Caratteristiche di prestazione di u pannellu sandwich di schiuma d'aluminiu di fibra di carbone depositata in rame paragunatu à u pannellu sandwich di schiuma d'aluminiu convenzionale

Sandwich di schiuma d'aluminiuI pannelli (AFS) anu una cumminazione di caratteristiche strutturali è funziunali cum'è bassa densità, alta forza specifica, assorbimentu d'energia favurevule, capacità di smorzamentu è scherma elettromagnetica. Queste proprietà eccellenti facenu chì AFS hà un grande potenziale in i campi aerospaziali, di trasportu è marini. In cunfrontu cù spume appena metalliche, i platti metallichi esterni di AFS ponu sigillà in modu efficace a scuma è migliurà e so proprietà meccaniche cumplete, cum'è a forza di trazione è di curvatura. In generale, l'AFS hè stata fabbricata da u metudu di ligame adesivo, chì implica attaccà a schiuma d'aluminiu à pannelli di metalli solidi cù l'adesivo di resina epossidica.

Ancu s'è u metudu di ligame adesivu aumenta in modu efficace l'ammortizazione strutturale, hè accumpagnatu da limitazioni, cumprese sfide in u riciclamentu è suscettibilità à fallimentu di delaminazione in cundizioni d'alta temperatura o corrosive. Per affruntà queste limitazioni, assai sforzi di ricerca sò stati dedicati à ottene u ligame metallurgicu trà u pannellu è a capa di core.

Attualmente, i metudi di preparazione predominanti per AFS destinati à ottene u ligame metallurgicu sò generalmente classificati in trè categurie: saldatura, fusione di schiuma è imballaggio metudu di metallurgia di polveri di rolling. Trà questi metudi, u metudu di metallurgia di polveri di imballaggio di rolling hè cunsideratu cum'è superiore per u cuntrollu di a struttura di i pori è di ottene una schiuma à bassa temperatura. U nostru travagliu precedente hà impiegatu sta tecnulugia per fabricà AFS di grande dimensione cù megliu proprietà di espansione è struttura cellulare per applicazioni industriali.

In ogni casu, per via di e proprietà meccaniche di compressione relativamente bassu di u core di schiuma, a migliione di a forza meccanica di l'AFS hè limitata, per quessa, a migliurà ulteriore di a forza di u core di schiuma hè cruciale per l'AFS.

Finu a data, i metudi cumuni rappurtati per migliurà e proprietà meccaniche compressive dischiuma d'aluminiusò i seguenti: u trattamentu di a superficia, u trattamentu termale è u rinfurzamentu aghjunghjendu particeddi, fibre, elementi alliati, etc. À mezu à elli, fibre di carbone curtite cù una densità bassa, un modulu elasticu elevatu è un grande rapportu d'aspettu anu attrattu una larga attenzione cum'è materiali di rinforzu promettenti. Inoltre, a metallizazione di a superficia di e fibre di carbone, per l'electroplating o a placcatura chimica, cum'è a placcatura di rame o di nichelatura, migliora ancu a bagnabilità di e fibre di carbone in a fusione d'aluminiu è evita reazzioni interfaciali dannosi trà e fibre di carbone è a fusione d'aluminiu. A fibra di carbone corta hè oghji largamente usata per rinfurzà i composti di matrice d'aluminiu.

Bhav Singhetal. Fibre di carbone preparate rivestite di rame, composti di matrice d'aluminiu rinfurzati per u metudu di stir casting. Muetal. composti di matrice d'aluminiu fabbricati rinfurzati cù fibre di carbone rivestite di nichel cù u metudu di casting à dui rotuli. I risultati anu dimustratu un incrementu significativu in a forza di trazione di i cumposti cù l'aghjunzione di fibre di carbone. Tuttavia, ci hè stata una ricerca limitata realizataschiuma d'aluminiu rinfurzatacù fibre di carbone rivestite di rame. Caoetal. prima preparatu fibre di carbone rivestite di rame hà rinfurzatu a scuma d'aluminiu attraversu u metudu di scuma di fusione. I risultati dimustranu chì 0,35 vol% di Cf pò stabilizzà a scuma d'aluminiu per impediscenu a rupture di film liquidu, è più a quantità di fibri aghjunghje à a scuma hè più stabile. Muetal. hà dimustratu chì e proprietà damping di a scuma d'aluminiu preparata da u metudu di schiuma di fusione sò state significativamente migliurate cù l'aghjuntu di Cf.

In cunsiquenza, si pò cuncludi chì l'aghjunzione di Cf pò esse una strategia efficace per migliurà simultaneamente a stabilità di schiuma è e proprietà meccaniche dischiuma d'aluminiu. Inoltre, ùn ci sò micca stati raporti nantu à i pannelli sandwich in schiuma d'aluminiu rinfurzati cù fibre di carbone di rame, preparati per via di u metudu di metallurgia di polveri, chì motiva i circadori à fà studii più approfonditi in questu campu.

