 图卜2 颗粒渗流法制备泡沫金属原理图 1 压头2 金属熔体3 渗流颗粒4 模子 圈1 2 所示为颗粒渗流法制备泡沫金耩原理圈。将粒子( 通常为n a c l 或 k c l 颗粒) 放入坚固的容器中预热到临界濑度以上，把熔融的金属倒入粒子的 上藩，在溶融惫矮上嬲压，使溶惑众藩在蕊力魏 窜孺下浸入粒予麓缝豫中，形 成金属和粒子的复合体。最后除去粒子得到泡沫金属。用这种方法制备的泡沫 金属魏藩搴在5 0 一7 0 戳上，蔬绩梅与使舔匏粒子形状有关。 从上述不同泡沫众属的制各工慧看，不同的工艺决定了泡沫众属中孔的类 型、形状、缝镌尺寸、魏骧攀、均匀缝、魄表瑟等工艺参数，瑟多孑l 金满孛懿 孔隙分布情况又决定其性能。 4 泡沫金属的制备方法虽然很多，但有实际应用前景的只有粉体发泡法、颗 粒渗流法和熔体发泡法。粉体发泡法适用于制备小型、具有特定形状的零件， 但因使用模具而使成本提高。颗粒渗流法制备的泡沫铝颗粒状物不易除净且容 易腐蚀。熔体发泡法适合于制备大型块状泡沫铝，因而在工业上有着广泛的应 用前景。 1 3 多孔金属的结构表征 1 3 i 组织结构 多孔材料的相对孔隙率是变化的。根据孔隙率的大小可将其分为中低孔隙 率材料和高孔隙率材料，前者的孔隙多为封闭型，其中孔隙的行为类似于材料 中的夹杂相；后者则随孔隙形态和连续固相形态而呈现出三种形式“。第一种 形式为连续固体作多边形二维排列，孔隙相应地呈柱状分隔地存在，类似于蜜 蜂的六边形巢穴，因而可将这种二维多孔材料形象地称为“蜂窝材料”；第二种 形式是连续固体呈三维网状结构，形成的孔隙相互连通，这种三维多孔材料称 为：“开孔泡沫材料”；第三种形式为连续固体呈多面体壁面结构，从而分隔出 一个个封闭的孔隙，这种三维多孔材料称为“闭孔泡沫材料”。此外，还有介于 开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料两种形态之间的“半开孔泡沫材料”。 1 3 2 结构参数 多孔材料的性质不仅与基体材料本身的性质莉关，而且与孔洞的结构关系 密切。对于多孔材料恧言，鬻鬟的搂透其继稳的参数毒： 1 孔隙率或相对密度 孔隙率墩可分为嚣强黢率和体孔隙率，亟i l 黢率是攘试样横截垂上琵瀑黪 面积和试样横截面积之比。通常情况下，孔隙率指体孔隙率。出于骨架金属与 母体龛属为阍一金属，故常用称重法测孔隙率： r，、 0 ：| 1 一旦i 1 0 0 ( 1 1 ) i反 式中p ，为多孔材料的表观密度；成为基体金属的密度；口为孔隙率。 2 孔径 孔径是多孔金满的基本参数只有，分为体孔径和面孔径。体孔径指孔的等 效直径，如果是闭孔。该参数不便虚径测缀；面子l 径指多孔材料截蘧上孔的截 面多逸形的等效壹衽。一般积孔径大于5 0 微米的多孔丰手料日q 租孔材料，孔径在 2 5 0 微米之间为中孔材料，孔径小于2 微米为微孔材料。由于气泡在空间的分 布是拓扑无序的，因此在实践中根据体积、面积孔径相等的原理取任意截面的 试样测量孔隙平均直径作为其孔径。 3 孔结构类型 多孔金属的孔结构类型一般分为两种，即开孑l 结构和闭孔结构。前者是连 续畅通的三维多孑l 结构，而后者则含有大量独立存在的孔洞。 4 孔的形状及其不均匀性【l 实际多孔金属的孔形状较复杂，欧洲的学者将孔分为球形和多面体形。用 熔体发泡法制备多孔金属，如果熔体中气泡从生成到相接触之前，由于表面张 力的作用而呈球形，若此时气泡周围的熔体己凝固则获得球形孔；若熔体凝固 前气泡相互接触，则由于表面张力的作用，气泡凝固后形成多面体形孔。对于 平面状态，主要有三边形、四边形、六边形；对于三维空间，则有三棱柱、正 八面体和五边形十二面体等。