Forskningsframsteg av nytt funktionsmaterial Aluminiumskum

1. Introduktion

Skummad aluminium är en ny typ av funktionsmaterial, som är ett skum-liknande ultra-lätt metallmaterial med många bubblor utspridda i metallaluminiummatrisen, och den allmänna porositeten är 40 procent ~98 procent. 1948 föreslog Sonik en metod för att framställa skummad aluminium genom att förånga och skumma kvicksilver i aluminium, och sedan framställde Elliot framgångsrikt skummad aluminium 1951. På 1960-talet blev American Ethyl Company en bas för vetenskapligt forskningscenter för utveckling av aluminiumskum. 1991 utvecklade Japans Kyushu Institute of Industrial Metals en processväg för industrialisering av skummad aluminium, och nu kan stora och små delar tillverkas med metallskumning och perkoleringsmetoder. Fram till idag har USA, Japan, Storbritannien, Frankrike, Kanada och andra länder successivt utvecklat ett antal tekniska patent. I mitt land har en del undersökande arbete också utförts på grundforskningen om framställningsprocessen för skummad aluminium, och vissa framsteg har gjorts.

Aluminiumskum har många utmärkta egenskaper tack vare sin unika struktur. Det har inte bara de lätta egenskaperna hos porösa material, utan har också utmärkta mekaniska egenskaper och termiska, elektriska och andra fysiska egenskaper som metaller har, såsom penetration, dämpning, energiabsorption, hög specifik yta, elektromagnetisk skärmning och andra egenskaper. Nu är de huvudsakliga användningsområdena för skummad aluminium: brandsäkra och ljud-absorberande paneler, stötenergiabsorberande material, byggnadspaneler, halvledargasdiffusionsplattor, värmeväxlare, elektromagnetisk skärmning och så vidare. Den kan användas inom metallurgi, kemisk industri, flyg, skeppsbyggnad, elektronik, biltillverkning och konstruktion, och tillämpningsområdet utökas ständigt.

2. Beredningsmetod för aluminiumskum

2.1 Gjutmetod

Gjutmetoden används i stor utsträckning vid tillverkning av skummad aluminium, och beredningsmetoden är relativt mogen. Flera relaterade metoder introduceras nedan.

2.1.1 Släckningsgjutningsmetod

Perkolationsgjutmetoden är att infiltrera hög-temperatur flytande metallaluminium i fyllnadspartiklarnas hålrum under ett visst tryck, och avlägsna de lösliga partiklarna som är inneslutna i aluminiumlegeringen efter stelning, det vill säga för att erhålla skummad aluminium med en sammankopplad cellstruktur. Denna metod kan ytterligare delas in i infiltrationsgjutningsmetod för övre tryck och infiltrationsgjutningsmetod med negativt tryck. Den övre trycksvavlingsgjutningsmetoden är ett elektrodmaterial med styrka, hög ledningsförmåga, utmärkt värmeöverföring och krypmotstånd jämfört med undertrycksinfiltrationsgjutmetoden.

(3) Den genomsnittliga livslängden för Al2O3-dispersion-förstärkta kopparelektroder för svetsning av 1,5 mm tjocka aluminiserade stålplåtar är 7200 punkter, vilket mycket väl kan möta behoven för CPT-explosionssäker-remsvetsning.

Det har fördelarna med enkel processdrift, snabb förvärmningshastighet, hög produktivitet och avkastning, stor säkerhetsfaktor, liten utrustningsinvestering och enkel mekaniserad produktion. Bland dem är valet och bearbetningen av fyllmedelspartiklar mycket kritiskt, vilket har följande egenskaper: tillräcklig värmebeständighet, inte smälter vid hälltemperaturen; tillräcklig styrka och styvhet, inte bruten och deformerad under inverkan av läckagetryck; bra borttagning Fyllmedelspartiklarna i de tre-dimensionella porerna kan avlägsnas helt med ett lösningsmedel eller vattenlösning efter att aluminiumvätskan stelnat; kemisk stabilitet, reagerar inte med aluminiumvätskan. Denna metod är enkel att använda och den genomsnittliga porositeten kan nå 70 procent, vilket är bekvämt för storskalig produktion. För närvarande används perkolationsmetoden inte bara vid tillverkning av aluminiumskum, utan även vid tillverkning av skummaterial som zink, magnesium, bly, tenn och järn, som kan användas för att tillverka detaljer med komplexa former.

