Koper-gedeponeerde koolstofvesel aluminium skuim toebroodjie paneel prestasie eienskappe in vergelyking met konvensionele aluminium skuim toebroodjie paneel

Aluminium skuim toebroodjie(AFS) panele het 'n kombinasie van strukturele en funksionele eienskappe soos lae digtheid, hoë spesifieke sterkte, gunstige energie-absorpsie, dempvermoë en elektromagnetiese afskerming. Hierdie uitstekende eienskappe maak dat AFS groot potensiaal het in lugvaart, vervoer en mariene velde. In vergelyking met skaars metaalskuim, kan die buitenste metaalplate van AFS die skuim effektief verseël en sy omvattende meganiese eienskappe, soos trek- en buigsterkte, verbeter. Oor die algemeen is die AFS vervaardig deur middel van kleefbindingsmetode, wat behels die heg van die aluminiumskuim aan soliede metaalpanele met behulp van epoksiehars-kleefmiddel.

Alhoewel die gombindingsmetode strukturele demping effektief verbeter, gaan dit gepaard met beperkings, insluitend uitdagings in herwinning en vatbaarheid vir delamineringsfout onder hoë temperatuur of korrosiewe toestande. Om hierdie beperkings aan te spreek, is uitgebreide navorsingspogings toegewy om metallurgiese binding tussen die paneel en die kernlaag te bewerkstellig.

Tans word die oorheersende voorbereidingsmetodes vir AFS wat daarop gemik is om metallurgiese binding te bereik, oor die algemeen in drie kategorieë geklassifiseer: sweis-, smeltskuim- en verpakkingsrolpoeiermetallurgiemetode. Onder hierdie metodes word die verpakkingsrolpoeiermetallurgiemetode as beter beskou vir die beheer van porieëstruktuur en die bereiking van lae-temperatuur skuim. Ons vorige werk het hierdie tegnologie gebruik om grootgrootte AFS te vervaardig met beter uitbreidingseienskappe en sellulêre struktuur vir industriële toepassings.

As gevolg van die relatief lae kompressiewe meganiese eienskappe van die skuimkern, is die verbetering van die meganiese sterkte van die AFS egter beperk, so verdere verbetering van die sterkte van die skuimkern is van kardinale belang vir die AFS.

Tot op datum, die algemene metodes gerapporteer om die kompressiewe meganiese eienskappe van te verbeteraluminium skuimis soos volg: oppervlakbehandeling, hittebehandeling en versterking deur deeltjies, vesels, legeringselemente by te voeg, ens. Onder hulle het kort koolstofvesels met lae digtheid, hoë elastiese modulus en groot aspekverhouding wye aandag getrek as belowende versterkingsmateriale. Bowendien verbeter oppervlakmetallisering van koolstofvesels, deur elektroplatering of chemiese platering soos koperplatering of nikkelplatering, die benatbaarheid van die koolstofvesels in die aluminiumsmelt verder en vermy skadelike grensvlakreaksies tussen die koolstofvesels en die aluminiumsmelt. Kort koolstofvesel word nou wyd gebruik om aluminiummatriks-samestellings te versterk.

Bhav Singhetal. voorbereide koperbedekte koolstofvesels versterkte aluminiummatriks-samestellings deur roergietmetode. Muetal. vervaardigde aluminium matriks-komposiete versterk met nikkel-bedekte koolstofvesels met behulp van die twee-rol gietmetode. Die resultate het 'n beduidende verbetering in die treksterkte van die komposiete getoon met die byvoeging van koolstofvesels. Daar is egter beperkte navorsing gedoen ooraluminium skuim versterkmet koperbedekte koolstofvesels. Caoetal. eerste voorbereide koperbedekte koolstofvesels versterkte aluminiumskuim deur die smeltskuimmetode. Die resultate demonstreer dat 0.35 vol% van Cf die aluminiumskuim kan stabiliseer deur die breek van vloeistoffilm te voorkom, en hoe meer die hoeveelheid vesels wat by die skuim gevoeg word, meer stabiel is. Muetal. het getoon dat die dempingseienskappe van aluminiumskuim wat deur die smeltskuimmetode voorberei is aansienlik verbeter is met die byvoeging van Vgl.

Gevolglik kan die gevolgtrekking gemaak word dat die byvoeging van Cf 'n effektiewe strategie kan wees om terselfdertyd die skuimstabiliteit en meganiese eienskappe vanaluminium skuim. Verder is daar geen verslae oor koper-geplateerde koolstofvesels versterkte aluminium skuim toebroodjie panele wat deur die poeiermetallurgie metode voorberei is nie, wat navorsers motiveer om meer in-diepte studies in hierdie veld uit te voer.

