Карактеристики на перформансите на сендвич панелите од алуминиумска пена од јаглеродни влакна депонирани со бакар во споредба со конвенционалните сендвич панели од алуминиумска пена

Сендвич од алуминиумска пенаПанелите (AFS) имаат комбинација од структурни и функционални карактеристики како што се мала густина, висока специфична цврстина, поволна апсорпција на енергија, капацитет на амортизација и електромагнетна заштита. Овие одлични својства го прават AFS да има голем потенцијал во воздушната, транспортната и морската област. Во споредба со едвај металните пени, надворешните метални плочи на AFS можат ефикасно да ја запечатат пената и да ги подобрат нејзините сеопфатни механички својства, како што се цврстина на истегнување и свиткување. Општо земено, AFS беше изработен со метод на лепење со лепило, што подразбира прицврстување на алуминиумската пена на цврсти метални панели користејќи лепило со епоксидна смола.

Иако методот на лепење со лепило ефикасно го подобрува структурното амортизација, тој е придружен со ограничувања, вклучувајќи предизвици во рециклирањето и подложност на дефект на раслојување при високи температури или корозивни услови. За да се решат овие ограничувања, опсежни истражувачки напори се посветени на постигнување металуршко поврзување помеѓу панелот и јадрото.

Во моментов, преовладувачките методи за подготовка за AFS насочени кон постигнување металуршко поврзување се генерално класифицирани во три категории: заварување, топење пена и метод на металургија на прашок за тркалање пакување. Меѓу овие методи, методот на металургија на прашок за валање за пакување се смета за супериорен за контролирање на структурата на порите и постигнување пенење на ниска температура. Нашата претходна работа ја користеше оваа технологија за производство на AFS со големи димензии со подобри својства за проширување и клеточна структура за индустриски апликации.

Сепак, поради релативно ниските механички својства на компресија на јадрото од пена, подобрувањето на механичката цврстина на AFS е ограничено, така што дополнителното подобрување на цврстината на јадрото од пена е од клучно значење за AFS.

До денес, вообичаените методи се пријавени за подобрување на компресивните механички својства наалуминиумска пенасе следните: површинска обработка, термичка обработка и засилување со додавање на честички, влакна, легирани елементи итн. Меѓу нив, кратките јаглеродни влакна со мала густина, висок модул на еластичност и голем однос привлекоа големо внимание како ветувачки материјали за зајакнување. Покрај тоа, површинската метализација на јаглеродните влакна, со галванизација или хемиско позлата, како што е бакар или обложување со никел, дополнително ја подобрува влажноста на јаглеродните влакна во топењето на алуминиум и ги избегнува штетните меѓусебни реакции помеѓу јаглеродните влакна и топењето на алуминиум. Кратките јаглеродни влакна сега широко се користат за зајакнување на композитите од алуминиумска матрица.

Бав Сингетал. подготвени јаглеродни влакна обложени со бакар армирани композити од алуминиумска матрица со метод на леење со мешање. Муетал. фабрикувани композити од алуминиумски матрици засилени со јаглеродни влакна обложени со никел користејќи го методот на лиење со две ролни. Резултатите покажаа значително подобрување на цврстината на истегнување на композитите со додавање на јаглеродни влакна. Сепак, имаше ограничено истражување спроведено наармирана со алуминиумска пенасо јаглеродни влакна обложени со бакар. Каоетал. прво подготвени јаглеродни влакна обложени со бакар зајакната алуминиумска пена преку методот на топење пенење. Резултатите покажуваат дека 0,35 вол% од Cf може да ја стабилизира алуминиумската пена со спречување на кинење на течниот филм и колку повеќе количината на влакна додадена на пената е постабилна. Муетал. покажа дека амортизирачките својства на алуминиумската пена подготвена со методот на топење пенење беа значително подобрени со додавање на Cf.

Според тоа, може да се заклучи дека додавањето на Cf може да биде ефикасна стратегија за истовремено подобрување на стабилноста на пенење и механичките својства наалуминиумски пени. Понатаму, нема извештаи за сендвич панели со бакарни јаглеродни влакна засилени со алуминиумска пена, подготвени со методот на металургија на прав, што ги мотивира истражувачите да спроведат подлабоки студии на ова поле.

