占位法制備球形孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)與性能研究

閆 彬,王錄才,游曉紅,王 芳,王艷麗,武建國(guó)

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024)

泡沫鋁是一種具有廣泛應(yīng)用前景的多孔材料,其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)對(duì)其性能起著至關(guān)重要的影響[1-3]。球形孔是一種常見的孔結(jié)構(gòu),因有較高的球形度,使得球形孔泡沫鋁具有優(yōu)良的力學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性能以及良好的聲音吸收性能,但目前沒(méi)有一種成熟穩(wěn)定的制備方法[4-6]。現(xiàn)有的制備方法,如滲流法往往存在孔結(jié)構(gòu)不均勻、不可控和制備過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。因此,探究一種高效、可控的球形孔泡沫鋁制備方法具有重大意義。

占位法[7-8]是一種制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)效率較高的泡沫鋁制備方法。其利用揮發(fā)或可溶性的占位劑在泡沫鋁中形成孔隙,可使得孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布得到精確的控制。本文旨在研究不同占位劑-小孔徑球形孔泡沫鋁的制備方法,并對(duì)其孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究。通過(guò)對(duì)占位劑及其泡沫鋁制備工藝、孔結(jié)構(gòu)可控性、力學(xué)性能、吸能效果進(jìn)行比較,進(jìn)而尋求一種穩(wěn)定的、具備良好性能的球形孔泡沫鋁制備方法。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用氯化鈣、硬脂酸、尿素、硫代硫酸鈉為占位劑,鋁粉為基體材料,探究球形孔泡沫鋁的制備過(guò)程,并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試,確定最佳占位劑及工藝。其中硫代硫酸鈉、尿素均采用“溶解-燒結(jié)”法,硬脂酸通過(guò)直接燒結(jié)的方法處理。氯化鈣則采用“燒結(jié)-溶解”法[10-12],首先稱取相應(yīng)質(zhì)量鋁粉和光球氯化鈣,并加入3 wt.%乙醇促進(jìn)鋁粉與造孔劑粘結(jié)[9],在350 MPa的冷壓壓力下保壓12 min制得預(yù)制體,以15℃/min梯度升溫至640℃,利用鐵板和鋼管所制備的隔離措施隔離空氣燒結(jié)4 h[13],后用沸水溶解去除氯化鈣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔結(jié)構(gòu)分析

使用線切割切出泡沫鋁試樣截面,用砂紙打磨直至光亮;噴油漆至試樣表面,后打磨除去表面油漆并使用打印機(jī)掃描;使用ImageJ軟件對(duì)其二值化處理,對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征[13-14]。選取四種占位劑,孔徑為1～2 mm,孔隙率為60%、70%及80%的泡沫鋁試樣進(jìn)行對(duì)比,其宏觀表面,剖面形貌及二值化如圖2～圖4所示,其中圖2(a)～圖2(d)分別為尿素、氯化鈣、硫代硫酸鈉、硬脂酸-泡沫鋁宏觀圖;圖2(e)～圖2(h)分別為其泡沫鋁剖面圖;圖2(i)～圖2(l)分別為其泡沫鋁二值化圖。因部分高孔隙率泡沫鋁孔壁過(guò)薄,在線切割和打磨的過(guò)程部分截面有損傷和破壞,所以只取相對(duì)完好的部分截面來(lái)代表。

通過(guò)觀察泡沫鋁試樣截面圖與二值化圖,均可發(fā)現(xiàn)多數(shù)孔孔壁上有多個(gè)窗口與其他孔連接,又因截面圖只截到孔洞一部分,故每個(gè)孔洞連通窗口會(huì)更多,這說(shuō)明在整個(gè)泡沫鋁中含有大量連通窗口,且隨孔隙率增大,這種連通性也會(huì)增高[15-17]。

