Kuparipinnoitetun hiilikuitualumiinivaahto-sandwich-paneelin suorituskykyominaisuudet verrattuna perinteiseen alumiinivaahto-sandwich-paneeliin

Alumiinivaahtovoileipä(AFS) paneeleilla on yhdistelmä rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia, kuten alhainen tiheys, korkea ominaislujuus, suotuisa energian absorptio, vaimennuskyky ja sähkömagneettinen suojaus. Näiden erinomaisten ominaisuuksien ansiosta AFS:llä on suuri potentiaali ilmailu-, kuljetus- ja meriteollisuudessa. Verrattuna tuskin metallivaahtoon, AFS:n ulommat metallilevyt voivat tiivistää vaahtoa tehokkaasti ja parantaa sen kokonaisvaltaisia ​​mekaanisia ominaisuuksia, kuten veto- ja taivutuslujuutta. Yleensä AFS valmistettiin liimausmenetelmällä, mikä tarkoittaa, että alumiinivaahto kiinnitetään kiinteisiin metallipaneeleihin epoksihartsiliimalla.

Vaikka liimausmenetelmä tehostaa tehokkaasti rakenteellista vaimennusta, siihen liittyy rajoituksia, kuten kierrätyksen haasteita ja herkkyys delaminaatiohäiriöille korkeissa lämpötiloissa tai syövyttävissä olosuhteissa. Näiden rajoitusten korjaamiseksi paneelin ja ydinkerroksen välisen metallurgisen sidoksen saavuttamiseksi on tehty laajoja tutkimustoimia.

Tällä hetkellä vallitsevat metallurgiseen sidosten saavuttamiseen tähtäävät AFS:n valmistusmenetelmät luokitellaan yleensä kolmeen kategoriaan: hitsaus, sulavaahdotus ja pakkausvalssausjauhemetallurgiamenetelmä. Näistä menetelmistä pakkausvalssausjauhemetallurgiamenetelmää pidetään ylivoimaisena huokosrakenteen hallinnassa ja matalan lämpötilan vaahtoamisen saavuttamisessa. Aiemmassa työssämme käytettiin tätä tekniikkaa suurikokoisten AFS:ien valmistukseen, joilla on paremmat laajenemisominaisuudet ja solurakenne teollisiin sovelluksiin.

Kuitenkin johtuen vaahtomuoviytimen suhteellisen alhaisista puristusmekaanisista ominaisuuksista AFS:n mekaanisen lujuuden paraneminen on rajallista, joten vaahtoytimen lujuuden lisääminen on AFS:n kannalta ratkaisevan tärkeää.

Tähän mennessä yleisten menetelmien raportoitu parantavan puristusmekaanisia ominaisuuksiaalumiinivaahtoaovat seuraavat: pintakäsittely, lämpökäsittely ja vahvistaminen lisäämällä hiukkasia, kuituja, seosaineita jne. Niiden joukossa lyhyet hiilikuidut, joilla on alhainen tiheys, korkea kimmomoduuli ja suuri sivusuhde, ovat herättäneet laajaa huomiota lupaavina vahvistusmateriaaleina. Lisäksi hiilikuitujen pintametallointi galvanoimalla tai kemiallisella pinnoituksella, kuten kuparipinnoituksella tai nikkelöinnillä, parantaa edelleen hiilikuitujen kostutettavuutta alumiinisulassa ja välttää haitallisia rajapintareaktioita hiilikuitujen ja alumiinisulan välillä. Lyhyitä hiilikuituja käytetään nykyään laajalti alumiinimatriisikomposiittien vahvistamiseen.

Bhav Singhetal. valmistetut kuparipinnoitetut hiilikuidut vahvistetut alumiinimatriisikomposiitit sekoitusvalumenetelmällä. Muetal. valmistetut alumiinimatriisikomposiitit, jotka on vahvistettu nikkelillä päällystetyillä hiilikuiduilla kaksirullavalumenetelmällä. Tulokset osoittivat komposiittien vetolujuuden merkittävän paranemisen hiilikuitujen lisäämisellä. Siitä on kuitenkin tehty vähän tutkimuksiaalumiinivaahtomuovi vahvistettukuparilla päällystetyillä hiilikuiduilla. Caoetal. Ensin valmistettiin kuparipinnoitetut hiilikuidut, jotka vahvistivat alumiinivaahtoa sulavaahdotusmenetelmällä. Tulokset osoittavat, että 0,35 tilavuusprosenttia Cf:a voi stabiloida alumiinivaahtoa estämällä nestekalvon repeämisen, ja mitä enemmän vaahtoon lisättyjen kuitujen määrä on vakaampi. Muetal. osoitti, että sulavaahdotusmenetelmällä valmistetun alumiinivaahdon vaimennusominaisuudet paranivat merkittävästi lisäämällä vrt.

Näin ollen voidaan päätellä, että Cf:n lisääminen voi olla tehokas strategia samanaikaisesti parantaa vaahdotuskestävyyttä ja mekaanisia ominaisuuksia.alumiinivaahdot. Myöskään jauhemetallurgiamenetelmällä valmistetuista kuparipinnoitetuista hiilikuituvahvisteisista alumiinivaahto sandwich-paneeleista ei ole raportoitu, mikä motivoi tutkijoita tekemään syvempiä tutkimuksia tällä alalla.

