Karakteristike performansi sendvič panela od aluminijumske pene od ugljeničnih vlakana u poređenju sa konvencionalnim sendvič panelom od aluminijumske pene

Sendvič od aluminijumske pene(AFS) paneli imaju kombinaciju strukturnih i funkcionalnih karakteristika kao što su niska gustina, visoka specifična čvrstoća, povoljna apsorpcija energije, kapacitet prigušenja i elektromagnetna zaštita. Ova izvrsna svojstva čine da AFS ima veliki potencijal u svemirskim, transportnim i pomorskim poljima. U poređenju sa jedva metalnim pjenama, vanjske metalne ploče AFS-a mogu efikasno zatvoriti pjenu i poboljšati njena sveobuhvatna mehanička svojstva, kao što su zatezna čvrstoća i čvrstoća na savijanje. Generalno, AFS je proizveden metodom lepljenja, što podrazumeva pričvršćivanje aluminijumske pene na čvrste metalne ploče pomoću lepka od epoksidne smole.

Iako metoda adhezivnog vezivanja efikasno poboljšava strukturno prigušivanje, ona je praćena ograničenjima, uključujući izazove u recikliranju i podložnost kvaru raslojavanja pod visokim temperaturama ili korozivnim uslovima. Kako bi se odgovorilo na ova ograničenja, opsežni istraživački napori su posvećeni postizanju metalurške veze između ploče i sloja jezgre.

Trenutno, preovlađujuće metode pripreme za AFS sa ciljem postizanja metalurškog vezivanja generalno su klasifikovane u tri kategorije: zavarivanje, pjenjenje od taline i metoda metalurgije praha za pakovanje. Među ovim metodama, metoda metalurgije praha za pakovanje se smatra superiornom za kontrolu strukture pora i postizanje pjene pri niskoj temperaturi. Naš prethodni rad koristio je ovu tehnologiju za proizvodnju AFS velikih dimenzija sa boljim svojstvima ekspanzije i ćelijskom strukturom za industrijsku primjenu.

Međutim, zbog relativno niskih tlačnih mehaničkih svojstava pjenastog jezgra, poboljšanje mehaničke čvrstoće AFS-a je ograničeno, pa je dalje poboljšanje čvrstoće pjenaste jezgre ključno za AFS.

Do danas su objavljene uobičajene metode za poboljšanje kompresivnih mehaničkih svojstavaaluminijska pjenasu: površinska obrada, termička obrada i ojačanje dodavanjem čestica, vlakana, legirajućih elemenata, itd. Među njima, kratka karbonska vlakna male gustine, visokog modula elastičnosti i velikog omjera širine i visine privukla su široku pažnju kao obećavajući materijali za ojačanje. Štaviše, površinska metalizacija karbonskih vlakana, galvanizacijom ili hemijskim prevlačenjem, kao što je bakar ili niklovanje, dodatno poboljšava kvašenje karbonskih vlakana u talini aluminijuma i izbegava štetne međufazne reakcije između ugljeničnih vlakana i taline aluminijuma. Kratka karbonska vlakna sada se široko koriste za ojačavanje kompozita aluminijumske matrice.

Bhav Singhetal. pripremljeni karbonskim vlaknima ojačani aluminijskim matričnim kompozitima metodom miješanja. Muetal. proizvedeni aluminijski matrični kompoziti ojačani karbonskim vlaknima obloženim niklom koristeći metodu livenja u dva valjaka. Rezultati su pokazali značajno povećanje vlačne čvrstoće kompozita uz dodatak karbonskih vlakana. Međutim, provedeno je ograničeno istraživanjeojačana aluminijskom pjenomsa karbonskim vlaknima presvučenim bakrom. Caoetal. prvo pripremljena karbonska vlakna obložena bakrom ojačana aluminijskom pjenom metodom pjene taline. Rezultati pokazuju da 0,35 vol% Cf može stabilizirati aluminijsku pjenu sprečavajući pucanje tekućeg filma, a što je veća količina vlakana koja se dodaje u pjenu, stabilnija je. Muetal. pokazalo je da su svojstva prigušivanja aluminijske pjene pripremljene metodom pjenjenje taline značajno poboljšana dodatkom Cf.

