Progresso della ricerca di nuovo materiale funzionale in schiuma di alluminio

1. Introduzione

L'alluminio espanso è un nuovo tipo di materiale funzionale, che è un materiale metallico-simile alla schiuma ultra-leggero con numerose bolle disperse nella matrice di alluminio metallico e la porosità generale è del 40% ~ 98% . Nel 1948, Sonik propose un metodo per preparare l'alluminio schiumato vaporizzando e schiumando il mercurio nell'alluminio, quindi Elliot preparò con successo l'alluminio schiumato nel 1951. Negli anni '60, l'American Ethyl Company divenne un centro di ricerca scientifica per lo sviluppo della schiuma di alluminio. Nel 1991, il Kyushu Institute of Industrial Metals del Giappone ha sviluppato un percorso di processo per l'industrializzazione dell'alluminio schiumato e ora è possibile produrre parti grandi e piccole con metodi di schiumatura e percolazione dei metalli. Fino ad oggi, Stati Uniti, Giappone, Regno Unito, Francia, Canada e altri paesi hanno sviluppato successivamente numerosi brevetti tecnici. Nel mio paese sono stati effettuati anche alcuni lavori esplorativi sulla ricerca di base sul processo di preparazione dell'alluminio schiumato e sono stati compiuti alcuni progressi.

La schiuma di alluminio ha molte proprietà eccellenti grazie alla sua struttura unica. Non solo ha le proprietà leggere dei materiali porosi, ma ha anche eccellenti proprietà meccaniche e termiche, elettriche e altre proprietà fisiche dei metalli, come penetrazione, smorzamento, assorbimento di energia, elevata area superficiale specifica, schermatura elettromagnetica e altre proprietà. Ora, le principali applicazioni dell'alluminio schiumato sono: pannelli ignifughi e fonoassorbenti{0}}, materiali che assorbono l'energia d'urto, pannelli per edifici, piastre di diffusione del gas a semiconduttore, scambiatori di calore, schermatura elettromagnetica e così via. Può essere utilizzato nei settori della metallurgia, dell'industria chimica, dell'aerospaziale, della costruzione navale, dell'elettronica, della produzione e costruzione di automobili e l'ambito di applicazione è in continua espansione.

2. Metodo di preparazione della schiuma di alluminio

2.1 Metodo di colata

Il metodo di colata è ampiamente utilizzato nella produzione di alluminio espanso e il metodo di preparazione è relativamente maturo. Di seguito vengono introdotti diversi metodi correlati.

2.1.1 Metodo di colata di infiltrazioni

Il metodo di colata per percolazione consiste nell'infiltrare l'alluminio metallico liquido ad alta-temperatura nei vuoti delle particelle di riempimento sotto una certa pressione e rimuovere le particelle solubili racchiuse nella lega di alluminio dopo la solidificazione, ovvero ottenere alluminio espanso con una struttura cellulare connessa. Questo metodo può essere ulteriormente suddiviso in metodo di colata per infiltrazione a pressione superiore e metodo di colata per infiltrazione a pressione negativa. Il metodo di colata con solforazione a pressione superiore è un materiale per elettrodi con resistenza, elevata conduttività, eccellente trasferimento di calore e resistenza allo scorrimento rispetto al metodo di colata per infiltrazione a pressione negativa.

(3) La vita di servizio media degli elettrodi di rame rinforzati con dispersione di Al2O3-per la saldatura di lamiere di acciaio alluminato spesse 1,5 mm è di 7200 punti, che possono soddisfare le esigenze della saldatura a nastro a prova di esplosione CPT-.