圖1 氯化鈣-泡沫鋁制備工藝流程圖

圖2 不同占位劑,60%-泡沫鋁宏觀、剖面及二值化圖

圖3 不同占位劑,70%-泡沫鋁宏觀、剖面及二值化圖

圖4 不同占位劑,80%-泡沫鋁宏觀、剖面及二值化圖

2.1.1 孔面積分析

通過(guò)對(duì)二值化圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,泡沫鋁孔面積結(jié)果如圖5～圖6所示。由孔隙率為70%泡沫鋁孔面積分布圖5(a)可知,氯化鈣、尿素-泡沫鋁孔面積分布均呈現(xiàn)了中間高、兩邊逐漸降低的規(guī)律,其中孔面積為1.8 mm2更是接近整體孔個(gè)數(shù)的36%左右;硫代硫酸鈉分布較為分散,其峰值孔面積所對(duì)應(yīng)的孔個(gè)數(shù)比例僅為15%左右;也可發(fā)現(xiàn)硬脂酸-泡沫鋁大部分都集中在0～2 mm2之間且主要集中在0.5 mm2以下的不尋常規(guī)律,這是由于硬脂酸硬度偏低,冷壓時(shí)硬脂酸破碎分裂,導(dǎo)致孔面積總體變小,孔隙率為60%、80%的泡沫鋁中也表現(xiàn)出相同的規(guī)律[16]。

圖5 70%-泡沫鋁孔面積數(shù)據(jù)分析

觀察孔隙率為60%、80%泡沫鋁孔面積分布及其累計(jì)分布,均表現(xiàn)出相同的規(guī)律,硬脂酸、硫代硫酸鈉-泡沫鋁的孔面積可控性較低,氯化鈣和尿素依舊表現(xiàn)出較好的孔面積可控性。尿素與氯化鈣制備的60%泡沫鋁集中性相差不多,但尿素與氯化鈣制備的80%泡沫鋁孔面積集中性、均勻性相差很多,其在0～3 mm3孔面積比例為80%,而氯化鈣則在90%以上。所以,氯化鈣的孔面積可控性最好,尿素稍低于氯化鈣,硫代硫酸鈉、硬脂酸次之。

圖6 60%、80%-泡沫鋁孔面積數(shù)據(jù)分析

2.1.2 孔圓形度分析

泡沫鋁孔圓形度結(jié)果如圖7～圖8所示?？煽闯?70%-泡沫鋁孔圓形度均呈現(xiàn)出兩邊低,中間高的規(guī)律。值得注意的是,氯化鈣、硫代硫酸鈉、尿素、硬脂酸-泡沫鋁孔圓形度分別集中在0.80、0.72、0.63、0.59,對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)比例為0.35、0.32、0.31、0.30;且氯化鈣曲線更為靠右,圓形度更接近1。從其累計(jì)分布圖也可看出,氯化鈣-泡沫鋁孔圓形度在0.6以下比例僅為16%,而尿素、硫代硫酸鈉、硬脂酸-泡沫鋁圓度在0.6以下比例分別為22%、53%、52%。所以孔隙率為70%,氯化鈣-泡沫鋁孔圓形度更高,進(jìn)一步也說(shuō)明其泡沫鋁孔的球形度越高。

圖7 70%-泡沫鋁孔圓形度分析

圖8 60%、80%-泡沫鋁孔圓形度數(shù)據(jù)分析

對(duì)比其60%、80%-泡沫鋁(圖8),氯化鈣、尿素-泡沫鋁圓形度相差不大,硫代硫酸鈉、硬脂酸-泡沫鋁效果并不好。其中孔隙率為80%時(shí),硬脂酸-泡沫鋁孔圓形度最差,氯化鈣-泡沫鋁孔更圓且分布更為集中。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 壓縮性能