Numerosi studii sò stati realizati nantu à u mecanismu di nucleazione è l'stabilità dischiuma d'aluminiucù l'aghjunzione di fasi di rinfurzà. E differenze in u numeru di pori è a morfologia di i pori,

cum'è a dimensione, a distribuzione è a forma, sò generalmente attribuiti à i miccanismi di nucleazione è a stabilità. L'effetti di nucleazione eterogenei è i meccanismi di stabilizazione di a rete d'ossidu in u sistema di metallurgia di polveri sò stati investigati exhaustivamente. Les poudres d'alliage quaternaire constituées d'Al-Si-Mg-Cu utilisées dans cet article ont présenté des taux d'expansion exceptionnels et des températures de moussage basses, avec une température de solidus de 507 ◦C et une température de liquidus de 596 ◦C. Tuttavia, ci hè una mancanza di ricerca in quantu à u mecanismu di nucleazione, a stabilità è e proprietà meccaniche compressive di i compacti di polvere chì cuntenenu sta cumpusizioni di lega particulare, in particulare quandu incorpore Cf. In i travaglii precedenti, l'investigazioni di i meccanismi di nucleazione è di stabilizazione sò stati principarmenti realizati per metudi non in situ, chì implicanu l'analisi tomografica di campioni chì sò stati rapidamente rinfriscati dopu l'interruzzione di schiuma. Sfortunatamente, a nucleazione di bolle submicronica si verifica principalmente durante u riscaldamentu di precursore è si espande rapidamente in intervalli di tempu da 100 ms à 1 s, spessu presentandu sfide per l'osservazione in tempu reale. A moderna tecnica d'imaghjini di raghji X di radiazione di sincrotronu pussede una alta energia è una risoluzione spazio-temporale, chì permette l'osservazione in situ in tempu reale di u prucessu di nucleazione è di crescita di schiume d'aluminiu à temperature elevate. Attualmente, solu circadori limitati anu esploratu a cinetica di spuma di a polvera di lega Al-Si-Mg da a radiazione di sincrotrone. Per esempiu, García-Morenoetal. rappurtatu fenomeni dinamichi significativu in schiuma d'aluminiu liquidu, cumpresi nucleazione è crescita, riarrangiamentu di bolle, retraction liquidu, agglomerazione è rupture film. Kamm et al. hà studiatu u prucessu di nucleazione è crescita di schiuma d'aluminiu AlSi8Mg4 da a radiazione di synchrotron. I so scuperte indicanu chì l'idrogenu generatu per via di a descomposizione di l'adsorbati nantu à a superficia di a polvera metallica rapprisenta un altru mecanismu di nucleazione significativu. Eppuru, l'interazzione trà i cumpunenti precursori hè intricata, è a dinamica di spuma pò esse influenzata da a so cumpusizioni. Sia per u sistema di polveri Al-Si-Cu-Mg sia per u sistema di polveri Al-Si-Cu-Mg cù Cf aghjuntu, capiscenu è esplorendu l'iniziu è a crescita di schiuma metallica hè cruciale per u sviluppu più strutturale di a schiuma per migliurà e proprietà. per l'applicazioni.

In questu travagliu, Cf / AFS è AFS ​​cù ligame interfacial metallurgicu sò stati preparati da u metudu di metallurgia di polveri di rolling di imballaggio. L'evoluzione di e bolle di Cf / AFS è AFS ​​hè stata osservata in situ da a radiazione di sincrotrone per revelà u mecanismu di Cf nantu à a nucleazione di bolle, a crescita è a fusione, è a stabilità. Inoltre, Cf / AFS è AFS ​​sò stati spumati à 620 ◦C per 15 min in un furnace di camera. In seguitu, a distribuzione di a dimensione di i pori, a microstruttura di i pori è e proprietà meccaniche compressive di i campioni spumati sò stati carattarizati è pruvati. Basatu nantu à i studii citati, a struttura è a forza di compressione di Cf / AFS è AFS ​​sò stati valutati sistematicamente.

2. Materiali è metudi

2.1. materie prime

Sei materie prime sò state aduprate per a preparazione di l'AFS è Cf / AFS: Polvere Al (taglia media: 45 μm, purezza> 99,70%), Polvere Si (taglia media: 38 μm, purezza> 99,50%), Polvere Cu (taglia media: 38 μm, purezza > 99,90%), polvere di Mg (taglia media: 75 μm, purezza > 99,70%), TiH2 powder (taglia media: 45 μm, purezza> 99,70%), è fibra di carbonu copper-coated (taglia media: 1~2 mm, spessore di copper-coated: 1,4 μm).