Presenta i vantaggi di un'operazione di processo semplice, una velocità di preriscaldamento elevata, un'elevata produttività e resa, un grande fattore di sicurezza, un piccolo investimento in attrezzature e una facile produzione meccanizzata. Tra questi, è molto critica la selezione e la lavorazione delle particelle di riempimento, che ha le seguenti caratteristiche: sufficiente resistenza al calore, non fusione alla temperatura di colata; resistenza e rigidità sufficienti, non rotte e deformate sotto l'azione della pressione di infiltrazione; buona rimozione Le particelle di riempitivo nei{0}}pori tridimensionali possono essere completamente rimosse con un solvente o una soluzione acquosa dopo che il liquido di alluminio si è solidificato; stabilità chimica, non reagisce con il liquido di alluminio. Questo metodo è semplice da utilizzare e la porosità media può raggiungere il 70 percento , il che è conveniente per la produzione su larga scala. Attualmente, il metodo di percolazione non viene utilizzato solo nella produzione di schiuma di alluminio, ma anche nella produzione di materiali espansi come zinco, magnesio, piombo, stagno e ferro, che possono essere utilizzati per produrre parti con forme complesse.

2.1.2 Aggiungi metodo palla

Il metodo di aggiunta della palla consiste nell'aggiungere particelle o sfere cave alla lega di alluminio liquida, rafforzare l'agitazione e lanciare il liquido di alluminio che è ancora in un flusso relativo per ottenere una lega di alluminio e un composito di particelle, quindi dissolvere e rimuovere la matrice della lega di alluminio . Sono state ottenute particelle solubili e una schiuma di alluminio a-cellule connesse.

2.1.3 Metodo di microfusione

Innanzitutto, come materiale di base viene utilizzato un-materiale spugnoso continuo tridimensionale con una certa porosità, quindi un materiale refrattario facile da-rimuovere-viene lavato nella spugna{{ 3}}come schiuma, essiccata e indurita per formare una forma prefabbricata, quindi cotta per indurire il materiale refrattario e renderlo La spugna di schiuma viene vaporizzata e decomposta, quindi la preforma viene posta in uno stampo di metallo, versata in metallo fuso, e ad esso viene applicata una certa pressione o viene eseguita una colata sotto vuoto per riempire i pori dello stampo con metallo fuso e viene rimossa dopo il raffreddamento. Il blocco di materiale refrattario può essere ottenuto-a rete tridimensionale tramite-schiuma di alluminio a celle. La schiuma di alluminio prodotta da questo processo di preparazione della colata a cera persa ha una buona penetrazione tridimensionale-e il processo ha un'ampia gamma di applicazioni, non è{7}}corrosivo e ha buone prospettive nella produzione di fluidi -prodotti permeabili.

2.1.4 Metodo di schiumatura

Esistono due tipi di metodo di schiumatura del gas e metodo di schiumatura di liquidi metallici. Il metodo di schiumatura del gas consiste nel soffiare gas nel metallo fuso fuso per schiumare il metallo fuso. Il gas utilizzato per la formazione di schiuma può essere ossigeno, argon, aria, vapore acqueo, anidride carbonica, ecc. La chiave tecnica è che la massa fusa deve avere una viscosità adeguata, la composizione del metallo deve garantire un intervallo di temperatura di schiumatura sufficientemente ampio e la schiuma formata dovrebbe avere una stabilità sufficiente per garantire che la schiuma non si rompa durante il successivo processo di raccolta e stampaggio. Il metodo di schiumatura a gas è attualmente il metodo più economico per la produzione di schiuma metallica. La dimensione della schiuma è molto grande e la porosità dei prodotti in alluminio espanso può raggiungere il 97%. Il metodo di schiumatura del metallo liquido è stato ampiamente utilizzato nei primi giorni, principalmente aggiungendo TiH2, ZrH2, CaH2 e altri agenti schiumogeni alla lega di alluminio liquida, quindi riscaldando per decomporre l'agente schiumogeno per rilasciare il gas e l'espansione del gas prodotto la lega di alluminio in una schiuma, e quindi raffreddata Cioè, si ottiene il prodotto di alluminio schiumato. La schiuma di alluminio preparata con questo metodo appartiene alla schiuma di alluminio a-cellule chiuse. La struttura e la porosità dei pori sono legate alla viscosità del metallo fuso e al tempo di schiumatura. Il controllo della viscosità del metallo fuso e del tempo di formazione della schiuma durante il processo di fusione può controllare la porosità. Tuttavia, i pori sono indipendenti l'uno dall'altro, le loro dimensioni e distribuzione non sono uniformi e il controllo è complicato.