U skladu s tim, može se zaključiti da dodavanje Cf može biti efikasna strategija za istovremeno poboljšanje stabilnosti pjene i mehaničkih svojstavaaluminijske pjene. Nadalje, nije bilo izvještaja o bakrenim karbonskim vlaknima ojačanim sendvič panelima od aluminijske pjene pripremljenim metodom metalurgije praha, što motivira istraživače da provode dublje studije u ovoj oblasti.

Provedene su brojne studije o mehanizmu nukleacije i stabilnostialuminijske pjenesa dodatkom ojačavajućih faza. Razlike u broju pora i morfologiji pora,

kao što su veličina, distribucija i oblik, obično se pripisuju mehanizmima nukleacije i stabilnosti. Heterogeni efekti nukleacije i mehanizmi stabilizacije oksidne mreže u sistemu metalurgije praha su iscrpno istraženi. Prahovi kvartarnih legura koji se sastoje od Al–Si–Mg–Cu korišćeni u ovom radu pokazali su izuzetne brzine ekspanzije i niske temperature pene, sa temperaturom solidusa od 507 ◦C i temperaturom likvidusa od 596 ◦C. Ipak, nedostaju istraživanja o mehanizmu nukleacije, stabilnosti i kompresijskim mehaničkim svojstvima kompaktnih prahova koji sadrže ovaj konkretan sastav legure, posebno kada se ugrađuju Cf. U prethodnim radovima, istraživanja mehanizama nukleacije i stabilizacije prvenstveno su vođena nein situ metodama, uključujući tomografsku analizu uzoraka koji su brzo hlađeni nakon prekida pjene. Nažalost, nukleacija submikronskih mjehurića prvenstveno se javlja tokom zagrijavanja prekursora i brzo se širi unutar vremenskih intervala od 100 ms do 1 s, često predstavljajući izazov za posmatranje u realnom vremenu. Moderna tehnika rendgenskog snimanja sinhrotronskog zračenja posjeduje visoku energetsku i prostorno-vremensku rezoluciju, omogućavajući u realnom vremenu, in situ posmatranje procesa nukleacije i rasta aluminijske pjene na povišenim temperaturama. Trenutno su samo ograničeni istraživači istraživali kinetiku pjene praha legure Al–Si–Mg sinhrotronskim zračenjem. Na primjer, García-Morenoetal. izvijestili su o značajnim dinamičkim fenomenima u tečnoj aluminijskoj pjeni, uključujući nukleaciju i rast, preuređenje mjehurića, povlačenje tekućine, aglomeraciju i pucanje filma. Kamm et al. proučavao proces nukleacije i rasta AlSi8Mg4 aluminijske pjene sinhrotronskim zračenjem. Njihovi nalazi su pokazali da vodonik koji nastaje razgradnjom adsorbata na površini metalnog praha predstavlja još jedan značajan mehanizam nukleacije. Ipak, interakcija između komponenti prekursora je zamršena, a njihov sastav može uticati na dinamiku stvaranja pjene. I za sistem praha Al–Si–Cu–Mg i za sistem praha Al–Si–Cu–Mg sa dodatkom Cf, razumijevanje i istraživanje nastanka i rasta metalne pjene je ključno za daljnji strukturni razvoj pjene radi poboljšanja svojstava. za aplikacije.

U ovom radu su Cf/AFS i AFS sa metalurškim međufaznim vezom pripremljeni metodom metalurgije praha za pakovanje. Evolucija mehurića Cf/AFS i AFS posmatrana je in situ sinhrotronskim zračenjem kako bi se otkrio mehanizam Cf na nukleaciju mehurića, rast i spajanje, i stabilnost. Dodatno, Cf/AFS i AFS su pjeni na 620 ◦C tokom 15 minuta u komornoj peći. Potom je karakterizirana i ispitana raspodjela veličine pora, mikrostruktura pora i tlačna mehanička svojstva pjenastih uzoraka. Na temelju navedenih studija sustavno je ocjenjivana struktura i tlačna čvrstoća Cf/AFS i AFS.

2. Materijali i metode

2.1. Sirovine

Za pripremu AFS i Cf/AFS korišteno je šest sirovina: Al prah (prosječna veličina: 45 μm, čistoća >99,70%), Si prah (prosječna veličina: 38 μm, čistoća >99,50%), Cu prah (prosječna veličina: 38 μm, čistoća >99,90%), Mg prah (prosječna veličina: 75 μm, čistoća >99,70%), TiH2 prah (prosječna veličina: 45 μm, čistoća >99,70%) i karbonska vlakna presvučena bakrom (prosječna veličina: 1～2 mm, debljina presvučene bakrom: 1,4 μm).