Спроведени се бројни студии за механизмот на нуклеација и стабилноста наалуминиумски пенисо додавање на зајакнувачки фази. Разликите во бројот на порите и морфологијата на порите,

како што се големината, дистрибуцијата и обликот, обично се припишуваат на механизмите за нуклеација и стабилноста. Хетерогени ефекти на нуклеација и механизми за стабилизација на оксидната мрежа во системот за металургија на прав се исцрпно истражени. Прашокот од кватернерна легура што се состои од Al-Si-Mg-Cu, користени во овој труд, покажаа исклучителни стапки на експанзија и ниски температури на пенење, со солидна температура од 507 ◦C и температура на течност од 596 ◦C. Како и да е, недостигаат истражувања во врска со механизмот на нуклеација, стабилноста и компресивните механички својства на компактите во прав што го содржат овој конкретен состав на легура, особено кога се инкорпорира Cf. Во претходните трудови, испитувањата на механизмите за нуклеација и стабилизација беа првенствено спроведени преку non-in situ методи, вклучувајќи томографска анализа на примероци кои беа брзо ладени по прекин на пенење. За жал, нуклеацијата на субмикронските меурчиња првенствено се јавува за време на загревањето на претходниците и брзо се шири во временски интервали кои се протегаат од 100 ms до 1 s, честопати претставувајќи предизвици за набљудување во реално време. Современата техника на снимање со рендген со синхротронско зрачење поседува висока енергетска и просторновременска резолуција, овозможувајќи во реално време, in situ набљудување на процесот на нуклеација и раст на алуминиумските пени при покачени температури. Во моментов, само ограничени истражувачи ја истражувале кинетиката на пенење на прашокот од легура Al-Si-Mg со синхротронско зрачење. На пример, Гарсија-Мореноетал. објавија значајни динамички феномени во течната алуминиумска пена, вклучувајќи нуклеација и раст, преуредување на меурчиња, повлекување течност, агломерација и кинење на филмот. Кам и сор. го проучувал процесот на нуклеација и раст на алуминиумската пена AlSi8Mg4 со синхротронско зрачење. Нивните наоди покажаа дека водородот генериран преку распаѓање на адсорбатите на површината на металниот прав претставува уште еден значаен механизам за нуклеација. Сепак, интеракцијата помеѓу компонентите на претходниците е сложена, а динамиката на пенење може да биде под влијание на нивниот состав. И за системот за прашок Al-Si-Cu-Mg и за системот за прашок Al-Si-Cu-Mg со додаден Cf, разбирањето и истражувањето на започнувањето и растењето на металната пена е од клучно значење за понатамошниот структурен развој на пената за подобрување на својствата за апликации.

Во оваа работа, Cf/AFS и AFS со металуршко меѓуфациално поврзување беа подготвени со методот на металургија на прашок за валање за пакување. Еволуцијата на меурчињата на Cf/AFS и AFS беше забележана на самото место со синхротронско зрачење за да се открие механизмот на Cf на нуклеацијата на меурчињата, растот и спојувањето и стабилноста. Дополнително, Cf/AFS и AFS се пени на 620 ◦C 15 мин во коморна печка. Потоа, дистрибуцијата на големината на порите, микроструктурата на порите и компресивните механички својства на пенираните примероци беа карактеризирани и тестирани. Врз основа на гореспоменатите студии, структурата и јакоста на притисок на Cf/AFS и AFS беа систематски евалуирани.

2. Материјали и методи

2.1. Суровини

За подготовка на AFS и Cf/AFS беа искористени шест суровини: Ал прашок (просечна големина: 45 μm, чистота >99,70%), Si прав (просечна големина: 38 μm, чистота >99,50%), Cu прав (просечна големина: 38 μm, чистота >99,90%), Mg прав (просечна големина: 75 μm, чистота >99,70%), TiH2 прашок (просечна големина: 45 μm, чистота >99,70%) и јаглеродни влакна обложени со бакар (просечна големина: 1 ~ 2 mm, дебелина на бакар обложена: 1,4 μm).