2.1.5 Metodo di solidificazione eutettica

Il gas ha una certa solubilità nel metallo fuso, e aumenta con l'aumentare della pressione e della temperatura. Quando la solubilità del gas nel metallo raggiunge un valore prefissato, il metallo e la fase gassosa subiscono una solidificazione eutettica per ottenere la schiuma di alluminio desiderata. , controllando con precisione le condizioni di raffreddamento (pressione, velocità di raffreddamento, direzione di dissipazione del calore), si possono ottenere schiume di alluminio isotropiche e anisotropiche ad alta{0}}porosità con varie forme dei pori [18].

2.2 Metodo di deposito

2.2.1 Metodo di deposizione sputter

Il metodo di deposizione per sputtering consiste nell'utilizzare la tecnologia di sputtering per spruzzare uniformemente la polvere con gas inerte sul metallo in lega di alluminio e riscaldarlo fino al punto di fusione del metallo, in modo che il gas aggiunto nella matrice metallica si espanda nei fori e dopo raffreddamento, è Si ottiene un alluminio schiumato con una struttura schiumata. La frazione in volume dei pori del prodotto ottenuto con questo metodo può essere controllata controllando la pressione parziale del gas inerte nella deposizione e la frazione di massa del gas di inclusione può essere variata nell'intervallo {{0} }.015 percento a 0,23 percento.

2.2.2 Deposizione per evaporazione del vapore

In un'atmosfera inerte a pressione relativamente alta (102~103Pa), l'alluminio metallico viene evaporato lentamente e gli atomi di metallo evaporati subiscono una serie di collisioni e dispersione con il gas inerte nel processo di avanzamento e perdono rapidamente energia cinetica, condensando così parzialmente per formare fumo metallico, il fumo metallico si deposita sotto l'azione della propria gravità e trasportato dal flusso di gas inerte, e continua a raffreddarsi durante il processo di discesa, e infine raggiunge la base. A causa della sua bassa temperatura, è difficile che gli atomi migrino o si diffondano, quindi le particelle di fumi metallici vengono accumulate solo in modo lasco per formare una struttura di schiuma cellulare. La schiuma di alluminio prodotta con questa tecnica è diversa dall'alluminio schiumato con una struttura macroscopica. È composto da un gran numero di particelle metalliche e micropori su scala sub-micron- e la sua densità è circa l'1 percento della densità dell'alluminio del metallo principale e il minimo è dello 0,15 percento .

2.2.3 Elettrodeposizione

Questo metodo consiste nel coprire la plastica espansa con più passaggi come trattamento di irruvidimento, sensibilizzazione e trattamento di attivazione, pre{0}}placcatura chimica e placcatura chimica, ecc., quindi riscaldare la plastica espansa per decomporsi per ottenere alluminio espanso. Tra questi, i due processi di sensibilizzazione e trattamento di attivazione giocano un ruolo molto importante. Il trattamento di sensibilizzazione consiste nel fare in modo che la superficie della parte irruvidita assorba gli ioni riducenti, in modo che durante il trattamento di attivazione ionica, la superficie della parte formi uno strato con proprietà catalitiche. Il ruolo dello strato di metallo prezioso, in modo che la placcatura chimica possa essere eseguita spontaneamente, in modo che la schiuma diventi un semiconduttore, che a sua volta promuove il successo della placcatura elettrolitica dell'alluminio. La schiuma di alluminio preparata con questo metodo ha una buona connettività dei pori, distribuzione uniforme e grande porosità, ma lo spessore del prodotto è limitato e il costo è elevato.

