高孔隙率復(fù)合通孔泡沫鋁的制備及組織分析

李澤鑫,王艷麗,王錄才*,黃聞戰(zhàn),李國慶,李斌馨

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030051)

泡沫金屬是一種在金屬基體中存在大量三維空間孔洞的材料,由于它具備一些實(shí)體金屬所不具備的特征而得到了國內(nèi)外的普遍關(guān)注。泡沫鋁是泡沫金屬中很重要的一種,得到了非常廣泛的研究[1]。泡沫鋁具有結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、吸能、抗沖擊、隔熱、散熱性能好等特點(diǎn),在汽車、航空、造船、公路建設(shè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。泡沫鋁的制備方法通常有鑄造法、沉積法、粉末冶金法、熔體發(fā)泡法、中空球燒結(jié)法、二次發(fā)泡法、漿料燒結(jié)法等[1,5-6]。本文采用的是粉末冶金法中的造孔劑法[7]。造孔劑法制備的泡沫鋁具有孔形規(guī)則、孔徑大小可控、孔隙率整體穩(wěn)定、制備簡單、安全、可重復(fù)性高、能大批量制備,經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn),造孔劑法逐漸成為制備泡沫鋁的重要方法[7-8]。吉林大學(xué)的司福建等人采用球形氯化鈣為預(yù)制體燒制材料,通過滲流鑄造法制備出孔隙分布均勻、連通性好的球形孔開孔泡沫鋁[9]。中北大學(xué)的侯曉麗等人采用平均孔徑為5 mm、7 mm和9 mm的泡沫鋁試樣,對其進(jìn)行力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn),泡沫鋁的壓縮性能和吸能性能隨著球體開孔泡沫鋁孔徑的增加而增強(qiáng)[10]。伊朗塞姆南大學(xué)工程學(xué)院材料工程系的Hasan Bafti等人采用尿素作為造孔劑制備了泡沫鋁,并對泡沫鋁的孔形與孔隙率對泡沫鋁的影響進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)孔形與孔隙率對泡沫鋁的力學(xué)性能有顯著影響,角孔降低了泡沫鋁的力學(xué)性能,球形孔的力學(xué)性能接近于理想的泡沫鋁[11]。蘭州理工大學(xué)的賈建剛等人采用食鹽作為造孔劑制備了孔隙率為78.3%,孔徑為0.4～2.4 mm,胞孔間連通窗口平均在4～6個(gè)的泡沫鋁[12]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的武高輝等人采用玻璃微珠作為造孔劑,制備了泡沫鋁和泡沫鋁鎂合金,發(fā)現(xiàn)鋁基體和玻璃微珠完美結(jié)合,鋁基復(fù)合泡沫中空心微珠的破壞行為首先是微裂紋的萌生和沿壓縮方向的擴(kuò)展,這大大的提高了泡沫鋁的強(qiáng)度[13]。太原科技大學(xué)的孫磊磊,王艷麗等人采用Na2S2O3·5H2O作為造孔劑,制備了孔徑為2 mm、3 mm、4 mm,孔形為球形,孔隙率為65%～75%的泡沫鋁[8]。除此之外,造孔劑還有很多,如二氫化鈦[14]、碳酸氫銨[15-16]、裝飾糖豆,硅膠微珠[17]、蔗糖[18]、碳酸鉀[19]等。但是這些方法有很多局限性,比如孔隙率低,孔形不可控,無法制備通孔泡沫鋁,泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)不可設(shè)計(jì)等。

泡沫鋁性能的影響因素有孔的形態(tài)、孔隙率,孔徑大小等。泡沫鋁的強(qiáng)度和力學(xué)性能隨著孔隙率的增加而降低[19-21]。但是孔隙率的升高會(huì)減輕泡沫鋁的重量,增大泡沫鋁的比表面積,從而改變泡沫鋁在散熱、吸能等方面的特性[22-24]?？讖酱笮∫矔?huì)影響泡沫鋁的強(qiáng)度,一般來說泡沫鋁的強(qiáng)度隨孔徑的增大而增大[10]?？仔螌ζ湫阅芤灿杏绊?接近球形孔徑的泡沫鋁,其力學(xué)性能也接近理想的泡沫鋁[11]。泡沫鋁的通孔度則主要影響的是泡沫鋁的吸聲性、隔音性、散熱性能等[3,25]。本文采用Na2S2O3·5H2O作造孔劑,通過改變造孔劑模具的形狀,制備了兩種不同孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁。球形孔泡沫鋁具有較高的孔隙率,且有大量的連通窗口。復(fù)合孔泡沫鋁孔隙率高于球形孔,且六邊形孔結(jié)構(gòu)很好的保存在泡沫鋁中,實(shí)現(xiàn)了通孔與半開孔結(jié)構(gòu)的結(jié)合。