Talle studies is uitgevoer oor die nukleasiemeganisme en stabiliteit vanaluminium skuimmet die toevoeging van versterkingsfases. Die verskille in poriegetal en poriemorfologie,

soos grootte, verspreiding en vorm, word gewoonlik aan kernvormingsmeganismes en stabiliteit toegeskryf. Heterogene nukleasie-effekte en oksiednetwerk-stabiliseringsmeganismes in poeiermetallurgiestelsel is volledig ondersoek. Kwaternêre legeringspoeiers bestaande uit Al-Si-Mg-Cu wat in hierdie vraestel gebruik word, het buitengewone uitsettingstempo's en lae skuimtemperature getoon, met 'n solidus-temperatuur van 507 ◦C en 'n likwidustemperatuur van 596 ◦C. Nietemin is daar 'n gebrek aan navorsing rakende die kernvormingsmeganisme, stabiliteit en kompressiewe meganiese eienskappe van poeierkompakte wat hierdie spesifieke legeringsamestelling bevat, veral wanneer Vgl. In vorige werke is ondersoeke na kernvorming en stabiliseringsmeganismes hoofsaaklik uitgevoer deur nie-in situ metodes, wat die tomografiese ontleding van monsters behels het wat vinnig afgekoel is na skuimonderbreking. Ongelukkig vind submikron-borrelkern hoofsaaklik plaas tydens voorloperverhitting en brei dit vinnig uit binne tydintervalle wat strek van 100 ms tot 1 s, wat dikwels uitdagings bied vir intydse waarneming. Die moderne sinchrotronbestraling X-straalbeeldtegniek beskik oor hoë energie en tydruimtelike resolusie, wat intydse, in situ waarneming van die kernvorming en groeiproses van aluminiumskuim by verhoogde temperature moontlik maak. Tans het slegs beperkte navorsers die skuimkinetika van Al-Si-Mg-legeringspoeier deur sinkrotronbestraling ondersoek. Byvoorbeeld, García-Morenoetal. beduidende dinamiese verskynsels in vloeibare aluminiumskuim gerapporteer, insluitend kernvorming en groei, borrelherrangskikking, vloeistofterugtrekking, agglomerasie en filmbreuk. Kamm et al. het die kernvorming en groeiproses van AlSi8Mg4-aluminiumskuim deur sinkrotronbestraling bestudeer. Hul bevindinge het aangedui dat waterstof wat gegenereer word deur die ontbinding van adsorbate op die metaalpoeier se oppervlak nog 'n beduidende kernvormingsmeganisme verteenwoordig. Tog is die interaksie tussen voorloperkomponente ingewikkeld, en die dinamika van skuimvorming kan deur hul samestelling beïnvloed word. Vir beide die Al-Si-Cu-Mg-poeierstelsel en die Al-Si-Cu-Mg-poeierstelsel met bygevoegde Cf, is begrip en ondersoek van die aanvang en groei van metaalskuim van kardinale belang vir die verdere strukturele ontwikkeling van die skuim om eienskappe te verbeter vir aansoeke.

In hierdie werk is Cf/AFS en AFS met metallurgiese grensvlakbinding voorberei deur die verpakkingsrolpoeiermetallurgiemetode. Die borrel-evolusie van Cf/AFS en AFS is in situ waargeneem deur sinchrotronbestraling om die meganisme van Cf op borrelkernvorming, groei en samesmelting, en stabiliteit te openbaar. Daarbenewens is Cf/AFS en AFS geskuim by 620 ◦C vir 15 min in 'n kameroond. Vervolgens is die poriegrootteverspreiding, poriemikrostruktuur en kompressiewe meganiese eienskappe van die skuimmonsters gekarakteriseer en getoets. Gebaseer op die voorgenoemde studies, is die struktuur en druksterkte van Cf/AFS en AFS sistematies geëvalueer.

2. Materiale en metodes

2.1. Grondstowwe

Ses grondstowwe is gebruik vir die voorbereiding van die AFS en Cf/AFS: Al-poeier (gemiddelde grootte: 45 μm, suiwerheid >99.70%), Si-poeier (gemiddelde grootte: 38 μm, suiwerheid >99.50%), Cu-poeier (gemiddelde grootte: 38 μm, suiwerheid >99.90%), Mg poeier (gemiddelde grootte: 75 μm, suiwerheid >99.70%), TiH2-poeier (gemiddelde grootte: 45 μm, suiwerheid >99.70%), en koperbedekte koolstofvesel (gemiddelde grootte: 1~2 mm, dikte van koperbedekt: 1.4 μm).

