Copper-deposited carbon fiber aluminum foam sandwich panel na mga katangian ng pagganap kumpara sa conventional aluminum foam sandwich panel

Aluminum foam sandwich(AFS) na mga panel ay may kumbinasyon ng structural at functional na mga katangian tulad ng mababang density, mataas na tiyak na lakas, paborableng pagsipsip ng enerhiya, kapasidad ng pamamasa, at electromagnetic shielding. Dahil sa mga mahuhusay na katangiang ito, ang AFS ay may malaking potensyal sa aerospace, transportasyon, at marine field. Kung ikukumpara sa halos hindi metal na mga bula, ang mga panlabas na metalikong plato ng AFS ay maaaring epektibong ma-seal ang foam at mapabuti ang mga komprehensibong mekanikal na katangian nito, tulad ng tensile at baluktot na lakas. Sa pangkalahatan, ang AFS ay ginawa sa pamamagitan ng adhesive bonding method, na nangangailangan ng paglakip ng aluminum foam sa solid metal panel gamit ang epoxy resin adhesive.

Bagama't epektibong pinahuhusay ng paraan ng adhesive bonding ang structural damping, sinasamahan ito ng mga limitasyon, kabilang ang mga hamon sa pag-recycle at pagiging madaling kapitan sa pagkabigo sa delamination sa ilalim ng mataas na temperatura o kinakaing mga kondisyon. Upang matugunan ang mga limitasyong ito, ang malawak na pagsisikap sa pananaliksik ay nakatuon sa pagkamit ng metalurhiko na pagbubuklod sa pagitan ng panel at ng core layer.

Sa kasalukuyan, ang pangunahing paraan ng paghahanda para sa AFS na naglalayong makamit ang metalurhiko na pagbubuklod ay karaniwang inuri sa tatlong kategorya: welding, melt foaming, at packing rolling powder metalurgy method. Kabilang sa mga pamamaraang ito, ang packing rolling powder metallurgy method ay itinuturing na superior para sa pagkontrol ng pore structure at pagkamit ng low-temperature foaming. Ginamit ng aming nakaraang trabaho ang teknolohiyang ito upang gumawa ng malalaking sukat na AFS na may mas mahusay na mga katangian ng pagpapalawak at istraktura ng cellular para sa mga pang-industriyang aplikasyon.

Gayunpaman, dahil sa medyo mababang compressive mechanical properties ng foam core, ang pagpapabuti ng mekanikal na lakas ng AFS ay limitado, kaya ang karagdagang pagpapabuti ng lakas ng foam core ay mahalaga para sa AFS.

Sa ngayon, ang mga karaniwang pamamaraan ay iniulat upang mapabuti ang compressive mechanical properties ngaluminyo foamay ang mga sumusunod: surface treatment, heat treatment, at reinforcement sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga particle, fibers, alloying elements, atbp. Kabilang sa mga ito, maiikling carbon fibers na may mababang density, mataas na elastic modulus, at malaking aspect ratio ay nakakaakit ng malawak na atensyon bilang promising reinforcing materials. Bukod dito, ang surface metallization ng carbon fibers, sa pamamagitan ng electroplating o chemical plating tulad ng copper plating o nickel plating, ay higit na nagpapabuti sa pagkabasa ng carbon fibers sa aluminum melt at iniiwasan ang mga nakakapinsalang interfacial na reaksyon sa pagitan ng carbon fibers at ng aluminum melt. Ang maikling carbon fiber ay malawakang ginagamit ngayon upang palakasin ang mga composite ng aluminum matrix.

Bhav Singhetal. naghanda ng mga carbon fibers na pinahiran ng tanso na pinalakas ang mga composite ng aluminum matrix sa pamamagitan ng paraan ng stir casting. Muetal. fabricated aluminum matrix composites reinforced with nickel-coated carbon fibers gamit ang two-roll casting method. Ang mga resulta ay nagpakita ng isang makabuluhang pagpapahusay sa makunat na lakas ng mga composite kasama ang pagdaragdag ng mga carbon fibers. Gayunpaman, mayroong limitadong pananaliksik na isinagawa sapinatibay ang aluminum foamna may mga carbon fiber na pinahiran ng tanso. Caoetal. unang inihanda ang mga carbon fiber na pinahiran ng tanso na pinalakas ang aluminum foam sa pamamagitan ng paraan ng melt foaming. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang 0.35 vol% ng Cf ay maaaring patatagin ang aluminyo foam sa pamamagitan ng pagpigil sa likidong film rupture, at ang dami ng mga hibla na idinagdag sa foam ay mas matatag. Muetal. ay nagpakita na ang damping properties ng aluminum foam na inihanda ng melt foaming method ay makabuluhang napabuti sa pagdaragdag ng Cf.

Alinsunod dito, maaari itong tapusin na ang pagdaragdag ng Cf ay maaaring maging isang epektibong diskarte upang sabay na mapabuti ang foaming stability at mekanikal na katangian ngaluminyo foams. Higit pa rito, walang mga ulat sa copper-plated carbon fibers reinforced aluminum foam sandwich panels na inihanda sa pamamagitan ng powder metallurgy method, na nag-uudyok sa mga mananaliksik na magsagawa ng mas malalim na pag-aaral sa larangang ito.