2.2. Изработка на Cf/AFS

Шемата на методот на металургија на прашок за тркалање пакување е илустрирана воСл. 1. За време на фазата на мешање, беше подготвен кватернарниот прав AlSi6Mg4Cu4, со прашоци од Al, Si, Cu и Mg во пропорции од 86 wt%, 6 wt%, 4 wt% и 4 wt%, соодветно. 1 wt% оксидиран TiH2 прав (термичка обработка во воздух 1,5 ч на 470 ◦C) беше додаден како средство за дување кое брзо ослободува H2 на температура на топење, проширувајќи го топењето. Дополнително, 0,5 wt% од јаглеродни влакна беа вградени како фази за зајакнување. Имено, за да се подобри влажноста и да се спречат штетните реакции како Al4C3 на интерфејсот на топење на влакна-алуминиум за време на пенењето, јаглеродните влакна беа обложени со бакар преку галванизација. Процесот на галванизација беше опишан во Реф.Сл. 2ги прикажува јаглеродните влакна обложени со бакар добиени со процесот на електрично обложување. Облогата има униформа и континуирана покриеност на површината на влакната(Сл. 2(а)–(б)). Последователно, различните состави на легура користени во оваа студија беа подготвени со темелно мешање на гореспоменатите прашоци со и без Cf во тридимензионален миксер за 3 часа. Рамномерно измешаниот прав е инкапсулиран во затворена шуплина, проследено со процедури за ладно и топло тркалање.

Фазата на ладно тркалање ефикасно го евакуира воздухот од внатрешноста на шуплините и интерстицијалните простори помеѓу честичките преку низа повеќекратни премини и мали вдлабнатини. Фазата на топло валање осигурува дека претходникот постигнува релативна густина која надминува 98% преку кодеформација на панелот и прашокот, што го олеснува последователниот процес на пенење. Деталните параметри на процесот на тркалање се опишани во Реф. AFS и Cf/AFS пенливи прекурсори се добиваат преку гореспоменатиот процес. На крајот, и двата прекурсори што може да се пенат беа загреани на 620 ◦C за 15 минути за да се направат примероци Cf/AFS и AFS, кои беа користени за анализа на големината на порите, микроструктурна карактеризација и тестови за механички својства на компресија.

2.3. Карактеризација и методи на тестирање

2.3.1. Микроструктурна карактеризација

Морфологијата на микроструктурата на Cf/AFS и AFS беа испитувани со електронска микроскопија за скенирање на емисии на терен (SEM, Zeiss Ultra Plus). Енергетска дисперзивна спектроскопија (EDS) беше користена за да се идентификува составот на различни фази во клеточните ѕидови на пенираните примероци. Надолжните пресеци на примероците се добиени со сечење на пенираните примероци со помош на машината за електропразнење (EDM, DK7745). По ова, надолжните делови на примероците беа обложени со боја, а потоа изшкуркан и полиран со шкурка со 800 и 1500 гриз, соодветно. На крајот, еквивалентните дијаметри на ќелиите (Dmean) на пресекот на полиран примерок беа одредени со помош на софтвер за анализа на слики, Image Pro Plus 6.0.

Сл. 1.Шема на методот на металургија на прашок за тркалање пакување.

Сл. 2.SEM слики од (а) јаглеродни влакна обложени со бакар, и (б) покажува зголемен приказ на регионот означен со црвен квадрат во (а). Сликите (в) и (г) се резултатите од EDS од точката А во (б).

Сл. 3.Шематски дијаграм на поставувањето на експериментот со синхротронско зрачење.

2.3.2. Набљудувања на пенење на самото место со синхротронско зрачење

Шематскиот дијаграм на поставувањето на експериментот со синхротронско зрачење е скициранСл. 3. Експериментите беа спроведени на зрачната линија 4W1A на Пекинг синхротронното зрачење (BSRF, Пекинг Институт за физика со висока енергија, Кинеска академија на науките, Кина). За разлика од конвенционалните слики со апсорпција-контраст, овој труд користи сликање со фазен контраст со извор на светлина на синхротрон зрачење. Овој пристап се однесува на ограничувањата на традиционалната слика за апсорпција, која е неефикасна за визуелизација на супстанци кои слабо апсорбираат. Процесот на пенење на примероците беше изведен во специјално дизајнирана печка за пенење, со квадратен прозорец од 15 mm на 15 mm поставен нормално на насоката на рендгенскиот зрак. Големината на примерокот, како што е прикажано на слика 3, е со димензии 15 mm × 15 mm × 2 mm. Примерокот се става во калап за пенење кој се состои од одреден број керамички листови. Во текот на процесот на пенење, рендгенските зраци можат да поминат низ примерокот и се снимаат со камера со уред поврзан со полнење (CCD). Избраниот извор на Х-зраци работеше со интензитет од 20 Kev, а максималната големина на гледање од 7,4 mm × 7,4 mm беше употребена за да се овозможи сеопфатно набљудување на целиот процес на пенење.