2.2. Vervaardiging van Vgl/AFS

Die skematiese van die verpakking rollende poeier metallurgie metode word geïllustreer inFig. 1. Tydens die mengstadium is die kwaternêre legering AlSi6Mg4Cu4 poeier voorberei, met poeiers van Al, Si, Cu en Mg in proporsies van onderskeidelik 86 gew.%, 6 gew.%, 4 gew.% en 4 gew.%. 1 gew.% geoksideerde TiH2-poeier (hittebehandeling in lug vir 1.5 uur by 470 ◦C) is bygevoeg as 'n blaasmiddel wat H2 vinnig vrystel by die smelttemperatuur wat die smelt uitbrei. Daarbenewens is 0.5 gew.% koolstofvesels as versterkingsfases ingewerk. Veral, om benatbaarheid te verbeter en skadelike reaksies soos Al4C3 by die vesel-aluminium-smeltvlak tydens skuiming te voorkom, is koolstofvesels deur middel van elektroplatering met koper bedek. Die elektroplateringsproses is beskryf in Verw.Fig. 2toon die koperbedekte koolstofvesels wat deur die stroomlose plateringsproses verkry is. Die deklaag het eenvormige en deurlopende bedekking van die veseloppervlak(Fig. 2(a)–(b)). Vervolgens is die verskillende legeringssamestellings wat in hierdie studie gebruik is, voorberei deur bogenoemde poeiers met en sonder Cf in 'n driedimensionele menger deeglik te meng vir 3 uur. Die eenvormig gemengde poeier word in 'n verseëlde holte ingekapsuleer, gevolg deur koue- en warmrolprosedures.

Die kouerolstadium ontruim effektief lug vanuit die holtes en die interstisiële spasies tussen die deeltjies deur 'n reeks veelvuldige deurgange en klein depressies. Die warmrolstadium verseker dat die voorloper 'n relatiewe digtheid van meer as 98% bereik deur die mede-vervorming van die paneel en poeier, wat die daaropvolgende skuimproses vergemaklik. Gedetailleerde rolprosesparameters word beskryf in Verw. AFS en Cf/AFS skuimbare voorlopers word verkry deur die voorgenoemde proses. Uiteindelik is beide skuimbare voorlopers vir 15 minute by 620 ◦C verhit om Cf/AFS- en AFS-monsters te vervaardig, wat gebruik is vir porieëgrootte-analise, mikrostrukturele karakterisering en kompressiewe meganiese eienskappe toetse.

2.3. Karakterisering en toetsmetodes

2.3.1. Mikrostrukturele karakterisering

Die Mikrostruktuur morfologie van die Cf/AFS en AFS is ondersoek deur veld emissie skandeer elektronmikroskopie (SEM, Zeiss Ultra Plus). Energie dispersiewe spektroskopie (EDS) is gebruik om die samestelling van verskeie fases in die selwande van die skuimmonsters te identifiseer. Longitudinale snitte van die monsters is verkry deur die skuimmonsters te sny met behulp van die elektro-ontladingsmasjien (EDM, DK7745). Hierna is die monsters se lengtegedeeltes met verf bedek en dan geskuur en gepoleer met onderskeidelik 800-grint en 1500-grint skuurpapier. Uiteindelik is die ekwivalente sel deursnee (Dmean) van die gepoleerde monster deursnee bepaal met behulp van beeldanalise sagteware, Image Pro Plus 6.0.

Fig. 1.Skematiese van die verpakking rollende poeier metallurgie metode.

Fig. 2.SEM-beelde van die (a) koperbedekte koolstofvesels, en (b) toon 'n vergrote aansig van die streek gemerk deur 'n rooi vierkant in (a). Beelde (c) en (d) is die EDS-resultate van punt A in (b).

Fig. 3.Skematiese diagram van die sinchrotronbestralingseksperimentopstelling.

