泡沫鋁的新型滲流法制備及其壓縮性能

張 斌, 左孝青, 孫彥琳, 陸建生, 周 蕓, 王 紅

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093;2. 昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，昆明 650093; 3. 昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，昆明 650093)

泡沫鋁的新型滲流法制備及其壓縮性能

張 斌1, 左孝青1, 孫彥琳2, 陸建生1, 周 蕓1, 王 紅3

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093;2. 昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，昆明 650093; 3. 昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，昆明 650093)

在熱傳計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用鋅粒子為前驅(qū)體、鋁熔體為滲流體，通過(guò)氬氣滲流制備通孔泡沫鋁；對(duì)泡沫鋁的制備、壓縮性能及鋅殘余量進(jìn)行研究。結(jié)果表明：滑石粉隔熱層厚度與滲流時(shí)間之間的關(guān)系為x2= 7.35×10?8τ；優(yōu)化的滲流工藝如下：滲流溫度740 ℃、鋅粒子預(yù)熱溫度220 ℃、鋅粒子直徑3 mm；平均孔徑為3 mm的泡沫鋁的屈服強(qiáng)度隨孔隙率的增加而減??；孔隙率為63%和67%的泡沫鋁的屈服強(qiáng)度都隨孔徑的增大而提高；泡沫鋁孔隙率從60%提高到71%，鋅殘余量從11.3%降低到4.5%。

泡沫鋁；滲流；熱傳導(dǎo)；制備；壓縮性能

泡沫鋁具有低密度、高能量吸收、阻尼減振、吸音、耐高溫、可回收等特性，在建筑、交通、機(jī)械、航天航空及噪音控制等行業(yè)都具有巨大的應(yīng)用前景[1?4]。

目前，通孔泡沫鋁的制備方法主要有電沉積法[5]和滲流鑄造法[6]，前者采用泡沫塑料(如聚氨酯泡沫)、后者采用 NaCl作為滲流前軀體，滲流后將泡沫塑料燃燒去除或?qū)aCl水溶除[7]。聚氨酯燃燒會(huì)產(chǎn)生氰化氫、一氧化碳和異氰酸酯等有害氣體；而 NaCl具有腐蝕性，易污染、腐蝕環(huán)境和泡沫鋁[8?10]。

本文作者利用不同金屬的熔點(diǎn)差異，采用較低熔點(diǎn)及表面涂覆滑石粉隔熱層的鋅粒子為滲流前驅(qū)體、較高熔點(diǎn)的鋁熔體為滲流體，通過(guò)氬氣加壓滲流方法獲得鋅?鋁復(fù)合體，復(fù)合體加熱到鋅熔點(diǎn)以上溫度進(jìn)行鋅熔除后獲得通孔泡沫鋁。該方法具有成本低、前驅(qū)體材料可循環(huán)利用及不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。在傳熱計(jì)算的基礎(chǔ)上，研究滲流溫度、鋅粒子預(yù)熱溫度及鋅粒子直徑對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)所制備泡沫鋁的壓縮性能和殘余鋅含量進(jìn)行分析。

1 傳熱計(jì)算

該滲流方法的關(guān)鍵是滲流過(guò)程中鋅粒子在一定厚度滑石粉隔熱層的保護(hù)下不熔化，以保證滲流過(guò)程的順利進(jìn)行。為此，進(jìn)行傳熱計(jì)算，以確定鋅粒子表面滑石粉層的厚度。

1.1 物理模型

圖1所示為熱傳導(dǎo)物理模型。鋁液的熱量通過(guò)滑石粉隔熱層傳遞到鋅粒子表面，滲流時(shí)間應(yīng)小于鋅粒子表面溫度達(dá)到其熔點(diǎn)所需的時(shí)間。

圖1 傳熱過(guò)程物理模型Fig.1 Physical model of heat transfer process

為方便數(shù)學(xué)模型的建立，作如下假設(shè)：

1) 忽略滲流過(guò)程中滲流系統(tǒng)與環(huán)境間的熱交換；

2) 鋅粒子表面滑石粉涂敷均勻；

3) 導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)均為常數(shù)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 數(shù)學(xué)模型建立的方法及步驟