Maraming pag-aaral ang isinagawa sa mekanismo ng nucleation at katatagan ngaluminyo foamskasama ang pagdaragdag ng mga reinforcing phase. Ang mga pagkakaiba sa pore number at pore morphology,

gaya ng laki, distribusyon, at hugis, ay karaniwang iniuugnay sa mga mekanismo ng nucleation at katatagan. Heterogenous nucleation effect at oxide network stabilization mechanisms sa powder metallurgy system ay lubusang naimbestigahan. Ang mga quaternary alloy powder na binubuo ng Al–Si–Mg–Cu na ginamit sa papel na ito ay nagpakita ng pambihirang mga rate ng pagpapalawak at mababang temperatura ng foaming, na may solidus na temperatura na 507 ◦C at isang liquidus na temperatura na 596 ◦C. Gayunpaman, may kakulangan ng pananaliksik tungkol sa mekanismo ng nucleation, katatagan, at compressive na mekanikal na katangian ng mga powder compact na naglalaman ng partikular na komposisyon ng haluang metal, lalo na kapag isinasama ang Cf. Sa mga nakaraang gawa, ang mga pagsisiyasat ng mga mekanismo ng nucleation at stabilization ay pangunahing isinagawa sa pamamagitan ng mga non-in situ na pamamaraan, na kinasasangkutan ng tomographic analysis ng mga sample na mabilis na pinalamig kasunod ng foaming interruption. Sa kasamaang palad, ang submicron bubble nucleation ay pangunahing nangyayari sa panahon ng precursor heating at mabilis na lumalawak sa loob ng mga agwat ng oras mula 100 ms hanggang 1 s, kadalasang nagpapakita ng mga hamon para sa real-time na pagmamasid. Ang modernong synchrotron radiation X-ray imaging technique ay nagtataglay ng mataas na enerhiya at spatiotemporal na resolution, na nagbibigay-daan para sa real-time, in situ na pagmamasid sa nucleation at proseso ng paglago ng aluminum foam sa mataas na temperatura. Sa kasalukuyan, ang mga limitadong mananaliksik lamang ang nag-explore sa foaming kinetics ng Al-Si-Mg alloy powder sa pamamagitan ng synchrotron radiation. Halimbawa, García-Morenoetal. nag-ulat ng makabuluhang dynamic na phenomena sa likidong aluminum foam, kabilang ang nucleation at paglaki, pag-aayos ng bubble, pagbawi ng likido, pagtitipon, at pagkalagot ng pelikula. Kamm et al. pinag-aralan ang nucleation at proseso ng paglago ng AlSi8Mg4 aluminum foam sa pamamagitan ng synchrotron radiation. Ang kanilang mga natuklasan ay nagpapahiwatig na ang hydrogen na nabuo sa pamamagitan ng agnas ng mga adsorbates sa ibabaw ng metal powder ay kumakatawan sa isa pang makabuluhang mekanismo ng nucleation. Gayunpaman, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga precursor na sangkap ay masalimuot, at ang dynamics ng foaming ay maaaring maimpluwensyahan ng kanilang komposisyon. Para sa parehong Al-Si-Cu-Mg powder system at Al-Si-Cu-Mg powder system na may idinagdag na Cf, ang pag-unawa at paggalugad sa pagsisimula at paglaki ng metal foam ay mahalaga para sa karagdagang istrukturang pag-unlad ng foam upang mapabuti ang mga katangian. para sa mga aplikasyon.

Sa gawaing ito, ang Cf/AFS at AFS na may metallurgical interfacial bonding ay inihanda sa pamamagitan ng packing rolling powder metallurgy method. Ang ebolusyon ng mga bula ng Cf/AFS at AFS ay naobserbahan sa kinaroroonan ng synchrotron radiation upang ipakita ang mekanismo ng Cf sa bubble nucleation, paglaki at pagsasama, at katatagan. Bilang karagdagan, ang Cf/AFS at AFS ay binubula sa 620 ◦C sa loob ng 15 min sa isang chamber furnace. Kasunod nito, ang pamamahagi ng laki ng butas, microstructure ng butas, at mga compressive na mekanikal na katangian ng mga foamed sample ay nailalarawan at nasubok. Batay sa mga nabanggit na pag-aaral, ang istraktura at compressive strength ng Cf/AFS at AFS ay sistematikong nasuri.

2. Mga materyales at pamamaraan

2.1. Mga hilaw na materyales

Anim na hilaw na materyales ang ginamit para sa paghahanda ng AFS at Cf/AFS: Al powder (average size: 45 μm, purity >99.70%), Si powder (average size: 38 μm, purity >99.50%), Cu powder (average size: 38 μm, kadalisayan> 99.90%), Mg powder (average na laki: 75 μm, kadalisayan> 99.70%), TiH2 powder (average size: 45 μm, purity >99.70%), at copper-coated carbon fiber (average size: 1～2 mm, kapal ng copper-coated: 1.4 μm).

