（材料学专业论文）粉末冶金—添加造孔剂法制备开孔泡沫铝及其性能研究.pdf

摘要 泡沫铝作为一种新型功能材料，以其独特的结构而具有许多优异的性能，它 的应用已经涉及了航天、航空、化工、机械、电子、环保、能源、生物等工业与 高新科技领域，正受到越来越广泛的重视，对其制备工艺及性能的研究已经成为 当今的研究热点。 本课题采取粉末冶金工艺，用填加造孔剂法，通过压制一溶解一烧结制备开 孔泡沫铝。研究了该方法制各泡沫铝的关键工艺过程，探索了实验工艺条件对泡 沫铝的形成及性能的影响，确定了制备的最佳工艺参数；研究了不同孔结构及孔 隙率、孔径对泡沫铝的影响；比较了不同造孔剂对泡沫铝性能的影响；并对泡沫 铝的压缩性能和能量吸收性能进行了研究。 研究结果表明，以不同形状尿素颗粒、n a c l 颗粒为造孔剂，压制一溶解一 烧结为步骤的造孔剂法可以制备孔隙率为5 0 8 0 的开孔泡沫铝，并且工艺 简单，孔径、孔形状、孔隙率容易控制。制备开孔泡沫铝的最佳工艺为：压制压 力为4 0 0 m p a ；尿素造孔剂溶解工艺为8 0 水中溶解5 h ；烧结工艺为5 5 0 真空 烧结3 h 。 球形孔结构的泡沫铝在性能上优于长条形孔结构、多棱状孔结构的泡沫铝。 尿素为造孔剂制备泡沫铝时，无论从孔结构还是泡沫铝的性能都优于n a c l 为造 孔剂时制备的泡沫铝，因此尿素颗粒是添加造孔剂方法制各泡沫铝的理想造孔剂 材料。 孔径越小，本方法制各的泡沫铝的孔隙率控制精度越高，试验的可重复性越 好。相同孔隙率下，泡沫铝的孔径越大，其压缩性能越好。相同孔径下，泡沫铝 的压缩曲线随孔隙率的升高快速下降，泡沫铝的弯曲性能随孔隙率的降低而升 高。本试验制得的开孔泡沫铝的压缩强度和经典理论计算所得到的结果一致。泡 沫铝的能量吸收性能随孔隙率的增大而变差，能量吸收率随孔隙率的增大而减 小。本工艺制得的泡沫铝试样的抗压强度范围在0 2 5 5 m p a ，能量吸收效率约 为4 1 3 。 关键词：泡沫铝，压缩性能，粉末冶金，尿素，能量吸收 a b s t r a c t a l u m i n u mf o a m sh a v er e c e i v e dac o n s i d e r a b l ea m o u n to fa t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo ft h e i re x t r e m e l yl o wd e n s i t ya n du n i q u ef u n c t i o n a lp r o p e r t i e ss u c ha s i m p a c t i n ge n e r g ya b s o r p t i o n , s o u n da b s o r p t i o n , f l a m er e s i s t a n c ea n dh e a tr e s i s t a n c e i nm o s tc a s e s ，t h ef u n c t i o n ss u c ha sf i l t r a t i o n , s e p a r a t i o n , h e a t0 1 m a s se x c h a n g e ，a n d s o u n do re n e r g ya b s o r p t i o nr e q u i r eo p e n - c e l l e ds t r u c r l r e s t h e r e f o r e ，a l u m i n u m f o a m sw i t ho p e n - c e l l e ds t r u c t u r e sh a v ew i d e ra p p l i c a t i o n si nf u n c t i o n a ls t r u c t u r e s t h i sp a p e rd e s c r i b e sas p a c e - h o l d e rm e t h o df o rm a n u f a c t u r i n go p e nc e l la l u m i n u m f o a m s t h es p e c i m e np r e p a r i n gp r o c e s sc o n s i s t so f t h em i x i n g , c o m p a c t i n g ，r e m o v i n g o fs p a c e - h o l d e ra n ds m t e r i n gs t a g e s t h ep o r o s i t y ，m i e r o s t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i v e p r o p e r t yo f t h ef o a m sw e 船c h a r a c t e r i z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p h e