2.2.4 Placcatura elettrolitica dell'alluminio a sale fuso

L'alluminio galvanico a sale fuso è un tipo di schiuma di alluminio porosa realizzata mediante processo di elettrodeposizione in sale fuso contenente sale di alluminio, con plastica espansa come catodo dell'elettrodo e piastra di alluminio come anodo. La schiuma di alluminio prodotta con questo metodo ha un'elevata porosità e pori uniformi.

2.3 Metallurgia delle polveri

2.3.1 Metodo di schiumatura della polvere

Il metodo di schiumatura della polvere consiste nel mescolare la polvere di alluminio con un agente schiumogeno (TiH2) e comprimerla assialmente ad una certa temperatura per ottenere una preforma con una struttura ermetica. Un metodo per espandere il prodotto per ottenere alluminio schiumato. La miscelazione, la pressatura e la schiumatura sono i tre anelli importanti del metodo di schiumatura della polvere. Allo stesso tempo, regolando i parametri nel processo di schiumatura (la quantità di agente schiumogeno, la temperatura di schiumatura e il tempo di schiumatura), è possibile ottenere alluminio espanso con diverse strutture cellulari.

2.3.2 Metodo di formazione del liquame

Il metodo di stampaggio dell'impasto liquido consiste nel formare una sospensione di polvere di alluminio metallico, agente schiumogeno (acido fluoridrico, idrossido di alluminio o acido ortofosforico) e supporto organico, mescolarlo in uno stato contenente schiuma, quindi metterlo in uno stampo e riscaldarlo Dopo la calcinazione , si può ottenere un solido metallo alluminio con struttura porosa. Questo metodo è stato inizialmente utilizzato per realizzare materiali espansi in Be, Fe, Cu e acciaio inossidabile e successivamente per creare alluminio schiumato. Ma la forza del prodotto è molto bassa.

2.3.3 Metodo di stampaggio delle polveri

Il metodo di stampaggio della polvere è un metodo per mescolare la polvere di alluminio metallico con un agente schiumogeno (TiH2), formandolo mediante pressione fredda o calda e quindi sinterizzandolo in alluminio schiumato. Presenta due importanti vantaggi: uno è che può essere utilizzato per una gamma più ampia di composizioni di leghe rispetto ad altri metodi, controllando così le proprietà meccaniche della schiuma di alluminio; Strutture di turbine riempite di schiuma di alluminio-a sandwich e schiuma di alluminio-

2.3.4 Metodo di sinterizzazione in polvere sfusa

Il principio del metodo di sinterizzazione in polvere sciolta è che quando le particelle fini sono in contatto tra loro, possono essere legate tra loro attraverso l'azione della tensione superficiale. Queste polveri sottili di alluminio e metallo vengono messe nello stampo per la sinterizzazione e le particelle vengono legate tra loro per formare un corpo sinterizzato poroso. Questo metodo può essere utilizzato anche per produrre filtri con porosità tipicamente dal 40% al 60%.

2.3.5 Metodo di sinterizzazione della spugna di impregnazione

Nella metallurgia delle polveri, il materiale spugnoso può essere utilizzato anche come struttura di supporto temporanea per generare schiume di alluminio uniformi e ad alta-porosità. La sostanza organica spugnosa viene tagliata nella forma desiderata e quindi infiltrata con un impasto liquido contenente la polvere di alluminio metallico da lavorare (il veicolo della sospensione è acqua e liquido organico). La materia organica di tipo spugnoso-immersa viene essiccata per rimuovere il flusso e, dopo il raffreddamento, si può ottenere l'alluminio metallico schiumato con una struttura tridimensionale-ad alta porosità. Il metodo viene utilizzato anche per produrre fogli d'argento schiumati con porosità dal 70% al 90%.