2.3.2. In-situ skuimwaarnemings deur sinkrotronbestraling

Die skematiese diagram van die sinchrotronbestralingseksperimentopstelling word in gesketsFig. 3. Die eksperimente is uitgevoer by straallyn 4W1A van die Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF, Beijing Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, China). Anders as konvensionele absorpsie-kontrasbeelding, gebruik hierdie vraestel fase-kontrasbeelding met die Synchrotron Radiation Light Source. Hierdie benadering spreek die beperkings van tradisionele absorpsiebeelding aan, wat ondoeltreffend is vir die visualisering van swak absorberende stowwe. Die skuimproses van die monsters is uitgevoer binne 'n pasgemaakte skuimoond, met 'n vierkantige venster van 15 mm by 15 mm wat loodreg op die X-straalstraalrigting geplaas is. Die steekproefgrootte, soos uitgebeeld in Fig. 3, meet 15 mm × 15 mm × 2 mm. Die monster word in 'n skuimvorm geplaas wat uit 'n sekere aantal keramiekplate bestaan. Dwarsdeur die skuimproses kan X-strale deur die monster gaan en word deur 'n ladinggekoppelde toestel (CCD) kamera vasgevang. Die gekose X-straalbron werk teen 'n intensiteit van 20 Kev, en 'n maksimum besigtigingsgrootte van 7.4 mm × 7.4 mm is gebruik om omvattende waarneming van die hele skuimproses moontlik te maak.

Dit is opmerklik dat die waargenome monsters op 'n wyse loodreg op beide die rolrigting en die tangensiële rigting geposisioneer is. Beide die voorlopers wat 0.5 gew.% Cf bevat en dié sonder 0.5 gew.% Cf se sypanele is van beide kante van die monsters verwyder deur gebruik te maak van EDM. Die effek van Cf op die skuimeienskappe van aluminiumskuim is ondersoek. Verder is die voorlopers met verskillende samestellings in dieselfde verhittingsoond geskuim teen 'n voorafbepaalde temperatuur van 620 ◦C.

2.3.3. Kompressie meganiese eienskappe toets

Die drukmonsters is deur EDM in silindriese monsters gesny met 'n hoogte van 23 mm en 'n deursnee van 20 mm, en elke rigting is verseker om ten minste 10 volledige porieë in te sluit om grootte effek te vermy. Kwasistatiese kompressietoetse is uitgevoer volgens die standaarde ISO13314–2011 en GB/T31930–2015, met behulp van 'n AG-XPLUS elektron universele materiaaltoetsmasjien met 'n maksimum lasvermoë van 100 KN. Drie monsters is vir elke groep getoets, en die drukspanning-rek-krommes in hierdie vraestel verteenwoordig die gemiddelde resultate verkry van die drie getoetste monsters. Alle toetse is onder verplasingsbeheer uitgevoer, met die handhawing van 'n konstante kruiskopspoed van 2 mm/min (wat ooreenstem met 'n aanvanklike vervormingstempo van 10−3 s−1) by kamertemperatuur.

Fig. 4.Tyd-geëvolueerde sinchrotron straling beelde van Cf/AFS skuim proses: (a) ongeskuimde voorloper by t0 oomblik van 380 ◦C; (b)–(c) ontbinding van elementêre koper en tipe II-kernvorming tydens voorlopersmelting; (d)–(g) heterogene kernvorming en groeiprosesse van borrels; en (h)–(i) borrels wat saamsmelt en bars.

3. Resultate en bespreking

3.1. In situ skuimgedrag onder sinchrotronbestraling

3.1.1. Skuim evolusie van Cf/AFS

Fig. 4vertoon 'n reeks sinchrotronstralingsbeelde wat die skuimproses van die Cf/AFS uitbeeld. Die oorspronklike beelde van die Cf/AFS(Fig. 4 (a))is vasgelê toe die matriks in die vaste toestand was by 380 ◦C, en hierdie tyd is as t0 gestel. In vergelyking met die ander komponente in die voorloper, lyk Cf swart binne die oorwegend grys aluminiumryke matriks. Dit kan toegeskryf word aan die hoë koperinhoud op die veseloppervlak, soos getoon inFig. 2(c)–(d), wat die grootste relatiewe atoommassa het in vergelyking met die ander komponente van die voorloper. Boonop word waargeneem dat die meerderheid van Cf verspreid en apart is, eerder as saamgegroepeer, soos uitgebeeld inFig. 4(a). Dit impliseer dat met 'n 0.5 wt% byvoeging van Cf, 'n 3 uur roerproses effektief die verlangde toestand van dispersie kan bereik.