Вреди да се напомене дека набљудуваните примероци беа поставени на начин нормално и на насоката на тркалање и на тангенцијалната насока. И на прекурсорите што содржат 0,5 wt% Cf и на оние без 0,5 wt% Cf им беа отстранети страничните панели од двете страни на примероците користејќи EDM. Беше испитуван ефектот на Cf врз карактеристиките на пенење на алуминиумската пена. Понатаму, прекурсорите со различни состави се пени во иста печка за греење на претходно поставена температура од 620 ◦C.

2.3.3. Тест за механички својства на компресија

Примероците за компресија беа исечени во цилиндрични примероци со висина од 23 mm и дијаметар од 20 mm со EDM, а секоја насока беше обезбедена да вклучува најмалку 10 целосни пори за да се избегне ефектот на големината. Беа спроведени квази-статички тестови за компресија по стандардите ISO13314–2011 и GB/T31930–2015, користејќи AG-XPLUS електронски универзална машина за тестирање на материјали со максимална носивост од 100 KN. За секоја група беа тестирани три примероци, а кривите на притисок-деформација во овој труд ги претставуваат просечните резултати добиени од трите тестирани примероци. Сите тестови беа извршени под контрола на поместувањето, одржувајќи постојана брзина на вкрстената глава од 2 mm/min (што одговара на почетната стапка на напрегање од 10− 3 s− 1) на собна температура.

Сл. 4.Слики на синхрононско зрачење со време еволуирано на процесот на пенење Cf/AFS: (а) непениран претходник во t0 момент од 380 ◦C; (б)–(в) растворање на елементарен бакар и тип II нуклеација при топење на прекурсори; (г) – (е) хетерогени процеси на нуклеација и раст на меурчиња; и (ж)–(i) меурчиња се спојуваат и пукаат.

3. Резултати и дискусија

3.1. Однесување на пенење на самото место под синхротронско зрачење

3.1.1. Еволуција на пена на Cf/AFS

Сл. 4прикажува серија слики од синхротронско зрачење што го прикажуваат процесот на пенење на Cf/AFS. Оригиналните слики на Cf/AFS(Сл. 4 (а))беа заробени кога матрицата беше во цврста состојба на 380 ◦C, и овој пат беше поставен како t0. Во споредба со другите компоненти во претходникот, Cf изгледа црно во претежно сивата матрица богата со алуминиум. Ова може да се припише на високата содржина на бакар на површината на влакната, како што е прикажано воСл. 2 (в) - (г), кој има најголема релативна атомска маса во споредба со другите компоненти на претходникот. Згора на тоа, повеќето од Cf се забележани дека се дисперзирани и одвоени, наместо групирани заедно, како што е прикажано воСл. 4(а). Ова имплицира дека со 0,5 wt% додавање на Cf, процесот на мешање од 3 часа може ефективно да ја постигне саканата состојба на дисперзија.