2.2. Izrada Cf/AFS

Šematski prikaz metode metalurgije praha za pakovanje valjanjem je ilustrovan uSlika 1. U fazi miješanja pripremljen je prah kvaternarne legure AlSi6Mg4Cu4 sa prahovima Al, Si, Cu i Mg u omjerima od 86 tež%, 6 tež%, 4 tež%, 4 tež%. 1 tež% oksidiranog TiH2 praha (toplinska obrada na zraku 1,5 h na 470 ◦C) je dodan kao agens za napuhavanje koji brzo oslobađa H2 na temperaturi rastapanja šireći rastop. Dodatno, 0,5 tež.% karbonskih vlakana ugrađeno je kao ojačavajuća faza. Naročito, da bi se poboljšala sposobnost vlaženja i spriječile štetne reakcije poput Al4C3 na sučelju rastaljenog vlakna i aluminija tokom pjene, karbonska vlakna su presvučena bakrom putem galvanizacije. Proces galvanizacije je opisan u Refs.sl. 2prikazuje karbonska vlakna presvučena bakrom dobivena postupkom bezelektričnog oblaganja. Premaz ima jednoliku i kontinuiranu pokrivenost površine vlakana(Slika 2(a)–(b)). Nakon toga, različite kompozicije legura korišćene u ovoj studiji su pripremljene temeljnim mešanjem prethodno navedenih prahova sa i bez Cf u trodimenzionalnom mikseru tokom 3 h. Ujednačeno izmiješani prah se kapsulira unutar zapečaćene šupljine, nakon čega slijedi postupak hladnog i toplog valjanja.

Faza hladnog valjanja efikasno evakuiše vazduh iz šupljina i međuprostora između čestica kroz niz višestrukih prolaza i malih udubljenja. Faza vrućeg valjanja osigurava da prekursor postigne relativnu gustinu veću od 98% kroz ko-deformaciju ploče i praha, što olakšava naknadni proces pjene. Detaljni parametri procesa valjanja opisani su u Ref. AFS i Cf/AFS pjenasti prekursori se dobijaju gore navedenim postupkom. Na kraju, oba pjenasta prekursora su zagrijana na 620 ◦C 15 minuta da bi se proizveli Cf/AFS i AFS uzorci, koji su korišteni za analizu veličine pora, mikrostrukturnu karakterizaciju i ispitivanje mehaničkih svojstava pri pritisku.

2.3. Karakterizacija i metode ispitivanja

2.3.1. Mikrostrukturna karakterizacija

Morfologija mikrostrukture Cf/AFS i AFS ispitana je pomoću polja emisione skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM, Zeiss Ultra Plus). Energetska disperzivna spektroskopija (EDS) korištena je za identifikaciju sastava različitih faza u ćelijskim zidovima pjenastih uzoraka. Uzdužni presjeci uzoraka dobiveni su rezanjem pjenastih uzoraka na elektro-pražnjenju (EDM, DK7745). Nakon toga, uzdužni presjeci uzoraka premazani su bojom, a zatim brušeni i polirani brusnim papirom granulacije 800, odnosno 1500. Konačno, ekvivalentni promjeri ćelija (Dmean) poprečnog presjeka poliranog uzorka određeni su korištenjem softvera za analizu slike, Image Pro Plus 6.0.

Slika 1.Shema metode metalurgije praha za pakovanje.

sl. 2.SEM slike (a) karbonskih vlakana obloženih bakrom, i (b) pokazuju uvećani prikaz područja označenog crvenim kvadratom u (a). Slike (c) i (d) su EDS rezultati tačke A u (b).

Slika 3.Šematski dijagram eksperimentalne postavke sinhrotronskog zračenja.