2.1.2 Lägg till boll-metod

Kultillsatsmetoden är att lägga till partiklar eller ihåliga sfärer till den flytande aluminiumlegeringen, förstärka omrörningen och gjuta aluminiumvätskan som fortfarande är i relativt flöde för att erhålla en aluminiumlegering och partikelkomposit, och sedan lösa upp och ta bort aluminiumlegeringsmatrisen . Lösliga partiklar och ett anslutet-aluminiumskum erhölls.

2.1.3 Investeringsgjutningsmetod

Först används ett tre-dimensionellt kontinuerligt skumsvampmaterial med en viss porositet som grundmaterial, och sedan spolas ett lätt--avlägsnat eldfast material in i svampen{{ 3}}som skum, torkat och härdat för att bilda en prefabricerad form, och sedan bränt för att härda det eldfasta materialet och göra det. Skumsvampen förångas och sönderdelas, och sedan placeras förformen i en metallform, hälls i smält metall, och ett visst tryck appliceras på den eller vakuumgjutning utförs för att fylla formens porer med smält metall, och den avlägsnas efter kylning. Blocket av eldfast material kan erhållas tre-dimensionellt nätverk genom-cellaluminiumskum. Aluminiumskummet som produceras av denna investeringsgjutningsförberedelseprocess har god tre-penetration, och processen har ett brett spektrum av tillämpningar och är icke-frätande och har goda förutsättningar för tillverkning av vätska -permeabla produkter.

2.1.4 Skummetod

Det finns två typer av gasskumningsmetod och metallvätskeskumningsmetod. Gasskumningsmetoden är att blåsa in gas i den smälta metallsmältan för att skumma metallsmältan. Gasen som används för skumning kan vara syre, argon, luft, vattenånga, koldioxid, etc. Den tekniska nyckeln är att smältan ska ha en lämplig viskositet, metallens sammansättning ska säkerställa ett tillräckligt brett skumtemperaturområde, och bildat skum bör ha tillräcklig stabilitet för att säkerställa att skummet inte går sönder under den efterföljande uppsamlings- och formningsprocessen. Gasskumningsmetoden är för närvarande den billigaste metoden för att tillverka metallskum. Storleken på skummet är mycket stort och porositeten hos skummade aluminiumprodukter kan nå 97 procent. Den flytande metallskumningsmetoden användes i stor utsträckning under de tidiga dagarna, främst tillsatte TiH2, ZrH2, CaH2 och andra skumningsmedel till den flytande aluminiumlegeringen, och sedan upphettning för att sönderdela skummedlet för att frigöra gasen och gasens expansion. aluminiumlegeringen till ett skum, och sedan kyls Det vill säga den skummade aluminiumprodukten erhålls. Aluminiumskummet som framställs med denna metod tillhör slutna-aluminiumskum. Strukturen och porositeten hos porerna är relaterade till viskositeten hos den smälta metallen och skumningstiden. Att kontrollera den smälta metallens viskositet och skumningstiden under smältningsprocessen kan styra porositeten. Porerna är dock oberoende av varandra, deras storlek och fördelning är ojämn, och kontrollen är komplicerad.

2.1.5 Eutektisk stelningsmetod

Gasen har en viss löslighet i den smälta metallen, och den ökar med ökningen av tryck och temperatur. När lösligheten av gasen i metallen når ett förutbestämt värde, genomgår metallen och gasfasen eutektisk stelning för att erhålla det önskade aluminiumskummet. , genom att exakt kontrollera kylningsförhållandena (tryck, kylhastighet, värmeavledningsriktning), kan isotropa och anisotropa aluminiumskum med hög-porositet med olika porformer erhållas [18].

2.2 Deponeringsmetod

2.2.1 Sputterdeponeringsmetod

Sputterdepositionsmetoden är att använda sputteringstekniken för att jämnt spraya pulvret med inert gas på aluminiumlegeringsmetallen och värma det till metallens smältpunkt, så att gasen som tillsätts i metallmatrisen expanderar till hål, och efter kylning, det är En skummad aluminium med en skumstruktur erhålls. Porvolymfraktionen av produkten som erhålls med denna metod kan kontrolleras genom att styra partialtrycket för den inerta gasen i avsättningen, och massfraktionen av inneslutningsgasen kan varieras inom området {{0} },015 procent till 0,23 procent .