На t0+194s (како што се гледа воСл. 4 (б)), значителен број бели, речиси сферични меурчиња со дијаметри кои се движат од 90 μm до 180 μm може да се забележат во сивата алуминиумска матрица (означена со црвената стрелка). Бројот на меурчиња продолжи да се зголемува во рок од 46 секунди, како што е прикажано воСл. 4 (в). Дополнително, уште една забележлива промена што се случува во матрицата е тоа што некои мали меурчиња имаат тенденција да се формираат на површината на Cf со започнување на растворање на Cu (означени со црвеното поле со точки). Овој феномен најверојатно се припишува на нуклеацијата од типот II што се јавува во компактот со прашок што содржи бакар. Нашироко е прифатено дека додавањето на Cu значително ја намалува температурата на топење на легурите. Ова резултира со локализирано топење околу поединечни честички во прав во претходникот на прав што содржи бакар во прав за време на процесот на загревање, генерирајќи значителна количина на кватернерно еутектичко топење Al-Si-Mg-Cu на пониски температури. Кватернарното еутектичко топење има тенденција да биде слаб регион во легурата и е повеќе склон кон нуклеација. Како резултат на тоа, меурчињата имаат поголема веројатност да се јадра и да растат во близина на бакар-обложената површина на влакната. Понатаму, ниската течна фракција во матрицата во овој момент предизвикува гасовите од распаѓањето на TiH2 лесно да се акумулираат во алуминиумската матрица. Нуклеацијата од типот II може ефикасно да го избегне акумулираниот гас што ја раздвојува матрицата со ниска течна фракција и пропагира пукнатини низ течноста, што резултира со сериозно губење на количината на водород.

Сл. 4 (г)покажува дека меурчињата првично се јадрени и растат во областа на Cf додека матрицата целосно се топи, а местата на меурчиња одговараат на слојот кој исчезнува со бакар (означен со црвеното поле со точки). Добро е докажано дека додавањето на секундарни фази го зголемува бројот на хетерогени места за нуклеација, а со тоа ја намалува енергетската бариера за формирање на нови меури во топењето на легурата. Во меѓувреме, стапката на нуклеација е поврзана со вкупната хетерогена површина на нуклеација по единица волумен. Следствено, може да се забележи дека меурчињата првично се нуклеираат на местата каде што се наоѓаат јаглеродните влакна и се шират по должината на јаглеродните влакна. Со дополнително зголемување на растопената фракција, од неа продолжуваат да излегуваат бројни нови меурчињаСл. 4(д)-4(г). Сепак, стапката на локализирано спојување и кинење на меурите е бавна, што покажува дека меурчињата поседуваат висока стабилност. На t0+426s, бројот на меурчиња значително се зголемува, и

волуменот на претходникот покажува големо проширување(Сл. 4 (ж)). Понатаму, појавата на некое спојување на меурчиња (означено со црвената стрелка), каде што малите меурчиња се апсорбираат од поголемите поради созревањето на Оствалд, е неизбежен процес за време на еволуцијата на металните пени [40]. Овој феномен на созревање резултира и со појава на мал број големи и неправилни меурчиња (означени со црвената стрелка воСл. 4 (i)).

Сл. 5.Временски еволуирани слики од процесот на пенење на AFS во различни фази: (а) нестопен претходник во t0 момент од 380 ◦C; (б) растворање на елементарен бакар и нуклеација од типот II за време на топењето на претходниците; (в) процеси на нуклеација и раст на меурчиња; и (г) – (ѓ) меурчиња се спојуваат и пукаат.

3.1.2. Еволуција на пена на AFS

Сл. 5 демонстрира серија слики од синхротронско зрачење што го илустрираат процесот на пенење на AFS. Слично на Cf/AFS, почетната слика за низата на синхротронско зрачење беше снимена кога AFS беше во цврста фаза на 380 ◦C (видиСл. 5 (а)). Кога матрицата се загрева над солидусната температура, во него стануваат видливи мали бели меурчињаСл. 5(б) и (в), кои произлегуваат од распаѓањето на TiH2 и појавата на тип II нуклеација во регионот богат со Cu. Сепак, бројот на генерирани меури и нивната густина на дистрибуција воСл. 5 (в)е значително помал во споредба соСл. 4 (в). Ова сугерира дека Cf/AFS обезбедува повеќе канали за рано ослободување на гас за време на нуклеацијата, спречувајќи прекумерно формирање на пукнатини во алуминиумската матрица со ниска течна фракција.

ОдСл. 5 (г) - (ѓ). Еволуцијата на меурчињата AFS е неправилна, а нивните големини покажуваат широки флуктуации поради коегзистенција на меурчиња со големина на микрометар и големи меурчиња со невообичаена големина на милиметар (означени со црвената стрелка). Покрај тоа, оваа нестабилност и нехомогеност за време на раниот процес на нуклеација може да резултира со значителни разлики во конечната структура на порите и механичките својства помеѓу AFS и Cf/AFS.