2.3.2. Zapažanja pjene na licu mjesta sinhrotronskim zračenjem

Shematski dijagram eksperimentalne postavke sinhrotronskog zračenja je skiciranSlika 3. Eksperimenti su sprovedeni na snopu 4W1A u Pekinškom postrojenju za sinhrotronsko zračenje (BSRF, Pekinški institut za fiziku visokih energija, Kineska akademija nauka, Kina). Za razliku od konvencionalnog snimanja sa kontrastom sa apsorpcijom, ovaj rad koristi snimanje faznog kontrasta sa izvorom svjetlosti sinhrotronskog zračenja. Ovaj pristup rješava ograničenja tradicionalnog apsorpcionog snimanja, koje je neučinkovito za vizualizaciju slabo apsorbirajućih supstanci. Proces pjene uzoraka izveden je unutar posebno dizajnirane peći za pjenjenje, sa kvadratnim prozorom od 15 mm x 15 mm postavljenim okomito na smjer rendgenskog zraka. Veličina uzorka, kao što je prikazano na slici 3, je 15 mm × 15 mm × 2 mm. Uzorak se stavlja u pjenasti kalup koji se sastoji od određenog broja keramičkih listova. Tokom procesa pjene, rendgenski zraci mogu proći kroz uzorak i hvataju ih kamera uređaja sa spojenim punjenjem (CCD). Odabrani izvor rendgenskih zraka radio je pri intenzitetu od 20 Kev, a maksimalna veličina gledanja od 7,4 mm × 7,4 mm je korištena kako bi se omogućilo sveobuhvatno promatranje cjelokupnog procesa pjene.

Vrijedi napomenuti da su promatrani uzorci postavljeni okomito i na smjer kotrljanja i na tangencijalni smjer. I prekursori koji sadrže 0,5 tež% Cf i oni bez 0,5 tež% Cf su uklonjeni sa obje strane uzorka pomoću EDM. Istražen je učinak Cf na karakteristike pjene aluminijske pjene. Nadalje, prekursori različitog sastava pjenili su se u istoj peći za grijanje na unaprijed podešenoj temperaturi od 620 ◦C.

2.3.3. Ispitivanje mehaničkih svojstava kompresije

Kompresijski uzorci su izrezani na cilindrične uzorke visine 23 mm i promjera 20 mm EDM, a svaki smjer je osiguran da uključuje najmanje 10 kompletnih pora kako bi se izbjegao efekat veličine. Ispitivanja kvazistatičke kompresije provedena su prema standardima ISO13314–2011 i GB/T31930–2015, koristeći AG-XPLUS elektronsku univerzalnu mašinu za ispitivanje materijala s maksimalnom nosivošću od 100 KN. Za svaku grupu ispitana su tri uzorka, a krivulje tlačno naprezanje-deformacija u ovom radu predstavljaju prosječne rezultate dobivene iz tri ispitana uzorka. Sva ispitivanja su izvedena pod kontrolom pomaka, uz održavanje konstantne brzine poprečne glave od 2 mm/min (što odgovara početnoj brzini deformacije od 10−3 s−1) na sobnoj temperaturi.

Slika 4.Vremenski evoluirane slike sinhrotronskog zračenja procesa penjenja Cf/AFS: (a) nepjenasti prethodnik u momentu t0 od 380 ◦C; (b)–(c) rastvaranje elementarnog bakra i nukleacija tipa II tokom topljenja prekursora; (d)–(g) heterogena nukleacija i procesi rasta mehurića; i (h)–(i) spajanje i pucanje mjehurića.

3. Rezultati i diskusija

3.1. Ponašanje pjene in situ pod sinhrotronskim zračenjem

3.1.1. Evolucija pene Cf/AFS

Slika 4prikazuje seriju slika sinhrotronskog zračenja koje prikazuju proces pjene Cf/AFS. Originalne slike Cf/AFS(Slika 4 (a))su uhvaćeni kada je matrica bila u čvrstom stanju na 380 ◦C, a ovo vrijeme je postavljeno kao t0. U poređenju sa ostalim komponentama u prekursoru, Cf izgleda crno unutar pretežno sive matrice bogate aluminijumom. Ovo se može pripisati visokom sadržaju bakra na površini vlakana, kao što je prikazano uSlika 2(c)–(d), koji ima najveću relativnu atomsku masu u poređenju sa ostalim komponentama prekursora. Štaviše, uočeno je da je većina Cf raspršena i odvojena, a ne grupisana zajedno, kao što je prikazano uSlika 4(a). Ovo implicira da sa dodatkom od 0,5 tež% Cf, proces mešanja od 3 sata može efikasno da postigne željeno stanje disperzije.