By t0+194s (soos gesien inFig. 4(b)), kan 'n aansienlike aantal wit, byna sferiese borrels met deursnee wat wissel van 90 μm tot 180 μm in die grys aluminiummatriks (met die rooi pyl gemerk) waargeneem word. Die aantal borrels het binne 46 s bly toeneem, soos getoon inFig. 4(c). Daarbenewens is nog 'n noemenswaardige verandering wat in die matriks plaasvind, dat sommige klein borrels geneig is om op die oppervlak van Cf te vorm met die aanvang van Cu-oplossings (gemerk met die rooi stippelblokkie). Hierdie verskynsel word waarskynlik toegeskryf aan tipe II-kernvorming wat binne die koperbevattende poeierkompakte voorkom. Dit word algemeen erken dat die byvoeging van Cu die smelttemperatuur van legerings aansienlik verlaag. Dit lei tot gelokaliseerde smelting rondom individuele poeierdeeltjies in die poeiervoorloper wat koperpoeier bevat tydens die verhittingsproses, wat 'n aansienlike hoeveelheid Al-Si-Mg-Cu kwaternêre eutektiese smelt by laer temperature genereer. Die kwaternêre eutektiese smeltpoel is geneig om 'n swak streek in die legering te wees en is meer geneig tot kernvorming. As gevolg hiervan is dit meer geneig om borrels te kernvorm en naby die koperbedekte op die veseloppervlak te groei. Verder veroorsaak die lae vloeistoffraksie in die matriks op hierdie oomblik dat gasse van die ontbinding van TiH2 maklik in die aluminiummatriks ophoop. Tipe II-kernvorming kan effektief verhoed dat die opgehoopte gas die lae vloeistoffraksiematriks uitmekaar dwing en krake deur die vloeistof voortplant, wat lei tot ernstige verlies van die hoeveelheid waterstof.

Fig. 4(d)toon die borrels aanvanklik kern en groei op die gebied van die Cf soos die matriks heeltemal smelt, en die borrelplekke stem ooreen met die verdwynende koperbedekte laag (gemerk met die rooi stippelblokkie). Dit is goed vasgestel dat die byvoeging van sekondêre fases die aantal heterogene kernvormingsplekke verhoog, en sodoende die energieversperring vir die vorming van nuwe borrels binne die legeringssmelt verminder. Intussen is kernvormingstempo verwant aan die totale heterogene kernvormingsoppervlakte per eenheid volume. Gevolglik kan daar waargeneem word dat die borrels aanvanklik kern vorm by die plekke waar koolstofvesels geleë is en langs die lengte van die koolstofvesel uitsit. Met 'n verdere toename in die smeltfraksie, gaan talle nuwe borrels voort om uit te komFig. 4(e)–4(g). Die tempo van gelokaliseerde samesmelting en breek van die borrels is egter stadig, wat aandui dat die borrels hoë stabiliteit besit. By t0+426s neem die aantal borrels aansienlik toe, en

die voorlopervolume vertoon groot uitbreiding(Fig. 4(h)). Verder is die voorkoms van een of ander borrelsamesmelting (gemerk met die rooi pyl), waar klein borrels deur groteres geabsorbeer word as gevolg van Ostwald-rypwording, 'n onvermydelike proses tydens die evolusie van metaalskuim [40]. Hierdie rypwordingsverskynsel lei ook tot die verskyning van 'n klein aantal groot en onreëlmatige borrels (gemerk met die rooi pyl inFig. 4(i)).

Fig. 5.Tyd-geëvolueerde beelde van die skuimproses van AFS in verskillende stadiums: (a) ongesmelte voorloper by t0 oomblik van 380 ◦C; (b) ontbinding van elementêre koper en tipe II-kernvorming tydens voorlopersmelting; (c) kernvorming en groeiprosesse van borrels; en (d)–(f) borrels wat saamsmelt en bars.

3.1.2. Skuim evolusie van AFS

Fig. 5 demonstreer 'n reeks sinchrotronbestralingsbeelde wat die skuimproses van AFS illustreer. Soortgelyk aan Cf/AFS, is die aanvanklike beeld vir die sinchrotronbestralingsvolgorde vasgelê toe AFS in die vaste fase by 380 ◦C was (sienFig. 5(a)). Wanneer die matriks bo die solidus-temperatuur verhit word, word klein wit borrels sigbaar inFig. 5(b) en (c), as gevolg van die ontbinding van TiH2 en die voorkoms van tipe II-kernvorming in die Cu-ryke streek. Die aantal borrels wat egter gegenereer word en hul verspreidingsdigtheid inFig. 5(c)is aansienlik laer in vergelyking metFig. 4(c). Dit dui daarop dat Cf/AFS meer kanale verskaf vir vroeë gasvrystelling tydens kernvorming, wat die oormatige vorming van krake in aluminiummatriks met lae vloeistoffraksie voorkom.