2.2. Fabricazione di Cf/AFS

U schema di u metudu di metallurgia di polveri di imballaggio rolling hè illustratu inFig. 1. Durante a tappa di mischju, a polvera di lega quaternaria AlSi6Mg4Cu4 hè stata preparata, cù polveri di Al, Si, Cu è Mg in proporzioni di 86% in peso, 6% in peso, 4% in peso e 4% in peso, rispettivamente. 1% in peso di polvere di TiH2 ossidata (trattamentu termicu in l'aria per 1,5 h à 470 ◦C) hè statu aghjuntu cum'è agente di soffiu chì libera H2 rapidamente à a temperatura di fusione espansione a fusione. Inoltre, 0,5% in peso di fibre di carbone sò stati incorporati cum'è fasi di rinforzu. In particulare, per rinfurzà a bagnabilità è prevene reazzione dannosa cum'è Al4C3 à l'interfaccia di fusione di fibra-aluminiu durante a scuma, e fibre di carbone sò state rivestite di rame via galvanica. U prucessu di electroplating hè statu descrittu in Refs.Fig. 2mostra e fibre di carbone rivestite di rame ottenute da u prucessu di plating electroless. U revestimentu hà una cobertura uniforme è cuntinua di a superficia di a fibra(Fig. 2(a)–(b)). In seguitu, e diverse cumpusizioni di lega utilizati in stu studiu sò stati preparati mischjendu bè i polveri sopra citati cù è senza Cf in un mixer tridimensionale per 3 h. U polveru mischju uniforme hè incapsulatu in una cavità sigillata, seguita da prucedure di laminazione à friddu è caldu.

U palcuscenicu di laminazione à u friddu evacua in modu efficace l'aria da l'internu di e cavità è i spazii interstiziali trà e particelle attraversu una seria di passaghji multipli è picculi depressioni. U palcuscenicu di laminazione calda assicura chì u precursore ottene una densità relativa chì supera u 98% per mezu di a co-deformazione di u pannellu è di a polvera, chì facilita u prucessu di schiuma sussegwenti. I paràmetri di u prucessu di laminazione detallati sò descritti in Refs. I precursori schiumabili AFS è Cf/AFS sò ottenuti attraversu u prucessu sopra citatu. In ultimamente, i dui precursori spumabili sò stati riscaldati à 620 ◦ C per 15 min per fabricà esemplari Cf / AFS è AFS, chì sò stati utilizati per l'analisi di a dimensione di i pori, a caratterizazione microstrutturale è e teste di proprietà meccaniche compressive.

2.3. I metudi di caratterizazioni è di prova

2.3.1. Caratterizzazioni microstrutturali

A morfologia di a Microstruttura di Cf / AFS è AFS ​​hè stata investigata da microscopia elettronica à scansione di emissioni di campu (SEM, Zeiss Ultra Plus). A spettroscopia dispersiva di energia (EDS) hè stata aduprata per identificà a cumpusizioni di diverse fasi in i muri di e cellule di i campioni spumati. Seccioni longitudinali di i campioni sò stati ottenuti tagliendu i specimens spumati cù l'elettro-discharge machine (EDM, DK7745). Dopu à questu, i sezzioni longitudinali di i specimens sò stati rivestiti cù pittura è poi sabbiati è lucidati cù carta di sabbia di grana 800 è 1500, rispettivamente. In ultimamente, i diametri di cellule equivalenti (Dmean) di a sezione trasversale di u specimenu lucidatu sò stati determinati cù u software di analisi d'imaghjini, Image Pro Plus 6.0.

Fig. 1.Schema di u metudu di metallurgia di polveri rolling di imballaggio.

Fig. 2.L'imaghjini SEM di e fibre di carbone (a) rivestite di rame, è (b) mostra una vista ingrandita di a regione marcata da un quadru rossu in (a). L'imaghjini (c) è (d) sò i risultati EDS di u puntu A in (b).

Fig. 3.Schema schematicu di a stallazione di l'esperimentu di radiazione di sincrotrone.