Na t0+194s (kao što se vidi uSlika 4(b)), u sivoj aluminijskoj matrici (označeno crvenom strelicom) može se uočiti znatan broj bijelih, gotovo sferičnih mjehurića prečnika od 90 μm do 180 μm. Broj mehurića je nastavio da raste u roku od 46 s, kao što je prikazano uSlika 4(c). Osim toga, još jedna značajna promjena koja se dešava u matrici je da neki mali mehurići imaju tendenciju da se formiraju na površini Cf sa inicijacijom rastvaranja Cu (označeno crvenom tačkastom kutijom). Ovaj fenomen se vjerovatno pripisuje nukleaciji tipa II koja se javlja unutar kompaktnog praha koji sadrži bakar. Opšte je poznato da dodavanje Cu značajno smanjuje temperaturu topljenja legura. Ovo rezultira lokaliziranim topljenjem oko pojedinačnih čestica praha u prekursoru praha koji sadrži bakarni prah tokom procesa zagrijavanja, stvarajući značajnu količinu Al–Si–Mg–Cu kvartarne eutektičke taline na nižim temperaturama. Kvaternarna eutektička talina ima tendenciju da bude slaba regija u leguri i sklonija je nukleaciji. Kao rezultat toga, veća je vjerovatnoća da će mjehurići nastati i rasti u blizini bakrenog sloja na površini vlakna. Nadalje, niska tečna frakcija u matrici u ovom trenutku uzrokuje da se plinovi iz razgradnje TiH2 lako akumuliraju u aluminijskoj matrici. Nukleacija tipa II može efikasno izbeći akumulirani gas koji raspada matricu niske tečne frakcije i širi pukotine kroz tečnost, što dovodi do ozbiljnog gubitka količine vodonika.

Slika 4(d)pokazuje da se mjehurići u početku stvaraju jezgrom i rastu na području Cf dok se matrica u potpunosti topi, a lokacije mjehurića odgovaraju sloju presvučenom bakrom koji nestaje (označeno crvenom tačkastom kutijom). Dobro je poznato da dodavanje sekundarnih faza povećava broj heterogenih nukleacijskih mjesta, čime se smanjuje energetska barijera za stvaranje novih mjehurića unutar taline legure. U međuvremenu, brzina nukleacije je povezana sa ukupnom heterogenom površinom nukleacije po jedinici zapremine. Kao posljedica toga, može se primijetiti da mjehurići u početku stvaraju jezgru na mjestima gdje se nalaze karbonska vlakna i šire se duž dužine karbonskih vlakana. Sa daljim povećanjem frakcije taline, brojni novi mjehurići i dalje izlazeSlika 4(e)–4(g). Međutim, stopa lokaliziranog spajanja i pucanja mjehurića je spora, što ukazuje da mjehurići posjeduju visoku stabilnost. Na t0+426s, broj mehurića se značajno povećava, i

volumen prekursora pokazuje veliku ekspanziju(Sl. 4(h)). Nadalje, pojava nekog spajanja mjehurića (označeno crvenom strelicom), gdje male mjehuriće apsorbiraju veći zbog Ostwaldovog sazrijevanja, neizbježan je proces tijekom evolucije metalne pjene [40]. Ovaj fenomen sazrevanja takođe rezultira pojavom malog broja velikih i nepravilnih mehurića (označenih crvenom strelicom uSlika 4(i)).

Slika 5.Vremenski evoluirane slike procesa penjenja AFS-a u različitim fazama: (a) neotopljeni prethodnik u momentu t0 od 380 ◦C; (b) rastvaranje elementarnog bakra i nukleacija tipa II tokom topljenja prekursora; (c) procesi nukleacije i rasta mehurića; i (d)–(f) mjehurići koji se spajaju i pucaju.

3.1.2. Evolucija pjene AFS-a

Slika 5 pokazuje seriju slika sinhrotronskog zračenja koje ilustruju proces penjenja AFS-a. Slično Cf/AFS, početna slika za sekvencu sinhrotronskog zračenja je snimljena kada je AFS bio u čvrstoj fazi na 380 ◦C (vidiSlika 5(a)). Kada se matrica zagrije iznad temperature solidusa, u njoj postaju vidljivi mali bijeli mjehurićiSlika 5(b) i (c), koji je rezultat razgradnje TiH2 i pojave nukleacije tipa II u regiji bogatoj Cu. Međutim, broj generiranih mjehurića i njihova gustina distribucije uSlika 5(c)je znatno niža u odnosu naSlika 4(c). Ovo sugeriše da Cf/AFS obezbeđuje više kanala za rano oslobađanje gasa tokom nukleacije, sprečavajući prekomerno formiranje pukotina u aluminijumskoj matrici sa niskom tečnom frakcijom.