1) 依據(jù)能量守恒定律，建立空間直角坐標(biāo)系中的熱傳導(dǎo)方程；

2) 邊界條件的確定和求解；

3) 計(jì)算滲流時(shí)間和滑石粉層厚度的關(guān)系。

1.2.2 熱傳導(dǎo)方程的建立

單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入滑石粉表面的能量 Q1等于單位時(shí)間內(nèi)鋅粒子和滑石粉的能量累積Q2，即

式中：A為體積元dV的表面積；V為體積元dV的體積；n為面積元dA外法線方向上的單位向量；q(r, τ)為溫度降低方向單位時(shí)間內(nèi)的熱流密度向量；?為微分算子符號(hào)，?=+；r為涂有滑石粉鋅 粒子內(nèi)部的某一位置；ρ為鋅的密度；cp為鋅的定壓比熱容；負(fù)號(hào)表示熱流方向指向體積元dV內(nèi)部。

將式(3)和(4)代入式(1)整理得

1.2.3 邊界條件的確定和求解

滲流過(guò)程中，滑石粉外表面溫度從220 ℃(預(yù)熱溫度)突然變化到740 ℃(鋁熔體溫度)時(shí)，在滑石粉隔熱層間形成熱梯度，鋅粒子表面溫度t和滲流時(shí)間τ的關(guān)系為

聯(lián)立式(8)與式(9)并整理得：

式中：t0為鋅粒子表面的初始溫度；x為隔熱層厚度。經(jīng)拉普拉斯變換[13]，將式(10)~(13)轉(zhuǎn)換為x的函數(shù)，求解并進(jìn)行拉普拉斯逆變換，得到

式(17)即為鋅粒子表面滑石粉層厚度 x和可利用的滲流時(shí)間τ的關(guān)系式。

圖2所示為式(17)的x—τ曲線。由圖2可見，隨著滲流時(shí)間的增加，所需滑石粉層厚度增加。采用Ar氣壓滲流的時(shí)間通常小于0.5 s[15]，0.5 s所對(duì)應(yīng)的滑石粉厚度為0.19 mm。由此可知，在鋅粒子表層涂有一定厚度滑石粉層的條件下，利用鋅為前軀體進(jìn)行滲流制備泡沫鋁是可行的。

圖2 滑石粉隔熱層厚(x)與滲流時(shí)間(τ)的關(guān)系Fig.2 Relationship between thickness of heat insulation layer of talcum and infiltration time

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 滲流工藝

圖3所示為滲流工藝流程。在氬氣壓力為5 MPa及滑石粉層厚度為0.19 mm的條件下，研究表1所列的滲流溫度、鋅粒子預(yù)熱溫度和鋅粒子直徑對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響。

圖3 滲流工藝流程圖Fig.3 Flow chart of infiltration process

表1 滲流工藝參數(shù)Table 1 Experimental parameters of infiltration process

2.2 孔結(jié)構(gòu)分析

線切割泡沫鋁，對(duì)截面進(jìn)行打磨、涂黑，用掃描儀采集圖像，導(dǎo)入 Photoshop進(jìn)行二值化處理，然后利用 BWJScan軟件[16]計(jì)算泡沫鋁的平均孔徑和孔隙率。

2.3 壓縮性能測(cè)試

將泡沫鋁加工成d 34 mm×35 mm的圓柱體，在CSS?44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以1 mm/min的速度進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，取σ0.2作為泡沫鋁的屈服強(qiáng)度。

2.4 鋅殘余量分析

將泡沫鋁重熔澆鑄成形狀規(guī)則的試樣，利用混合法則計(jì)算泡沫鋁的鋅含量：

式中：ω(Zn)為泡沫鋁中殘余鋅含量；ρmix為泡沫鋁重熔試樣的密度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 泡沫鋁的滲流制備

3.1.1 滲流溫度對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響

圖4和5所示分別為滲流溫度對(duì)泡沫鋁平均孔徑和孔隙率的影響。由圖4和5可見，隨著滲流溫度的提高，鋅粒子因部分熔化而在滲流過(guò)程中熔失，造成鋅粒子直徑減小、平均孔徑減?。煌瑫r(shí)，熔失的鋅混入鋁液并在滲流過(guò)程中凝固形成骨架，造成孔隙率降低。