1 造孔劑模具設(shè)計(jì)及改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)選用Na2S2O3·5H2O作造孔劑,它是一種新型的造孔劑,具有硬度高、熔點(diǎn)低(48.5℃)、易溶于水、二次成型效果好的優(yōu)點(diǎn)。(Na2S2O3·5H2O含有結(jié)晶水,加熱會(huì)使Na2S2O3溶解在結(jié)晶水中,所以熔點(diǎn)很低,澆注時(shí)吸取的是Na2S2O3溶液,澆注后溶液冷卻結(jié)晶形成Na2S2O3·5H2O)直接購買的Na2S2O3·5H2O是粗細(xì)不一的棒狀物,如圖1a所示,并不能直接用于制備泡沫鋁,仍然需要進(jìn)一步加工。采用增材技術(shù)制備塑料模型,然后采用硅膠翻模制備出所需的模具[8]。將造孔劑放在燒杯中,在80℃的水浴箱中水浴熔化。然后用注射器吸取液態(tài)的造孔劑,將其注入模具中,冷卻30 min使其凝固,然后將固態(tài)的Na2S2O3·5H2O從模具中取出,并去除多余的流道和澆口部分,得到形狀一定的造孔劑。本次實(shí)驗(yàn)中制備了直徑不同的球形Na2S2O3·5H2O顆粒和圓片狀六邊形網(wǎng)格Na2S2O3·5H2O。實(shí)驗(yàn)所采用的的Na2S2O3·5H2O為天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司生產(chǎn),純度為分析純(AR),密度為1.729 g/cm3。

1.1 球形模具的制備

孫磊磊等人在之前的研究中制備了直徑為2 mm、3 mm、4 mm的造孔劑模具,并成功制備了具有球形孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁[8]。本次實(shí)驗(yàn)在前人的基礎(chǔ)上對模具進(jìn)行了一定的改進(jìn)。其中,新增了1 mm小球模具,并在模具的四周增加定位槽,有助于兩片模具更快速,更準(zhǔn)確的貼合,減少因?yàn)槟＞呶赐耆珜R導(dǎo)致的左右兩個(gè)半球錯(cuò)位的問題。五水硫代硫酸鈉圖片以及小球模具如圖1所示。

圖1 Na2S2O3·5H2O及小球模具

1.2 圓片狀模具的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

本文制作六邊形通孔模具旨在泡沫鋁中形成連通的孔洞,提高泡沫鋁的散熱性能。將占位劑制備為連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),水浴后連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以保留變成通孔。經(jīng)過初步試驗(yàn)之后選擇了六邊形網(wǎng)格,六邊形的對稱斜邊可以作為流道使Na2S2O3·5H2O液體均勻的充滿整個(gè)模具。在本次實(shí)驗(yàn)中對Na2S2O3·5H2O六邊形模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)和三次改進(jìn)。圖2a、2b、2c分別是第一版、第二版、第三版六邊形模具SolidWorks模型。模型分為澆口、流道、工件區(qū)、排氣口、定位槽五個(gè)部分。

圖2 圓片狀六邊形塑料模具SolidWorks模型與制備出的Na2S2O3·5H2O

第一版模具在使用過程中,發(fā)現(xiàn)以下問題:① 六邊形片狀造孔劑直徑過大,無法放入泡沫鋁壓制模具中,強(qiáng)行放入會(huì)導(dǎo)致片狀Na2S2O3·5H2O產(chǎn)生斷裂和錯(cuò)位。② Na2S2O3·5H2O液體流動(dòng)性好,接近一半的Na2S2O3·5H2O液體從排氣口流出。③ 排氣孔位置設(shè)計(jì)缺陷,Na2S2O3·5H2O液體流出沒有及時(shí)得到補(bǔ)充,造孔劑會(huì)有部分存在未連接現(xiàn)象?；谶@些問題,我們設(shè)計(jì)了如圖2b所示的第二版模具,改進(jìn)在圖中標(biāo)出。首先① 減小了片狀Na2S2O3·5H2O的直徑,使其可以很輕松的放入模具中。② 將排氣口從側(cè)面轉(zhuǎn)移到了模具的頂部,減少澆注過程中的Na2S2O3·5H2O液體損失。然而在實(shí)際應(yīng)用過程中,仍然有部分問題出現(xiàn):① 澆不滿(由于Na2S2O3·5H2O液體熱脹冷縮導(dǎo)致)。② 圓片狀Na2S2O3·5H2O在部分區(qū)域仍然存在缺陷。