r i c a lc a r b a m i d ea saf l e ws p a c e - h o l d e rc a l lb eu s e dt o p r o d u c ea l u m i n u mf o a ms a m p l e sw i t hp o r o s i t i e sb e t w e e n5 0 a n d8 0 d e p e n d i n g o nt h es h a p ed i s t r i b u t i o no f t h es p a c e - h o l d e rp a r t i c l e s , t h em o r p h o l o g yo f t h ep o r e si n t h ef o a mc a l lb ee a s i l yc o n t r o l l e d i ti sa l s op o s s i b l et oo b t a i nap u r p o s e l yt a i l o r e d d i s t r i b u t i o no f p e r es i z eo rr e l m i v ed e n s i t yi nt h ef o a mb yu s i n gs p a c e - h o l d e rp a r t i c l e s w i 也d i f f e r e n tp a r t i c l es i z er a n g e so rb yv a r y i n gt h ew e i g h tf r a c t i o no ft h ea l u m i n u m p o w d e r si nt h es i n t e r e dc o m p a c t t h ei d e a lc o m p a c t i o np r e s s u r ei s4 0 0 m p a a n dt h e o p t i m u ms i n t e r i n gp a r a m e t e r sa r e5 5 0 cf o r3h o u r s a l lt h ef o a ms a m p l e so fs p h e r i c a ls h a p ep o r e ss h o wh i g h e rc o m p r e s s i v es t r e n g t h c o m p a r i n gw i t ht h e s eo fs t r i ps h a p ep o r e so rp o l y g o n a ls h a p ep o r e s t h es p h e r i c a l e a r b a m i d ep a r t i c l ei sa ni d e a lk i n do fs p a c e h o l d e rf o rm a n u f a c t u r i n go p e nc e l l a l u m i n u mf o a m s t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ea l u m i n u mf o a m si n c r e a s e sw i t ht h ep o r o s i t y d e c r e a s i n go rt h ep o r es i z ei n c r e a s i n g t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi si na g r e e m e n tw i t h t h ev a l u ep r e d i c t e db yt h e o r e t i c a lm o d e l sf o ro p e nc e l lf o a m s t h eb e n d i n gs t r e n 垂l a i n c r e a s e sw i t had e c r e a s ei np o r o s i t y t h ee n e r g ya b s o r p t i o no ft h ea l u m i n u mf o a m s a l s oi n c r e a s e sw i t ht h ep o r o s i t y d e c r e a s i n g o rt h e p o r e s i z e i n c r e a s i n g t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs p e c i m e n sr a n g ef r o m0 2 m p at o5 5 m p aa n dt h ea v e r a g e e n e r g ya b s o r p t i o n r a t i oi sa b o u t4 1 3 k e yw o r d s ：a l u m i n u mf o a m ；c o m p r e s s i v ep r o p e r t i e s ；p o w d e rm e t a l l u r g y ； c a r b a m i d e ；e n e r g ya b s o r p t i o n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名：妥妇心签字日期：z ，。