圖4 滲流溫度對(duì)平均孔徑的影響Fig.4 Effect of infiltration temperature on mean cell diameter

圖5 滲流溫度對(duì)孔隙率的影響Fig.5 Effect of infiltration temperature on porosity

圖6 鋅粒子預(yù)熱溫度對(duì)平均孔徑的影響Fig.6 Effect of preheating temperature of zinc particle on mean cell diameter

圖7 鋅粒子預(yù)熱溫度對(duì)孔隙率的影響Fig.7 Effect of preheating temperature of zinc particle on porosity

當(dāng)滲流溫度較低時(shí)(720~740 ℃)，滑石粉層的熱障作用明顯，鋅粒子的完整性不會(huì)破壞，在此溫度范圍內(nèi)，隨著滲流溫度的提高，鋁熔體的粘度降低和流動(dòng)性提高使鋁熔體的充型能力提高，所以，孔徑和孔隙率隨滲流溫度的提高而緩慢減?。划?dāng)滲流溫度較高時(shí)(740~760 ℃)，滑石粉隔熱層的熱障作用減弱，過(guò)多的熱量傳遞使鋅熔化，致使孔壁增厚，孔徑和孔隙率明顯下降。

3.1.2 鋅粒子預(yù)熱溫度對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響

圖6和7所示分別為鋅粒子預(yù)熱溫度對(duì)泡沫鋁平均孔徑和孔隙率的影響。由圖6和7可見，當(dāng)鋅粒子預(yù)熱溫度為210~220 ℃時(shí)，泡沫鋁的平均孔徑保持在2.95 mm，但孔隙率略有提高；當(dāng)鋅粒子預(yù)熱溫度為220~230 ℃時(shí)，隨著預(yù)熱溫度的提高，鋁液的流動(dòng)性及充型能力提高，滑石粉層逐漸減薄，部分鋅粒子表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，使泡沫鋁的孔徑及孔隙明顯減小。

3.1.3 鋅粒子直徑對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響

圖8所示為鋅粒子直徑對(duì)泡沫鋁平均孔徑的影響。由圖8可見，當(dāng)鋅粒子直徑為2 mm時(shí)，泡沫鋁的平均孔徑大于2 mm，為2.51 mm，?D =0.51 mm；當(dāng)鋅粒子直徑為3 mm時(shí)，泡沫鋁平均孔徑小于3 mm，為2.95 mm, ?D =?0.05 mm；當(dāng)鋅粒子直徑為4 mm時(shí)，泡沫鋁平均孔徑小于4 mm，為3.5 mm, ?D =?0.5 mm。

圖8 鋅粒子直徑對(duì)平均孔徑的影響Fig.8 Effect of zinc particle diameter on mean cell diameter

當(dāng)鋅粒徑為2 mm時(shí)，粒子間的間隙小，滲流阻力大、滲流不充分，使平均孔徑大于 2 mm、孔隙率也較高，但孔結(jié)構(gòu)不完整；當(dāng)鋅粒徑為4 mm時(shí)，粒子的間隙大、滲流阻力小，滲流充分，鋁液和鋅粒子間的熱交換強(qiáng)烈而使熱障層破壞，部分鋅熔化，導(dǎo)致泡沫鋁孔徑小于4 mm；當(dāng)鋅粒徑為3 mm時(shí)，粒子的間隙適中，在保證充分滲流的同時(shí)熱障層破壞，鋅熔化現(xiàn)象大大減弱，泡沫鋁孔徑與鋅粒子直徑大致相等。

3.2 泡沫鋁的壓縮性能

3.2.1 孔隙率對(duì)泡沫鋁壓縮性能的影響

圖9所示是孔徑為3 mm，孔隙率分別為60%、64%和70%泡沫鋁的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖9可以看出：隨著孔隙率的提高，應(yīng)變平臺(tái)降低，且其壓縮曲線為光滑曲線，沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