2.2.2 Ångavdunstning

I en inert atmosfär med relativt högt tryck (102~103 Pa) förångas metallaluminium långsamt, och de förångade metallatomerna genomgår en serie kollisioner och sprids med den inerta gasen i processen att avancera och förlorar snabbt kinetisk energi, som sålunda delvis kondenseras för att bilda metallrök. Metallångan avsätts under inverkan av sin egen gravitation och bärs av det inerta gasflödet, och fortsätter att svalna under den nedåtgående processen och når slutligen basen. På grund av dess låga temperatur är det svårt för atomer att migrera eller diffundera, så metallrökspartiklarna är bara löst staplade för att bilda cellskumstruktur. Aluminiumskummet som produceras med denna teknik skiljer sig från det skummade aluminiumet med en makroskopisk struktur. Den består av ett stort antal metallpartiklar och mikroporer i sub-mikron-skala, och dess densitet är cirka 1 procent av densiteten för modermetallen aluminium, och minimum är 0,15 procent.

2.2.3 Elektrodeposition

Den här metoden är att täcka den skummade plasten med flera steg såsom uppruggningsbehandling, sensibilisering och aktiveringsbehandling, kemisk för-plätering och kemisk plätering, etc., och sedan värma upp skumplasten för att sönderdelas för att erhålla skummad aluminium. Bland dem spelar de två processerna för sensibilisering och aktiveringsbehandling en mycket viktig roll. Sensibiliseringsbehandling är att få ytan på den uppruggade delen att adsorbera de reducerande jonerna, så att under jonaktiveringsbehandlingen bildar delens yta ett skikt med katalytiska egenskaper. Ädelmetallskiktets roll, så att den strömlösa plätering kan utföras spontant, så att skummet blir en halvledare, vilket i sin tur främjar framgången med galvanisering av aluminium. Aluminiumskummet som framställs med denna metod har goda poranslutningar, jämn fördelning och stor porositet, men tjockleken på produkten är begränsad och kostnaden är hög.

2.2.4 Smält salt galvanisering av aluminium

Smält saltgalvaniseringsaluminium är ett slags poröst aluminiumskum tillverkat genom elektroavsättningsprocess i smält salt innehållande aluminiumsalt, med skumplast som elektrodkatod och aluminiumplatta som anod. Aluminiumskummet som tillverkas med denna metod har hög porositet och likformiga porer.

2.3 Pulvermetallurgi

2.3.1 Pulverskumningsmetod

Pulverskumningsmetoden är att blanda aluminiumpulver med ett skummedel (TiH2), och axiellt komprimera det vid en viss temperatur för att erhålla en förform med en lufttät struktur. En metod för att expandera produkten för att erhålla skummad aluminium. Blandning, pressning och skumning är de tre viktiga länkarna i pulverskumningsmetoden. Samtidigt, genom att justera parametrarna i skumningsprocessen (mängden skummedel, skumningstemperatur och skumningstid), kan skummad aluminium med olika cellstruktur erhållas.

2.3.2 Slamformningsmetod

Slamgjutningsmetoden är att bilda en suspension av metallaluminiumpulver, skummedel (fluorvätesyra, aluminiumhydroxid eller ortofosforsyra) och organisk bärare, röra om det till ett tillstånd som innehåller skum och sedan lägga det i en form och värma det efter kalcinering , kan solid metallaluminium med porös struktur erhållas. Denna metod användes ursprungligen för att tillverka skummade Be-, Fe-, Cu- och rostfria material, och senare för att skapa skummad aluminium. Men produktstyrkan är mycket låg.