Ydinmuodostusmekanismista ja stabiilisuudesta on tehty lukuisia tutkimuksiaalumiinivaahdotlisäämällä vahvistusvaiheita. Erot huokosten lukumäärässä ja huokosmorfologiassa,

kuten koko, jakautuminen ja muoto, johtuvat yleensä nukleaatiomekanismeista ja stabiilisuudesta. Heterogeenisiä ydintymisvaikutuksia ja oksidiverkoston stabilointimekanismeja jauhemetallurgiajärjestelmässä on tutkittu perusteellisesti. Tässä paperissa käytetyt Al-Si-Mg-Cu:sta koostuvat kvaternaariset metalliseosjauheet ovat osoittaneet poikkeuksellisia laajenemisnopeuksia ja alhaisia ​​vaahtoamislämpötiloja. Soliduslämpötila on 507 ◦C ja likviduslämpötila 596 ◦C. Tästä huolimatta tätä nimenomaista metalliseoskoostumusta sisältävien jauhepuristeiden ytimen muodostumismekanismista, stabiilisuudesta ja puristusmekaanisista ominaisuuksista ei ole tutkimusta, erityisesti kun niihin on sisällytetty vrt. Aikaisemmissa töissä ydintymis- ja stabilointimekanismien tutkimukset tehtiin ensisijaisesti ei-in situ -menetelmillä, joihin sisältyi vaahdotuskeskeytyksen jälkeen nopeasti jäähtyneiden näytteiden tomografinen analyysi. Valitettavasti submikroninen kuplan ytimen muodostuminen tapahtuu ensisijaisesti esiasteen kuumentamisen aikana ja laajenee nopeasti 100 ms:sta 1 sekuntiin aikavälein, mikä aiheuttaa usein haasteita reaaliaikaiselle havainnolle. Nykyaikaisella synkrotronisäteilyröntgenkuvaustekniikalla on korkea energia- ja spatiotemporaalinen resoluutio, mikä mahdollistaa alumiinivaahtojen ydintymis- ja kasvuprosessin reaaliaikaisen in situ havainnoinnin korkeissa lämpötiloissa. Tällä hetkellä vain rajalliset tutkijat ovat tutkineet Al-Si-Mg-seosjauheen vaahtoamiskinetiikkaa synkrotronisäteilyllä. Esimerkiksi García-Morenoetal. raportoivat merkittävistä dynaamisista ilmiöistä nestemäisessä alumiinivaahdossa, mukaan lukien ydintyminen ja kasvu, kuplien uudelleenjärjestely, nesteen vetäytyminen, agglomeroituminen ja kalvon repeäminen. Kamm et ai. tutki AlSi8Mg4-alumiinivaahdon ydintymis- ja kasvuprosessia synkrotronisäteilyllä. Heidän havainnot osoittivat, että metallijauheen pinnalla olevien adsorbaattien hajoamisen kautta syntyvä vety edustaa toista merkittävää ydintämismekanismia. Esiastekomponenttien välinen vuorovaikutus on kuitenkin monimutkaista, ja vaahtoamisen dynamiikkaan voidaan vaikuttaa niiden koostumuksella. Sekä Al-Si-Cu-Mg-jauhejärjestelmässä että Al-Si-Cu-Mg-jauhejärjestelmässä, johon on lisätty Cf, metallivaahdon alkamisen ja kasvun ymmärtäminen ja tutkiminen on ratkaisevan tärkeää vaahdon rakenteellisen jatkokehityksen kannalta ominaisuuksien parantamiseksi. sovelluksiin.

Tässä työssä valmistettiin Cf/AFS ja AFS metallurgisella rajapintasidoksella pakkausvalssausjauhemetallurgiamenetelmällä. Cf/AFS:n ja AFS:n kuplien kehittyminen havaittiin in situ synkrotronisäteilyllä Cf:n mekanismin paljastamiseksi kuplien ytimessä, kasvussa ja sulautumisessa sekä stabiilisuudessa. Lisäksi Cf/AFS:ää ja AFS:ää vaahdotettiin 620 ◦C:ssa 15 minuutin ajan kammiouunissa. Tämän jälkeen vaahdotettujen näytteiden huokoskokojakauma, huokosmikrorakenne ja puristusmekaaniset ominaisuudet karakterisoitiin ja testattiin. Edellä mainittujen tutkimusten perusteella Cf/AFS:n ja AFS:n rakenne ja puristuslujuus arvioitiin systemaattisesti.