，年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：差掰导师签名： 赵丹劲 签字日期：l 一5 年7 月fi e 签字日期：川年， 月r 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 泡沫铝是一种新型功能材料，它是金属铝基体中分散着无数气泡的泡沫状的 超轻金属材料，一般孔隙率在4 5 9 8 之间。s o s n i k 在1 9 4 8 年提出利用汞做 发泡剂，在液态铝合金中气化制取泡沫铝的想法 1 。1 9 5 6 年，e l l i s t 根据这一 想法成功地制造了泡沫铝。2 0 世纪6 0 年代，美国e t h y l 公司已成为研制泡沫铝 的科研中心基地。在1 9 8 2 年以前所公布的有关泡沫铝的专利技术中，多半来自 美国的l o r 公司和e t h y l 公司。直到今天，美国、日本、英国、加拿大等国相继 研制出多种生产泡沫铝的方法，并取得了多项技术专利，已可将泡沫铝制成管材、 带材等复合材料。我国对泡沫铝的研究8 0 年代后期才起步，贵州、大连等地的 研究机构曾利用发泡法做过一些研究工作，并取得了一系列的研究成果，但尚未 取得突破性的成就，仍处于起步阶段。 泡沫金属以其独特的结构而具有许多优异的性能，兼有结构材料和功能材料 的特点。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它具备 吸声、隔热、散热、阻燃、减震、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能。 因此，它们的应用已经涉及了航天、航空、运输、电子、军工、化工、环保、能 源、机械、生物等各个高科技领域及一般工业领域，正受到越来越广泛的重视 2 8 。 1 2 泡沫铝的结构及性能特点 1 2 1 结构参数 根据泡沫铝的应用场合的不同，对其也提出了不同的性能要求，同时对其 结构参数的要求也就不同。泡沫铝的主要结构参数有：孔径、孔隙率、气孔形状 等 9 。 孔径：这是泡沫铝的基本参数，可分为体孔径和面孔径，泡沫铝孔径可在 较大范围内变化。根据制备方法的不同，孔径的可控程度和孔径的变化范围都不 同。 孔隙率：孔隙率为孔隙所占体积与总体积之比。泡沫铝孔隙率一般为4 0 第一章绪论 9 0 。但根据制备方法的不同，泡沫铝的孔隙率可在较大范围内变化。 气孔形状：由于制备方法不同，泡沫铝的气孔形状可以有多种。例如粉末 冶金发泡法制得的泡沫铝气孔可分为球状、胞状和球胞混合状三种形态；共晶法 制得的泡沫铝气孔为管状；而添加造孔剂法可以制各多种形状的气孔。 1 2 2 性能特点 泡沫铝与实体金属铝相比具有很小的密度，并以其独特的结构而具有许多 优良的力学性能和热、电等物理性能。 1 低密度 泡沫铝是在铝基体中制造大量气孔，因此它具有较小的密度，控制其孔径 和孔隙率可使其密度在很大范围内变化，目前所能获得的最大孔隙率可达9 0 以 上，一般规律是孔的尺寸越大，泡沫铝的密度越小。 2 良好的能量吸收性能 泡沫铝是由金属骨架及孔隙构成的，其力学性能主要由相对密度决定，杨氏 模量、屈服强度等都与泡沫体相对密度有很大关系，但孔的尺寸、结构与分布同 样是决定力学性能的重要参数。泡沫铝的压缩性能是其主要应用性能，其特点是 在压缩应力作用下，材料经初始弹性变形后，进入应力曲线平台，即泡沫铝开始 破裂，在泡沫破碎阶段应力基本保持不变，经过大量的塑性变形后泡沫已经全部 破碎，材料进入致密化阶段，应力迅速增加。泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向 性，也不像高分子泡沫材料具有反弹作用，它有很好的减震性能，是制造抗冲击 部件的良好材料。 3 低导热率 由于泡沫铝内部存在大量孔隙，这使其导热率随孔隙率增加呈指数下降， 其导热率仅为纯铝的1 5 1 1 5 0 ，可用作绝热材料。泡沫铝高温下不释放有害气 体，在许多场合可以取代发泡树脂和石棉类制品作为隔热与耐热材料。 4 通透性好 通孔泡沫铝具有流体可透过性，泡沫铝渗透性能随孔隙率的增加而增大， 又随两端压力差增大而增加。 5 隔音性强 1 0 - 1 2 泡沫铝的金属基体本身允许声波进入其中，使内部骨架振动而吸收声能，借 机械运动将声能转换为热能。泡内介质( 一般为空气) 在声波作用下，产生振动引 起声波射向金属表面，从而产生漫射而干涉消音。此外，泡沫内介质在声波作用 下发生压缩伸张变形，引起介质与孔壁之间摩擦，使声能转化为热能，从而具有 吸音、消音效能。 2 第一章绪论 1 3 泡沫铝的制备方法 制备泡沫铝的方法有多种，根据制备过程中铝的状态可以分为三大类：液相 法、固相法、电沉积法。