2.3.2. Osservazioni di schiuma in situ da radiazione di sincrotrone

U schema schematicu di a stallazione di l'esperimentu di radiazione di sincrotronu hè sketched inFig. 3. L'esperimenti sò stati realizati à u beamline 4W1A di a Facilità di Radiazione Sincrotrona di Pechino (BSRF, Istitutu di Fisica di l'Alta Energia di Pechino, Accademia Cinese di Scienze, Cina). A cuntrariu di l'imaghjini di cuntrastu di assorbimentu cunvinziunali, stu documentu utilizza l'imaghjini di cuntrastu di fasi cù a Fonte di Luce di Radiazione di Sincrotrone. Stu approcciu indirizza e limitazioni di l'imaghjini di assorbimentu tradiziunale, chì hè inefficace per a visualizazione di sustanzi chì assorbanu debbuli. U prucessu di schiuma di i specimens hè statu realizatu in un furnace di schiuma cuncepitu apposta, cù una finestra quadrata di 15 mm per 15 mm posizionata perpendicularmente à a direzzione di u fasciu di raghji X. A dimensione di mostra, cum'è illustrata in Fig. 3, misura 15 mm × 15 mm × 2 mm. A mostra hè posta in un moldu di spuma custituitu da un certu numaru di fogli di ceramica. In tuttu u prucessu di scuma, i raghji X ponu passà à traversu l'esemplariu è sò catturati da una camera di un dispositivu accoppiatu di carica (CCD). A fonte di raghji X scelta hà operatu à una intensità di 20 Kev, è una dimensione massima di vista di 7,4 mm × 7,4 mm hè stata impiegata per permette l'osservazione cumpleta di tuttu u prucessu di spuma.

Hè da nutà chì i campioni osservati sò stati posizionati in una manera perpendiculare à a direzzione di rollu è a direzzione tangenziale. Sia i precursori chì cuntenenu 0,5% in peso Cf è quelli senza 0,5% in peso Cf anu avutu i so pannelli laterali eliminati da i dui lati di i campioni cù EDM. L'effettu di Cf nantu à e caratteristiche di schiuma di a scuma d'aluminiu hè statu investigatu. Inoltre, i precursori cù diverse cumpusizioni sò stati spumati in u stessu fornu di riscaldamentu à una temperatura predeterminata di 620 ◦C.

2.3.3. Pruprietà meccanica di cumpressione

I specimens di compressione sò stati tagliati in specimens cilindrichi cù una altezza di 23 mm è un diametru di 20 mm da EDM, è ogni direzzione hè stata assicurata per include almenu 10 pori cumpleti per evità l'effettu di dimensione. I testi di compressione quasi statica sò stati realizati in seguitu à i standard ISO13314-2011 è GB/T31930-2015, utilizendu una macchina di prova di materiale universale elettronicu AG-XPLUS cù una capacità di carica massima di 100 KN. Trè campioni sò stati pruvati per ogni gruppu, è e curve di stress-strain di compressione in questu documentu rapprisentanu i risultati medii ottenuti da i trè campioni pruvati. Tutti i testi sò stati realizati sottu u cuntrollu di spostamentu, mantenendu una velocità di croce constante di 2 mm / min (currisponde à una rata di strain iniziale di 10− 3 s− 1) à a temperatura di l'ambienti.

Fig. 4.L'imaghjini di a radiazione di sincrotronu evolutu in u tempu di u prucessu di schiuma Cf / AFS: (a) precursore senza schiuma à u mumentu t0 di 380 ◦C; (b) – (c) dissoluzione di ramu elementale è nucleazione di tipu II durante a fusione di precursori; (d) – (g) nucleazione eterogenea è prucessi di crescita di bolle; è (h)–(i) bolle chì si fusione è si rompenu.

3. Risultati è discussione

3.1. Cumportamentu di schiuma in situ sottu a radiazione di sincrotrone

3.1.1. Evoluzione di schiuma di Cf/AFS

Fig. 4mostra una seria d'imaghjini di radiazione di sincrotrone chì rapprisentanu u prucessu di schiuma di u Cf / AFS. L'imaghjini originali di u Cf/AFS(Fig. 4 (a))sò stati catturati quandu a matrice era in u statu solidu à 380 ◦C, è sta volta hè stata stabilita cum'è t0. Comparatu à l'altri cumpunenti in u precursore, Cf appare neru in a matrice principarmenti grisa ricca d'aluminiu. Questu pò esse attribuitu à l'altu cuntenutu di cobre nantu à a superficia di a fibra, cum'è mostra inFig. 2(c)–(d), chì hà a più grande massa atomica relativa cumparatu cù l'altri cumpunenti di u precursore. Inoltre, a maiò parte di Cf sò osservati per esse dispersi è separati, invece di raggruppati inseme, cum'è mostratu inFig. 4 (a). Questu implica chì cù un'aggiunta di 0,5% in peso di Cf, un prucessu di agitazione di 3 h pò ottene in modu efficace u statu di dispersione desideratu.