2. Materiaalit ja menetelmät

2.1. Raaka-aineet

AFS:n ja Cf/AFS:n valmistukseen käytettiin kuutta raaka-ainetta: Al-jauhe (keskimääräinen koko: 45 μm, puhtaus >99,70 %), Si-jauhe (keskimääräinen koko: 38 μm, puhtaus >99,50 %), Cu-jauhe (keskimääräinen koko: 38 μm, puhtaus > 99,90 %), Mg-jauhe (keskimääräinen koko: 75 μm, puhtaus >99,70 %), TiH2-jauhetta (keskimääräinen koko: 45 μm, puhtaus > 99,70 %) ja kuparipinnoitettua hiilikuitua (keskimääräinen koko: 1～2 mm, kuparipinnoitetun paksuus: 1,4 μm).

2.2. Cf/AFS:n valmistus

Kaavamainen pakkausvalssausjauhemetallurgiamenetelmä on kuvattu kohdassaKuva 1. Sekoitusvaiheen aikana valmistettiin kvaternäärinen metalliseos AlSi6Mg4Cu4-jauhe, jossa oli Al-, Si-, Cu- ja Mg-jauheita suhteissa 86 painoprosenttia, 6 painoprosenttia, 4 painoprosenttia ja 4 painoprosenttia. Vaahdotusaineena lisättiin 1 paino-% hapetettua TiH2-jauhetta (lämpökäsittely ilmassa 1,5 tuntia 470 ◦C:ssa), joka vapauttaa sulan lämpötilassa nopeasti sulaa laajentaen sulaa. Lisäksi 0,5 paino-% hiilikuituja sisällytettiin lujitefaaseina. Erityisesti kostuvuuden parantamiseksi ja haitallisten reaktioiden, kuten Al4C3, estämiseksi kuidun ja alumiinin sulamisrajapinnassa vaahdon aikana, hiilikuidut päällystettiin kuparilla galvanoimalla. Galvanointiprosessi on kuvattu viitenumeroissa.Kuva 2esittää kuparilla päällystetyt hiilikuidut, jotka on saatu kemiallisella pinnoitusprosessilla. Pinnoite peittää kuidun pinnan tasaisesti ja jatkuvasti(Kuva 2(a)–(b)). Myöhemmin tässä tutkimuksessa käytetyt erilaiset metalliseoskoostumukset valmistettiin sekoittamalla perusteellisesti edellä mainittuja jauheita Cf:n kanssa ja ilman sitä kolmiulotteisessa sekoittimessa 3 tunnin ajan. Tasaisesti sekoitettu jauhe kapseloidaan suljettuun onteloon, jonka jälkeen suoritetaan kylmä- ja kuumavalssaus.

Kylmävalssausvaihe poistaa tehokkaasti ilmaa onteloista ja hiukkasten välisistä välitiloista useiden läpivientien ja pienten painaumien kautta. Kuumavalssausvaihe varmistaa, että esiaste saavuttaa yli 98 %:n suhteellisen tiheyden paneelin ja jauheen yhteismuodostumisen kautta, mikä helpottaa myöhempää vaahdotusprosessia. Yksityiskohtaiset valssausprosessin parametrit on kuvattu viitteissä. AFS- ja Cf/AFS-vaahtoavat esiasteet saadaan edellä mainitulla menetelmällä. Lopulta molempia vaahtoutuvia esiasteita kuumennettiin 620 ◦C:ssa 15 minuutin ajan Cf/AFS- ja AFS-näytteiden valmistamiseksi, joita käytettiin huokoskokoanalyysiin, mikrorakenteen karakterisointiin ja puristusmekaanisten ominaisuuksien testeihin.

2.3. Karakterisointi ja testausmenetelmät

2.3.1. Mikrorakenteen karakterisointi

Cf/AFS:n ja AFS:n mikrorakenteen morfologiaa tutkittiin kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM, Zeiss Ultra Plus). Energiadispersiospektroskopiaa (EDS) käytettiin tunnistamaan eri faasien koostumus vaahdotettujen näytteiden soluseinämissä. Pituusleikkaukset näytteistä saatiin leikkaamalla vaahdotetut näytteet sähköpurkauskoneella (EDM, DK7745). Tämän jälkeen näytteiden pitkittäisleikkaukset pinnoitettiin maalilla ja sitten hiottiin ja kiillotettiin käyttäen 800 ja 1500 karkeaa hiekkapaperia. Lopulta kiillotetun näytteen poikkileikkauksen vastaavat soluhalkaisijat (Dmean) määritettiin käyttämällä kuva-analyysiohjelmistoa Image Pro Plus 6.0.

Kuva 1.Kaavio pakkausvalssausjauhemetallurgiamenetelmästä.

Kuva 2.SEM-kuvia (a) kuparilla päällystetyistä hiilikuiduista ja (b) näyttää suurennettu näkymä alueesta, joka on merkitty punaisella neliöllä kohdassa (a). Kuvat (c) ja (d) ovat pisteen A EDS-tuloksia kohdassa (b).

Kuva 3.Kaavio synkrotronisäteilyn kokeen järjestelystä.