表2所列為不同孔隙率泡沫鋁的屈服強(qiáng)度。從表2可看到：對(duì)于相同孔徑的泡沫鋁，隨著孔隙率的提高，泡沫鋁的孔壁變薄，鋅含量減少，泡沫鋁的屈服強(qiáng)度減小，孔隙率為 60%~70%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為5.20~2.35 MPa。

3.2.2 孔徑對(duì)泡沫鋁壓縮性能的影響

圖10所示是孔隙率為63%和67%，粒徑為3和4 mm的泡沫鋁應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線；表3所列為相應(yīng)的屈服強(qiáng)度值。由圖10和表3可以看出，在相同孔隙率情況下，泡沫鋁的平臺(tái)應(yīng)變及屈服強(qiáng)度隨泡沫鋁孔徑的增大而增大。

圖9 孔徑為3 mm和不同孔隙率泡沫鋁的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.9 Stress—strain curves of Al foams with different porosities and mean cell diameter of 3 mm

表2 不同孔隙率泡沫鋁的屈服強(qiáng)度Table 2 Yield strength of Al foam with different porosities

表3 相同孔隙率泡沫鋁孔徑對(duì)屈服強(qiáng)度的影響Table 3 Effect of cell diameter of Al foams with same porosity on yield strength

在相同孔隙率下，孔徑增加，則滲流時(shí)鋅粒子之間的空隙增大，滲流阻力減小，滲流充分，泡沫鋁的孔壁增厚，導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度增大。

3.3 泡沫鋁的鋅殘余量分析

圖11所示為泡沫鋁基體的XRD譜。由圖11可見，泡沫鋁基體里殘留了部分鋅。圖12所示為孔隙率分別為60%、64%、70%和71%的泡沫鋁的鋅殘余含量曲線。由圖12可見：泡沫鋁中的鋅殘余量隨孔隙率的增大而降低；當(dāng)孔隙率從60%增加到71%時(shí)，殘余鋅含量從11.3%降低到4.5%。

圖10 孔隙率為63%和67%時(shí)不同孔徑泡沫鋁的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.10 Stress—strain curves of Al foam with different cell diameters and porosities of 63% (a) and 67% (b)

圖12 孔隙率對(duì)泡沫鋁基體鋅殘余量的影響Fig.12 Effect of porosity on residual zinc content in Al foam matrix

鋅粒子表面滑石粉涂覆不均勻及滲流熔體溫度場(chǎng)的不均勻等因素使?jié)B流過(guò)程中鋅熔化，熔融鋅和鋁形成合金熔體，最終導(dǎo)致泡沫鋁基體密度增加。

4 結(jié)論

1) 傳熱計(jì)算結(jié)果表明，隨著滲流時(shí)間的延長(zhǎng)，所需滑石粉層厚度增加，滑石粉隔熱層厚度與滲流時(shí)間的關(guān)系式為 x2=7.35×10?8τ。

2) 鋅粒子前驅(qū)體滲流制備泡沫鋁優(yōu)化的工藝參數(shù)如下：滲流溫度740 ℃，鋅粒子預(yù)熱溫度220 ℃，鋅粒子直徑3 mm。

3) 孔徑相同的泡沫鋁的屈服強(qiáng)度隨孔隙率的增大而減小。當(dāng)孔徑為3 mm、孔隙率為60%~70%時(shí)，泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為5.20~2.35 MPa；相同孔隙率泡沫鋁的屈服強(qiáng)度隨孔徑的增大而增大。

4)泡沫鋁中的殘余鋅含量隨孔隙率的增加而降低。

REFERENCES

[1] BANHAR J. Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams[J]. Progress in Materials Science,2001, 46(6): 609?621.

[2] DVISE G J, ZHEN S. Metallic foams: Their production,properties and applications[J]. Journal of Materials Science,1983, 18: 1899?1911.

[3] DUARTE B J. A study of aluminum foam formation kinetics and microstructure[J]. Acta Materialia, 2000, 48(9): 2349?2362.

[4] GIBSON L J, ASHBY M F. Cellular solids: Structure and properties[M]. Oxford: Pergamon Press, 1988: 283?343.

[5] BOONYONGMANEERAT Y, SCHUH C A, DUNAND D C.Mechanical properties of reticulated aluminum foams with electrodeposited Ni-W coatings[J]. Scripta Materialia, 2008, 59:336?339.