À t0 + 194s (cum'è vistu inFig. 4 (b)), un numeru considerableu di bolle bianche, quasi sferiche cù diametri chì varienu da 90 μm à 180 μm pò esse osservatu in a matrice d'aluminiu grisgiu (marcatu cù a freccia rossa). U numeru di bolle hà cuntinuatu à aumentà in 46 s, cum'è mostratu inFig. 4 (c). Inoltre, un altru cambiamentu degne di nota in a matrice hè chì certi picculi bolle tendenu à furmà nantu à a superficia di Cf cù l'iniziu di dissoluzioni di Cu (marcatu cù a casella di punti rossi). Stu fenominu hè prubabilmente attribuitu à a nucleazione di tipu II chì si trova in u compactu di polvere chì cuntene di rame. Hè largamente ricunnisciutu chì l'aggiunta di Cu diminuisce significativamente a temperatura di fusione di ligami. Ciò si traduce in una fusione localizzata intornu à e particelle di polveri individuali in u precursore di polvera chì cuntene polvere di rame durante u prucessu di riscaldamentu, generendu una quantità sustanziale di fusione eutectica quaternaria Al-Si-Mg-Cu à temperature più basse. A piscina di fusione eutettica quaternaria tende à esse una regione debule in a lega è hè più propensu à a nucleazione. In u risultatu, e bolle sò più prubabile di nucleate è crescenu vicinu à u cobre-coated in a superficia di fibra. Inoltre, a bassa frazione di liquidu in a matrice in questu mumentu face chì i gasi da a descomposizione di TiH2 si accumulanu facilmente in a matrice d'aluminiu. A nucleazione di u tipu II pò evità efficacemente u gasu accumulatu furzendu a matrice di frazione di liquidu bassu è propagazione di cracks attraversu u liquidu, risultatu in una perdita severa di a quantità di l'idrogenu.

Fig. 4 (d)mostra i bubbles inizialmente nucleate è cresce nantu à a regione di u Cf cum'è a matrice sanu sanu melts, è i lochi bolle currispondenu à a strata di ramu-copertu spariscia (marcatu cù a scatula punti rossu). Hè ben stabilitu chì l'aghjunzione di fasi secondarie aumenta u nùmeru di siti di nucleazione eterogenei, riducendu cusì a barriera energetica per a furmazione di novi bolle in a fusione di lega. Intantu, a rata di nucleazione hè ligata à l'area di nucleazione eterogenea tutale per unità di volume. In cunseguenza, pò esse osservatu chì e bolle inizialmente nucleate in i siti induve e fibre di carbone sò situate è si stende à longu a lunghezza di a fibra di carbone. Cù un aumentu ulteriore di a frazione di fusione, numerose bolle novi cuntinueghjanu à emerge daFig. 4(e)–4(g). In ogni casu, a tarifa di fusione localizata è rupture di e bolle hè lenta, chì indica chì e bolle pussedenu una alta stabilità. À t0 + 426s, u numeru di bolle aumenta significativamente, è

u voluminu precursore mostra una grande espansione(Fig. 4(h)). Inoltre, l'ocurrenza di una fusione di bolle (marcata cù a freccia rossa), induve e picculi bolle sò assorbite da i più grandi per via di a maturazione di Ostwald, hè un prucessu inevitabbile durante l'evoluzione di spume metalliche [40]. Stu fenomenu di maturazione si traduce ancu in l'apparizione di un picculu numeru di bolle grandi è irregulari (marcate cù a freccia rossa inFig. 4(i)).

Fig. 5.L'imaghjini evoluti in u tempu di u prucessu di schiuma di AFS in diverse tappe: (a) precursore unmelted à t0 mumentu di 380 ◦C; (b) dissoluzione di ramu elementale è nucleazione di tipu II durante a fusione di precursori; (c) prucessi di nucleazione è crescita di bolle; e (d)–(f) bolle che si fusione e si rompono.

3.1.2. Evoluzione di schiuma di AFS

Fig. 5 mostra una seria d'imaghjini di radiazione di sincrotrone chì illustranu u prucessu di scuma di AFS. Simile à Cf / AFS, l'immagine iniziale per a sequenza di radiazione di sincrotrone hè stata catturata quandu AFS era in a fase solida à 380 ◦C (vedeFig. 5 (a)). Quandu a matrice hè riscaldata sopra a temperatura di solidus, i picculi bolli bianchi diventanu visibiliFig. 5 (b) è (c), risultatu da a descomposizione di TiH2 è l'occurrence di nucleazione di tipu II in a regione ricca di Cu. Tuttavia, u numeru di bolle generate è a so densità di distribuzione inFig. 5 (c)hè notevolmente più bassu paragunatu àFig. 4 (c). Questu suggerisce chì Cf / AFS furnisce più canali per a liberazione iniziale di gas durante a nucleazione, impediscendu a furmazione eccessiva di cracke in a matrice d'aluminiu cù una frazione liquida bassa.