2.3.2. In situ vaahtoamishavainnot synkrotronisäteilyllä

Synkrotronisäteilyn kokeen järjestelyn kaavio on hahmoteltuKuva 3. Kokeet suoritettiin Beijing Synchrotron Radiation Facilityn (BSRF, Beijing Institute of High Energy Physics, Kiinan tiedeakatemia, Kiina) sädelinjalla 4W1A. Toisin kuin perinteisessä absorptio-kontrastikuvauksessa, tässä paperissa käytetään vaihekontrastikuvausta synkrotronisäteilyn valolähteellä. Tämä lähestymistapa puuttuu perinteisen absorptiokuvauksen rajoituksiin, sillä se ei ole tehokas visualisoimaan heikosti absorboivia aineita. Näytteiden vaahdotusprosessi suoritettiin mittatilaustyönä suunnitellussa vaahdotusuunissa, jossa oli 15 mm x 15 mm:n neliöikkuna, joka oli sijoitettu kohtisuoraan röntgensäteen suuntaan nähden. Kuvan 3 mukainen näytekoko on 15 mm × 15 mm × 2 mm. Näyte asetetaan vaahtomuottiin, joka koostuu tietystä määrästä keraamisia levyjä. Koko vaahdotusprosessin ajan röntgensäteet voivat kulkea näytteen läpi, ja ne vangitaan latauskytketyn laitteen (CCD) kameralla. Valittu röntgenlähde toimi 20 Kev:n intensiteetillä ja maksimikatselukokoa 7,4 mm × 7,4 mm käytettiin koko vaahtoutumisprosessin kattavan havainnoinnin mahdollistamiseksi.

On syytä huomata, että havaitut näytteet sijoitettiin kohtisuoraan sekä vierintäsuuntaan että tangentiaaliseen suuntaan. Sekä 0,5 paino-% Cf:a sisältävien prekursorien että 0,5 paino-% Cf:n sisältämättömien sivupaneelit poistettiin näytteiden molemmilta puolilta EDM:llä. Cf:n vaikutusta alumiinivaahdon vaahtoamisominaisuuksiin tutkittiin. Lisäksi eri koostumuksilla olevia esiasteita vaahdotettiin samassa kuumennusuunissa esiasetetussa 620 ◦C lämpötilassa.

2.3.3. Puristusmekaanisten ominaisuuksien testi

Puristusnäytteet leikattiin EDM:llä sylinterimäisiksi näytteiksi, joiden korkeus oli 23 mm ja halkaisija 20 mm, ja jokaiseen suuntaan varmistettiin vähintään 10 kokonaista huokosta kokovaikutuksen välttämiseksi. Kvasistaattiset puristustestit suoritettiin standardien ISO13314–2011 ja GB/T31930–2015 mukaisesti käyttämällä AG-XPLUS elektroniuniversaalimateriaalin testauskonetta, jonka enimmäiskuormituskyky on 100 KN. Jokaisesta ryhmästä testattiin kolme näytettä, ja tämän paperin puristusjännitys-venymäkäyrät edustavat kolmen testatun näytteen keskimääräisiä tuloksia. Kaikki testit suoritettiin siirtymän ohjauksessa pitäen vakiona 2 mm/min poikkipään nopeutta (vastaten alkuperäistä jännitysnopeutta 10-3 s-1) huoneenlämpötilassa.

Kuva 4.Ajan myötä kehittyneet synkrotronisäteilykuvat Cf/AFS-vaahdotusprosessista: (a) vaahdottamaton esiaste t0-hetkellä 380 ◦C; (b)–(c) alkuainekuparin liukeneminen ja tyypin II ytimien muodostuminen esiasteen sulamisen aikana; (d)–(g) kuplien heterogeeniset ydintymis- ja kasvuprosessit; ja (h)–(i) kuplat sulautuvat yhteen ja rikkoutuvat.

3. Tulokset ja keskustelu

3.1. In situ -vaahtoamiskäyttäytyminen synkrotronisäteilyn alaisena

3.1.1. Cf/AFS:n vaahdon kehittyminen

Kuva 4näyttää sarjan synkrotronisäteilykuvia, jotka kuvaavat Cf/AFS:n vaahtoamisprosessia. Cf/AFS:n alkuperäiset kuvat(Kuva 4 (a))siepattiin, kun matriisi oli kiinteässä tilassa 380 ◦C:ssa, ja tämä aika asetettiin t0:ksi. Verrattuna muihin prekursorin komponentteihin, Cf näyttää mustalta pääasiassa harmaassa runsaasti alumiinia sisältävässä matriisissa. Tämä johtuu kuidun pinnan korkeasta kuparipitoisuudesta, kuten kuvassaKuva 2(c)–(d), jolla on suurin suhteellinen atomimassa verrattuna prekursorin muihin komponentteihin. Lisäksi suurimman osan Cf:stä havaitaan olevan hajallaan ja erillään, eikä ryhmittyneen yhteen, kuten kuvassaKuva 4(a). Tämä tarkoittaa, että 0,5 paino-% Cf:n lisäyksellä 3 tunnin sekoitusprosessilla voidaan tehokkaasti saavuttaa haluttu dispersiotila.