分类见图1 - 1 ，图中英文为该法生产的泡沫铝商品名称。 燃 椒 妇 幕 g 职 蠼 爱 一 上 圈 曲善盆雪量量一毫-op0【i苗lu皇。一霉2ci h - i 暑一 第一章绪论 1 3 1 液相法 通过液态铝来产生泡沫结构，可在铝液中直接发泡，也可用高分子泡沫或紧 密堆积的造孔剂铸造来得到多孔材料。 1 3 1 1 熔体发泡法( d i r e c tf o a m i n g ) 在铝液中直接产生气泡可得到泡沫铝 1 3 ，1 4 。通常，气泡由于浮力而快速 上升到铝液表面，但可以加入一些细小的陶瓷颗粒增加铝液粘度阻止气泡的上 升。当前，熔体发泡主要有两种方法：直接从外部向铝液中注入气体；在铝液中 加入发泡剂。 ( 1 ) 直接注气法( f o a m i n gb yg a si a j e e t i o n ) 其生产工艺图见图1 - 2 。各种泡沫铝合金都可用此法生产，包括铸造铝合金 a 3 5 9 ，锻造合金1 0 6 1 、3 0 0 3 、6 0 6 1 等。为了增加铝液粘度，需要加入碳化硅、 氧化铝等颗粒。此方法的难点在于如何使颗粒被铝液润湿并均匀分布在液体中， 颗粒的体积分数通常为1 0 2 0 ，颗粒尺寸为5 2 01 1m 。然后把气体( 空气、 氮气、氩气) 通入铝液中，同时对液体进行搅拌使气泡细小并均匀分布，这一步 工艺的好坏将直接影响产品质量。含有气泡的铝液将浮向液面，由于颗粒的存在， 使液体中的气泡相对稳定 8 。用转动皮带将表面半固态的泡沫拉出就得到泡沫 铝板。这种方法优点是可以连续生产，可获得低密度、大体积的产品。缺点是要 对泡沫板材进行剪切，造成泡沫开孔。同时由于颗粒的加入，使胞壁变脆，对力 学性能产生不利影响。 鼬衲鳅 图1 - 2 直接注气法生产流程 f i g 1 - 2d i r e c tf o a m i n go f m e l t sb yg a si n j e c t i o n 4 q ，蛳 c = = 第一章绪论 ( 2 ) 加发泡剂法伍o a m i n gw i t hb l o w i n ga g e n t s ) 用发泡剂代替气体注入亦可得到泡沫铝，工艺流程见图卜3 。首先在6 8 0 的铝液中加入钙金属，对于实际生产，一般加入量为1 5 3 0 ( w t ) ，搅拌几 分钟增加液体粘度，钙的加入对铝液粘度的影响见文献 1 5 。钙也可用碳化硅等 1 6 颗粒代替。粘度合适后，加入t 砒。在恒压下，t i h ：分解出h 2 ，液体膨胀泡 沫化，冷却后即可得泡沫铝。t i h ：可被z r h 2 等发泡剂代替。这种方法的优点是 可制得非常均匀的泡沫，并且气孔平均尺寸和铝液粘度以及泡沫铝密度和粘度之 间存在关系e 1 5 1 7 ，使孔径可控。 t h i c k o n i n gf o a m i n gc o o l i n g f o a m e d s l i c i n g b l o c k 图1 - 3 发泡剂法制备泡沫铝 f i g i - 3d i r e c tf o a m i n go f m e l t sw i t hb l o w i n ga g e n t s 1 3 1 2 固一气共晶凝固法( s o l i d g a se u t e e t i e ) 近年来开发的一种新方法 2 ，依据是在h 2 中一些金属可形成共晶系统。在 高压h ：下( 5 x1 0 午a ) 能获得含氢的均匀铝液，如果降低温度通过定向凝固将发 生共晶转变，h 2 在凝固区域内含量增加，并且形成气泡。因为体系压力决定共晶 组成，所以外部压力和氢含量必须协调好。最终孔的形状主要取决于氢含量、铝 液外部压力、凝固的方向和速率、金属液的化学成分，通常沿凝固方向形成管状 孔，孔直径1 0i lm 1 0 r a m ，长度1 0 0pm 3 0 0 n n n 。 1 3 1 3 铸造法( e a s t i n g ) ( 1 ) 熔模铸造( i n v e s t m e n tc a s t i n g ) 熔模铸造工艺路线见图1 - 4 。先准备开孔的高分子泡沫，用耐热材料填充高 分子泡沫。耐热材料可用莫来石、酚醛树脂、碳酸钙混合物或石膏等e 1 8 ，1 9 。 然后通过加热除去高分子泡沫并将铝液铸入模型中来复原高分子泡沫的结构，这 一步可以采用加压和加热模型的方法使细小孔洞得到充分填充。最后用水溶等方 第一章绪论 法除去耐热材料，即得到与原高分子泡沫相同结构的泡沫铝。此法的难点在于如 何使铝液充分填充到模型中以及如何在不破坏泡沫铝结构的同时除去耐热模型。 优点是可制备多种泡沫金属，并且可以得到开孔结构，生产重复性好，有相对稳 定的密度 2 0 。 l 聚合物l | 浸浆并ii 除去ii 注入l l 除去i l 泡沫l l 干燥| 聚合物j i 金属液| 填充物i i l i i i 图卜4 熔模铸造法生产泡沫铝 f i g 1 - 4p r o d u c t i o no f a l u m i n u mf o a m sb yi n v e s t m e n tc a s t i n g ( 2 ) 渗流铸造( i n f i l t r a t i o nc a s t i n g ) 在无机或有机颗粒周围铸入铝液可制得多孔铝 2 卜2 3 。