2.3.6 Metodo di sinterizzazione delle fibre

Il filo di alluminio metallico utilizzato in questo metodo è un filo metallico ottenuto mediante trafilatura meccanica o altri metodi. Il filo di alluminio metallico viene trasformato in un anello di feltro mediante colata a scorrimento o metodo dell'anello di feltro meccanico e quindi sinterizzato per ottenere la resistenza richiesta. e porosità. La schiuma di alluminio porosa preparata con questo metodo ha vantaggi piuttosto notevoli: si può ottenere una porosità maggiore rispetto alla sinterizzazione della polvere, fino al 95%; tutti i pori sono pori interconnessi; la porosità massima è comunque mantenuta. proprietà strutturali; a parità di porosità, la resistenza e la tenacità sono diverse volte superiori a quelle della metallurgia delle polveri. Può anche essere utilizzato per produrre vari filtri metallici, come acciaio inossidabile, rame, nichel, nichelcromo, ecc.

2.3.7 Metodo di dissoluzione della sinterizzazione

Il metodo di dissoluzione della sinterizzazione è un nuovo metodo per la produzione di alluminio espanso sviluppato negli ultimi anni. È un metodo di preparazione della schiuma di alluminio-a celle mediante miscelazione, pressurizzazione, sinterizzazione e scioglimento di polvere di alluminio e particelle di riempitivo. Ha le caratteristiche per cui la forma, la dimensione, la porosità e la distribuzione dei pori possono essere controllate con precisione e ha un buon indice completo di qualità e prezzo. È un metodo efficace per produrre schiuma di alluminio a-media densità con aperture fini uniformi o sfumate.

3. Proprietà e applicazioni della schiuma di alluminio

In termini di struttura, la schiuma di alluminio può essere suddivisa in due tipi: schiuma di alluminio a-cellule chiuse e schiuma di alluminio a-cellule aperte. Le caratteristiche organizzative e morfologiche della schiuma di alluminio, inclusa la struttura dei pori (aperti o chiusi), la densità relativa, la dimensione dei pori, la forma dei pori, lo spessore delle pareti dei pori, l'anisotropia, ecc. Vengono utilizzate la microscopia elettronica e la tomografia a raggi X- per l'analisi e la ricerca, e la ricerca in questo settore si sta sviluppando rapidamente. A causa delle diverse strutture, le sue proprietà sono molto diverse, quindi ha usi diversi. Rispetto al tradizionale alluminio metallico, l'alluminio schiumato ha le seguenti caratteristiche ed è ampiamente utilizzato nell'industria metallurgica, chimica, aerospaziale, cantieristica, elettronica, produzione automobilistica e edilizia. e altri campi sono stati ampiamente utilizzati.

3.1 Bassa densità

Poiché la schiuma di alluminio ha pori grandi e piccoli nella matrice di alluminio, ha una densità minore. La densità della schiuma di alluminio può variare in un'ampia gamma e la porosità massima ottenibile attualmente può raggiungere il 97 percento e la sua dimensione dei pori varia da diversi micrometri a decine di millimetri. Minore è la densità. Può essere utilizzato in scatole di imballaggio, in particolare container per il trasporto aereo.

3.2 Forte resistenza al calore

L'alluminio schiumato ha un'elevata resistenza al calore e non si scioglie anche se raggiunge il punto di fusione della lega. Generalmente, la temperatura di fusione delle leghe di alluminio varia da 560 a 700 e, ma l'alluminio schiumato non fonde anche se riscaldato a 1400 gradi. Inoltre, non rilascia gas nocivi ad alta temperatura e può sostituire in molte occasioni i prodotti in resina espansa e amianto come materiali termoisolanti e resistenti al calore{4}} e parti centrali di vari scambiatori di calore in molte occasioni.

3.3 Buona permeabilità

La schiuma di alluminio può essere utilizzata come materiale filtrante per filtrare le particelle solide da liquidi o gas. Generalmente la permeabilità aumenta con l'aumentare della dimensione dei pori, ma è anche influenzata dalla rugosità superficiale. permeabilità. Può essere utilizzato per realizzare filtri per vari liquidi e gas.