2.2. Paggawa ng Cf/AFS

Ang schematic ng packing rolling powder metallurgy method ay inilalarawan saLarawan 1. Sa yugto ng paghahalo, ang quaternary alloy na AlSi6Mg4Cu4 na pulbos ay inihanda, na may mga pulbos ng Al, Si, Cu, at Mg sa mga proporsyon na 86 wt%, 6 wt%, 4 wt%, at 4 wt%, ayon sa pagkakabanggit. 1 wt% oxidized TiH2 powder (heat treatment sa hangin sa loob ng 1.5 h sa 470 ◦C) ay idinagdag bilang isang blowing agent na mabilis na naglalabas ng H2 sa temperatura ng pagkatunaw na nagpapalawak ng pagkatunaw. Bilang karagdagan, ang 0.5 wt% ng mga carbon fiber ay isinama bilang mga yugto ng pagpapatibay. Kapansin-pansin, upang mapahusay ang pagkabasa at maiwasan ang mga nakakapinsalang reaksyon tulad ng Al4C3 sa fiber-aluminum melt interface sa panahon ng pagbubula, ang mga carbon fiber ay pinahiran ng tanso sa pamamagitan ng electroplating. Ang proseso ng electroplating ay inilarawan sa Refs.Larawan 2ay nagpapakita ng mga carbon fibers na pinahiran ng tanso na nakuha ng electroless plating process. Ang patong ay may pare-pareho at tuluy-tuloy na saklaw ng ibabaw ng hibla(Larawan 2(a)–(b)). Kasunod nito, ang iba't ibang mga komposisyon ng haluang metal na ginamit sa pag-aaral na ito ay inihanda sa pamamagitan ng lubusang paghahalo ng mga nabanggit na pulbos na may at walang Cf sa isang three-dimensional na panghalo sa loob ng 3 h. Ang pantay na halo-halong pulbos ay naka-encapsulated sa loob ng isang selyadong lukab, na sinusundan ng malamig at mainit na mga pamamaraan ng pag-roll.

Ang cold rolling stage ay epektibong naglalabas ng hangin mula sa loob ng mga cavity at ang interstitial space sa pagitan ng mga particle sa pamamagitan ng isang serye ng maraming pass at maliliit na depressions. Ang hot rolling stage ay nagsisiguro na ang precursor ay nakakamit ng isang relative density na higit sa 98% sa pamamagitan ng co-deformation ng panel at powder, na nagpapadali sa kasunod na proseso ng foaming. Ang mga detalyadong parameter ng rolling process ay inilalarawan sa Ref. Ang AFS at Cf/AFS foamable precursors ay nakukuha sa pamamagitan ng nabanggit na proseso. Sa huli, ang parehong foamable precursors ay pinainit sa 620 ◦C sa loob ng 15 min upang makagawa ng mga specimen ng Cf/AFS at AFS, na ginamit para sa pagsusuri ng laki ng butas, microstructural characterization, at compressive mechanical properties na mga pagsubok.

2.3. Mga pamamaraan ng paglalarawan at pagsubok

2.3.1. Microstructural characterization

Ang Microstructure morphology ng Cf/AFS at AFS ay sinisiyasat ng field emission scanning electron microscopy (SEM, Zeiss Ultra Plus). Ginamit ang energy dispersive spectroscopy (EDS) upang matukoy ang komposisyon ng iba't ibang phase sa mga cell wall ng mga foamed sample. Ang mga pahaba na seksyon ng mga sample ay nakuha sa pamamagitan ng pagputol ng mga foamed specimen gamit ang electro-discharging machine (EDM, DK7745). Kasunod nito, ang mga paayon na seksyon ng mga ispesimen ay pinahiran ng pintura at pagkatapos ay binaha at pinakintab gamit ang 800-grit at 1500-grit na papel de liha, ayon sa pagkakabanggit. Sa huli, ang katumbas na mga diameter ng cell (Dmean) ng pinakintab na specimen cross-section ay natukoy gamit ang software ng pagsusuri ng imahe, Image Pro Plus 6.0.

Larawan 1.Schematic ng packing rolling powder metalurgy method.

Larawan 2.Ang mga imahe ng SEM ng (a) mga carbon fiber na pinahiran ng tanso, at (b) ay nagpapakita ng pinalaki na view ng rehiyon na minarkahan ng pulang parisukat sa (a). Ang mga larawan (c) at (d) ay ang mga resulta ng EDS ng punto A sa (b).

Larawan 3.Schematic diagram ng synchrotron radiation experiment setup.

2.3.2. In-situ foaming observation sa pamamagitan ng synchrotron radiation

Ang schematic diagram ng synchrotron radiation experiment setup ay naka-sketch inLarawan 3. Ang mga eksperimento ay isinagawa sa beamline 4W1A ng Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF, Beijing Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, China). Hindi tulad ng conventional absorption-contrast imaging, ang papel na ito ay gumagamit ng phase-contrast imaging gamit ang Synchrotron Radiation Light Source. Tinutugunan ng diskarteng ito ang mga limitasyon ng tradisyunal na pagsipsip ng imaging, na hindi epektibo para sa paggunita ng mahinang pagsipsip ng mga sangkap. Ang proseso ng foaming ng mga specimen ay isinagawa sa loob ng customdesigned foaming furnace, na nagtatampok ng 15 mm by 15 mm square window na nakaposisyon patayo sa direksyon ng X-ray beam. Ang laki ng sample, tulad ng inilalarawan sa Fig. 3, ay may sukat na 15 mm × 15 mm × 2 mm. Ang sample ay inilalagay sa isang foaming mold na binubuo ng isang tiyak na bilang ng mga ceramic sheet. Sa buong proseso ng foaming, ang mga X-ray ay maaaring dumaan sa sample at nakukuha ng isang charge-coupled device (CCD) camera. Ang napiling X-ray source ay pinaandar sa intensity na 20 Kev, at ang maximum na laki ng pagtingin na 7.4 mm × 7.4 mm ay ginamit upang paganahin ang komprehensibong pagmamasid sa buong proseso ng foaming.