每組試樣取3個(gè),以4 mm/min的速度對(duì)試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)(圖9(a)-圖9(h)為泡沫鋁壓縮過(guò)程中的形態(tài)變化),壓縮實(shí)驗(yàn)取平均值,繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10～圖11。圖10為1～2 mm孔徑下,四種占位劑不同孔隙率應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可清楚觀察到隨孔隙率增加,泡沫鋁壓縮性能降低。這是由于孔隙率增加,單位體積內(nèi)所需鋁的量變少,泡沫鋁相對(duì)密度變小,孔壁、孔楞變薄,所能承受的應(yīng)力也有所降低,故壓縮性能降低[21-23]。而在曲線平臺(tái)區(qū)會(huì)存在上下波動(dòng)是因?yàn)榕菽X在承受應(yīng)力時(shí)發(fā)生形變,內(nèi)部大量胞孔的孔壁發(fā)生彎曲和斷裂,而破損的孔壁又相互支撐形成新的結(jié)構(gòu)來(lái)承載壓力,這種結(jié)構(gòu)的多次發(fā)生就會(huì)造成應(yīng)力-應(yīng)變平臺(tái)區(qū)的曲線波動(dòng)[24]。

圖9 泡沫鋁在壓縮過(guò)程中的形態(tài)變化(a-h)

圖10 四種占位劑不同孔隙率應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)以上應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制屈服強(qiáng)度、平臺(tái)區(qū)應(yīng)力平均值如圖11～圖12所示?？梢钥闯銮?qiáng)度、平臺(tái)區(qū)應(yīng)力平均值隨孔隙率的增大而明顯降低。值得注意的是,60%、70%、80%的氯化鈣-泡沫鋁屈服強(qiáng)度分別為15.8、 10.5和2.6 MPa,均高于其他占位劑制備的泡沫鋁,這是因?yàn)槁然}-泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)可控性最好;60%、70%、80%的氯化鈣-泡沫鋁平臺(tái)應(yīng)力平均值分別為9.6、7.1和2.0 MPa,除60%-硫代硫酸鈉-泡沫鋁稍高一些,其他泡沫鋁試樣中,氯化鈣-泡沫鋁均表現(xiàn)出較高的平臺(tái)應(yīng)力平均值。這是因?yàn)?0%-氯化鈣-泡沫鋁采用“燒結(jié)-溶解”工藝,在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中,有少許氯化鈣被鋁包覆緊密,進(jìn)而導(dǎo)致水浴時(shí)間變長(zhǎng),力學(xué)性能有所降低。也可觀察到,尿素所表現(xiàn)出的性能要稍遜于硫代硫酸鈉,原因是泡沫鋁的壓縮性能不僅與孔結(jié)構(gòu)有關(guān),還與其基體材料有關(guān)。硫代硫酸鈉在“燒結(jié)-溶解”過(guò)程中,除生成無(wú)法避免的氧化鋁外,基本上不會(huì)與鋁基體反應(yīng);而尿素溶于水中,其酸堿性發(fā)生變化,對(duì)基體產(chǎn)生腐蝕,故其屈服強(qiáng)度和平臺(tái)應(yīng)力平均值不與孔結(jié)構(gòu)成正比[18]。硬脂酸-泡沫鋁壓縮性能最差則不難解釋,其一,硬脂酸在冷壓過(guò)程中發(fā)生破碎和裂解,導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)較差;其二,在燒結(jié)處理時(shí),受到硬脂酸的侵蝕和沖刷嚴(yán)重,進(jìn)而其力學(xué)性能降低[16]。

圖11 泡沫鋁屈服強(qiáng)度對(duì)比

圖12 泡沫鋁平臺(tái)應(yīng)力平均值對(duì)比

所以從整體力學(xué)性能分析,氯化鈣-泡沫鋁>硫代硫酸鈉-泡沫鋁>尿素-泡沫鋁>硬脂酸-泡沫鋁。其中孔結(jié)構(gòu)占主要因素,其次還與其基體材料和制備過(guò)程有關(guān)[25]。