3.2. Анализа на макроструктура

За да се истражат разликите во макроскопската морфологија на порите и дијаметарот на порите помеѓу AFS и Cf/AFS, беа подготвени две сендвич структури во лабораториски услови на температура на пенење од 620 ◦C за 15 мин. Макроструктурите и дистрибуцијата на големината на клетките на AFS и Cf/AFS се прикажани воСл. 6. Споредбата на вертикалните делови на примероците од два сендвич-структури открива дека пените Cf/AFS имаат пофини ќелии и помалку дефекти како што се руптура или спојување на ќелиите (видиСл. 6 (б)). Напротив, како што е прикажано воСл. 6 (а), AFS покажува слаба хомогеност на порите со присуство на некои ненормално големи пори. Во меѓувреме, еквивалентниот дијаметар на пора за AFS и Cf/AFS беше 2,9 ± 0,2 mm и 1,9 ± 0,1 mm, соодветно, што укажува на тоа дека дијаметарот на порите бил дополнително рафиниран со додавање на Cf (видиСл. 6(в) и (г)).

Еволуцијата на структурата на порите е под влијание на два конкурентни механизми: распаѓање на TiH2 и спојување и пукање на пената. Распаѓањето на TiH2 придонесува за зголемување на бројот на нуклеација, порозност и стапка на проширување, додека спојувањето и пукањето на меурите го намалуваат бројот на порите и го зголемуваат дијаметарот на порите. Намалувањето на настаните од спојување и руптура на меурчиња придонесува за добивање подобра клеточна структура. Оттука, високата стабилност на пената е неопходна за да се одржи хомогеноста на структурата на порите за време на процесот на пенење. За Cf/AFS, додавањето на Cf во голема мера ја подобрува влажноста на влакната со топењето на алуминиум. Слично на пријавената алуминиумска пена засилена со Cf [44] подготвена со методот на топење пена, додавањето на Cf ја стабилизира алуминиумската пена со тоа што го спречува кинењето на клеточниот ѕид и ја намалува агломерацијата. Во меѓувреме, Cf може да создаде структура слична на мрежа во клеточниот ѕид, која генерира сила на одвојување и го спречува кинењето на меурите, со што се подобрува структурата на клетките, стабилноста на пената и униформноста на дистрибуцијата на порите.

3.3. Микроструктурна карактеризација

Сл. 7 (а)ја покажува микроструктурата на клеточниот ѕид по пенење со AFS. Како што е соопштено за пените од легура AlSi6Cu4Mg4, евтектичките Al-Si, Mg2Si, Al2Cu и Al5Cu2Mg8Si6 се присутни во легурата, што е во согласност со наодите добиени од EDS анализата воСл. 7 (б). Овие кршливи фази ги намалуваат механичките својства на алуминиумската пена со слабеење на ѕидот на порите или делувајќи како извор на пукнатини при деформација. Затоа, подобрувањето на механичките својства на ѕидот на порите преку додавање на фази за зајакнување е остварлива и ефикасна стратегија.

За Cf/AFS, може да се забележи одСл. 7 (в) и (г)дека Cf е дистрибуиран во внатрешноста на клеточниот ѕид или на работ на клеточниот ѕид, што укажува на тоа дека Cf има одлична влажност со алуминиумското топење. Понатаму, забележливо е (види наСл. 7 (г)) дека мала количина од преципитираната фаза Al2Cu се формира на интерфејсот помеѓу влакната и алуминиумското топење. Овој феномен придонесува за постигнување силна врска помеѓу влакната и матрицата. Прогресијата на оваа реакција на дифузија може интуитивно да се набљудува воСл. 4 (а) - (в). Забележете дека преципитираната фаза не ги опкружува целосно јаглеродните влакна, а состојбата и количината на оваа дистрибуција се корисни за Cf/AFS. Врз основа на студијата на Lv et al, на композитни материјали со алуминиумска матрица засилена со Cf, беше докажано дека соодветната количина на преципитирана фаза може да влијае и да ја регулира јачината на меѓуфајалната врска.