Kapansin-pansin na ang mga naobserbahang sample ay nakaposisyon sa paraang patayo sa direksyon ng paggulong at sa tangential na direksyon. Parehong ang mga precursor na naglalaman ng 0.5 wt% Cf at ang mga walang 0.5 wt% Cf ay inalis ang kanilang mga side panel mula sa magkabilang panig ng mga sample gamit ang EDM. Ang epekto ng Cf sa foaming na katangian ng aluminum foam ay inimbestigahan. Higit pa rito, ang mga precursor na may iba't ibang komposisyon ay binubula sa parehong heating furnace sa isang preset na temperatura na 620 ◦C.

2.3.3. Pagsubok ng mga mekanikal na katangian ng compression

Ang mga specimen ng compression ay pinutol sa mga cylindrical na specimen na may taas na 23 mm at diameter na 20 mm ng EDM, at ang bawat direksyon ay tiniyak na may kasamang hindi bababa sa 10 kumpletong mga pores upang maiwasan ang epekto ng laki. Ang mga quasi-static compression test ay isinagawa alinsunod sa mga pamantayang ISO13314–2011 at GB/T31930–2015, gamit ang isang AG-XPLUS electron universal material testing machine na may maximum load capacity na 100 KN. Tatlong sample ang sinubukan para sa bawat grupo, at ang compressive stress-strain curves sa papel na ito ay kumakatawan sa average na resulta na nakuha mula sa tatlong nasubok na sample. Ang lahat ng mga pagsubok ay isinagawa sa ilalim ng kontrol sa pag-alis, na pinapanatili ang isang pare-pareho ang bilis ng cross-head na 2 mm / min (naaayon sa isang paunang rate ng strain na 10− 3 s− 1) sa temperatura ng silid.

Larawan 4.Time-evolved synchrotron radiation na mga larawan ng Cf/AFS foaming process: (a) unfoamed precursor sa t0 moment na 380 ◦C; (b)–(c) paglusaw ng elemental na tanso at type II nucleation sa panahon ng precursor melting; (d)–(g) magkakaibang nucleation at mga proseso ng paglaki ng mga bula; at (h)–(i) mga bula na nagsasanib at pumuputok.

3. Mga resulta at talakayan

3.1. In situ foaming behavior sa ilalim ng synchrotron radiation

3.1.1. Foam evolution ng Cf/AFS

Larawan 4ay nagpapakita ng isang serye ng synchrotron radiation na mga imahe na naglalarawan sa proseso ng pagbubula ng Cf/AFS. Ang mga orihinal na larawan ng Cf/AFS(Larawan 4 (a))ay nakunan kapag ang matrix ay nasa solid state sa 380 ◦C, at ang oras na ito ay itinakda bilang t0. Kung ikukumpara sa iba pang mga bahagi sa precursor, lumilitaw na itim ang Cf sa loob ng karamihan sa kulay abong matris na mayaman sa aluminyo. Maaari itong maiugnay sa mataas na nilalaman ng tanso sa ibabaw ng hibla, tulad ng ipinapakita saLarawan 2(c)–(d), na may pinakamalaking relatibong atomic mass kumpara sa iba pang bahagi ng precursor. Bukod dito, ang karamihan ng Cf ay naobserbahang nagkakalat at hiwalay, sa halip na magkakasama, tulad ng ipinakita saLarawan 4(a). Ito ay nagpapahiwatig na sa isang 0.5 wt% na pagdaragdag ng Cf, ang isang 3 h na proseso ng pagpapakilos ay maaaring epektibong makamit ang nais na estado ng pagpapakalat.

Sa t0+194s (tulad ng nakikita saLarawan 4(b)), isang malaking bilang ng mga puti, halos spherical na mga bula na may diameter na mula 90 μm hanggang 180 μm ay maaaring maobserbahan sa kulay abong aluminum matrix (minarkahan ng pulang arrow). Ang bilang ng mga bula ay patuloy na tumaas sa loob ng 46 s, tulad ng ipinapakita saLarawan 4(c). Bilang karagdagan, ang isa pang kapansin-pansing pagbabago na nagaganap sa matrix ay ang ilang maliliit na bula ay may posibilidad na mabuo sa ibabaw ng Cf na may pagsisimula ng mga dissolution ng Cu (minarkahan ng pulang tuldok na kahon). Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay malamang na nauugnay sa type II nucleation na nagaganap sa loob ng copper-containing powder compact. Malawakang kinikilala na ang pagdaragdag ng Cu ay makabuluhang binabawasan ang temperatura ng pagkatunaw ng mga haluang metal. Nagreresulta ito sa localized na pagtunaw sa paligid ng mga indibidwal na particle ng pulbos sa powder precursor na naglalaman ng copper powder sa panahon ng proseso ng pag-init, na bumubuo ng malaking halaga ng Al-Si–Mg–Cu quaternary eutectic melt sa mas mababang temperatura. Ang quaternary eutectic melt pool ay malamang na isang mahinang rehiyon sa haluang metal at mas madaling kapitan ng nucleation. Bilang resulta, ang mga bula ay mas malamang na mag-nucleate at tumubo malapit sa pinahiran ng tanso sa ibabaw ng hibla. Higit pa rito, ang mababang bahagi ng likido sa matrix sa sandaling ito ay nagiging sanhi ng mga gas mula sa agnas ng TiH2 upang madaling maipon sa aluminum matrix. Mabisang maiiwasan ng Type II nucleation ang naipon na gas na pumipilit sa mababang liquid fraction matrix na maghiwalay at nagpapalaganap ng mga bitak sa likido, na nagreresulta sa matinding pagkawala ng dami ng hydrogen.