Un pocu numeru di siti di nucleazione AFS è una probabilità più alta di crescita anormale di bolle paragunatu à Cf / AFS pò esse osservatu daFig. 5(d)–(f). L'evoluzione di e bolle AFS hè irregulare, è e so dimensioni mostranu fluttuazioni largu per via di a coesistenza di bolle di dimensioni micrometriche è di bolle grandi di dimensioni anormali millimetriche (marcate cù a freccia rossa). Inoltre, sta inestabilità è inhomogeneità durante u prucessu di nucleazione iniziale pò esse risultatu in differenzi significativi in ​​a struttura di pori finali è e proprietà meccaniche trà AFS è Cf / AFS.

3.2. Analisi di a macrostruttura

Per investigà e differenze in a morfologia macroscòpica di i pori è u diametru di i pori trà AFS è Cf / AFS, duie strutture sandwich sò state preparate in cundizioni di laboratoriu à una temperatura di spuma di 620 ◦C per 15 min. E macrostrutture è a distribuzione di dimensioni di e cellule di AFS è Cf / AFS sò mostrati inFig. 6. U paragone di e sezioni verticali di e dui campioni di strutture sandwich revela chì e spume Cf/AFS anu cellule più fini è menu difetti cum'è a ruptura o fusione di cellule (vedeFig. 6 (b)). À u cuntrariu, cum'è mostra inFig. 6 (a), l'AFS mostra una homogeneità di poru povira cù a prisenza di qualchi pori anormalmente grandi. Intantu, u diametru di poru equivalente per AFS è Cf / AFS era 2,9 ± 0,2 mm è 1,9 ± 0,1 mm, rispettivamente, suggerenu chì u diametru di poru hè statu ulteriormente raffinatu da l'aghjunzione di Cf (vedeFig. 6 (c) è (d)).

L'evoluzione di a struttura di i pori hè influinzata da dui meccanismi cumpetitivi: a descomposizione di TiH2 è a fusione è a ruptura di a scuma. A descomposizione di TiH2 cuntribuisce à l'aumentu di u nùmeru di nucleazione, a porosità è a rata di espansione, mentre chì a fusione è a rupture di bolle diminuite u numaru di pori è aumenta u diametru di i pori. A riduzzione di l'avvenimenti di fusione di bolle è rupture cuntribuiscenu à ottene una struttura cellulare megliu. Dunque, l'alta stabilità di a scuma hè necessaria per mantene l'homogeneità di a struttura di pori durante u prucessu di scuma. Per Cf / AFS, l'aghjuntu di Cf migliurà assai a wettability di e fibre cù a fusione d'aluminiu. Simile à a scuma d'aluminiu rinfurzata Cf [44] rappurtata preparata da u metudu di schiuma di fusione, l'aghjuntu di Cf stabilizza a scuma d'aluminiu impediscendu a rupture di u muru cellulare è riducendu l'agglomerazione. Intantu, Cf pò creà una struttura net-like in u muru cellula, chì genera una forza siparazzioni è impedisce a rupture di bolle, cusì, migliurà a struttura cellula, stabilità spuma, è uniformità di a distribuzione pori.

3.3. Caratterizzazioni microstrutturali

Fig. 7 (a)mostra a microstruttura di u muru cellulare dopu a scuma cù AFS. Cum'è riportatu per e schiume di lega AlSi6Cu4Mg4, eutectic Al-Si, Mg2Si, Al2Cu è Al5Cu2Mg8Si6, sò prisenti in a lega, chì hè in accordu cù i risultati ottenuti da l'analisi EDS inFig. 7 (b). Queste fasi fragili diminuiscenu e proprietà meccaniche di a scuma d'aluminiu debilitandu u muru di i pori o agiscenu cum'è una fonte di crepe durante a deformazione. Dunque, rinfurzà e proprietà meccaniche di u muru di i pori attraversu l'aghjunzione di fasi di rinfurzà hè una strategia viable è efficace.

Per Cf/AFS, pò esse osservatu daFig. 7 (c) è (d)que le Cf est réparti à l'intérieur de la paroi cellulaire ou au bord de la paroi cellulaire, ce qui indique que Cf a une excellente mouillabilité avec la fonte d'aluminium. Inoltre, hè notevule (refFig. 7 (d)) qu'une petite quantité de la phase précipitée Al2Cu se forme à l'interface entre les fibres et la fonte d'aluminium. Stu fenominu cuntribuisci à ottene un ligame forte trà e fibre è a matrice. U prugressu di sta reazzione diffusione pò esse intuitively osservatu inFig. 4(a)–(c). Innota chì, a fase precipitata ùn circundà micca cumplettamente e fibre di carbone, è u statu è a quantità di sta distribuzione sò benefica per Cf / AFS. Basatu nant'à u studiu di Lv et al, su Cf materiali cumposti matrice aluminium rinfurzata, hè statu dimustratu chì a quantità apprupriati di fasa precipitated pò influenzari è regula a forza di ligame interfacial.