Сл. 6.Вертикални пресеци на репрезентативен примерок (а) AFS и (б) Cf/AFS. Парцелите на еквивалентен дијаметар наспроти фракцијата на површината што одговараат на (а) и (б) се прикажани во (в) и (г), соодветно. Цврстата континуирана линија во (в) и (г) го претставува лог-нормалното вклопување. Регресијата (R2) ја претставува добрината на вклопувањето.

Сл. 7.SEM сликите (а) и (б) ги прикажуваат микроструктурите што одговараат наСл. 6(а) AFS иСл. 6(б) Cf/AFS, соодветно, дополнително,Сл. 7(б) и (г) покажуваат локализирани зголемувања наСл. 7(а) и (в), соодветно.

3.4. Механизам на Cf стабилизирачка пена Al–Si–Mg–Cu

Врз основа на горенаведената анализа, шематски приказ на механизмот за пенење за Cf/AFS и AFS е сумиран воСл. 8. Значајните разлики помеѓу Cf/AFS и AFS во фазата на нуклеација, растот на меурчињата и фазата на спојување и фазата на постепено зацврстување, како што е илустрирано воСл. 8(а) и (б).

Сл. 8.Шематски дијаграм на однесувањето на пенење Cf/AFS и AFS: (а) Cf/AFS; и (б) AFS.

Во фазата на јадрење на пените од легура AlSi6Cu4Mg4, меурчињата имаат тенденција да нуклеираат во рамките на течната кватернарна евтектика која ги опкружува бакарните честички, наместо да се јадрени на локацијата на честичките TiH2. Овој тип на нуклеација во најслабиот регион на претходникот (тип II нуклеација) обезбедува повеќе канали за бегство за гасовите ослободени со распаѓање на TiH2, избегнувајќи акумулација на гасови и предизвикувајќи пукнатини да се пропагираат во топењето на алуминиум. Додавањето на јаглеродни влакна обложени со бакар очигледно дополнително создава повеќе канали за ослободување на H2. Меѓутоа, бидејќи топењето на алуминиум нема доволно течна фракција во оваа фаза, тешко е таквите мали меурчиња да имаат доволен извор на H2 за да продолжат да растат. Како резултат на тоа, овие мали меурчиња пукаат во топењето додека температурата се зголемува. Кога прекурсорот целосно ќе се стопи, H2 ослободена од насилната реакција на дехидрогенизација на TiH2 ќе се јадре и брзо ќе расте врз основа на точката на нуклеација. Cf обезбедува бројни хетерогени места за нуклеација за генерирање меурчиња, кои во голема мера ги зголемуваат стапките на нуклеација. Истовремено, присуството на Cf ефикасно го инхибира контактот и спојувањето на примарните меури и го избегнува формирањето на аномално големи меурчиња.

За време на фазата на раст и спојување на меурите, додавањето на Cf значително ја подобрува стабилноста на пената. Причината е што Cf и топењето на алуминиум имаат добра влажност, а влакната лесно може да се заробат помеѓу двата интерфејси гас-течност за да формираат мрежна структура (како што е прикажано воСл. 7 (в)). Како што течниот филм се разредува, влакната можат да генерираат притисок на одвојување за да се спротивстават на вшмукување од границата на платото, со што се спречува пукање на течниот филм. Така, на Cf/AFS му треба подолго време на пенење во споредба со AFS, со поголема стабилност што може да ја одржи униформноста на структурата на порите за време на еволуцијата на пената.

За време на фазата на бавно зацврстување, меурчињата во Cf/AFS повеќе не растат и влакната се вградени во клеточниот ѕид (означен со црвеното поле со точки). Ова задржување на влакна ја спречува апсорпцијата на малите меурчиња од поголемите, како што се гледа во созревањето на Оствалд, и го инхибира кинењето на клеточниот ѕид поради ширењето на зацврстувањето. Како резултат на тоа, Cf/AFS покажува похомогена структура на порите и помалку дефекти на порите во споредба со AFS.