Klo t0+194s (kuten kuvassaKuva 4(b)), harmaassa alumiinimatriisissa (merkitty punaisella nuolella) voidaan havaita huomattava määrä valkoisia, lähes pallomaisia ​​kuplia, joiden halkaisija vaihtelee välillä 90 μm - 180 μm. Kuplien määrä jatkoi kasvuaan 46 sekunnissa, kuten kuvasta näkyyKuva 4(c). Lisäksi toinen huomionarvoinen matriisissa tapahtuva muutos on, että Cf:n pinnalle on taipumus muodostua pieniä kuplia Cu-liukenemisen alkaessa (merkitty punaisella katkoviivalla). Tämä ilmiö johtuu todennäköisesti tyypin II nukleaatiosta, joka tapahtuu kuparia sisältävässä jauhepuristeessa. On laajalti tunnustettu, että Cu:n lisääminen laskee merkittävästi metalliseosten sulamislämpötilaa. Tämä johtaa paikalliseen sulamiseen kuparijauhetta sisältävän jauheen esiasteen yksittäisten jauhehiukkasten ympärillä kuumennusprosessin aikana, jolloin muodostuu huomattava määrä Al-Si-Mg-Cu kvaternaarista eutektista sulaa alhaisemmissa lämpötiloissa. Kvaternäärinen eutektinen sulateallas on yleensä heikko alue lejeeringissä ja on alttiimpi nukleaatiolle. Tämän seurauksena kuplat muodostavat todennäköisemmin ytimiä ja kasvavat lähelle kuparilla päällystettyä kuidun pintaa. Lisäksi alhainen nestefraktio matriisissa tällä hetkellä saa TiH2:n hajoamisesta syntyviä kaasuja kerääntymään helposti alumiinimatriisiin. Tyypin II nukleaatiolla voidaan tehokkaasti välttää kerääntynyt kaasu, joka pakottaa matalan nestefraktion matriisin erilleen ja etenee halkeamia nesteen läpi, mikä johtaa vakavaan vedyn määrän menettämiseen.

Kuva 4(d)osoittaa, että kuplat ydintyvät ja kasvavat Cf:n alueella, kun matriisi sulaa kokonaan, ja kuplien paikat vastaavat katoavaa kuparilla päällystettyä kerrosta (merkitty punaisella katkoviivalla). On vakiintunutta, että sekundääristen faasien lisääminen lisää heterogeenisten ydintämiskohtien lukumäärää, mikä vähentää energiaestettä uusien kuplien muodostumiselle metalliseossulan sisällä. Samaan aikaan ydintymisnopeus on suhteessa heterogeenisen ytimien kokonaispinta-alaan tilavuusyksikköä kohti. Tästä johtuen voidaan havaita, että kuplat ydintyvät aluksi paikoissa, joissa hiilikuidut sijaitsevat, ja laajenevat hiilikuidun pituudella. Kun sulafraktio kasvaa edelleen, lukuisia uusia kuplia syntyy edelleenKuva 4(e)–4(g). Kuitenkin kuplien paikallinen sulautuminen ja repeäminen on hidasta, mikä osoittaa, että kuplilla on korkea stabiilisuus. Ajanjaksolla t0+426s kuplien määrä kasvaa merkittävästi, ja

esiastetilavuus laajenee voimakkaasti(Kuva 4(h)). Lisäksi kuplien yhteensulautumisen esiintyminen (merkitty punaisella nuolella), jossa pienet kuplat absorboivat suuret kuplat Ostwaldin kypsymisen vuoksi, on väistämätön prosessi metallivaahtojen kehittymisen aikana [40]. Tämä kypsymisilmiö aiheuttaa myös pienen määrän suuria ja epäsäännöllisiä kuplia (merkitty punaisella nuolellaKuva 4(i)).

Kuva 5.Ajan myötä kehittyneet kuvat AFS:n vaahdotusprosessista eri vaiheissa: (a) sulamaton esiaste t0-hetkellä 380 ◦C; (b) alkuainekuparin liukeneminen ja tyypin II ydintyminen esiasteen sulamisen aikana; (c) kuplien nukleaatio- ja kasvuprosessit; ja (d)–(f) kuplat sulautuvat yhteen ja rikkoutuvat.

3.1.2. AFS:n vaahtokehitys

Kuvio 5 esittää sarjan synkrotronisäteilykuvia, jotka havainnollistavat AFS:n vaahdotusprosessia. Samoin kuin Cf/AFS, synkrotronisäteilysekvenssin alkuperäinen kuva otettiin, kun AFS oli kiinteässä faasissa 380 ◦C:ssa (katsoKuva 5(a)). Kun matriisi kuumennetaan soliduslämpötilan yläpuolelle, siinä näkyy pieniä valkoisia kupliaKuva 5(b) ja (c), joka johtuu TiH2:n hajoamisesta ja tyypin II ytimien muodostumisesta Cu-rikkaalla alueella. Kuitenkin syntyneiden kuplien määrä ja niiden jakautumistiheysKuva 5(c)on huomattavasti alhaisempi verrattunaKuva 4(c). Tämä viittaa siihen, että Cf/AFS tarjoaa enemmän kanavia varhaiselle kaasun vapautumiselle ydintymisen aikana, mikä estää liiallisen halkeamien muodostumisen alumiinimatriisissa, jossa on pieni nestefraktio.