Larawan 4(d)ipinapakita ang mga bula sa simula ay nag-nucleate at lumalaki sa rehiyon ng Cf habang ang matrix ay ganap na natutunaw, at ang mga lokasyon ng bubble ay tumutugma sa nawawalang layer na pinahiran ng tanso (minarkahan ng pulang tuldok na kahon). Mahusay na itinatag na ang pagdaragdag ng mga pangalawang yugto ay nagpapataas ng bilang ng mga heterogenous na mga site ng nucleation, at sa gayon ay binabawasan ang energy barrier para sa pagbuo ng mga bagong bula sa loob ng haluang metal na natutunaw. Samantala, ang nucleation rate ay nauugnay sa kabuuang heterogenous nucleation area sa bawat unit volume. Dahil dito, mapapansin na ang mga bula sa simula ay nag-nucleate sa mga site kung saan matatagpuan ang mga carbon fiber at lumalawak sa haba ng carbon fiber. Sa karagdagang pagtaas sa natutunaw na bahagi, maraming mga bagong bula ang patuloy na lumalabas mula saFig. 4(e)–4(g). Gayunpaman, ang rate ng naisalokal na pagsasama at pagkalagot ng mga bula ay mabagal, na nagpapahiwatig na ang mga bula ay nagtataglay ng mataas na katatagan. Sa t0+426s, ang bilang ng mga bula ay tumataas nang malaki, at

ang precursor volume ay nagpapakita ng malaking pagpapalawak(Larawan 4(h)). Higit pa rito, ang paglitaw ng ilang bubble merging (minarkahan ng pulang arrow), kung saan ang maliliit na bula ay hinihigop ng mas malalaking bula dahil sa Ostwald maturation, ay isang hindi maiiwasang proseso sa panahon ng ebolusyon ng metallic foams [40]. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nagreresulta din sa paglitaw ng isang maliit na bilang ng malalaki at hindi regular na mga bula (minarkahan ng pulang arrow saLarawan 4(i)).

Larawan 5.Mga larawang nabago sa panahon ng proseso ng pagbubula ng AFS sa iba't ibang yugto: (a) hindi natunaw na precursor sa t0 sandali ng 380 ◦C; (b) paglusaw ng elemental na tanso at type II nucleation sa panahon ng precursor melting; (c) nucleation at mga proseso ng paglaki ng mga bula; at (d)–(f) mga bula na nagsasama-sama at pumuputok.

3.1.2. Foam evolution ng AFS

Ang Fig. 5 ay nagpapakita ng isang serye ng synchrotron radiation na mga imahe na naglalarawan sa proseso ng foaming ng AFS. Katulad ng Cf/AFS, ang unang imahe para sa synchrotron radiation sequence ay nakuha kapag ang AFS ay nasa solid phase sa 380 ◦C (tingnan angFig. 5(a)). Kapag ang matrix ay pinainit sa itaas ng solidus na temperatura, makikita ang maliliit na puting bulaFig. 5(b) at (c), na nagreresulta mula sa agnas ng TiH2 at ang paglitaw ng type II nucleation sa rehiyon na mayaman sa Cu. Gayunpaman, ang bilang ng mga bula na nabuo at ang density ng kanilang pamamahagi saFig. 5(c)ay kapansin-pansing mas mababa kumpara saLarawan 4(c). Iminumungkahi nito na ang Cf/AFS ay nagbibigay ng higit pang mga channel para sa maagang paglabas ng gas sa panahon ng nucleation, na pumipigil sa labis na pagbuo ng mga bitak sa aluminum matrix na may mababang bahagi ng likido.

Mas kaunting bilang ng mga site ng nucleation ng AFS at mas mataas na posibilidad ng abnormal na paglaki ng bula kumpara sa Cf/AFS ay makikita mula saFig. 5(d)–(f). Ang ebolusyon ng mga bula ng AFS ay hindi regular, at ang kanilang mga sukat ay nagpapakita ng malawak na pagbabagu-bago dahil sa magkakasamang buhay ng parehong micrometer sized na mga bula at abnormally millimeter-sized na malalaking bula (minarkahan ng pulang arrow). Bukod dito, ang kawalang-tatag at inhomogeneity na ito sa panahon ng maagang proseso ng nucleation ay maaaring magresulta sa mga makabuluhang pagkakaiba sa panghuling istraktura ng butas at mekanikal na katangian sa pagitan ng AFS at Cf / AFS.