Fig. 6.Sezioni verticali di campionu rappresentativu (a) AFS è (b) Cf/AFS. U diametru equivalente versus l'area fraccione currispondenu à (a) è (b) sò illustrati in (c) è (d), rispettivamente. A linea continua solida in (c) è (d) rapprisenta u log-normal fit. A regressione (R2 ) rapprisenta a bontà di fit.

Fig. 7.L'imaghjini SEM (a) è (b) mostranu e microstrutture currispondenti àFig. 6(a) AFS èFig. 6(b) Cf/AFS, rispettivamente, inoltre,Fig. 7(b) è (d) mostranu ingrandimenti localizzati diFig. 7(a) è (c), rispettivamente.

3.4. Meccanismo di schiuma stabilizzante Cf Al-Si-Mg-Cu

Basatu annantu à l'analisi sopra citata, una rappresentazione schematica di u mecanismu di schiuma per Cf / AFS è AFS ​​hè riassunta inFig. 8. E differenze significative trà Cf / AFS è AFS ​​in u stadiu di nucleazione, a crescita di bolle è u stadiu di fusione, è a fase di solidificazione graduale, cum'è illustratu inFig. 8 (a) è (b).

Fig. 8.Schema schematicu di u cumportamentu di schiuma Cf/AFS è AFS: (a) Cf/AFS; è (b) AFS.

In u stadiu di nucleazione di schiume di lega AlSi6Cu4Mg4, e bolle tendenu à nucleà in l'eutectica quaternaria liquida chì circundava e particelle di rame, invece di nucleate in u locu di e particelle di TiH2. Stu tipu di nucleazione in a regione più debule di u precursore (nucleazione di u tipu II) furnisce più canali di scappata per i gasi liberati da a descomposizione di TiH2, evitendu l'accumulazione di gasi è pruvucannu i cracks per propagate in a fusione d'aluminiu. L'aghjunzione di fibre di carbone rivestite in rame apparentemente crea ancu più canali per a liberazione di H2. In ogni casu, postu chì a fusione d'aluminiu ùn hà micca una frazione di liquidu suffirenziu in questa tappa, hè difficiule per tali bolle chjuche per avè una fonte di H2 abbastanza per cuntinuà à cultivà. In u risultatu, sti picculi bolle si rompanu in u fondu quandu a temperatura aumenta. Quandu u precursore hè funnutu cumplettamente, l'H2 liberatu da a reazione di dehydrogenation viulente di TiH2 nucleate è cresce rapidamente basatu annantu à u puntu di nucleazione. U Cf furnisce numerosi siti di nucleazione eterogeneu per a generazione di bolle, chì aumentanu assai i tassi di nucleazione. Simultaneously, a prisenza di Cf effittivamenti inhibits u cuntattu è fusione di i bubbles primariu è evitari la furmazioni di bubbles anomalously grande.

Duranti a crescita è a tappa di fusione di e bolle, l'aghjunzione di Cf mellora significativamente a stabilità di spuma. U mutivu hè chì u Cf è a fusione d'aluminiu anu una bona umidità, è e fibre ponu esse facilmente intrappulate trà e duie interfacce gas-liquidu per furmà una struttura di rete (cum'è mostra inFig. 7 (c)). Cume a film liquidu hè diluita, i fibri ponu generà una pressione di separazione per resiste à l'aspirazione da u cunfini di u plateau, impediscendu cusì chì a film liquidu si rompe. Allora Cf / AFS hà bisognu di un tempu di spuma più longu cumparatu cù AFS, cù una stabilità più altu chì pò mantene l'uniformità di a struttura di poru durante l'evoluzione di a scuma.

Duranti a fase di solidificazione lenta, e bolle in Cf / AFS ùn crescenu più è e fibre sò incrustate in u muru di a cellula (marcata cù a casella di punti rossi). Sta retenzioni di fibri impedisce l'absorption di picculi bolle da i più grande, cum'è vistu in a maturazione di Ostwald, è impedisce a rupture di u muru cellula per via di l'espansione di solidificazione. In u risultatu, Cf / AFS mostra una struttura di poru più omogenea è menu difetti di poru cumparatu cù AFS.