Vähemmän AFS:n nukleaatiokohtia ja suurempi epänormaalin kuplien kasvun todennäköisyys verrattuna Cf/AFS:ään voidaan havaitaKuva 5(d)–(f). AFS-kuplien kehittyminen on epäsäännöllistä, ja niiden koot vaihtelevat suuresti, mikä johtuu sekä mikrometrin kokoisten kuplien että epänormaalin millimetrin kokoisten suurten kuplien (merkitty punaisella nuolella) rinnakkaiselosta. Lisäksi tämä epävakaus ja epähomogeenisuus varhaisen ydintymisprosessin aikana voi johtaa merkittäviin eroihin lopullisessa huokosrakenteessa ja mekaanisissa ominaisuuksissa AFS:n ja Cf/AFS:n välillä.

3.2. Makrorakenneanalyysi

AFS:n ja Cf/AFS:n välisten makroskooppisen huokosmorfologian ja huokosten halkaisijan erojen tutkimiseksi valmistettiin kaksi sandwich-rakennetta laboratorio-olosuhteissa 620 ◦C:n vaahdotuslämpötilassa 15 minuutin ajan. AFS:n ja Cf/AFS:n makrorakenteet ja solukokojakauma näytetäänKuva 6. Kahden kerrosrakennenäytteen pystysuorien osien vertailu paljastaa, että Cf/AFS-vaahdoissa on hienommat solut ja vähemmän vikoja, kuten solujen repeämä tai sulautuminen (katsoKuva 6 (b)). Päinvastoin, kuten näkyyKuva 6(a), AFS:llä on huono huokosten homogeenisuus ja joitain epänormaalin suuria huokosia. Sillä välin AFS:n ja Cf/AFS:n vastaavat huokoshalkaisijat olivat 2,9 ± 0,2 mm ja 1,9 ± 0,1 mm, mikä viittaa siihen, että huokosten halkaisijaa jalostettiin edelleen lisäämällä Cf (katsoKuva 6(c) ja (d)).

Huokosrakenteen kehitykseen vaikuttaa kaksi kilpailevaa mekanismia: TiH2:n hajoaminen ja vaahdon sulautuminen ja repeäminen. TiH2:n hajoaminen lisää ytimien muodostumista, huokoisuutta ja laajenemisnopeutta, kun taas kuplien sulautuminen ja repeäminen vähentää huokosten määrää ja kasvattaa huokosten halkaisijaa. Kuplien sulautumis- ja repeytystapahtumien vähentäminen edistää paremman solurakenteen saamista. Näin ollen vaahdon korkea stabiilius on välttämätön huokosrakenteen homogeenisuuden ylläpitämiseksi vaahdotusprosessin aikana. Cf/AFS:lle Cf:n lisääminen parantaa suuresti kuitujen kostuvuutta alumiinisulan kanssa. Kuten raportoitu Cf-vahvistettu alumiinivaahto [44], joka on valmistettu sulavaahdotusmenetelmällä, Cf:n lisääminen stabiloi alumiinivaahtoa estämällä soluseinän repeämisen ja vähentämällä agglomeroitumista. Samaan aikaan Cf voi luoda soluseinään verkkomaisen rakenteen, joka synnyttää erotusvoiman ja estää kuplien repeämisen, mikä parantaa solurakennetta, vaahdon stabiilisuutta ja huokosjakauman tasaisuutta.

3.3. Mikrorakenteen karakterisointi

Kuva 7(a)esittää soluseinän mikrorakenteen AFS:llä vaahdottamisen jälkeen. Kuten AlSi6Cu4Mg4-seosvaahdoista on raportoitu, lejeeringissä on eutektisia Al-Si, Mg2Si, Al2Cu ja Al5Cu2Mg8Si6, mikä on yhtäpitävää EDS-analyysissä saatujen havaintojen kanssa.Kuva 7(b). Nämä hauraat faasit heikentävät alumiinivaahdon mekaanisia ominaisuuksia heikentämällä huokosseinämää tai toimimalla halkeamien lähteenä muodonmuutoksen aikana. Siksi huokosseinämän mekaanisten ominaisuuksien parantaminen vahvistavia faaseja lisäämällä on toteuttamiskelpoinen ja tehokas strategia.

Cf/AFS:n osalta se voidaan havaita alkaenKuva 7(c) ja (d)että Cf on jakautunut soluseinän sisään tai soluseinän reunaan, mikä osoittaa, että Cf:llä on erinomainen kostuvuus alumiinisulan kanssa. Lisäksi se on havaittavissa (katsoKuva 7(d)), että pieni määrä saostunutta faasia Al2Cu muodostuu kuitujen ja alumiinisulan rajapinnalle. Tämä ilmiö edistää vahvan sidoksen saavuttamista kuitujen ja matriisin välillä. Tämän diffuusioreaktion etenemistä voidaan tarkkailla intuitiivisestiKuva 4(a)–(c). Huomaa, että saostunut faasi ei täysin ympäröi hiilikuituja, ja tämän jakauman tila ja määrä ovat hyödyllisiä Cf/AFS:lle. Lv et al:n tutkimuksen perusteella Cf-vahvistetuilla alumiinimatriisikomposiittimateriaaleilla osoitettiin, että sopiva määrä saostunutta faasia voi vaikuttaa ja säädellä rajapinnan sidoslujuutta.

