占位法制備球形孔泡沫鋁的結構與性能研究

閆 彬,王錄才,游曉紅,王 芳,王艷麗,武建國

(太原科技大學 材料科學與工程學院,山西 太原 030024)

泡沫鋁是一種具有廣泛應用前景的多孔材料,其獨特的孔結構對其性能起著至關重要的影響[1-3]。球形孔是一種常見的孔結構,因有較高的球形度,使得球形孔泡沫鋁具有優良的力學性能、熱傳導性能以及良好的聲音吸收性能,但目前沒有一種成熟穩定的制備方法[4-6]?，F有的制備方法,如滲流法往往存在孔結構不均勻、不可控和制備過程復雜等問題。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簡單,生產效率較高的泡沫鋁制備方法。其利用揮發或可溶性的占位劑在泡沫鋁中形成孔隙,可使得孔結構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,并對其孔結構和力學性能進行深入的研究。通過對占位劑及其泡沫鋁制備工藝、孔結構可控性、力學性能、吸能效果進行比較,進而尋求一種穩定的、具備良好性能的球形孔泡沫鋁制備方法。

1 試驗方法

試驗選用氯化鈣、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程,并通過一系列實驗和性能測試,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”法,硬脂酸通過直接燒結的方法處理。氯化鈣則采用“燒結-溶解”法[10-12],首先稱取相應質量鋁粉和光球氯化鈣,并加入3 wt.%乙醇促進鋁粉與造孔劑粘結[9],在350 MPa的冷壓壓力下保壓12 min制得預制體,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4 h[13],后用沸水溶解去除氯化鈣。

2 試驗結果與分析

2.1 孔結構分析

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掃描;使用ImageJ軟件對其二值化處理,對泡沫鋁孔結構進行表征[13-14]。選取四種占位劑,孔徑為1～2 mm,孔隙率為60%、70%及80%的泡沫鋁試樣進行對比,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薄,在線切割和打磨的過程部分截面有損傷和破壞,所以只取相對完好的部分截面來代表。

通過觀察泡沫鋁試樣截面圖與二值化圖,均可發現多數孔孔壁上有多個窗口與其他孔連接,又因截面圖只截到孔洞一部分,故每個孔洞連通窗口會更多,這說明在整個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

通過對二值化圖像數據進行處理,泡沫鋁孔面積結果如圖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了中間高、兩邊逐漸降低的規律,其中孔面積為1.8 mm2更是接近整體孔個數的36%左右;硫代硫酸鈉分布較為分散,其峰值孔面積所對應的孔個數比例僅為15%左右;也可發現硬脂酸-泡沫鋁大部分都集中在0～2 mm2之間且主要集中在0.5 mm2以下的不尋常規律,這是由于硬脂酸硬度偏低,冷壓時硬脂酸破碎分裂,導致孔面積總體變小,孔隙率為60%、80%的泡沫鋁中也表現出相同的規律[16]。

圖5 70%-泡沫鋁孔面積數據分析

觀察孔隙率為60%、80%泡沫鋁孔面積分布及其累計分布,均表現出相同的規律,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%-泡沫鋁孔面積數據分析

2.1.2 孔圓形度分析

泡沫鋁孔圓形度結果如圖7～圖8所示?？煽闯?70%-泡沫鋁孔圓形度均呈現出兩邊低,中間高的規律。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,對應的個數比例為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,進一步也說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%-泡沫鋁孔圓形度數據分析

對比其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,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 力學性能

2.2.1 壓縮性能

每組試樣取3個,以4 mm/min的速度對試樣進行準靜態壓縮實驗(圖9(a)-圖9(h)為泡沫鋁壓縮過程中的形態變化),壓縮實驗取平均值,繪制出應力-應變曲線如圖10～圖11。圖10為1～2 mm孔徑下,四種占位劑不同孔隙率應力-應變曲線?？汕宄^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,單位體積內所需鋁的量變少,泡沫鋁相對密度變小,孔壁、孔楞變薄,所能承受的應力也有所降低,故壓縮性能降低[21-23]。而在曲線平臺區會存在上下波動是因為泡沫鋁在承受應力時發生形變,內部大量胞孔的孔壁發生彎曲和斷裂,而破損的孔壁又相互支撐形成新的結構來承載壓力,這種結構的多次發生就會造成應力-應變平臺區的曲線波動[24]。

圖9 泡沫鋁在壓縮過程中的形態變化(a-h)

圖10 四種占位劑不同孔隙率應力-應變曲線

根據以上應力-應變曲線繪制屈服強度、平臺區應力平均值如圖11～圖12所示?？梢钥闯銮姸?、平臺區應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,這是因為氯化鈣-泡沫鋁的孔結構可控性最好;60%、70%、80%的氯化鈣-泡沫鋁平臺應力平均值分別為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-泡沫鋁均表現出較高的平臺應力平均值。這是因為60%-氯化鈣-泡沫鋁采用“燒結-溶解”工藝,在高溫燒結過程中,有少許氯化鈣被鋁包覆緊密,進而導致水浴時間變長,力學性能有所降低。也可觀察到,尿素所表現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構有關,還與其基體材料有關。硫代硫酸鈉在“燒結-溶解”過程中,除生成無法避免的氧化鋁外,基本上不會與鋁基體反應;而尿素溶于水中,其酸堿性發生變化,對基體產生腐蝕,故其屈服強度和平臺應力平均值不與孔結構成正比[18]。硬脂酸-泡沫鋁壓縮性能最差則不難解釋,其一,硬脂酸在冷壓過程中發生破碎和裂解,導致孔結構較差;其二,在燒結處理時,受到硬脂酸的侵蝕和沖刷嚴重,進而其力學性能降低[16]。

圖11 泡沫鋁屈服強度對比

圖12 泡沫鋁平臺應力平均值對比

所以從整體力學性能分析,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。其中孔結構占主要因素,其次還與其基體材料和制備過程有關[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吸收能量。壓縮過程分為彈性變形區,塑性平臺區,密實化區三階段[26]。泡沫鋁在壓縮時的吸能特性可通過將單位體積泡沫鋁壓縮到相應應變量所吸收的能量表示[27]。

(1)

式中:W為單位體積內所吸收的能量,單位MJ/m3;ε為應變量;σ為應力,單位MPa。

圖13 泡沫鋁能量吸收曲線

圖13為泡沫鋁壓縮實驗的能量吸收曲線?？紫堵蕿?0%時,泡沫鋁試樣均表現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點處,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,吸能能力均有所下降,但氯化鈣-泡沫鋁吸能效果依舊表現最好,為4.3 MJ/m3;孔隙率為80%時,均表現出較差的能量吸收,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于其他占位劑,這與其較好的孔結構密切相關。

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,準備時間過長;硬脂酸燒結時,產生大量刺激性污染氣體,污染環境且價格昂貴,兩者都無法實現工業化。尿素溶解時,有氨水、碳酸銨等氨氮產生,一來對基體造成腐蝕,另一方面污染環境,表現并不太好;氯化鈣可使球形形態完好復制在泡沫鋁中,因其泡沫鋁有較好的孔結構,故效果較好,且其成本相比其他占位劑更加低廉,易工業生產。

4 結 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。但從其孔結構(圓形度和孔面積)、力學性能和吸能效果分析,占位劑氯化鈣優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4 h,后進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,其屈服強度范圍為2.6～15.8 MPa;平臺應力平均值范圍為2.0～9.6 MPa;吸能范圍為1.4～5.2 MJ/m3。

3)對四種占位劑制備所得泡沫鋁就制備效率、生產成本、環境保護等工藝性因素進行分析,氯化鈣表現最優。