3.5. Механички својства

Кривите на притисок-деформација за Cf/AFS и AFS со речиси иста порозност (83,2% и 81,4%, соодветно) се претставени воСл. 9 (а). Кривата на компресија напрегање-деформација прикажува посебна карактеристика на три степени, која ја опфаќа линеарната еластична област, регионот на платото и регионот на згуснување. Јачината на испуштање на притисок на AFS и Cf/AFS беше 8,44 MPa и 11,87 MPa, соодветно. Јачината на испуштање на притисок на Cf/AFS беше зголемена за 40,6% во споредба со AFS. Во меѓувреме, капацитетот за апсорпција на енергија на Cf/AFS е подобар од оној на AFS при истиот напор, како што е прикажано воСл. 9 (б). Капацитетите за апсорпција на енергија на AFS и Cf/AFS се околу 3,3 MJ/m3 и 6,1 MJ/m3, соодветно. Капацитетот за апсорпција на енергија на Cf/AFS е подобрен за 84,8% во споредба со AFS.

Сл. 9.Криви на компресивни напрегање-воз и криви на капацитет за апсорпција на енергија на Cf/AFS и AFS: (а) криви на компресивни напрегање-воз; (б) криви на капацитет за апсорпција на енергија.

Вградувањето на Cf значително ги подобри механичките својства на јадрото од пена. Добро е познато дека механичките својства наалуминиумска пенасе тесно поврзани со структурата на порите и механичките својства на потпората. Макроструктурната анализа покажа дека додавањето на Cf ја рафинира големината на порите, ја подобрува дистрибуцијата на порите и ги намалува дефектите на порите. Слично на наодите на Sasikumar et al. и Јангетал. малиот дијаметар на порите и тесната пора дистрибуција се покорисни за подобрување на јачината на притисок и ефикасноста на апсорпција на енергија. Покрај тоа, ефектот на микроструктурата врз механичките својства на пената главно се должи на Cf вграден во ѕидовите на порите на пената. Со дифузија и растворање на бакарно обложените јаглеродни влакна во алуминиумската матрица може да се постигне поцврста меѓусебна врска помеѓу влакната и алуминиумската матрица, што придонесува за пренос на товарот. Јаглеродните влакна со висок модул захефтани во ѕидот на порите може да ја ограничат деформацијата на ѕидот на порите под оптоварување на компресија и да ја подобрат носивоста. Сите овие фактори го фаворизираат Cf/AFS за да се постигне поголема јачина на принос и капацитет за апсорпција на енергија во споредба со AFS.

4. Заклучоци

Cf/AFS и AFS беа подготвени со методот на металургија за валање прашок за пакување во оваа работа. Однесувањето на пенење на Cf/AFS и AFS беше динамички забележано преку синхротронско зрачење до

истражете го влијанието на Cf врз нуклеацијата и растот на меурчињата. Дополнително, Cf за морфологијата на порите, дистрибуцијата на порите и својствата на компресија на алуминиумските пени беше темелно анализиран. Главните заклучоци се како што следува:

(1) Синхротронното зрачење in situ открива дека и Cf/AFS и AFS процесите на пенење покажуваат три различни фази: нуклеација на меурчиња, раст и спојување на меурчиња и зацврстување.

Во споредба со AFS, процесот на пенење на Cf/AFS покажува поголема стабилност и униформност на меурчиња. AFS е повеќе склон кон формирање ненормално големи и груби пори за време на процесот на еволуција на порите. Дополнително, диспаритетот се припишува на хетерогениот нуклеационен ефект на Cf, кој го спречува кинењето на ѕидот на меурот и го намалува спојувањето додека ја зголемува стапката на нуклеација.

(2) Додавањето на 0,5 wt.% Cf го рафинира еквивалентниот дијаметар на пора од 2,9 ± 0,2 mm на 1,9 ± 0,1 mm, значително намалувајќи ги грубите дефекти на порите. Истовремено, микроструктурата открива добра влажност на Cf, која се дистрибуира долж ѕидот на порите и интерфејсот гас-цврст, а со тоа ја подобрува стабилноста на пената.

(3) Во споредба со AFS, јачината на испуштање на притисок и капацитетот за апсорпција на енергија на Cf/AFS се зголемија за приближно 40,6% и 84,8%, соодветно. Наодите од оваа студија можат да дадат идеи за зајакнување на сендвич панели од алуминиумска пена со металуршки сврзувачки интерфејси кои имаат потенцијал за инженерски апликации во областа на автомобилската и воздушната индустрија.

Статија од весник за истражување и технологија за материјали