Kuva 6.Edustavan näytteen pystyleikkaukset (a) AFS ja (b) Cf/AFS. Vastaavat halkaisijan ja pinta-alan osuuden käyrät, jotka vastaavat kohtia (a) ja (b), on kuvattu (c) ja (d), vastaavasti. Jatkuva yhtenäinen viiva kohdissa (c) ja (d) edustaa log-normaalisovitusta. Regressio (R2 ) edustaa sovituksen hyvyyttä.

Kuva 7.SEM-kuvat (a) ja (b) esittävät mikrorakenteet, jotka vastaavatKuva 6a) AFS jaKuva 6(b) Cf/AFS, vastaavasti,Kuva 7(b) ja (d) näyttävät paikalliset suurennoksetKuva 7(a) ja (c), vastaavasti.

3.4. Cf-stabiloivan Al-Si-Mg-Cu-vaahdon mekanismi

Yllämainitun analyysin perusteella Cf/AFS:n ja AFS:n vaahdotusmekanismin kaavamainen esitys on yhteenveto kohdassaKuva 8. Merkittävät erot Cf/AFS:n ja AFS:n välillä ydintymisvaiheessa, kuplien kasvussa ja sulautumisvaiheessa sekä asteittaisessa jähmettymisvaiheessa, kuten kuvassa on kuvattuKuva 8(a) ja (b).

Kuva 8.Kaaviokaavio Cf/AFS- ja AFS-vaahtoutumiskäyttäytymisestä: (a) Cf/AFS; ja (b) AFS.

AlSi6Cu4Mg4-seosvaahtojen ytimenmuodostusvaiheessa kuplat pyrkivät ydintymään kuparihiukkasia ympäröivään nestemäiseen kvaternääriseen eutektiikkaan sen sijaan, että ne ydintyisivät TiH2-hiukkasten paikassa. Tämäntyyppinen nukleaatio esiasteen heikoimmalla alueella (tyypin II nukleaatio) tarjoaa enemmän pakokanavia TiH2:n hajoamisen seurauksena vapautuville kaasuille, mikä estää kaasujen kerääntymisen ja aiheuttaa halkeamien leviämistä alumiinisulassa. Kuparilla päällystettyjen hiilikuitujen lisääminen luo edelleen lisää kanavia H2:n vapautumiselle. Kuitenkin, koska alumiinisulalla ei ole tässä vaiheessa riittävää nestefraktiota, niin pienille kuplille on vaikea saada riittävästi H2-lähdettä jatkaakseen kasvuaan. Tämän seurauksena nämä pienet kuplat repeytyvät sulatteen sisällä lämpötilan noustessa. Kun prekursori on täysin sulanut, TiH2:n voimakkaasta dehydrausreaktiosta vapautuva H2 ydintyy ja kasvaa nopeasti ydintymispisteen perusteella. Cf tarjoaa lukuisia heterogeenisia ydintymiskohtia kuplien muodostamista varten, mikä lisää suuresti nukleaationopeuksia. Samanaikaisesti Cf:n läsnäolo estää tehokkaasti primäärikuplien kosketuksen ja sulautumisen ja välttää epätavallisen suurien kuplien muodostumisen.

Kuplien kasvu- ja sulautumisvaiheessa Cf:n lisääminen parantaa merkittävästi vaahdon stabiilisuutta. Syynä on se, että Cf:llä ja alumiinisulalla on hyvä kostuvuus, ja kuidut voivat helposti jäädä kahden kaasu-neste-rajapinnan väliin verkkorakenteen muodostamiseksi (kuten näkyyKuva 7(c)). Kun nestekalvo ohenee, kuidut voivat muodostaa erotuspaineen vastustaakseen imua tasangon rajalta, mikä estää nestekalvoa repeytymästä. Joten Cf/AFS tarvitsee pidemmän vaahdotusajan verrattuna AFS:ään, ja sen stabiilisuus on suurempi, mikä voi säilyttää huokosrakenteen tasaisuuden vaahdon kehittymisen aikana.

Hitaan jähmettymisvaiheen aikana kuplat Cf/AFS:ssä eivät enää kasva ja kuidut uppoavat soluseinän sisään (merkitty punaisella pisteviivalla). Tämä kuitujen pidättäminen estää pienten kuplien imeytymisen suurempiin, kuten Ostwaldin kypsymisessä havaitaan, ja estää soluseinän repeämisen jähmettymisen laajenemisen vuoksi. Tämän seurauksena Cf/AFS:llä on homogeenisempi huokosrakenne ja vähemmän huokosvirheitä verrattuna AFS:ään.