3.4 Ampia superficie specifica

Utilizzando l'ampia superficie specifica della schiuma di alluminio per ottenere un elevato scambio termico, è un buon materiale per la fabbricazione di riscaldatori e scambiatori di calore. Inoltre, può essere utilizzato anche come vettore per reazioni chimiche che richiedono una superficie enorme, come un vettore di catalizzatore. , elettrodi porosi, materiali per piastre per batterie ricaricabili, scambiatori di calore, assorbitori di energia e vettori di catalizzatori, ecc.

3.5 Forte isolamento acustico

La schiuma di alluminio può assorbire l'energia del suono attraverso la vibrazione della parete del foro e può essere utilizzata per attutire e rimuovere il rumore. In generale, le prestazioni di assorbimento acustico della schiuma di alluminio a-cellule sono migliori. La dimensione del foro influisce sulle sue prestazioni di assorbimento per l'intera gamma di frequenze dell'onda sonora. Più piccolo è il foro, maggiore è la capacità di assorbimento acustico.

È possibile ottenere elevate prestazioni di assorbimento acustico modificando le dimensioni e la forma dei pori della schiuma di alluminio. Può essere utilizzato per parti decorative interne ed esterne, facciate continue, pannelli mobili per porte divisorie nel settore edile, produzione di-pannelli fonoassorbenti{1}}ad alte prestazioni,{2}}pareti fonoisolanti, vari marmitte, ecc.

3.6 Ha un'elevata prestazione di assorbimento dell'energia d'urto

L'alluminio schiumato non è direzionale come i materiali a nido d'ape, né ha un effetto di rimbalzo come i materiali in schiuma polimerica. Ha buone proprietà di assorbimento degli urti ed è un buon materiale per realizzare parti{0}}resistenti agli urti. Può essere utilizzato in freni automobilistici, tenditori e manicotti protettivi e paraurti nelle apparecchiature aerospaziali. La dimensione del suo smorzamento è correlata alla dimensione della dimensione dei pori dei pori. Può essere utilizzato per cuscinetti di sicurezza per ascensori e nastri trasportatori, rivestimenti per l'assorbimento degli urti e dell'energia per protezioni per smerigliatrici ad alta-velocità, basi per macchine utensili ad alta{2}}precisione, ecc.

3.7 Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche della schiuma di alluminio sono determinate principalmente dalla sua densità, ma anche la dimensione, la struttura e la distribuzione dei pori sono parametri importanti che determinano le proprietà meccaniche. Sotto l'azione della sollecitazione di compressione, dopo che il materiale ha subito una deformazione elastica iniziale, la schiuma di alluminio entra nella piattaforma della curva di sollecitazione, cioè la schiuma di alluminio inizia a rompersi e la sollecitazione rimane sostanzialmente invariata durante la fase di frantumazione della schiuma. Dopo una grande deformazione plastica, la schiuma si è completamente rotta e il materiale entra nel denso. Durante la fase chimica, lo stress aumenta rapidamente. Sia il modulo di Young che il modulo di taglio della schiuma di alluminio aumentano con l'aumento della densità.

3.8 Prestazioni di schermatura elettromagnetica

La schiuma di alluminio ha un buon effetto schermante sulle{0}}onde elettromagnetiche ad alta frequenza, che possono ridurre le interferenze elettromagnetiche di oltre l'80 percento . Schiuma di alluminio a-cellule chiuse con uno spessore di 5 mm e una porosità del 90 percento, le prestazioni di schermatura elettromagnetica a 60 ~ 1000 MHz sono 35 ~ 75 dB, che possono essere utilizzate in stanze di schermatura elettromagnetica (coperture), custodie per strumenti elettronici, sale di registrazione radio, schermatura elettromagnetica e altre occasioni.

3.9 Altre proprietà

La schiuma di alluminio ha anche sensibilità ai gas, resistenza al fuoco, catalisi, ecc. La conduttività elettrica dell'alluminio schiumato è fortemente influenzata dalla densità relativa, mentre la dimensione dei pori ha scarso effetto sulla conduttività elettrica. Si prevede che abbia buone prospettive di applicazione in nuovi campi come l'aerospaziale, le telecomunicazioni e la protezione ambientale.