无机材料可用蛭石、 泥球、可溶性盐等，有机材料可用高分子颗粒。采用这种方法时，造孔剂堆积密 度要高以保证颗粒之间互相接触，以便将来除去，为了防止铝液在铸入时过早凝 固，要将造孔剂预热。由于铝液具有大的表面张力，使得铝液很难成功铸入颗粒 间隙中，所以可以先将造孔剂块体抽真空，然后加压渗透。待铝液凝固后，可用 水溶法除去造孔剂。此法的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小，缺 点是最大孔隙率不超过8 0 。 1 3 2 固相法 用铝粉末代替液铝同样可制得多孔材料。因为大部分固相法通过烧结使铝颗 粒互相联结，一铝始终保持在固态，所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。 1 3 2 1 散粉烧结法( s i n t e r i n go fa l u m i n u mp o w d e r s ) 这种生产方法包括三个过程：粉末准备，粉末压缩，粉末烧结。此方法多用 于制备泡沫铜。由于铝粉表面具有的致密氧化膜将阻止颗粒烧结在一起，因此用 散粉烧结法制备泡沫铝相对困难。这时可以通过变形手段破坏氧化膜，使颗粒更 6 第一章绪论 易粘结在一起；或加入镁、铜等元素在5 9 5 6 2 5 c 烧结时形成低共熔合金。用 散粉烧结制备的泡沫金属优点是工艺简单、成本低，缺点是孔隙率不高、材料强 度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。 1 3 2 2 粉浆烧结( f o a m i n go fs l u r r i e s ) 把金属粉浆、发泡剂、活性添加剂混合后注入模子中逐渐升温，在添加剂、 发泡剂影响下，浆开始变粘，并随气体产生开始膨胀。如果工艺参数控制得当， 在经烧结后就可得到一定强度的泡沫金属。铝粉可以用正磷酸加氢氧化铝充当发 泡剂。该法存在的主要问题是制得的泡沫材料强度不高并有裂纹。如果把粉浆直 接灌入高分子泡沫中，通过升温把高分子材料热解，烧结后同样可制得开孔泡沫 材料。 1 3 2 3 填加造孔剂法( b a s e do i ls p a c eh o l d e r ) b r a i n 等人用高分子球、镁颗粒、尿素作为造孔剂制备了多孔钛 2 4 。由于 铝表面致密氧化层使颗粒之间在烧结时结合困难，所以用此法制备泡沫铝并不 多。由于镁的加入可以有效消除氧化层的影响 2 5 3 ，赵玉园等 2 6 2 8 用类似方 法制得泡沫铝，称为烧结溶解法，其工艺流程图见卜5 。基本过程为：铝粉、 氯化钠颗粒、少量镁粉混合；将混合粉压制成块；对压制的预制块进行烧结； 烧结件在水中溶去氯化钠。 图1 - 5 烧结溶解法制备泡沫铝 f i g 1 - 5s c h e m a t i co f t h es i n c e r i n g - d i s s o l u t i o np r o c e s sf o rm a n u f a c t u r i n ga l u m i n u mf o a m s 7 第一章绪论 1 3 2 4 粉末冶金法( p o w d e rm e t a l l u r g i c a l ) 由于此法的原料是金属粉末，所以有的文献将其列入固相法 2 9 。但此法实 际的发泡阶段是在液相，因此也有文献将其列入液相法 2 。本文将其列入固相 法讨论。 粉末冶金法自发明以来，备受人们关注，许多泡沫铝性能的研究均用此法制 备试样，例如热处理性能、压缩性能等 3 0 - 3 3 1 。其工艺流程见图卜6 。首先把 铝粉、发泡剂混合后压制成致密的预制块，预制块中不能存在残留气孔或缺陷， 要不然将对产品质量造成很大影响。然后将预制块放入炉中加热，加热至铝熔点 温度附近，发泡剂开始分解，释放的气体将使铝预制块膨胀，形成多孔结构。发 泡时间依据发泡温度和预制块大小而定，一般从几秒钟到几分钟。 图l _ 6 粉末冶金法制备泡沫铝 f i g 1 - 6p r e p a r a t i o no f a l u m i n u mf o a m sb yp o w d e rm e t a l l u r g i c a l 这种方法适于制备各种泡沫金属，如纯铝和各种铸造、锻造铝合金，以及锡、 青铜、铅等其它金属。发泡剂一般用t i h 2 等金属氢化物，加入量通常 8 0 ) ， 并且孔径一般较大( 0 8 m m ) ；渗流铸造法是用陶瓷、食盐等颗粒作为造孔剂， 将造孔剂压实后将熔融的铝液用加压的方法注入造孔剂的缝隙中，除去造孔剂后 就得到泡沫铝。此方法的缺点是造孔剂必须是具有高熔点的物质，并且造孔剂颗 粒要能够容易被某种溶剂溶解。赵玉园等发明了烧结溶解法制备开孔泡沫铝，此 方法工艺简单，但得到的泡沫铝强度较低 2 6 2 8 。 开孔泡沫铝的孔径大小、孔隙率、气孔形状等参数对其在功能材料中的应用 有重要影响，上面所述的各种传统方法不能对几个主要参数进行精确控制。