3.5. Mekaaniset ominaisuudet

Puristusjännitys-venymäkäyrät Cf/AFS:lle ja AFS:lle lähes samalla huokoisuudella (83,2 % ja 81,4 %, vastaavasti) on esitettyKuva 9(a). Puristusjännitys-venymäkäyrä näyttää selkeän kolmivaiheisen ominaisuuden, joka käsittää lineaarisen elastisen alueen, tasannealueen ja tiivistymisalueen. AFS:n ja Cf/AFS:n puristusmyötöraja oli 8,44 MPa ja 11,87 MPa. Cf/AFS:n puristusmyötöraja kasvoi 40,6 % verrattuna AFS:ään. Samaan aikaan Cf/AFS:n energian absorptiokyky on parempi kuin AFS:n samalla kannalla, kuten näkyyKuva 9(b). AFS:n ja Cf/AFS:n energian absorptiokapasiteetti on noin 3,3 MJ/m3 ja 6,1 MJ/m3. Cf/AFS:n energian absorptiokyky on parempi 84,8 % verrattuna AFS:ään.

Kuva 9.Cf/AFS:n ja AFS:n puristusjännitys- ja absorptiokykykäyrät: (a) puristusjännitys-junakäyrät; (b) energian absorptiokykykäyrät.

Cf:n sisällyttäminen paransi merkittävästi vaahtoytimen mekaanisia ominaisuuksia. On hyvin tunnettua, että mekaaniset ominaisuudetalumiinivaahtoaliittyvät läheisesti huokosrakenteeseen ja tuen mekaanisiin ominaisuuksiin. Makrorakenneanalyysi osoitti, että Cf:n lisääminen tarkensi huokoskokoa, paransi huokosten jakautumista ja vähensi huokosvirheitä. Samanlaisia ​​havaintoja Sasikumar et al. ja Yangetal. pieni huokoshalkaisija ja kapea huokosjakauma ovat hyödyllisempiä puristuslujuuden ja energian absorptiotehokkuuden parantamiseksi. Lisäksi mikrorakenteen vaikutus vaahdon mekaanisiin ominaisuuksiin johtuu pääasiassa vaahdon huokosseinämiin upotetusta Cf:stä. Hiilikuitujen kuparipäällysteisen diffuusio ja liukeneminen alumiinimatriisissa voi saavuttaa vahvemman rajapinnan sidoksen kuitujen ja alumiinimatriisin välillä, mikä edistää kuorman siirtoa. Huokosen seinämään nidottu korkeamoduulinen hiilikuitu voi rajoittaa huokosen seinämän muodonmuutosta puristuskuormituksen alaisena ja parantaa kantavuutta. Kaikki nämä tekijät suosivat Cf/AFS:ää saavuttamaan korkeamman myötörajan ja energian absorptiokyvyn AFS:ään verrattuna.

4. Johtopäätökset

Cf/AFS ja AFS valmistettiin tässä työssä pakkausvalssausjauhemetallurgiamenetelmällä. Cf/AFS:n ja AFS:n vaahtoamiskäyttäytyminen havaittiin dynaamisesti synkrotronisäteilyn avulla

tutkia Cf:n vaikutusta kuplan muodostumiseen ja kasvuun. Lisäksi Cf alumiinivaahtojen huokosmorfologiasta, huokosjakaumasta ja puristusominaisuuksista analysoitiin perusteellisesti. Tärkeimmät johtopäätökset ovat seuraavat:

(1) Synkrotronisäteilyn in situ -havainnot osoittavat, että sekä Cf/AFS- että AFS-vaahdotusprosesseissa on kolme erillistä vaihetta: kuplien muodostuminen, kuplien kasvu ja sulautuminen sekä kiinteytys.

AFS:ään verrattuna Cf/AFS:n vaahdotusprosessi osoittaa parempaa stabiilisuutta ja kuplien tasaisuutta. AFS on alttiimpi muodostamaan epänormaalin suuria ja karkeita huokosia huokoskehitysprosessin aikana. Lisäksi ero johtuu Cf:n heterogeenisestä nukleaatiovaikutuksesta, joka estää kuplan seinämän repeämisen ja vähentää yhteensulautumista samalla, kun se lisää ytimien muodostumisnopeutta.

(2) 0,5 paino-%:n Cf lisääminen jalostaa vastaavan huokoshalkaisijan 2,9 ± 0,2 mm:stä 1,9 ± 0,1 mm:iin, mikä vähentää merkittävästi karkeita huokosvirheitä. Samanaikaisesti mikrorakenne paljastaa Cf:n hyvän kostuvuuden, joka on jakautunut pitkin huokosseinämää ja kaasun ja kiinteän aineen rajapintaa, mikä parantaa vaahdon stabiilisuutta.

(3) Verrattuna AFS:ään Cf/AFS:n puristusmyötölujuus ja energian absorptiokyky kasvoivat vastaavasti noin 40,6 % ja 84,8 %. Tämän tutkimuksen tulokset voivat tarjota ideoita alumiinivaahto sandwich-paneelien vahvistamiseen metallurgisilla liitosliitännöillä, joilla on potentiaalia teknisiin sovelluksiin auto- ja ilmailuteollisuudessa.

Artikkeli Journal of Materials Research and Technology -julkaisusta