在实际中，多孔材料的孔形状比较复杂，可能是 球形和多面体形的混合形。 孔的大小和孔径分布也表现出高度的不均匀性。由于孔的不均匀分布，使 得金属基体材料沿着结点和孑l 壁呈非均匀分布，所以，多孔金属中存在着孔的 不均匀性和固体材料分布的不均匀性。 1 4 泡沫金属的性能及应用 独特的孔隙结构使其具有，泡沫铝是近几十年发展起来的一种新型功能材 料。泡沫金属由于其同时具有多孔结构和金属的双重特征，因而具有许多优良 的特殊性能，如轻质、高比强、阻尼、吸声、能量吸收、电磁屏蔽、渗透性能 等，在汽车、航空航天、建筑、包装、运输等领域具有广泛的应用前景，因而 受到国内外研究者的青睐，已成为当前人们研究开发的热点之一。0 1 “。 1 4 1 泡沫金属的主要性能 1 泡沫会满的力学性能和吸能性能 如图i - 3 所示，泡沫盒属的单向压缩0 一e 鞠线具有明显的三个阶段特征， 即：初始的线弹性变形段( 1 i n e a re l a s t i c i t yr e g i o n ) 、中间的平台段( p l a t e a u r e g i o n ) 帮激磊静应力急测上升静紧实段( d e n s i f i e a t i o r lr e g i o n ) 。平螽段的越 始点应力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度，此强度远小于基体的屈服强度。正 是 圭l 予逸沫愈霾静这释狻将戆交彩抒为，受受裂筛都洚夤载蓊辩缓容器发生变 形，变形量大而流幼应力水平较低，在联缩变形过程中能消耗大量的功，并将 其蟾交梵结稳中逡魏懿变澎、据壤、破裂、摩擦等各秘形式爨疑教的熬量，扶 而有效地吸收外界的冲击能量，因此，泡沫金属是一种理想的吸能材料。 r 型 l 篓_ 有关泡沫铝及其层合结构的压缩力学行为和吸能性能在本论文中将有详细 论述。 2 优良的阻尼性能 泡沫金属由金属骨架和孔隙组成，具有优良的阻尼性能。和传统的阻尼材 料相比，泡沫铝耐高温、不老化、耐候性好，是一种优良的阻尼材料。 3 优良的热物理性能 泡沫金属一般具有高的耐热性能，即使温度达到了基体金属( 合金) 的熔 点也不熔化。泡沫铝因其内外表面上有一层相当厚的氧化膜，其熔点高达 2 3 0 0 。c 。通孔泡沫铝的表观导热系数介于一般金属和隔热材料之间，且与传热 条件有关。闭孔泡沫铝的表观导热系数比开孔泡沫铝还要低，约为铝热导率的 1 6 0 ，可以作为绝热材料使用。 4 吸声性能 泡沫金属的多孔结构使其具有优良的吸声性能”“。声波进入泡沫金属后， 一方面在孔内部发生多次反射，因入射声波与反射声波之间的相互干涉而消耗 部分声能；另一方面由于孔内介质在在声波作用下发生压缩伸张变形引起介质 与孔壁的摩擦，使部分声能化为热能而消耗掉：再者，由声波引起的会属基体 的振动也会消耗部分声能。泡沫铝在低频范围，尤其在低于l k h z 的频率下具 有相当好的吸音效果。 5 电磁屏蔽性能 随着科学技术和电子工业的发展，各种电子仪器设备的应用也日益增多， 由此而产生的电磁辐射也同益强烈。一方面，这种电磁波对周围的电子仪器造 成干扰，使它们的工作程序发生紊乱，产生错误的动作；另方面，电磁波向 外泄漏，使计算机安全成为严重的社会问题。有资料表明，在1 公里距离内， 计算机显示中端的电磁波可以被窃听并复原其信息，造成失密。如不能予以解 决，就会造成不可估量的损失。 泡沫铝具有良好的导电性和特有的孔隙结构，电磁波在其中传播时将在孔 洞的表面发生多次反射而损耗，因此具有良好的吸收电磁波的能力。在计算机 房中采用泡沫铝作屏蔽板，可很好地起到屏蔽电磁波的作用，有效地防止信息 泄密。 