因此， 发展一种新的开孔泡沫铝制备方法，使泡沫铝的孔径大小、孔隙率、气孔形状等 参数精确可控，将具有重要的理论意义和实用价值。 1 5 2 本课题研究内容 本课题是依据传统的粉末冶金工艺，以铝粉为基体，不同形状的尿素颗粒、 氯化钠颗粒为造孔剂，采用真空烧结的方法制得了具有不同形状孔结构的开孔泡 沫铝 4 8 ，4 9 。本课题的主要研究内容包括： 1 采用添加造孔剂的粉末冶金法法，利用不同形状和大小的造孔剂制备不 同孔径、孔隙率、气孔形状的开孔泡沫铝，并使三个主要参数达到精确 控制。 2 研究烧结前制备工艺参数对开孔泡沫铝的影响；烧结工艺最佳化的确定， 主要是烧结温度的比较、烧结时间的确定，并结合理论进行分析；比较 不同造孔剂对泡沫铝性能的影响。 3 研究不同气孔形状对泡沫铝性能的影响，分析孔隙率、孔径对泡沫铝压 缩性能和能量吸收性能的影响；利用经典理论对得到的性能结果进行分 析，并用经典的模型和自己得到的性能数据进行拟合。 第二章泡沫铝的制各及试验方法 2 1 试验材料 第二章泡沫铝的制备及试验方法 2 1 i 基体金属的选择 在众多可泡沫化金属中，铝储量丰富、密度小、制造成本低、性能优良，已 经在制造业和建筑等行业中得到广泛应用。因此泡沫铝具有良好的应用前景，受 到各国学者的广泛关注和研究。本实验的所用的铝粉是雾化铝粉，其成分见表 2 - 1 ，纯度为9 9 9 ，其形貌如图2 - 1 ( a ) 扫描电镜照片所示，平均粒径5 0 p m 。 表2 - 1 雾化铝粉的化学成分( w t ) a ls if e7 mc uvn i 9 9 9o 0 3o 0 20 0 4 10 0 0 2 o 0 0 10 0 0 2 2 1 2 造孔剂的选择 添加造孔剂的粉末冶金法对造孔剂的要求为：有适当的强度，能够承受一定 的压力而不破碎；良好的去除性，易于从铝的基体中去除；来源广，价格低廉。 基于以上要求，n a c l 颗粒是最为常用的造孔剂颗粒，但n a c l 颗粒形状大多为多 棱角状。泡沫铝的孔形状是其重要的基本参数，因为球形的各向同性，所以球形 孔对于泡沫铝来说是最为理想的孔结构，但常用的n a c l 颗粒很难变成球形。本 试验选取球形尿素颗粒为造孔剂，其本身是一种农业上常用的化学肥料。这种尿 素颗粒有均匀的球形结构，并且颗粒表面光滑，这些特点将有利于泡沫铝性能的 提高。同时，这种尿素颗粒非常便宜，在市场上容易买到。经过筛选，球形尿素 颗粒的直径分别为：1 6 0 2 o o 哪，0 9 0 1 6 0 m ，0 6 6 0 9 0 m m ，0 4 5 o 6 6 r a m ， o 4 5 r a m 。 为了研究孔结构对于泡沫铝性能的影响，本试验还选用自然结晶的长条状尿 素颗粒作为对比造孔剂。传统的n a c l 颗粒也作为对比造孔剂来比较不同种类造 孔剂对泡沫铝性能产生的影响。图2 - 1 ( b ) ( d ) 展示了三种不同造孔剂的形貌： 2 - 1 ( b ) 为平均直径为l m m 的球形尿素颗粒；2 - 1 ( c ) 为长度2 m m 左右的长条型尿素 颗粒；2 1 ( d ) 为粒径0 9 0 1 6 0 r a m 的多棱状氯化钠颗粒。 第二章泡沫铝的制备及试验方法 图2 - 1 原料的典型形貌： ( a ) 铝粉；( b ) 球形尿素颗粒；( c ) 长条形尿素颗粒；( d ) 多棱状氯化钠颗粒 f i g2 - 1t y p i c a lm o r p h o l o g i e so f r a wm a t e r i a l s ：( a ) a l u m i n u mp o w d e r s ；c o ) s p h e r i c a le a r b a m i d e p a r t i c l e s ；( c ) s t r i ps h a p ec a r b a m i d ep a r t i c l e s ；( d ) n a c ip a r t i c l e s 2 2 试验设备及仪器 在试验过程中，试样制备所用的仪器和设备包括： 1 真空干燥箱：天津天宇技术有限公司生产的d z g - 4 0 1 型电热真空干燥箱， 工作电压2 2 0 v ，额定功率1 k w ，使用温度范围1 0 2 0 0 c 。 2 液压机：天津第二锻压机床厂生产的y 4 1 2 5 b 型液压机，电源额定电压 3 8 0 v ，频率5 0 h z ，耗电设备满载电流6 8 a 。 3 混料机：自制滚筒式混料机，转速为7 0 r m i n ，用于雾化铝粉和造孔剂颗 粒的混合? 4 恒温电热水浴锅：天津泰斯特仪器有限公司生产的d k 一9 8 1 型恒温电热 水浴锅，功率5 0 0 w ，调节温度为3 7 1 2 0 。 5 电子天平：上海精密科学仪器有限公司生产的j a 2 0 0 3 型电子天平( 量程 2 0 0 9 ，精密度1 0 4 9 ) 。 6 真空烧结炉：沈阳天成真空技术有限公司生产的真空烧结炉，其烧结时 真空度为1 0 3 1 矿p a ，烧结温度范围4 0 0 11 0 0 c ，真空烧结炉示意图 见图2 2 。 