'n Minder aantal AFS-kernvormingsplekke en 'n groter waarskynlikheid van abnormale borrelgroei in vergelyking met Cf/AFS kan waargeneem word vanafFig. 5(d)–(f). Die evolusie van AFS-borrels is onreëlmatig, en hul groottes vertoon wye fluktuasies as gevolg van die naasbestaan ​​van beide mikrometer-grootte borrels en abnormaal millimeter-grootte groot borrels (gemerk met die rooi pyl). Boonop kan hierdie onstabiliteit en inhomogeniteit tydens die vroeë kernvormingsproses beduidende verskille in die finale poriestruktuur en meganiese eienskappe tussen AFS en Cf/AFS tot gevolg hê.

3.2. Makrostruktuur analise

Om die verskille in makroskopiese porie morfologie en porie deursnee tussen AFS en Cf/AFS te ondersoek, is twee toebroodjie strukture voorberei onder laboratorium toestande by 'n skuim temperatuur van 620 ◦C vir 15 min. Die makrostrukture en selgrootte verspreiding van AFS en Cf/AFS word inFig. 6. Die vergelyking van vertikale snitte van die twee toebroodjiestrukture-monsters toon dat die Cf/AFS-skuim fyner selle het en minder defekte soos breuk of samesmelting van selle (sienFig. 6 (b)). Inteendeel, soos aangetoon inFig. 6(a), die AFS vertoon swak porie homogeniteit met die teenwoordigheid van sommige abnormaal groot porieë. Intussen was die ekwivalente porie deursnee vir AFS en Cf/AFS onderskeidelik 2.9 ± 0.2 mm en 1.9 ± 0.1 mm, wat daarop dui dat die porie deursnee verder verfyn is deur die byvoeging van Cf (sienFig. 6(c) en (d)).

Die evolusie van die poriestruktuur word deur twee mededingende meganismes beïnvloed: die ontbinding van TiH2 en die samesmelting en breek van die skuim. Die ontbinding van TiH2 dra by tot die toename in die aantal kernvorming, porositeit en uitsettingtempo, terwyl die samesmelting en breek van borrels die aantal porieë verminder en die deursnee van die porieë vergroot. Die vermindering van borrelsamesmelting en skeurgebeure dra by tot die verkryging van 'n beter sellulêre struktuur. Daarom is die hoë stabiliteit van die skuim nodig om die homogeniteit van die poriestruktuur tydens die skuimproses te handhaaf. Vir Cf/AFS verbeter die byvoeging van Cf die benatbaarheid van die vesels met die aluminiumsmelt aansienlik. Soortgelyk aan die gerapporteerde Cf-versterkte aluminiumskuim [44] wat deur die smeltskuimmetode voorberei is, stabiliseer die byvoeging van Cf die aluminiumskuim deur selwandbreuk te voorkom en agglomerasie te verminder. Intussen kan Cf 'n netagtige struktuur in die selwand skep, wat 'n skeidingskrag genereer en die breek van borrels voorkom, en sodoende die selstruktuur, skuimstabiliteit en eenvormigheid van die porieëverspreiding verbeter.

3.3. Mikrostrukturele karakterisering

Fig. 7(a)toon die mikrostruktuur van die selwand na skuiming met AFS. Soos gerapporteer vir AlSi6Cu4Mg4-legeringsskuim, is eutektiese Al-Si, Mg2Si, Al2Cu en Al5Cu2Mg8Si6 teenwoordig in die legering, wat in ooreenstemming is met die bevindinge verkry uit EDS-analise inFig. 7(b). Hierdie bros fases verminder die meganiese eienskappe van die aluminiumskuim deur die poriewand te verswak of as 'n bron van krake tydens vervorming op te tree. Daarom is die verbetering van die meganiese eienskappe van die poriewand deur die byvoeging van versterkingsfases 'n lewensvatbare en effektiewe strategie.

Vir Vgl/AFS kan dit waargeneem word vanafFig. 7(c) en (d)dat die Cf binne die selwand of aan die rand van die selwand versprei is, wat aandui dat Cf uitstekende benatbaarheid met die aluminiumsmelt het. Verder is dit opvallend (verwys naFig. 7(d)) dat 'n geringe hoeveelheid van die gepresipiteerde fase Al2Cu by die raakvlak tussen die vesels en die aluminiumsmelt vorm. Hierdie verskynsel dra by tot die bereiking van 'n sterk binding tussen die vesels en die matriks. Die vordering van hierdie diffusiereaksie kan intuïtief waargeneem word inFig. 4(a)–(c). Let daarop dat die gepresipiteerde fase nie die koolstofvesels heeltemal omring nie, en die toestand en hoeveelheid van hierdie verspreiding is voordelig vir Cf/AFS. Gebaseer op die studie van Lv et al, op Cf versterkte aluminium matriks saamgestelde materiale, is daar gedemonstreer dat die toepaslike hoeveelheid gepresipiteerde fase die grensvlakbindingsterkte kan beïnvloed en reguleer.