3.2. Pagsusuri ng macrostructure

Upang siyasatin ang mga pagkakaiba sa macroscopic pore morphology at pore diameter sa pagitan ng AFS at Cf/AFS, dalawang istruktura ng sandwich ang inihanda sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo sa isang foaming temperature na 620 ◦C sa loob ng 15 min. Ang mga macrostructure at pamamahagi ng laki ng cell ng AFS at Cf/AFS ay ipinapakita saLarawan 6. Ang paghahambing ng mga patayong seksyon ng dalawang mga sample ng sandwich structure ay nagpapakita na ang mga Cf/AFS foams ay may mas pinong mga cell at mas kaunting mga depekto tulad ng pagkalagot o pagsasama ng mga cell (tingnan angLarawan 6 (b)). Sa kabaligtaran, tulad ng ipinapakita saLarawan 6(a), ang AFS ay nagpapakita ng mahinang pore homogeneity sa pagkakaroon ng ilang abnormally malalaking pores. Samantala, ang katumbas na diameter ng pore para sa AFS at Cf/AFS ay 2.9 ± 0.2 mm at 1.9 ± 0.1 mm, ayon sa pagkakabanggit, na nagmumungkahi na ang diameter ng pore ay higit na pino sa pamamagitan ng pagdaragdag ng Cf (tingnan angFig. 6(c) at (d)).

Ang ebolusyon ng istraktura ng butas ay naiimpluwensyahan ng dalawang mapagkumpitensyang mekanismo: ang agnas ng TiH2 at ang pagsasama at pagkalagot ng foam . Ang agnas ng TiH2 ay nag-aambag sa pagtaas ng bilang ng nucleation, porosity, at expansion rate, habang ang pagsasama at pagkalagot ng mga bula ay nagpapababa ng bilang ng mga pores at nagpapataas ng diameter ng mga pores. Ang pagbabawas ng bubble merging at rupture event ay nakakatulong sa pagkuha ng mas magandang cellular structure. Samakatuwid, ang mataas na katatagan ng foam ay kinakailangan upang mapanatili ang homogeneity ng pore structure sa panahon ng proseso ng foaming. Para sa Cf/AFS, ang pagdaragdag ng Cf ay lubos na nagpapabuti sa pagkabasa ng mga hibla na may natutunaw na aluminyo. Katulad ng iniulat na Cf reinforced aluminum foam [44] na inihanda ng melt foaming method, ang pagdaragdag ng Cf ay nagpapatatag sa aluminum foam sa pamamagitan ng pagpigil sa pagkawasak ng cell wall at pagbabawas ng agglomeration. Samantala, ang Cf ay maaaring lumikha ng isang net-like na istraktura sa cell wall, na bumubuo ng isang puwersa ng paghihiwalay at pinipigilan ang pagkalagot ng mga bula, kaya, pagpapabuti ng istraktura ng cell, katatagan ng foam, at pagkakapareho ng pamamahagi ng butas.

3.3. Microstructural characterization

Larawan 7(a)ay nagpapakita ng microstructure ng cell wall pagkatapos ng foaming na may AFS. Tulad ng iniulat para sa AlSi6Cu4Mg4 alloy foams, ang eutectic Al-Si, Mg2Si, Al2Cu, at Al5Cu2Mg8Si6, ay naroroon sa haluang metal, na sumasang-ayon sa mga natuklasan na nakuha mula sa pagsusuri ng EDS saFig. 7(b). Ang mga malutong na bahaging ito ay nagpapababa sa mga mekanikal na katangian ng aluminyo foam sa pamamagitan ng pagpapahina sa pore wall o pag-arte bilang pinagmumulan ng mga bitak sa panahon ng pagpapapangit. Samakatuwid, ang pagpapahusay ng mga mekanikal na katangian ng pore wall sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga reinforcing phase ay isang mabubuhay at epektibong diskarte.

Para sa Cf/AFS, maaari itong maobserbahan mula saLarawan 7(c) at (d)na ang Cf ay ipinamamahagi sa loob ng cell wall o sa gilid ng cell wall, na nagpapahiwatig na ang Cf ay may mahusay na pagkabasa sa aluminyo na natunaw. Higit pa rito, ito ay kapansin-pansin (sumangguni saFig. 7(d)) na ang isang maliit na halaga ng precipitated phase na Al2Cu ay nabubuo sa interface sa pagitan ng mga hibla at ang aluminyo na natutunaw. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nag-aambag sa pagkamit ng isang malakas na bono sa pagitan ng mga hibla at ng matris. Ang pag-unlad ng diffusion reaction na ito ay maaaring intuitively na maobserbahan saLarawan 4(a)–(c). Tandaan na, ang precipitated phase ay hindi ganap na pumapalibot sa mga carbon fiber, at ang estado at dami ng distribusyon na ito ay kapaki-pakinabang para sa Cf/AFS. Batay sa pag-aaral ng Lv et al, sa Cf reinforced aluminum matrix composite materials, ipinakita na ang naaangkop na dami ng precipitated phase ay maaaring maka-impluwensya at makontrol ang interfacial bond strength.