2.2.2吸能效果

泡沫鋁在壓縮所做的功主要有孔壁的彈性彎曲、塑性屈服或脆性壓損來(lái)吸收能量。壓縮過(guò)程分為彈性變形區(qū),塑性平臺(tái)區(qū),密實(shí)化區(qū)三階段[26]。泡沫鋁在壓縮時(shí)的吸能特性可通過(guò)將單位體積泡沫鋁壓縮到相應(yīng)應(yīng)變量所吸收的能量表示[27]。

(1)

式中:W為單位體積內(nèi)所吸收的能量,單位MJ/m3;ε為應(yīng)變量;σ為應(yīng)力,單位MPa。

圖13 泡沫鋁能量吸收曲線

圖13為泡沫鋁壓縮實(shí)驗(yàn)的能量吸收曲線。孔隙率為60%時(shí),泡沫鋁試樣均表現(xiàn)出為較好的能量吸收,其中硫代硫酸鈉和氯化鈣試樣在其密實(shí)點(diǎn)處,吸能都在5 MJ/m3左右,但氯化鈣泡沫鋁為5.2 MJ/m3,吸能效果最好,尿素稍遜一些,硬脂酸最差;孔隙率為70%時(shí),吸能能力均有所下降,但氯化鈣-泡沫鋁吸能效果依舊表現(xiàn)最好,為4.3 MJ/m3;孔隙率為80%時(shí),均表現(xiàn)出較差的能量吸收,其中氯化鈣-泡沫鋁為1.4 MJ/m3,這是由其壓縮性能直接導(dǎo)致,孔隙率越高,其孔楞、孔壁越薄,壓縮性能越低,吸能效果也越差。值得注意的是,氯化鈣-泡沫鋁試樣的整體吸能效果要優(yōu)于其他占位劑,這與其較好的孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

3 工藝性能分析

硫代硫酸鈉塑形效率太低,尤其是小孔徑泡沫鋁的生產(chǎn),準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng);硬脂酸燒結(jié)時(shí),產(chǎn)生大量刺激性污染氣體,污染環(huán)境且價(jià)格昂貴,兩者都無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。尿素溶解時(shí),有氨水、碳酸銨等氨氮產(chǎn)生,一來(lái)對(duì)基體造成腐蝕,另一方面污染環(huán)境,表現(xiàn)并不太好;氯化鈣可使球形形態(tài)完好復(fù)制在泡沫鋁中,因其泡沫鋁有較好的孔結(jié)構(gòu),故效果較好,且其成本相比其他占位劑更加低廉,易工業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

1)采用所選四種占位劑,均可成功制備出1～2 mm孔徑的球形孔泡沫鋁。但從其孔結(jié)構(gòu)(圓形度和孔面積)、力學(xué)性能和吸能效果分析,占位劑氯化鈣優(yōu)于尿素和硫代硫酸鈉,硬脂酸最差。同樣條件下,球形孔泡沫鋁性能比非球形孔提高1.4倍～1.8倍。

2)以氯化鈣作為占位劑所得方案為:冷壓壓力為350 MPa下壓制12 min,并以15℃/min的速度梯度升溫至640℃,隔空燒結(jié)4 h,后進(jìn)行沸水水浴溶解直到氯化鈣完全去除。在此條件下可制得孔隙率60%～80%,孔徑1～2 mm,孔均勻性優(yōu)異(孔面積0～3 mm2占比80%),孔圓形度高(圓形度<0.6占比不超15%)的泡沫鋁,其屈服強(qiáng)度范圍為2.6～15.8 MPa;平臺(tái)應(yīng)力平均值范圍為2.0～9.6 MPa;吸能范圍為1.4～5.2 MJ/m3。

3)對(duì)四種占位劑制備所得泡沫鋁就制備效率、生產(chǎn)成本、環(huán)境保護(hù)等工藝性因素進(jìn)行分析,氯化鈣表現(xiàn)最優(yōu)。