1 4 第二章泡沫铝的制各及试验方法 图2 2 真空烧结炉的外观照片 f i g 2 - 2t h ea s p e c tp h o t o g r a p ho f v a c u u ms i n t e r i n gf u f n a c ：e 在完成试样的制各后，在测试过程中用到的测试仪器为： 1 o l y m p u s 体视显微镜( 放大倍数8 x 2 0 ) 。 2 o l y m p u sb x 5 1 m 型金相显微镜( 放大倍数5 0 x 1 0 0 0 x ) 。 3 c s s - 4 4 1 0 0 电子万能试验机。 4 p h i l i p se s e mx l 3 0 型扫描电子显微镜。 2 3 试样制备及试验方法 本实验中泡沫铝的制备依据传统的粉末冶金工艺，添加造孔剂经真空烧结制 成。试样制备采取的粉末烧结法主要工艺过程包括：原料准备，粉末混合、粉末 压制、除去造孔剂和真空烧结五个过程，工艺流程见图2 3 。 2 3 1 原料准备 主要是对铝粉j 造孔剂颗粒进行前期处理。由于购买的尿素颗粒和n a c l 颗 粒粒度不均匀，首先用标准筛网将球形尿素颗粒筛分成不同大小颗粒( o 4 5 m m 、 0 4 5 o 6 6 嘞、0 6 6 o 9 0 m 、0 9 0 1 6 0 m m 、1 6 0 2 o o m m ) ，以此用以改变 泡沫铝的孔径大小。为了研究不同孔形状对泡沫铝的影响和不同类型造孔剂对工 艺过程的影响，0 9 0 1 6 0 r m 大小的长条状自然结晶尿素颗粒和n a c l 颗粒也被 筛分出来做对比试验。 第二章泡沫铝的制各及试验方法 图2 3 粉末烧结法制备开孔泡沫铝工艺流程图 f i g 2 - 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h ep r o d u c t i o no f t h eo p e nc e l la l u m i n u m f o a m 2 3 2 粉末混合 经压制得到的泡沫铝压坏预制件的孔分布是否均匀，混粉是非常关键的一 步。由于尿素颗粒和n a c i 颗粒在空气中容易吸收水份，所以在混粉前先把尿素 颗粒和n a c i 颗粒在干燥箱中7 0 ( 2 烘干3 0 r a i n 。然后将不同粒度的球形尿素颗粒 与铝粉按一定的计算体积比( 孔隙率分别为5 0 、6 0 、7 0 、8 0 ) 进行混合，置 于原料瓶中。长条状自然结晶尿素颗粒和n a c i 颗粒作为造孔剂时只制备孔隙率 为7 0 的泡沫铝做对比试验。造孔剂和铝粉的粒径相差较大，在混合时有分散 倾向。经多次实验发现添加少量无水乙醇有利于增加混粉的均匀性，无水乙醇最 佳添加量为每1 0 9 铝粉、造孔剂混合物添加约i m l 无水乙醇。把无水乙醇加入原 料瓶中后开始混粉，少量原料手动混粉即可。混粉时间约1 5 m i n ，使铝粉均匀附 着在尿素颗粒上，且原料瓶壁上基本无铝粉附着。混粉时间过短，铝粉就不能完 全附着在造孔剂表面；混粉时间过长，附着的铝粉可能会大量从造孔剂表面脱落。 大量原料混粉可使用混粉机，混粉机的转速为7 0 r m i n ，混粉时间根据混合粉的 多少而定。混粉结束后，要立刻进行压制，混合粉放置过久，无水乙醇会大量挥 发，附着的铝粉会和造孔剂分离。 2 3 3 粉末压制 本实验所用模具主要为圆柱状套筒式模具，压制试样的尺寸为由2 0 x 2 0 珊n 3 ， 实验压制压力为1 0 0 4 0 0 m p a ，保压时间为3 0 s ，装粉前以硬脂酸锌酒精溶液作 为润滑剂涂于模具内壁以减少摩擦和防止试样掉角，同时便于压坯脱模。圆柱型 1 6 第二章泡沫铝的制备及试验方法 试样将进行压缩试验、宏观结构观察、扫描电镜结构观察。试样尺寸为3 5 x1 2 8 x 6 b 邱h 3 的试样也被压制，用来做弯曲试验。制备的试样形状示意图如图2 4 所示。 2 3 4 造孔剂去除 图2 - 4 试样形状示意图 f i g 2 - 4t h eo u t e rs h a p eo f t h es a m p l e s 首先将压坯预制件放入自制的金属网中，将金属网固定在水浴槽中，这样可 以防止溶解时试样在水中飘动，四处撞击而造成自身破坏。将水温调节为8 0 c 进行溶解，每1 h 换一次水。尿素溶解度较大，经大量试验，水浴溶解5 h 即可使 尿素颗粒充分溶解。n a c l 水中溶解度较小，溶解2 4 h 才能将其充分溶解。溶解 完成后放入真空干燥箱进行烘干，以备最后的真空烧结步骤使用。由于未烧结的 预制件强度并不是很大，因此，在此步骤操作过程中要小心谨慎，防止试样的边 角在水溶过程中脱落。 2 3 5 真空烧结 将溶解烘干后的压坯预制件在真空度约1 0 。p a 、5 0 0 6 0 0 c - f 进行真空烧 结，烧结时间1 3 h 。由于溶解时有无法避免的残余尿素碎屑，加热温度超过其 熔点时，尿素会直接分解为氨和二氧化碳，使成品泡沫铝中无残留尿素存在，相 比于采用高熔点和沸点n a c l 颗粒作为造孔剂粒子的方式，这也是此工艺的优点 之一。图2 - 5 是真空烧结工艺流程。 