2.3.3 Pulverformningsmetod

Pulverformningsmetoden är en metod för att blanda metallaluminiumpulver med ett skummedel (TiH2), forma det genom kallt eller varmt tryck och sedan sintra det till skummad aluminium. Den har två viktiga fördelar: den ena är att den kan användas för ett bredare spektrum av legeringskompositioner än andra metoder, och därigenom kontrollerar aluminiumskummets mekaniska egenskaper; Sandwich-formade aluminiumskum och aluminiumskum-fyllda turbinstrukturer

2.3.4 Lös pulversintringsmetod

Principen för löspulversintringsmetoden är att när de fina partiklarna är i kontakt med varandra kan de bindas till varandra genom inverkan av ytspänning. Dessa fina metallaluminiumpulver läggs i formen för sintring, och partiklarna binds till varandra för att bilda en porös sintrad kropp. Denna metod kan också användas för att producera filter med en porositet på vanligtvis 40 till 60 procent.

2.3.5 Impregneringssvampsintringsmetod

Inom pulvermetallurgi kan det svampiga materialet också användas som en tillfällig stödstruktur för att generera likformiga aluminiumskum med hög -porositet. Det svampiga organiska materialet skärs till önskad form och infiltreras sedan med en slurry som innehåller metallaluminiumpulvret som ska bearbetas (bäraren för suspensionen är vatten och organisk vätska). Den nedsänkta svampen -liknande organiskt material torkas för att avlägsna flussmedlet, och efter kylning kan den skummade metallaluminiumet med en tredimensionell struktur med hög porositet- erhållas. Metoden används också för att producera skummade silverskivor med porositet på 70 till 90 procent.

2.3.6 Fibersintringsmetod

Metallaluminiumtråden som används i denna metod är en metalltråd erhållen genom mekanisk dragning eller andra metoder. Metallaluminiumtråden görs till en filtring genom slipgjutning eller mekanisk filtringmetod och sintras sedan för att uppnå den erforderliga styrkan. och porositet. Det porösa aluminiumskummet som framställs med denna metod har helt enastående fördelar: högre porositet än pulversintring kan erhållas, upp till 95 procent; alla porer är sammankopplade porer; den maximala porositeten bibehålls fortfarande. Strukturella egenskaper; vid samma porositet är styrkan och segheten flera gånger högre än för pulvermetallurgi. Den kan också användas för att tillverka olika metallfilter, såsom rostfritt stål, koppar, nickel, nikrom, etc.

2.3.7 Sintringsupplösningsmetod

Sintringsupplösningsmetoden är en ny metod för tillverkning av skummad aluminium som utvecklats under de senaste åren. Det är en metod för att framställa genom-cellaluminiumskum genom att blanda, trycksätta, sintra och lösa upp aluminiumpulver och fyllmedelspartiklar. Den har egenskaperna att formen, storleken, porositeten och fördelningen av porer kan kontrolleras exakt, och den har ett bra omfattande index för kvalitet och pris. Det är en effektiv metod för att framställa aluminiumskum med medium-densitet med likformiga eller fina öppningar med lutning.

3. Egenskaper och tillämpningar av aluminiumskum

När det gäller struktur kan aluminiumskum delas in i två typer: stängda-aluminiumskum och öppna-aluminiumskum. De organisatoriska och morfologiska egenskaperna hos aluminiumskum, inklusive strukturen av porer (öppna eller slutna), relativ täthet, porstorlek, porform, porväggtjocklek, anisotropi, etc. Elektronmikroskopi och röntgentomografi används för analys och forskning, och forskningen inom detta område utvecklas snabbt. På grund av olika strukturer är dess egenskaper väldigt olika, så det har olika användningsområden. Jämfört med traditionell metallaluminium har skummad aluminium följande egenskaper och används ofta inom metallurgi, kemisk industri, flyg-, varvs-, elektronik-, biltillverknings- och byggindustri. och andra områden har använts i stor utsträckning.

3.1 Låg densitet

Eftersom aluminiumskum har stora och små porer i aluminiummatrisen har det en mindre densitet. Densiteten för aluminiumskum kan variera inom ett brett intervall, och den maximala porositeten som kan erhållas för närvarande kan nå 97 procent, och dess porstorlek varierar från flera mikrometer till tiotals millimeter. Ju lägre densitet. Kan användas i packboxar, speciellt flygfraktcontainrar.

3.2 Stark värmebeständighet

Skummad aluminium har hög värmebeständighet, och det kommer inte att smälta även om det når smältpunkten för legeringen. I allmänhet varierar smälttemperaturen för aluminiumlegeringar från 560 till 700 e, men det skummade aluminiumet smälter inte ens när det värms upp till 1400 grader. Dessutom släpper det inte ut skadliga gaser vid höga temperaturer och kan ersätta skumplast och asbestprodukter som värme-isolerande och värme-beständiga material och kärndelar i olika värmeväxlare i många tillfällen.