IzSlika 5(d)–(f). Evolucija AFS mjehurića je nepravilna, a njihove veličine pokazuju velike fluktuacije zbog koegzistencije i mehurića mikrometarske veličine i velikih mjehurića abnormalne milimetarske veličine (označenih crvenom strelicom). Štaviše, ova nestabilnost i nehomogenost tokom ranog procesa nukleacije mogu rezultirati značajnim razlikama u konačnoj strukturi pora i mehaničkim svojstvima između AFS i Cf/AFS.

3.2. Analiza makrostrukture

Da bi se istražile razlike u makroskopskoj morfologiji pora i prečniku pora između AFS i Cf/AFS, pripremljene su dvije sendvič strukture u laboratorijskim uvjetima na temperaturi pjene od 620 ◦C tokom 15 min. Makrostrukture i distribucija veličine ćelija AFS i Cf/AFS prikazane su uSlika 6. Poređenje vertikalnih presjeka dva uzorka sendvič struktura otkriva da Cf/AFS pjene imaju finije ćelije i manje defekata kao što su rupture ili spajanje ćelija (vidiSlika 6 (b)). Naprotiv, kao što je prikazano uSlika 6(a), AFS pokazuje slabu homogenost pora uz prisustvo nekih abnormalno velikih pora. U međuvremenu, ekvivalentni prečnik pora za AFS i Cf/AFS bio je 2,9 ± 0,2 mm i 1,9 ± 0,1 mm, respektivno, što sugeriše da je prečnik pora dodatno poboljšan dodatkom Cf (vidiSlika 6(c) i (d)).

Na evoluciju strukture pora utječu dva kompetitivna mehanizma: razgradnja TiH2 i spajanje i pucanje pjene. Razlaganje TiH2 doprinosi povećanju broja nukleacija, poroznosti i brzine ekspanzije, dok spajanje i pucanje mehurića smanjuje broj pora i povećava prečnik pora. Smanjenje događaja spajanja mjehurića i rupture doprinosi postizanju bolje ćelijske strukture. Stoga je visoka stabilnost pjene neophodna da bi se održala homogenost strukture pora tokom procesa pjene. Za Cf/AFS, dodatak Cf uvelike poboljšava kvašenje vlakana sa talinom aluminijuma. Slično navedenoj Cf ojačanoj aluminijskoj pjeni [44] pripremljenoj metodom pjene taline, dodavanje Cf stabilizira aluminijsku pjenu sprečavajući pucanje ćelijskog zida i smanjujući aglomeraciju. U međuvremenu, Cf može stvoriti mrežastu strukturu u ćelijskom zidu, koja stvara silu razdvajanja i sprječava pucanje mjehurića, čime se poboljšava struktura ćelije, stabilnost pjene i ujednačenost raspodjele pora.

3.3. Mikrostrukturna karakterizacija

Slika 7(a)prikazuje mikrostrukturu ćelijskog zida nakon pjene sa AFS. Kako je objavljeno za pjene od legure AlSi6Cu4Mg4, eutektički Al–Si, Mg2Si, Al2Cu i Al5Cu2Mg8Si6 su prisutni u leguri, što je u skladu sa nalazima dobijenim iz EDS analize uSlika 7(b). Ove krhke faze smanjuju mehanička svojstva aluminijske pjene slabljenjem stijenke pora ili djelujući kao izvor pukotina tokom deformacije. Stoga je poboljšanje mehaničkih svojstava zida pora dodavanjem faza za ojačavanje održiva i efikasna strategija.

Za Cf/AFS, može se posmatrati izSlika 7(c) i (d)da je Cf raspoređen unutar ćelijskog zida ili na ivici ćelijskog zida, što ukazuje da Cf ima odličnu sposobnost vlaženja sa aluminijumskom talinom. Nadalje, primjetno je (vidiSlika 7(d)) da se manja količina istaložene faze Al2Cu formira na granici između vlakana i taline aluminijuma. Ovaj fenomen doprinosi postizanju jake veze između vlakana i matrice. Napredovanje ove difuzijske reakcije može se intuitivno posmatrati uSlika 4(a)–(c). Imajte na umu da istaložena faza ne okružuje u potpunosti karbonska vlakna, a stanje i količina ove distribucije su korisni za Cf/AFS. Na osnovu studije Lv et al, na kompozitnim materijalima matrice ojačane Cf aluminijem, pokazano je da odgovarajuća količina istaložene faze može utjecati i regulirati čvrstoću međufazne veze.