通過交換澆注口與排氣口的位置,使Na2S2O3·5H2O液體從排氣口澆注,空氣從澆注口排出,發(fā)現(xiàn)澆不足的現(xiàn)象得到了明顯的改善,如圖2e所示。液體是從排氣口澆注,從模具底部慢慢充滿,不再需要原來的作為引流的流道區(qū)。對模具進(jìn)行第三次改進(jìn),如圖2c所示,液體由左右兩側(cè)澆注口進(jìn)入,從底部慢慢充滿整個(gè)模具,氣體則從頂部排出。通過重復(fù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)制備的造孔劑只存在一點(diǎn)點(diǎn)瑕疵,如圖2c圓圈部分所示。在Na2S2O3·5H2O的頂部圓圈區(qū)域設(shè)計(jì)了兩個(gè)排氣口,又因?yàn)槟＞邽樽笥覍ΨQ,左右兩側(cè)Na2S2O3·5H2O液體幾乎是同時(shí)到達(dá)模具頂部,導(dǎo)致中間的少部分空氣沒法及時(shí)排出,中間會(huì)存在澆不足現(xiàn)象。通過將頂部排氣孔減少為一根,并且設(shè)置在最中央可以解決?；谶@點(diǎn)不影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行故并未進(jìn)行下一步的改進(jìn)。同時(shí),在這種澆注方式中,Na2S2O3·5H2O液體是從底部往上填充的,模具中的氣體很容易從上方排走,這就很有可能會(huì)解決之前簡單四方網(wǎng)格因?yàn)橐后w自重原因沒法注滿的問題,將會(huì)是一個(gè)值得接下來繼續(xù)實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證的方向。圖2f為我們最后所制得的圓片狀六邊形Na2S2O3·5H2O。

2 泡沫鋁的制備流程

本次實(shí)驗(yàn)采用湖南寧鄉(xiāng)吉唯信金屬粉體有限公司生產(chǎn)的微細(xì)球形鋁粉,粒度為300目,鋁含量≥99.75%。孔隙率定義為泡沫鋁樣品中孔洞體積與泡沫鋁樣品體積之比。通過控制鋁粉和Na2S2O3·5H2O的質(zhì)量獲得特定孔隙率的泡沫鋁。鋁粉與Na2S2O3·5H2O的質(zhì)量計(jì)算公式為:

(1)

V1=V×P

(2)

V2=V-V1

(3)

m1=V1×ρ1

(4)

m2=V2×ρ2

(5)

式中:V——泡沫鋁樣品的體積,cm3;

V1——孔洞體積(即Na2S2O3·5H2O的體積),cm3;

V2——鋁粉體積,cm3;

P———理論孔隙率;

ρ1——Na2S2O3·5H2O的密度,ρ1=1.729

g/cm3;

ρ2——鋁的密度,ρ2=2.7g/cm3;

m1——Na2S2O3·5H2O質(zhì)量,g;

m2——鋁粉質(zhì)量,g。

本次實(shí)驗(yàn)中,樣品為圓柱形,直徑d=41.2 mm,高h(yuǎn)=30 mm,理論孔隙率為85%,根據(jù)計(jì)算,需要鋁粉16.19 g,五水硫代硫酸鈉58.75 g。然后加入適量酒精,有助于Na2S2O3·5H2O造孔劑與鋁粉粘合(復(fù)合孔泡沫鋁制備則需要先將球形Na2S2O3·5H2O與鋁粉混合起來,然后放一片圓片狀六邊形Na2S2O3·5H2O,鋪一層粉,如此反復(fù),共鋪11層),用液壓機(jī)在300 MPa的壓力下壓實(shí),將壓實(shí)的預(yù)制體在80℃的水浴箱中水浴5 h,使得Na2S2O3·5H2O完全溶于水中。然后將水浴處理過的預(yù)制體在馬弗爐中100℃干燥30 min,使得預(yù)制體表面水分蒸發(fā),減少在燒結(jié)過程中水分對樣品的影響。最后將預(yù)制體在600℃下燒結(jié)3 h制備高孔隙率復(fù)合通孔泡沫鋁樣品,燒結(jié)氣氛為空氣。圖3為泡沫鋁的制備流程,圖4為本次實(shí)驗(yàn)制備的泡沫鋁樣品。