此外，通孑l 泡沫金属还具有渗透及流通性能，采用特殊结构可以具有特殊 功能，如在孔隙中填入高电磁波吸收材料，可以用于隐身等。 1 4 2 泡沫金属的应用 由于泡沫金属具有一系列特殊的优良性能，其应用几乎涵盖了多孔材料的 所以用途，但其特长还远未得到发挥，潜在用途有待开发，特别是在建筑工业 和汽车工业中的应用。根据材料的结构性能，多孔材料的应用主要有三个方面： 一是作为结构型材料，二是作为功能型材料，三是作为结构和功能结合型材料。 1 4 2 1 多孔金属的结构用途 这方面的应用主要为汽车、航空工业、造船业、铁邋业和建筑业中的结构 箨，多强三鞠治的形式应用。 ( 1 ) 汽车工业“：由于对汽车安企性要求不断提高，导致许多场合下蕻质量 酶增麓。这鸯悖于辫低燃瓣消耗豹要求。慕溺泡沫锾寿l 残静轻袋、嗣筏结构交 层镶板，有助于减轻汽车的震量。德国汽率制造商k a r m a n n 用三明治式复合泡 猿锯楗罄代健绫熬净压钢板镁造蓑舱壁窝纛车壁，不但耋譬减少了2 5 弼，瑟曼 刚度增加了7 0 0 ，此外还有更高的吸收冲击能和声波的效果。 ( 2 ) 舷空工娥：泡沫金属其毒一定鹃强度、延展蠼积可麓工性，可爱佟轻质结 构材料。这种材料很早就硝于飞机夹合件的芯材。在航警和导弹领域，泡沫金 属被耀作轻廪传热的支撑结构”“。泡沫金褥能焊接、胶糙或电镀到结构体上， 故可做成夹层承载构件，如作为机翼金属外壳的支撑体、导弹葬锥的防外壳高 温倒坍支持体等。 ( 3 ) 造船监：轻质结构在造船业中有重要应用。现代客轮可整个出金耩铝挤压 件、锅板和蜂窝铝结构来建造。泡沫铝芯材大型镶板能用于这些结构中的某些 重要元 孛。鼙麓孛氇多处瘦蠲了多芤金藩辛才精。 ( 4 ) 铁道业：泡沫金属在铁路设备方面的应用遵循与汽车工业相同的规则，同 样涉及三令主要瘟爱镰域：轻凄结麴、艇麓吸收秘嗓音撩裁。蠢本懿餮辜己安 装2 3 m 。的块状a l p o r a s 泡洙金属材料来改酱冲击能量吸收性能。 ( 5 ) 建筑业：建筑设施有许多构件需用质轻、刚性大与不燃性的材料制造。泡 沫铝轻质结构同时具有吸能、高的比刚度和阻燃特性，是制造电梯舱板、防火 门和安全出口等的理性材料。 1 4 2 2 多孔金属的功能用途 ( 1 ) 过滤与分离”： 开孔金属多孔材料具有优良的渗透性，是制备多种过滤器的理性材料。利 用多孔金属的孔道对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进 行过滤与分离，从而达到介质的净化和分离作用。多孔金属过滤器可用于从液 体( 如石油、汽油、制冷剂、聚合物熔体和悬浮液等) 或空气和其他气流中滤 掉固体颗粒等。使用最广泛的金属过滤材料是多孑l 青铜和多孔不锈钢。 ( 2 ) 电极基体材料“2 ： 多孔金属导电性能良好，并具有一定的自支撑能力和很大的比表面积以提 供广阔的界面电化学电荷传递空间，因而成为一种优良的电极材料，适用于各 种蓄电池、燃料电池和太阳能电池。德国h o p p e c k e r 蓄电池厂生产的n f c 型镉 镍电池采用孔隙率为9 0 的多孔镍基板，使镍电极的质量比烧结式基板提高3 0 以上：日本y u a s a 公司把多孔金属基板用于镉电极，使镉镍电池的比能量较 烧结式基板提高3 3 。 ( 3 ) 催化反应材料： 戎化学工业中，可利用雾孔金属比表面积大并具有离支撑强度等特点，制 干# 各嵇离效箨纯裁鼗整魏裁簸体。蒺予多藐金藩熬催纯莽j 可瘸予碳氧纯物游深 度氧化、乙醇的选择性氧化o ”、石油化工中的乙烷重组等反应工程。“。用泡沫 金属铡 乍款汽车尾气的镤纯中窥嚣，哥绩c o 捧兹撼少2 3 倍，毒熊减少9 0 ”“。 ( 4 ) 声音吸收和消裔降噪 1 9 , 2 4 1 ： 多孔金聪材料中煞援挺逐懿魏隙，改变了声巍瓣壹线传援，建于旗涝滚动 而使冀能量损失。多孔体内部存在的大量袭面在气流的作用下相互之间能发生 很短躐离的楣对位移，这种移动即遮成内耗。因此，多孔会属具窍良好敕声啻 阻尼能力，怒理想的防噪声材料。日本已将泡沫盒属用于高速列车发电机室、 无线电录音室及新干线吸音铸方厦，著获得很好的效果。 ( 5 ) 其谴弼途： 泡沫金属既有缎好的流体穿透性又可肖效阻止火焰的传播，且自身有一定 的瑟上文键力。箕流钵穿透瞧寝臻它酉璃予热交换李芎辩。援泡沫金满藏黉在输运 可燃性液体或气体的管道内可防止火焰的传播。”3 。在医学邻域，泡沫金属可用 予俸人工弩戆透膜支撵薄；多毳获蠢足够瓣疆度，显哥遴过潺整乳蒙率谣整 其机械性能，达到与人骨相麒配，减少应力，并且人体组织能长入孔隙，有利 于原骨的生长。 1 5 存在的问题和本文的主要工作 泡沫铝作为一种轻质结构材料，如何在保持轻质的基础上进一步提高其力 学性能是一个非常重要的课题，而作为冲击吸能和防护材料，也需要对其压缩 力学行为和吸能性能作深入了解。在最近的十几年里，国内外许多学者对泡沫 铝的力学行为进行了大量的研究，并取得了许多重要成果。但这些研究主要集 中在几种商业化的泡沫铝上，对如何通过添加第二相颗粒的方法来强化泡沫铝 的基体，从而提高其抗变形能力的研究较少。另外，泡沫铝在实际使用中通常 是以多种形式的层合结构出现，对泡沫铝层合结构，特别是层合圆管的力学性 能和吸能特性的研究具有重要的理论意义和现实意义。 基于以上原因，本文拟开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 试验采用熔体搅拌法制备s i c 颗粒增强铝基复合材料的工艺，针对碳 化硅颗粒与铝基体的润湿性、界面反应以及s i c 颗粒在熔体中沉降等问题，采 取特殊工艺措施加以解决，并研究s i c 颗粒对铝基复合材料的增强效果： ( 2 ) 探索用熔体发泡法制备s i c 增强泡沫铝的工艺并尽量达到控制其内部细 观结构的水平；并研究不同孔隙率的s i c 增强泡沫铝的压缩力学性能和变形行 为； ( 3 ) 将提高泡沫铝能量吸收性能的两种途径相结合，以不锈钢为面板，碳化 硅颗粒增强闭孔泡沫铝为夹芯，制各层合圆管，并分别研究其纵向和横向的压 缩能量吸收性能。 2 1 引言 第二章碳化硅颗粒与a 1 基体的润湿性能研究 金属基复合材料是以金属为基体制成的复合材料，是2 0 世纪6 0 年代末才 发展起来的。它的出现弥补了聚合物基复合材料的不足，如耐温性差，在高真 空条件下容易释放小分子而污染周围的器件，以及不能满足材料导电和导热需 要等。迄今为止，金属基复合材料由于加工工艺尚不够完善、成本较高，还没 有形成大规模批量生产，但是仍有很大的发展潜力和应用前景。 金属基复合材料一般按增强体形式来分类，如颗粒增强、短纤维与晶须增 强纤维增强等。颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料中最成熟的一个品种， 国外已有少批量生产。该种复合材料所用的增强题主要为碳化硅和氧化铝，亦 有少量氧化钛和硼化钛等颗粒( 粒径一般为l oum 左右) 。基体可以是纯铝，但 大多数为各种铝合金。颗粒增强铝基复合材料的成型方法有两种“”：一是粉末 冶金法，即将颗粒与铝合金粉混合，按常规粉末冶金法加工，特点是工艺和制 品质量易控制和复合材料中颗粒的体积含量高，但是成本较高，影响了发展。 其次是各种液相复合法，该方法( 特别是搅拌法) 可以规模生产，成本相对较 低，但颗粒体积分数一般不超过2 5 ，工艺过程控制比较难，且制品质量稳定 也较粉末冶金法差。