3.3 God permeabilitet

Aluminiumskum kan användas som ett filtermaterial för att filtrera bort fasta partiklar från vätska eller gas. I allmänhet ökar permeabiliteten med ökningen av porstorleken, men den påverkas också av ytjämnhet. permeabilitet. Den kan användas för att tillverka filter för olika vätskor och gaser.

3.4 Stor specifik yta

Genom att använda den stora specifika ytan av aluminiumskum för att uppnå hög värmeväxling är det ett bra material för att tillverka värmare och värmeväxlare. Dessutom kan den också användas som bärare för kemiska reaktioner som kräver en stor yta, såsom en katalysatorbärare. , porösa elektroder, plattmaterial för laddningsbara batterier, värmeväxlare, energiabsorbenter och katalysatorbärare, etc.

3.5 Stark ljudisolering

Aluminiumskum kan absorbera ljudenergin genom hålväggens vibrationer och kan användas för att dämpa och ta bort ljud. Generellt sett är ljudabsorptionsprestandan för genomgående-aluminiumskum bättre. Hålets storlek påverkar dess absorptionsprestanda för hela ljudvågsfrekvensområdet. Ju mindre hål, desto större ljudabsorptionsförmåga.

Hög ljudabsorptionsprestanda kan erhållas genom att ändra storleken och formen på aluminiumskumporerna. Den kan användas för inrednings- och exteriördekorationer, gardinväggar, skiljeväggar rörliga dörrpaneler i byggbranschen, tillverkning av hög-ljudabsorberande-paneler, ljud-isolerande väggar, olika ljuddämpare etc.

3.6 Har en hög prestanda för att absorbera stötenergi

Skummad aluminium är inte riktad som bikakematerial, och har inte heller en rebound-effekt som polymerskummaterial. Den har goda stötdämpande egenskaper och är ett bra material för att göra slagtåliga-delar. Den kan användas i bilbromsar, spännare och skyddshylsor och stötfångare i flygutrustning. Storleken på dess dämpning är relaterad till storleken på porstorleken på porerna. Den kan användas för säkerhetskuddar för hissar och transportörer, stötdämpande och energiabsorberande foder för hög-slipskydd, baser för hög-precisionsmaskiner, etc.

3.7 Mekaniska egenskaper

De mekaniska egenskaperna hos aluminiumskum bestäms främst av dess densitet, men storleken, strukturen och fördelningen av porer är också viktiga parametrar som bestämmer de mekaniska egenskaperna. Under inverkan av tryckspänning, efter att materialet genomgår initial elastisk deformation, kommer aluminiumskummet in i spänningskurvans plattform, det vill säga aluminiumskummet börjar brista och spänningen förblir i princip oförändrad under skumkrossningssteget. Efter en stor mängd plastisk deformation har skummet brutits helt och materialet går in i den täta Under den kemiska fasen ökar spänningen snabbt. Både Youngs modul och skjuvmodulen för aluminiumskum ökar med ökningen av densiteten.

3.8 Elektromagnetisk skärmningsprestanda

Aluminiumskum har en bra avskärmande effekt på hög-elektromagnetiska vågor, vilket kan minska elektromagnetiska störningar med mer än 80 procent. Stängda-aluminiumskum med en tjocklek på 5 mm och en porositet på 90 procent, den elektromagnetiska skärmningsprestandan vid 60 ~ 1000MHz är 35 ~ 75dB, som kan användas i elektromagnetiska skärmningsrum (kåpor), elektroniska instrumenthöljen, radioinspelningsrum, elektromagnetisk skärmning och andra tillfällen.

3.9 Övriga fastigheter

Aluminiumskum har även gaskänslighet, brandbeständighet, katalys etc. Den elektriska ledningsförmågan hos skummad aluminium påverkas kraftigt av den relativa densiteten, medan storleken på porstorleken har liten effekt på den elektriska ledningsförmågan. Det förväntas ha goda tillämpningsmöjligheter inom nya områden som flyg, telekommunikation och miljöskydd.