3.5. Pruprietà meccanica

E curve di compressione stress-strain per Cf/AFS è AFS ​​cù quasi a stessa porosità (83,2% è 81,4%, rispettivamente) sò presentate inFig. 9 (a). A curva di sforzu-deformazione di compressione mostra una caratteristica distinta à trè stadi, chì comprende a regione elastica lineare, a regione di plateau è a regione di densificazione. A forza di rendiment compressiva di AFS è Cf / AFS era 8.44 MPa è 11.87 MPa, rispettivamente. A forza di rendiment compressiva di Cf / AFS hè stata aumentata da 40.6% in paragunà à AFS. Intantu, a capacità di assorbimentu di l'energia di Cf / AFS hè megliu cà quella di AFS à a stessa tensione, cum'è mostratu inFig. 9 (b). A capacità di assorbimentu di energia di AFS è Cf/AFS sò circa 3.3 MJ/m3 è 6.1 MJ/m3, rispettivamente. A capacità di assorbimentu d'energia di Cf / AFS hè migliurata da 84.8% paragunatu cù AFS.

Fig. 9.Curve di compressione stress-train e curve di capacità di assorbimento di energia di Cf/AFS e AFS: (a) curve di compressione stress-train; (b) curve di capacità di assorbimentu di energia.

L'incorporazione di Cf hà aumentatu significativamente e proprietà meccaniche di u core di schiuma. Hè ben cunnisciutu chì e proprietà meccaniche dischiuma d'aluminiusò strettamente ligati à a struttura di i pori è e proprietà meccaniche di strut. L'analisi macrostrutturali hà indicatu chì l'aghjunzione di Cf hà raffinatu a dimensione di i pori, a distribuzione di i pori migliorata è i difetti di i pori ridotti. Simile à i risultati di Sasikumar et al. è Yangetal. un picculu diametru di poru è una distribuzione di pori stretti sò più benefizii per rinfurzà a forza di compressione è l'efficienza di assorbimentu d'energia. Inoltre, l'effettu di a microstruttura nantu à e proprietà meccaniche di a scuma hè principalmente duvuta à u Cf incrustatu in i muri di poru di a scuma. A diffusione è a dissoluzione di e fibre di carbone di rame in a matrice d'aluminiu ponu ottene un ligame interfacial più fermu trà e fibre è a matrice d'aluminiu, chì cuntribuiscenu à u trasferimentu di carica. L'altu modulu di fibra di carbonu stapled in u muru di u poru pò limità a deformazione di u muru di poru sottu a carica di compressione è migliurà a capacità portante. Tutti questi fattori favurizanu Cf / AFS per ottene una forza di rendimentu più altu è una capacità d'assorbimentu d'energia cumparatu cù AFS.

4. Cunclusioni

U Cf / AFS è l'AFS sò stati preparati da u metudu di metallurgia di polveri di l'imballaggio in stu travagliu. U cumpurtamentu di schiuma di Cf / AFS è AFS ​​hè stata osservata dinamicamente attraversu a radiazione di sincrotrone à

investigà l'influenza di Cf nantu à a nucleazione è a crescita di a bolla. Inoltre, Cf nantu à a morfologia di i pori, a distribuzione di i pori, è e proprietà di cumpressione di spuma d'aluminiu hè stata analizata currettamente. I cunclusioni principali sò i seguenti:

(1) L'osservazioni in situ di a radiazione di synchrotron rivelanu chì i prucessi di schiuma Cf / AFS è AFS ​​presentanu trè fasi distinte: nucleazione di bolle, crescita è fusione di bolle, è solidificazione.

In paragone à AFS, u prucessu di schiuma di Cf / AFS mostra una stabilità più alta è uniformità di bolle. AFS hè più propensu à furmà pori anormalmente grandi è grossi durante u prucessu di evoluzione di i pori. Inoltre, a disparità hè attribuita à l'effettu di nucleazione eterogeneu di Cf, chì impedisce a rottura di u muru di bolle è riduce a coalescenza mentre aumenta a rata di nucleazione.

(2) L'aghjunzione di 0.5 wt.% Cf raffina u diametru di poru equivalente da 2.9 ± 0.2 mm à 1.9 ± 0.1 mm, riducendu significativamente i difetti di poru grossu. Simultaneamente, a microstruttura palesa una bona bagnabilità di Cf, chì hè distribuitu longu u muru di i pori è l'interfaccia di gas-solidu, chì aumentanu a stabilità di a schiuma.

(3) Comparatu cù AFS, a forza di rendiment compressive è a capacità d'assorbimentu di l'energia di u Cf / AFS anu aumentatu da circa 40,6% è 84,8%, rispettivamente. I risultati di stu studiu ponu furnisce idee per u rinfurzamentu di pannelli sandwich di schiuma d'aluminiu cù interfacce di ligame metallurgicu chì anu u putenziale per l'applicazioni ingegneria in u campu di l'industria automobilistica è aerospaziale.

Articulu da Journal of Materials Research and Technology