第二章泡沫铝的制备及试验方法 图2 - 5 真空烧结工艺曲线 f i g 2 - 5t e c h n i c a lc u r v eo f t h ev a c u u ms i n t e r i n g 2 4 测试方法及设备 根据泡沫铝的主要应用场合及本试验的目的，本试验主要对泡沫铝的孔隙 率、显微结构、宏观结构、金相显微组织、压缩性能、弯曲性能等进行了测试。 2 4 1 压坯致密度的计算 为确足试样的最佳毖制j 盘力，试样征j 盘制后焉计算敏密度。具体计算公式如 下： 一镣 沦t ， ，绝十m ， 强论5 习蒜( 2 - 2 ) 砌对2 篆 防s ， 上式中m 诜样和v 料分别表示试样的实际质量和体积；m l 表示试样中铝粉的 质量，d f 表示铝的密度；m 2 表示试样中造孔剂的质量，p 2 表示造孔剂的密度。 p 毯赠 第二章泡沫铝的制备及试验方法 本试验中：p l = 2 7 9 c m 3 ；p 腓= 1 3 3 5 9 c m 3 p n 妇= 2 1 7 9 c 一。 2 4 2 孔隙率的计算 本实验中，试样按照其原料尿素颗粒的直径大小及理论孔隙率被分为多组， 烧结后试样的真实孔隙率需要计算，方法如下： 1 使用游标卡尺测出泡沫铝试样的尺寸，求出试样的体积v ( 包含了所有 孔隙) ； 2 用电子天平称出试样的质量m 1 ； 孔隙率= l 一墨笋 ( 2 4 ) r 式中p l 是铝的密度。 2 4 3 金相组织观察 1 把泡沫铝试样进行镶样，在操作过程中尽量把泡沫铝的孔洞用镶样填料 填满； 2 把镶好试样要观察的表面用砂纸由粗到细打磨； 3 把打磨平整的试样用布轮抛光机抛光。由于试样很软，所以抛光时使用 的是专用的绒布。抛光试样时，抛光液中可加入少量洗洁灵( 由于铝硬 度小，而且有掉渣现象，加洗洁灵可使铝和抛光布接触面光滑，容易抛 光，达到更好的效果) ； 4 由于组织本身的特点，抛光好的试样无需腐蚀即可在1 0 0 1 0 0 0 倍的光 学显微镜下观察试样的微观结构。 2 4 4 宏观孑l 结构观察 对泡沫铝的宏观孔结构进行观察，目前常用的方法是先把泡沫铝的孔灌入环 氧树脂，然后进行打磨抛光。这样的好处是防止在打磨抛光时铝屑把孔堵塞，影 响孔结构的观察。由于本试验采用的是添加造孔剂的方法，因此在不考虑真空烧 结过程中铝基体收缩的情况下，压制后压坏预制件和最后成品泡沫铝的孔结构是 相同的。所以，本试验的宏观孔结构观察在压制后进行，主要步骤为： 1 把压制的泡沫铝预制件从要观察的方向切开； 2 用砂纸将要观察面打磨平整，由于预制件未烧结，所以其强度较低，打 磨时应该小心，防止预制件破碎； 1 9 第二章泡沫铝的制各及试验方法 3 用无水乙醇将打磨表面擦拭干净，一是可以去除表面尿素颗粒的碎屑； 二是可以增加观察表面的对比度，便于观察照相； 4 体视显微镜上进行观察照相。 2 4 5 扫描电镜分析 用p h i l i p sx l 3 0 型环境扫描显微镜( e s e m ) 观察原料的形貌以及泡沫铝试 样的断口形貌、孔壁结构、微观孔结构。 2 a 6 压缩性能试验 压缩试验选用尺寸约为巾2 0 x 2 0 m m 3 的圆柱形试样，测试方法如下： 1 测量试样尺寸：用游标卡尺测量试样高度h o ，测量试样两端及中部的三 处截面积的直径，取三处的最小值为d 0 ，计算截面积； 2 把试样放置在万能实验机的圆形支承座的中心位置上；缓慢均匀加载， 横梁下降的速度为3 r m n m i n ，直到泡沫铝试样被完全压缩后停止加载； 3 万能试验机将自动记录实验中应力与应变的数据； 4 根据试验机记录数据作出压缩曲线。 2 4 7 三点弯曲性能测试 取长条型泡沫铝试样在c s s - 4 4 1 0 0 型电子万能试验机上进行三点弯曲测试。 设置最大压力为3 0 k n ，横梁下降速度为1 衄m i n 。泡沫铝试样的尺寸为3 5 x1 2 5 x 6 5 m 3 。 第三章开孔泡沫铝的制备工艺和孔结构与性能的关系 第三章开孔泡沫铝的制备工艺和孔结构与性能的关系 3 1 引言 在制备开孔泡沫铝的方法中，由于粉末冶金法制备的泡沫铝的孔隙率、孔径 大小及孔结构比较容易控制，因而此方法倍受人们的关注。目前粉末冶金法制备 泡沫铝的方法中，研究较多的是粉体发泡法和烧结溶解法，这两种方法各有利弊： 粉体发泡法制备的泡沫铝结合强度较高，但是孔隙率、孔结构及孔分布不易控制； 烧结溶解法制备工艺简单，制各的泡沫铝的孔隙率、孔结构及孔分布能得到较好 的控制，但是制备的泡沫铝力学性能较差。 本课题以传统粉末冶金法为依据，以铝粉为基体，尿素颗粒、n a c l 颗粒为造 孔剂，探索了一种制备开孔泡沫铝的新工艺添加造孔剂法，通过一系列的试 验和性能测试确定最佳的制备工艺参数。目的在于制备孔径大小均匀一致，孔隙 率严格可控，球形孔结构均匀分布的开孔泡沫铝，使泡沫铝的性能在传统制备工 艺基础上有较大提高。图3 - 1 展示了本方法制备的成品开孔泡沫铝。本章将从烧 结前最佳工艺参数的确定、烧结工艺最优化、孔结构对泡沫铝性能的影响等几个 方面来对开孔泡沫铝进行研究。 图3 - 1 开孔泡沫铝照片 f i g 3 - 1ar e p r e s e n t a t i v ep i c t u r eo f t h eo p e nc e l la l u m i