Fig. 6.Vertikale afdelings van verteenwoordigende steekproef (a) AFS en (b) Vgl/AFS. Die ekwivalente deursnee teenoor oppervlakte breuke wat ooreenstem met (a) en (b) word onderskeidelik in (c) en (d) uitgebeeld. Die soliede deurlopende lyn in (c) en (d) verteenwoordig die log-normale passing. Regressie (R2 ) verteenwoordig die goedheid van fiksheid.

Fig. 7.SEM-beelde (a) en (b) toon die mikrostrukture wat ooreenstem metFig. 6(a) AFS enFig. 6(b) Vgl/AFS, onderskeidelik, verder,Fig. 7(b) en (d) toon gelokaliseerde vergrotings vanFig. 7(a) en (c), onderskeidelik.

3.4. Meganisme van Cf stabiliserende Al-Si-Mg-Cu-skuim

Gebaseer op die bogenoemde analise, word 'n skematiese voorstelling van die skuimmeganisme vir Cf/AFS en AFS opgesom inFig. 8. Die beduidende verskille tussen Cf/AFS en AFS in die nukleasiestadium, borrelgroei en samesmeltingstadium, en die geleidelike stollingsstadium, soos geïllustreer inFig. 8(a) en (b).

Fig. 8.Skematiese diagram van Cf/AFS en AFS skuimgedrag: (a) Cf/AFS; en (b) AFS.

In die kernvormingstadium van AlSi6Cu4Mg4-legeringsskuim, is borrels geneig om in die vloeibare kwaternêre eutektika rondom die koperdeeltjies te kernvorm, eerder as om te kernvormig by die ligging van die TiH2-deeltjies. Hierdie tipe kernvorming in die swakste gebied van die voorloper (tipe II-kernvorming) verskaf meer ontsnapkanale vir die gasse wat deur TiH2-ontbinding vrygestel word, wat die ophoping van gasse vermy en veroorsaak dat krake in die aluminiumsmelt voortplant. Die byvoeging van koperbedekte koolstofvesels skep blykbaar verder meer kanale vir die vrystelling van H2. Aangesien die aluminiumsmelt egter op hierdie stadium nie voldoende vloeistoffraksie het nie, is dit moeilik vir sulke klein borrels om 'n voldoende bron van H2 te hê om aan te hou groei. As gevolg hiervan bars hierdie klein borrels binne die smelt as die temperatuur styg. Wanneer die voorloper heeltemal gesmelt is, sal die H2 wat vrygestel word van die gewelddadige dehidrogeneringsreaksie van TiH2 kernvorm en vinnig groei gebaseer op die kernvormingspunt. Die Cf verskaf talle heterogene kernvormingsplekke vir die generering van borrels, wat die nukleasietempo's aansienlik verhoog. Terselfdertyd inhibeer die teenwoordigheid van Cf effektief die kontak en samesmelting van die primêre borrels en vermy die vorming van abnormale groot borrels.

Tydens die groei- en samesmeltingstadium van die borrels verbeter die byvoeging van Cf die skuimstabiliteit aansienlik. Die rede is dat Cf en aluminiumsmelt goeie benatbaarheid het, en die vesels kan maklik tussen die twee gas-vloeistof-koppelvlakke vasgevang word om 'n netwerkstruktuur te vorm (soos getoon inFig. 7(c)). Soos die vloeistoffilm verdun word, kan die vesels 'n skeidingsdruk opwek om suiging vanaf die platogrens te weerstaan, en sodoende verhoed dat die vloeistoffilm breek. So Cf/AFS benodig langer skuimtyd in vergelyking met AFS, met hoër stabiliteit wat die eenvormigheid van die poriestruktuur kan handhaaf tydens die evolusie van die skuim.

Tydens die stadige stollingstadium groei borrels in Cf/AFS nie meer nie en word die vesels binne die selwand ingebed (met die rooi stippelblokkie gemerk). Hierdie retensie van vesels verhoed die absorpsie van klein borrels deur groteres, soos gesien in Ostwald-rypwording, en inhibeer selwandbreuk as gevolg van stollingsuitsetting. As gevolg hiervan, vertoon Cf/AFS 'n meer homogene porieëstruktuur en minder porieë defekte in vergelyking met AFS.