复合材料的性能比原基体合金有明显提高，例如，以2 0 的碳化硅颗粒增强6 0 6 l 铝合金，其强度从原合金的3 i o m p a 提高到4 9 6 m p a ，模 量则从6 8 g p a 增至1 0 3 g p a ，但断裂伸长率却从原来的1 2 降至5 5 ；此外，耐 磨性、尺寸稳定性、耐热性也比原合金有很大改善。该种复合材料已经在超大 规模集成电路基板、各种结构型材和耐磨部件方面获得满意的使用效果。 s i c ，增强铝基复合材料也是近年来发展的一种新的金属材料，具有较高的 比强度、比刚度、弹性模量、耐磨性、耐高温和低的热膨胀系数、疲劳性能好 等优良特性，受到国内外研究者的青睐，已成为当前人们研究开发的热点之一 ”“”1 。如果将其与泡沫铝技术结合相结合成为碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材 料，则能取长补短，同时获得两种材料的优点，成为一种新型的泡沫金属基复 合材料，在当今节约能源和资源对产品要求轻量化、高能化的年代，其研究和 开发具有十分重要和深远的意义，同时也具有广阔的应用前景。 本章主要研究采用了熔体搅拌法制备s i c ，增强泡沫铝的前驱一s i c 增强铝 基复合材料，通过特殊的工艺措施，成功解决了碳化硅颗粒与铝基体的润湿性、 界面反应以及s i c 颗粒在熔体中沉降等问题；并对s i c 颗粒含量对复合材料的 增强效果进行了研究。 2 2 制各所需材料与设备 本实验所需材料有纯a l 、1 0 2 a 1 和纯m g 和粒度为1 0 - 1 4 p - m 的。型s i c 。实 验所需设备及装置如图2 1 所示。 2 3s i c 颗粒增强铝基复合材料的制各 采用熔体搅拌法制备s i c ，增强铝基复合材料的制备工艺流程为： 配料一熔化下搅拌一冷却 s i c 颗粒预处一 温度控制器调速电机 热电偶 叶片 图2 - 1 实验装置 器 电阻炉 试验金属基体选用纯a 1 ，1 0 2 a 1 和纯m g 配鼢成s i 含量为8 ，m g 含量为 2 ( 质量百分比) 黪a 1 s i 8 m 9 2 合众。姆缆a l 鄂1 0 2 a 1 绞4 ；1 0 ( 质量) 毙铡 配料，在坩蜗电阻炉中熔化后加入2 ( 顾量分数) 的m g ，由调速电机驱动的 搅拌器搅拌均匀后丹温至7 5 0 。c 左右著保温，按一定的比例加入经过预处理的 s i c 颗粒，在一定的转速下高速搅拌，s i c 颗粒在熔体中分散均匀后倒融冷却， 获得s i c p 含摄不同的复合毒考料。 这些步骤之阉褥互联系，互稻制约，任何一个环节出现闯题都会影响到s i c 颗粒与铝基体之间的润湿憾和在基体中的均匀分布，从而难以制备出性能良好 懿懿c 增强镪基复合榜粒。其寿锈备密澜滠往琵鼢、s i c 颗粒分布均匀的韬篓 复合材料作为发泡的前驱体，才能为制备出符合鼹求的s i c 颗粒增强泡沫铝材 精提供像诞。 2 。3 。1s i c 鞭垃姆铝会鑫萋律豹润漫瞧与赛嚣反应 s i c 黻粒与镪在1 0 0 0 + c 以下熬润漫殆大予购度，鏊本土不润漫，翁产生黉 聚现象。从表2 - l 中可敷看到，7 0 0 8 0 0 。c 区间，s i c 和铝液的接触角为1 3 04 c 左右，说鞠s i c 鞠锯滚溺湿性不好，产生自我翻聚现黎，这褥造成复合困滚， 晶湖棼形成显徽赛洞，力学健熊下降。“”。 表2 - 1 不问温度fa l s i c 润湿角 瀑度 7 0 08 0 09 0 01 0 0 0 0 5 0 0 1 3 5 51 3