圖3 泡沫鋁制備流程

圖4 泡沫鋁樣品

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 泡沫鋁實(shí)際孔隙率的計(jì)算

理論孔隙率為計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需的鋁粉與Na2S2O3·5H2O的質(zhì)量提供參考依據(jù),在理論孔隙率的計(jì)算中,鋁粉密度為2.7 g/cm3(為實(shí)體鋁的密度),然而實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn),鋁粉并沒有完全壓實(shí),且Na2S2O3·5H2O在壓制的過程中,有一定的變形與收縮,所以理論孔隙率和實(shí)際孔隙率必然存在一定的偏差。為了計(jì)算泡沫鋁樣品的實(shí)際孔隙率,必須要測得泡沫鋁樣品實(shí)體部分的密度。所以我們在制作泡沫鋁的同時(shí),在同樣壓力下壓制了三個(gè)實(shí)心鋁塊,并在相同溫度下燒結(jié),如圖4g所示。通過測量體積與質(zhì)量,計(jì)算得出實(shí)心鋁塊平均密度為2.52 g/cm3。

本實(shí)驗(yàn)中,泡沫鋁的直徑、高度、質(zhì)量均可測量。泡沫鋁樣品的孔隙率計(jì)算公式如下:

(6)

(7)

v1=v-v2

(8)

(9)

式中:v——為泡沫鋁樣品的實(shí)際體積,cm3;

v1——泡沫鋁樣品中孔洞的體積,cm3;

υ2——泡沫鋁樣品中鋁基體的體積,cm3;

m3——泡沫鋁樣品的重量,g;

ρ3——泡沫鋁樣品中鋁基體的密度,g/cm3。

其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 泡沫鋁樣品的參數(shù)及實(shí)際孔隙率

通過對孔隙率的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)所制備的泡沫鋁均有較高的孔隙率,基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期(理論孔隙率為85%),同時(shí)還發(fā)現(xiàn),六邊形通道的存在增加了泡沫鋁樣品的孔隙率。

3.2 Image J圖像分析

為了更好的觀察泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu),用線切割機(jī)把泡沫鋁樣品切開,觀察泡沫鋁樣品的孔結(jié)構(gòu)。圖5為球形孔徑泡沫鋁樣品的橫截面圖片。

圖5 泡沫鋁樣品橫截面圖及部分連通窗口

通過觀察球形孔的泡沫鋁樣品的截面圖,可以發(fā)現(xiàn)在多數(shù)孔的孔壁上有1～2個(gè)窗口與其他孔連接,又因?yàn)榻孛鎴D只截到了每個(gè)孔的一半,故每個(gè)孔的連通窗口可能會(huì)更多,這說明在整個(gè)球形孔徑的泡沫鋁的中含有大量的連通窗口[12]。

在泡沫鋁橫截面噴上黑色的油漆,再用砂紙將泡沫鋁樣品截面打磨光滑,方便我們觀察和分析泡沫鋁的宏觀孔結(jié)構(gòu)。圖6為2 mm復(fù)合孔泡沫鋁樣品截面圖。

通過觀察圖6a,發(fā)現(xiàn)六邊形孔洞良好的留存在泡沫鋁中。在圖6b中用數(shù)字標(biāo)注了六邊形通道在縱截面中的位置,并用粗實(shí)線分割開來,表明六邊形通道在整個(gè)樣品中是層層分布的。

圖6 2mm復(fù)合孔泡沫鋁樣品縱橫截面二值化圖

對1 mm、2 mm、3 mm、4 mm球形孔徑的泡沫鋁橫截面圖用Image J軟件進(jìn)行了圖像處理,將其處理成黑白圖,其中孔壁的部分為白色,孔的部分為黑色,并對其中孔的數(shù)目和孔面積,孔形進(jìn)行了分析,其圖像處理結(jié)果如圖7所示。其中,1 mm樣品由于其單個(gè)孔的孔壁過細(xì),非常容易受到損傷,在線切割和打磨的時(shí)候,部分截面有損傷,所以只取了相對完好的1/4面積的圓形截面來代表。表2展示了泡沫鋁橫截面的單孔個(gè)數(shù)以及單孔的平均孔面積,從表中可以看出,隨著孔徑的增大,球形孔泡沫鋁橫截面內(nèi),單孔個(gè)數(shù)逐漸遞減,單孔的平均面積逐漸遞增(1 mm球形孔只取了1/4,所以單孔數(shù)量相比2 mm略少)。