3.5. Meganiese eienskappe

Die drukspanning-rek-krommes vir Cf/AFS en AFS met byna dieselfde porositeit (83.2% en 81.4%, onderskeidelik) word aangebied inFig. 9(a). Die drukspanning-rek-kromme vertoon 'n duidelike driestadium-eienskap, wat die lineêre elastiese gebied, plato-gebied en verdigtingsgebied insluit. Die druk-opbrengsterkte van AFS en Cf/AFS was onderskeidelik 8.44 MPa en 11.87 MPa. Die drukopbrengssterkte van Cf/AFS is met 40.6% verhoog in vergelyking met AFS. Intussen is die energie-absorpsiekapasiteit van Cf/AFS beter as dié van AFS by dieselfde spanning, soos getoon inFig. 9(b). Die energie-absorpsiekapasiteite van AFS en Cf/AFS is ongeveer 3.3 MJ/m3 en 6.1 MJ/m3, onderskeidelik. Die energie-absorpsiekapasiteit van Cf/AFS is met 84.8% verbeter in vergelyking met AFS.

Fig. 9.Drukspanningstrein-krommes en energie-absorpsiekapasiteitkrommes van Cf/AFS en AFS: (a) drukspanningstreinkurwes; (b) energie absorpsie kapasiteit kurwes.

Die inkorporering van Cf het die meganiese eienskappe van die skuimkern aansienlik verbeter. Dit is welbekend dat die meganiese eienskappe vanaluminium skuimis nou verwant aan die poriestruktuur en stutmeganiese eienskappe. Makrostrukturele analise het aangedui dat die byvoeging van Cf die porieëgrootte verfyn, porieëverspreiding verbeter en porieëdefekte verminder het. Soortgelyk aan die bevindinge van Sasikumar et al. en Yangetal. klein porie deursnee en nou porie verspreiding is meer voordelig om die druksterkte en energie absorpsie doeltreffendheid te verbeter. Boonop is die effek van mikrostruktuur op die meganiese eienskappe van die skuim hoofsaaklik te wyte aan die Cf wat in die poriewande van die skuim ingebed is. Die diffusie en oplos van die koperbedekte van die koolstofvesels in die aluminiummatriks kan 'n stewiger grensvlakbinding tussen die vesels en die aluminiummatriks verkry, wat bydra tot lasoordrag. Die hoë modulus-koolstofvesel wat in die poriewand vasgekram is, kan die vervorming van die poriewand onder druklading beperk en die lasdravermoë verbeter. Al hierdie faktore bevoordeel Cf/AFS om hoër opbrengssterkte en energie-absorpsievermoë in vergelyking met AFS te bereik.

4. Gevolgtrekkings

Die Cf/AFS en AFS is in hierdie werk voorberei deur die verpakking rolling poeier metallurgie metode. Die skuimgedrag van Cf/AFS en AFS is dinamies waargeneem deur sinkrotronbestraling tot

die invloed van Cf op die borrelkernvorming en -groei te ondersoek. Daarbenewens is Vgl oor die porie morfologie, porieë verspreiding en kompressie eienskappe van aluminium skuim deeglik ontleed. Die belangrikste gevolgtrekkings is soos volg:

(1) Sinkrotronbestraling in situ waarnemings toon dat beide Cf/AFS en AFS skuimprosesse drie afsonderlike stadiums vertoon: borrelkernvorming, borrelgroei en samesmelting, en stolling.

In vergelyking met AFS, toon die skuimproses van Cf/AFS hoër stabiliteit en borreluniformiteit. AFS is meer geneig om abnormaal groot en growwe porieë te vorm tydens die porie-evolusieproses. Daarbenewens word die ongelykheid toegeskryf aan die heterogene kernvormingseffek van Cf, wat borrelwandbreuk voorkom en samesmelting verminder terwyl die kernvormingtempo verhoog word.

(2) Die byvoeging van 0.5 gew.% Cf verfyn die ekwivalente porie deursnee van 2.9 ± 0.2 mm tot 1.9 ± 0.1 mm, wat growwe porieë defekte aansienlik verminder. Terselfdertyd openbaar die mikrostruktuur goeie benatbaarheid van Cf, wat langs die poriewand en gas-vaste stof koppelvlak versprei word, waardeur skuimstabiliteit verbeter word.

(3) In vergelyking met AFS, het die drukvloeisterkte en energie-absorpsievermoë van die Cf/AFS met ongeveer 40.6% en 84.8% onderskeidelik toegeneem. Die bevindinge van hierdie studie kan idees verskaf vir die versterking van aluminium skuim toebroodjie panele met metallurgiese binding koppelvlakke wat die potensiaal het vir ingenieurstoepassings in die veld van motor- en lugvaartnywerhede.

Artikel uit Journal of Materials Research and Technology