[6] DESPOIS J F, MARMOTTANT A, SALVO L, MORTENSEN A.Influence of the infiltration pressure on the structure and properties of replicated aluminium foams[J]. Materials Science and Engineering A, 2006, 462: 68?75.

[7] KáDáR C, CHMELíK F. Acoustic emission of metal foams during tension[J]. Materials Science and Engineering A, 2006,462: 316?319.

[8] KESKIN M, BEYDES T, TOSUN Z, SAVACT N. Polyurethane spray foam burn[J]. Burns, 2008, 34(7): 1041?1043.

[9] XIAO Lin-wei, YANG Wang, DIAN Fu-liu, HONG Zhi-sheng.Influence of HCl on CO and NO emissions in combustion[J].Fuel, 2009, 88: 1998?2003.

[10] GUSEVA O, SCHMUTZ P, SUTER T, von TRZEBIATOWSKII O. Modelling of anodic dissolution of pure aluminum in sodium chloride[J]. Electrochimica Acta, 2009, 54: 4514?4524.

[11] THOMAS G B. 托馬斯微積分[M]. 北京: 高等教育出版社,2003: 1147?1148.THOMAS G B. Thomas’ calculus[M]. Beijing: Higher Education Press, 2003: 1147?1148.

[12] 齊民友. 重溫微積分[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 316.QI Ming-you. Calculus review[M]. Beijing: Higher Education Press, 2004: 316.

[13] 沈永歡, 梁在中, 許履瑚, 蔡倩倩. 實(shí)用數(shù)學(xué)手冊(cè)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1992: 645?647.SHEN Yong-huan, LIANG Zai-zhong, XU Lü-hu, CAI Qian-qian. Practical handbook of mathematics[M]. Beijing:Science Press, 1992: 645?647.

[14] ECKERT E R G, DRAKE R M. 傳熱與傳質(zhì)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1963: 524?528.ECKERT E R G, DRAKE R M. Heat and mass transfer [M].Beijing: Science Press, 1963: 524?528.

[15] LEONG K C, JIN L W. Effect of oscillatory frequency on heat transfer in metal foam heat sinks of various pore densities[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49:671?681.

[16] 左孝青, 廖明順, 潘曉亮. VB和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在多孔材料中的應(yīng)用[J]. 金屬熱處理, 2006, 31( S): 98?101.ZUO Xiao-qing, LIAO Ming-shun, PAN Xiao-liang. Application of VB and computer graphics in cellular materials[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 31(S): 98?101.

Novel penetrating fabricating process and
compression properties of aluminum foams with open cell

ZHANG Bin1，ZUO Xiao-qing1，SUN Yan-lin2，LU Jian-sheng1，ZHOU Yun1, WANG Hong3
(1. School of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093, China;2. School of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;3. School of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Based on the heat conduction calculation, Al foam with open-cell was fabricated by a new penetrating process which takes zinc particles as the precursor and presses Al melt into the precursor by Ar gas. The fabricating process, the compression properties and the residual zinc content were studied. The results show that the relationship between the thickness of talcum heat insulation layer and the infiltration time is x2= 7.35×10?8τ; the optimized procession parameters are deduced as the aluminum melt infiltration temperature of 740 ℃, the preheating temperature of zinc particles of 220℃, and the diameter of zinc particles of 3 mm; the yield strength of Al foam with the mean pore diameter of 3 mm decreases with the increase of porosities. Yield strengths of both Al foams with porosities of 63% and 67% rise with the increase of their cell diameters; when porosity increases from 60% to 71%，the residual Zn content in the Al foams reduces from 11.3% to 4.5%.

aluminum foam; infiltration; heat conduction; fabrication; compressive property

TF125.6；TQ427.6

A

1004-0609(2011)03-0597-07

云南省人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2006PY01－06)；云南省國(guó)際合作項(xiàng)目(2006GH21); 云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2010CC004)

2010-03-14；

2010-07-12

左孝青, 教授；電話：0871-6735058; E-mail:zxqdzhhm@hotmail.com

(編輯 陳衛(wèi)萍)