表2 泡沫鋁橫截面的單孔個(gè)數(shù)及平均孔面積

圖7 噴墨后泡沫鋁樣品橫截面圖及黑白二值化圖

通過對圖像處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖8、圖9所示。觀察圖8,發(fā)現(xiàn)1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的泡沫鋁橫截面孔面積分布的峰值隨孔徑的增大而增大。而觀察圖9則發(fā)現(xiàn),其圓度值的峰值均在0.6～0.8之間,且其峰值所對應(yīng)的圓度值隨孔徑的增大而增大。另外,通過觀察圖9b的累積分布圖像發(fā)現(xiàn),孔徑越大,其曲線越靠近右端,也就是說泡沫鋁樣品的孔徑越大,其高圓度值孔洞的占比越大,整體圓度值越好。制備Na2S2O3·5H2O小球時(shí),為使?jié)沧⒎奖?每個(gè)小球之間有非常細(xì)小的通道連接。當(dāng)Na2S2O3·5H2O小球孔徑比較大時(shí),通道部分可以忽略不計(jì),基本不影響其圓度值,當(dāng)孔徑比較小時(shí),通道的影響就變的越來越明顯。通過上述實(shí)驗(yàn)所制備的泡沫鋁良好的繼承了Na2S2O3·5H2O的形狀。進(jìn)一步表明,通過控制Na2S2O3·5H2O的形狀,能夠設(shè)計(jì)泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)和控制孔隙率。

圖8 泡沫鋁孔面積數(shù)據(jù)分析

圖9 泡沫鋁圓度數(shù)據(jù)分析

Image J軟件中圓度值的計(jì)算公式:

(10)

式中:S——單個(gè)孔的面積,cm2;

l——單個(gè)孔的周長,cm。

3.3 泡沫鋁形貌分析

燒結(jié)是粉末或粉末壓坯在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥罩惺軣崴l(fā)生的現(xiàn)象或過程,燒結(jié)的結(jié)果是顆粒之間發(fā)生粘結(jié), 燒結(jié)體的強(qiáng)度增加[26]。在高溫下, 原子擴(kuò)散加劇, 鋁顆粒接觸面上會(huì)有更多原子受到原子間作用力,形成粘接面,隨著時(shí)間的推移,粘接面會(huì)逐漸擴(kuò)大形成燒結(jié)頸。

圖10為泡沫鋁在1000倍、2000倍顯微鏡下金相圖片,通過觀察圖10a可以發(fā)現(xiàn),燒結(jié)之后鋁顆粒之間結(jié)合緊密,無明顯間隔,說明燒結(jié)效果良好,鋁顆粒間擺脫了靠機(jī)械嚙合的狀況,開始由原子間作用力結(jié)合。觀察圖10b中箭頭標(biāo)注的地方,可以發(fā)現(xiàn)鋁顆粒之間晶界有部分模糊,說明泡沫鋁在燒結(jié)過程中出現(xiàn)燒結(jié)粘接面并向燒結(jié)頸過渡。

圖10 泡沫鋁金相圖片

4 結(jié) 論

(1)Na2S2O3·5H2O是一種良好的造孔劑,用其作為造孔劑制備的泡沫鋁良好的繼承了Na2S2O3·5H2O的形狀。用Na2S2O3·5H2O作為造孔劑首次制備出了孔隙率為80%以上的泡沫鋁,證明了采用Na2S2O3·5H2O做為造孔劑可以制備出高孔隙率的泡沫鋁。

(2)使用Na2S2O3·5H2O作為造孔劑可以制備孔形為球形,孔徑不同的球形泡沫鋁,球形孔泡沫鋁中含有大量的連通窗口。球形泡沫鋁橫截面孔洞數(shù)量隨孔徑的增大遞減,而單個(gè)孔的孔洞面積隨孔徑的增大遞增。與此同時(shí),泡沫鋁樣品橫截面的孔洞均具有良好的圓形度,其圓形度效果隨孔洞面積的增大略微提高。

(3)本次實(shí)驗(yàn)的六邊形模具設(shè)計(jì)合理,能夠較好的制備出片狀六邊形網(wǎng)格Na2S2O3·5H2O,表明泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)是可以設(shè)計(jì)的。同時(shí)Na2S2O3·5H2O從底部填充的方式使得更多形狀的網(wǎng)格Na2S2O3·5H2O制備成為可能,增加了泡沫鋁通孔的多樣性。六邊形通道的存在還會(huì)略微增大泡沫鋁樣品的孔隙率,增加泡沫鋁的通孔程度。