Larawan 6.Mga vertical na seksyon ng sample na kinatawan (a) AFS at (b) Cf/AFS. Ang katumbas na diameter versus area fraction plot na tumutugma sa (a) at (b) ay inilalarawan sa (c) at (d), ayon sa pagkakabanggit. Ang solidong tuloy-tuloy na linya sa (c) at (d) ay kumakatawan sa log-normal fit. Kinakatawan ng regression (R2 ) ang goodness of fit.

Larawan 7.Ang mga imahe ng SEM (a) at (b) ay nagpapakita ng mga microstructure na naaayon saLarawan 6(a) AFS atLarawan 6(b) Cf/AFS, ayon sa pagkakabanggit, bukod pa rito,Larawan 7(b) at (d) ipakita ang mga localized magnification ngLarawan 7(a) at (c), ayon sa pagkakabanggit.

3.4. Mekanismo ng Cf na nagpapatatag ng Al–Si–Mg–Cu foam

Batay sa nabanggit na pagsusuri, ang isang eskematiko na representasyon ng foaming mechanism para sa Cf/AFS at AFS ay ibinubuod saLarawan 8. Ang mga makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng Cf/AFS at AFS sa yugto ng nucleation, paglaki ng bubble, at yugto ng pagsasanib, at ang unti-unting yugto ng solidification, gaya ng inilalarawan saFig. 8(a) at (b).

Larawan 8.Schematic diagram ng Cf/AFS at AFS foaming behavior: (a) Cf/AFS; at (b) AFS.

Sa yugto ng nucleation ng AlSi6Cu4Mg4 alloy foams, ang mga bubble ay may posibilidad na mag-nucleate sa loob ng liquid quaternary eutectic na nakapalibot sa mga copper particle, sa halip na nucleate sa lokasyon ng TiH2 particle. Ang ganitong uri ng nucleation sa pinakamahina na rehiyon ng precursor (type II nucleation) ay nagbibigay ng mas maraming escape channel para sa mga gas na inilabas ng TiH2 decomposition, na iniiwasan ang akumulasyon ng mga gas at nagiging sanhi ng mga bitak na dumami sa aluminum melt. Ang pagdaragdag ng mga carbon fiber na pinahiran ng tanso ay tila higit pang lumilikha ng higit pang mga channel para sa pagpapalabas ng H2. Gayunpaman, dahil ang natutunaw na aluminyo ay walang sapat na bahagi ng likido sa yugtong ito, mahirap para sa mga maliliit na bula na magkaroon ng sapat na mapagkukunan ng H2 upang patuloy na lumaki. Bilang resulta, ang maliliit na bula na ito ay pumuputok sa loob ng pagkatunaw habang tumataas ang temperatura. Kapag ang precursor ay ganap na natunaw, ang H2 na inilabas mula sa marahas na reaksyon ng dehydrogenation ng TiH2 ay mag-nucleate at mabilis na lalago batay sa nucleation point. Ang Cf ay nagbibigay ng maraming magkakaibang mga site ng nucleation para sa pagbuo ng mga bula, na lubos na nagpapataas ng mga rate ng nucleation. Kasabay nito, ang pagkakaroon ng Cf ay epektibong pumipigil sa pakikipag-ugnay at pagsasanib ng mga pangunahing bula at iniiwasan ang pagbuo ng mga anomalyang malalaking bula.

Sa panahon ng paglaki at pagsasama ng yugto ng mga bula, ang pagdaragdag ng Cf ay makabuluhang nagpapabuti sa katatagan ng bula. Ang dahilan ay ang Cf at aluminum melt ay may mahusay na pagkabasa, at ang mga hibla ay madaling maipit sa pagitan ng dalawang gas-liquid interface upang bumuo ng isang istraktura ng network (tulad ng ipinapakita saLarawan 7(c)). Habang ang likidong pelikula ay ninipis, ang mga hibla ay maaaring makabuo ng isang presyon ng paghihiwalay upang pigilan ang pagsipsip mula sa hangganan ng talampas, kaya pinipigilan ang likidong pelikula na pumutok. Kaya ang Cf/AFS ay nangangailangan ng mas mahabang foaming time kumpara sa AFS, na may mas mataas na stability na maaaring mapanatili ang pagkakapareho ng pore structure sa panahon ng ebolusyon ng foam.

Sa panahon ng mabagal na yugto ng solidification, ang mga bula sa Cf/AFS ay hindi na lumalaki at ang mga hibla ay naka-embed sa loob ng cell wall (minarkahan ng pulang tuldok na kahon). Pinipigilan ng pagpapanatiling ito ng mga hibla ang pagsipsip ng maliliit na bula ng mas malalaking bula, gaya ng nakikita sa pagkahinog ng Ostwald, at pinipigilan ang pagkawasak ng pader ng cell dahil sa pagpapalawak ng solidification. Bilang resulta, ang Cf/AFS ay nagpapakita ng mas homogenous na pore structure at mas kaunting pore defect kumpara sa AFS.