Slika 6.Vertikalni presjeci reprezentativnog uzorka (a) AFS i (b) Cf/AFS. Ekvivalentni dijagrami prečnika u odnosu na udio površine koji odgovaraju (a) i (b) su prikazani u (c) i (d), respektivno. Puna neprekidna linija u (c) i (d) predstavlja log-normalno uklapanje. Regresija (R2) predstavlja dobrotu uklapanja.

Slika 7.SEM slike (a) i (b) pokazuju mikrostrukture koje odgovarajuSlika 6(a) GFI iSlika 6(b) Cf/AFS, respektivno, nadalje,Slika 7(b) i (d) pokazuju lokalizirana povećanjaSlika 7(a) i (c), respektivno.

3.4. Mehanizam Cf stabilizirajuće Al–Si–Mg–Cu pjene

Na osnovu gore navedene analize, shematski prikaz mehanizma za pjenjenje za Cf/AFS i AFS je sažet uSlika 8. Značajne razlike između Cf/AFS i AFS u fazi nukleacije, rasta mjehurića i stadiju spajanja, te u fazi postepenog očvršćavanja, kao što je ilustrovano uSlika 8(a) i (b).

Slika 8.Šematski dijagram ponašanja Cf/AFS i AFS pjene: (a) Cf/AFS; i (b) GFI.

U fazi nukleacije pjene od legure AlSi6Cu4Mg4, mjehurići imaju tendenciju nukleacije unutar tekuće kvaternarne eutektike koja okružuje čestice bakra, umjesto da nastanu na lokaciji čestica TiH2. Ova vrsta nukleacije u najslabijem području prekursora (nukleacija tipa II) obezbjeđuje više izlaznih kanala za gasove koji se oslobađaju razgradnjom TiH2, izbegavajući akumulaciju gasova i izazivajući širenje pukotina u talini aluminijuma. Dodatak karbonskih vlakana obloženih bakrom očigledno dodatno stvara više kanala za otpuštanje H2. Međutim, budući da talina aluminija nema dovoljnu tečnu frakciju u ovoj fazi, teško je za tako male mjehuriće da imaju dovoljan izvor H2 za nastavak rasta. Kao rezultat toga, ovi mali mjehurići pucaju u talini kako temperatura raste. Kada se prekursor potpuno otopi, H2 oslobođen nasilnom reakcijom dehidrogenacije TiH2 će stvoriti jezgru i brzo rasti ovisno o tački nukleacije. Cf pruža brojna heterogena mjesta nukleacije za stvaranje mjehurića, koji uvelike povećavaju stope nukleacije. Istovremeno, prisustvo Cf efikasno inhibira kontakt i spajanje primarnih mehurića i izbegava stvaranje anomalno velikih mehurića.

Tokom faze rasta i spajanja mehurića, dodavanje Cf značajno poboljšava stabilnost pene. Razlog je taj što Cf i talina aluminijuma imaju dobru kvašenje, a vlakna se mogu lako zarobiti između dva interfejsa gas-tečnost kako bi formirala mrežnu strukturu (kao što je prikazano naSlika 7(c)). Kako se tekući film razrjeđuje, vlakna mogu stvoriti pritisak odvajanja kako bi se oduprla usisu s granice platoa, čime se sprječava pucanje filma tekućine. Dakle, Cf/AFS treba duže vrijeme pjene u odnosu na AFS, sa većom stabilnošću koja može održati ujednačenost strukture pora tokom razvoja pjene.

Tokom faze sporog očvršćavanja, mehurići u Cf/AFS više ne rastu i vlakna su ugrađena u ćelijski zid (označeno crvenom tačkastom kutijom). Ovo zadržavanje vlakana sprečava apsorpciju malih mjehurića većim, kao što se vidi kod Ostwaldovog sazrevanja, i inhibira rupturu ćelijskog zida zbog ekspanzije očvršćavanja. Kao rezultat toga, Cf/AFS pokazuje homogeniju strukturu pora i manje defekata pora u poređenju sa AFS.