3.5. Mga mekanikal na katangian

Ang compressive stress-strain curves para sa Cf/AFS at AFS na may halos parehong porosity (83.2% at 81.4%, ayon sa pagkakabanggit) ay ipinakita saFig. 9(a). Ang compressive stress-strain curve ay nagpapakita ng natatanging threestage na katangian, na binubuo ng linear elastic region, plateau region, at densification region. Ang compressive yield strength ng AFS at Cf/AFS ay 8.44 MPa at 11.87 MPa, ayon sa pagkakabanggit. Ang compressive yield strength ng Cf/AFS ay nadagdagan ng 40.6% kumpara sa AFS. Samantala, ang kapasidad ng pagsipsip ng enerhiya ng Cf/AFS ay mas mahusay kaysa sa AFS sa parehong strain, tulad ng ipinapakita saLarawan 9(b). Ang mga kapasidad ng pagsipsip ng enerhiya ng AFS at Cf/AFS ay humigit-kumulang 3.3 MJ/m3 at 6.1 MJ/m3, ayon sa pagkakabanggit. Ang kapasidad ng pagsipsip ng enerhiya ng Cf/AFS ay napabuti ng 84.8% kumpara sa AFS.

Larawan 9.Compressive stress-train curves at energy absorption capacity curves ng Cf/AFS at AFS: (a) compressive stress-train curves; (b) mga kurba ng kapasidad ng pagsipsip ng enerhiya.

Ang pagsasama ng Cf ay makabuluhang pinahusay ang mga mekanikal na katangian ng foam core. Ito ay kilala na ang mga mekanikal na katangian ngaluminyo foamay malapit na nauugnay sa istraktura ng butas at strut mekanikal na mga katangian. Ang pagsusuri sa macrostructural ay nagpahiwatig na ang pagdaragdag ng Cf ay pinino ang laki ng butas, pinabuting pamamahagi ng butas, at nabawasan ang mga depekto ng butas. Katulad ng mga natuklasan ni Sasikumar et al. at Yangetal. ang maliit na diameter ng butas at makitid na pamamahagi ng butas ay mas kapaki-pakinabang upang mapahusay ang lakas ng compressive at kahusayan sa pagsipsip ng enerhiya. Bukod dito, ang epekto ng microstructure sa mga mekanikal na katangian ng foam ay higit sa lahat dahil sa Cf na naka-embed sa pore wall ng foam. Ang diffusion at dissolution ng copper-coated ng carbon fibers sa aluminum matrix ay makakamit ang mas matatag na interfacial bond sa pagitan ng fibers at aluminum matrix, na nakakatulong sa paglipat ng load. Ang mataas na modulus carbon fiber na naka-staple sa pore wall ay maaaring limitahan ang deformation ng pore wall sa ilalim ng compression load at mapabuti ang load-bearing capacity. Ang lahat ng mga salik na ito ay pumapabor sa Cf/AFS upang makamit ang mas mataas na lakas ng ani at kapasidad sa pagsipsip ng enerhiya kumpara sa AFS.

4. Konklusyon

Ang Cf/AFS at AFS ay inihanda sa pamamagitan ng packing rolling powder metallurgy method sa gawaing ito. Ang foaming behavior ng Cf/AFS at AFS ay dynamic na naobserbahan sa pamamagitan ng synchrotron radiation sa

siyasatin ang impluwensya ng Cf sa bubble nucleation at paglaki. Bilang karagdagan, ang Cf sa pore morphology, pore distribution, at compression properties ng aluminum foam ay lubusang nasuri. Ang mga pangunahing konklusyon ay ang mga sumusunod:

(1) Ang synchrotron radiation in situ observations ay nagpapakita na ang parehong Cf/AFS at AFS foaming na proseso ay nagpapakita ng tatlong natatanging yugto: bubble nucleation, bubble growth at merger, at solidification.

Kung ihahambing sa AFS, ang proseso ng pagbubula ng Cf/AFS ay nagpapakita ng mas mataas na katatagan at pagkakapareho ng bubble. Ang AFS ay mas madaling kapitan ng pagbuo ng abnormal na malaki at magaspang na mga pores sa panahon ng proseso ng pore evolution. Bukod pa rito, ang disparity ay naiuugnay sa heterogenous nucleation effect ng Cf, na pumipigil sa pagkawasak ng bubble wall at binabawasan ang coalescence habang pinapataas ang nucleation rate.

(2) Ang pagdaragdag ng 0.5 wt.% Cf ay pinipino ang katumbas na diameter ng butas mula 2.9 ± 0.2 mm hanggang 1.9 ± 0.1 mm, na makabuluhang binabawasan ang mga magaspang na butas na depekto. Kasabay nito, ang microstructure ay nagpapakita ng mahusay na pagkabasa ng Cf, na ipinamamahagi sa kahabaan ng pore wall at gas-solid interface, at sa gayon ay pinahuhusay ang katatagan ng foam.

(3) Kung ikukumpara sa AFS, ang compressive yield strength at energy absorption capacity ng Cf/AFS ay tumaas ng humigit-kumulang 40.6% at 84.8%, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga natuklasan ng pag-aaral na ito ay maaaring magbigay ng mga ideya para sa pagpapalakas ng mga aluminum foam sandwich panel na may mga metallurgical bonding interface na may potensyal para sa mga aplikasyon ng engineering sa larangan ng automotive at aerospace na mga industriya.

Artikulo mula sa Journal of Materials Research and Technology