3.5. Mehanička svojstva

Krivulje tlačnog naprezanja i deformacije za Cf/AFS i AFS sa skoro istom poroznošću (83,2% odnosno 81,4%) prikazane su uSlika 9(a). Kriva tlačnog naprezanja i deformacije prikazuje jasnu trostepenu karakteristiku, koja se sastoji od linearnog elastičnog područja, područja platoa i područja zgušnjavanja. Tlačna granica popuštanja AFS i Cf/AFS iznosila je 8,44 MPa, odnosno 11,87 MPa. Tlačna granica popuštanja Cf/AFS povećana je za 40,6% u odnosu na AFS. U međuvremenu, kapacitet apsorpcije energije Cf/AFS je bolji od AFS-a pri istom naprezanju, kao što je prikazano uSlika 9(b). Kapaciteti apsorpcije energije AFS i Cf/AFS su oko 3,3 MJ/m3 i 6,1 MJ/m3, respektivno. Kapacitet apsorpcije energije Cf/AFS je poboljšan za 84,8% u poređenju sa AFS.

Slika 9.Krive kompresijskog naprezanja i krive kapaciteta apsorpcije energije Cf/AFS i AFS: (a) krive kompresijskog naprezanja; (b) krive kapaciteta apsorpcije energije.

Ugradnja Cf značajno je poboljšala mehanička svojstva pjenaste jezgre. Dobro je poznato da su mehanička svojstvaaluminijska pjenasu usko povezani sa strukturom pora i mehaničkim svojstvima uporišta. Makrostrukturna analiza je pokazala da je dodatak Cf poboljšao veličinu pora, poboljšao raspodjelu pora i smanjio defekte pora. Slično nalazima Sasikumara et al. i Yangetal. mali prečnik pora i uska distribucija pora su korisniji za povećanje čvrstoće na pritisak i efikasnosti apsorpcije energije. Štaviše, uticaj mikrostrukture na mehanička svojstva pene uglavnom je posledica Cf ugrađenog u zidove pora pene. Difuzijom i rastvaranjem karbonskih vlakana presvučenih bakrom u aluminijskoj matrici može se postići čvršća međufazna veza između vlakana i aluminijske matrice, što doprinosi prijenosu opterećenja. Ugljična vlakna visokog modula koja se spajaju u zid pora mogu ograničiti deformaciju stijenke pora pod opterećenjem kompresije i poboljšati nosivost. Svi ovi faktori favorizuju Cf/AFS za postizanje veće granice tečenja i kapaciteta apsorpcije energije u poređenju sa AFS.

4. Zaključci

Cf/AFS i AFS su u ovom radu pripremljeni metodom metalurgije praha za pakovanje. Ponašanje pjene Cf/AFS i AFS je dinamički promatrano kroz sinhrotronsko zračenje do

istražiti utjecaj Cf na nukleaciju i rast mjehurića. Dodatno, detaljno je analiziran Cf o morfologiji pora, raspodjeli pora i svojstvima kompresije aluminijskih pjena. Glavni zaključci su sljedeći:

(1) Posmatranja sinhrotronskog zračenja in situ otkrivaju da i Cf/ AFS i AFS procesi stvaranja pjene pokazuju tri različite faze: nukleacija mjehurića, rast i spajanje mjehurića i očvršćavanje.

U poređenju sa AFS-om, proces penjenja Cf/AFS-a pokazuje veću stabilnost i ujednačenost mehurića. AFS je skloniji formiranju abnormalno velikih i grubih pora tokom procesa evolucije pora. Dodatno, disparitet se pripisuje efektu heterogene nukleacije Cf, koji sprečava pucanje zida mjehurića i smanjuje koalescenciju uz povećanje brzine nukleacije.

(2) Dodatak 0,5 tež.% Cf rafinira ekvivalentni prečnik pora sa 2,9 ± 0,2 mm na 1,9 ± 0,1 mm, značajno smanjujući grube defekte pora. Istovremeno, mikrostruktura otkriva dobru sposobnost vlaženja Cf, koji je raspoređen duž stijenke pora i sučelja plin-čvrsta materija, čime se povećava stabilnost pjene.

(3) U poređenju sa AFS-om, tlačna granica popuštanja i kapacitet apsorpcije energije Cf/AFS-a povećani su za približno 40,6% i 84,8%, respektivno. Nalazi ove studije mogu dati ideje za ojačanje sendvič panela od aluminijske pjene s metalurškim veznim sučeljima koji imaju potencijal za primjenu u inženjeringu u oblasti automobilske i zrakoplovne industrije.

Članak iz časopisa za istraživanje materijala i tehnologiju