科研创新泡沫铝夹层板制备研究概要Word文件下载.docx
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由于泡沫铝具有优异的物理性能、化学性能、力学性能与可回收性能等,被认为是一类很有开发前途的工程材料,有着广泛的应用前景,特别在在建筑、交通运输、机械、电子、通讯和军工等行业具有广泛应用前景。
最常用的泡沫铝合金是纯铝、2×
×
系列合金及6×
合金。
铝-硅系铸造合金因其熔点低与良好的成型性能,也可用于制造泡沫材料。
目前,世界各国已研制开发出多种制造泡沫铝的方法和加工工艺,生产出了不同的规格品种和用途的泡沫铝材,已取得可喜成果,正在向产业化生产方向发展。
1.2泡沫铝的特性及其应用
1.2.1泡沫铝的主要特性[2]
由于制备工艺的不同,从结构看泡沫铝可分为闭孔结构的泡沫铝和开孔结构的泡沫铝。
前者含有大量独立存在的气泡,而后者则是连续贯通的三维孔结构。
泡沫铝的性能主要取决于分布在三维骨架间的孔隙特征,即孔的形态和分布,包括孔的类型、孔的形状、孔的分布、孔的结构。
结构不同导致的性能差异,使其具有不同的用途。
在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域得到了和将要得到广泛应用。
与传统的金属铝相比,泡沫铝具有如下特征:
(1密度小[3]
泡沫铝是一种轻质功能材料。
泡沫铝密度通常为180-480kg/m3,约为铝密度的1/10、钛密度的1/20、钢密度的1/30及木材密度的1/3。
一般建筑材料采用密度为200-300kg/m3的泡沫铝材,而用做消声材料时则用密度为320-420kg/m3的材料。
泡沫铝的密度可在很大范围内变化,目前所能获得的最大孔隙率可达97%,其尺寸从几个微米到几十个毫米。
一般规律是孔隙率越大,泡沫铝的密度越小。
(2耐热性强
泡沫铝具有较高的耐热性。
一般铝合金的熔解温度范围在560-700℃,但泡沫铝即使加热到1400℃,也不熔解,而且在高温下不释放有害气体。
以此,在许多场合可以取代发泡树脂或石棉类制品用做隔热与耐热材料及各种热交换器的芯件。
还可用做航天设备的核心材料、高温填料、电磁屏蔽材料、阻燃器、慢性约束核聚变激光实验中的超热电子抑制材料等。
(3通透性好[4]
具有良好通透性的贯通孔泡沫铝可作为过滤材料,从液体或气体中将固体颗粒过滤出去。
通常,通透性随孔径的增加而增加,但它也受表面粗糙度的影响,而且受闭孔数目的影响较大。
可用于各种液体、气体的过滤器和高温除尘器中。
(4刚性强
泡沫铝不具有密实金属那样的延展性,拉伸试验无法测出拉伸率,弹性模量约为铝合金的1/50-1/100。
泡沫铝质脆,与铝合金不同,当发生大的变形时,其蜂窝组织产生破坏,反之,如果蜂窝组织不达到破坏强度,泡沫铝是不会产生变形的。
(5比表面积大
利用泡沫铝的大比表面积,可达到高的换热性,由此它可用做制造加热器和热交换器的良好材料。
另外,也可用做需要巨大表面化学反应的载体,如作为催化剂的载体、多孔电极、充电电池的极板材料、换热器、能量吸收器和催化剂的载体等。
(6隔声性能强
泡沫铝可通过气孔壁的振动来吸收声音的能量,用来消声、去除噪声。
一般情况下,通孔泡沫铝的吸声性能更好。
孔的尺寸影响其对整个声波频率范围的吸收性能,孔越小,吸声能力越大。
通过改变泡沫铝孔的尺寸和形状可以获得好的吸声性能。
可用于建筑行业中的内外装饰件、幕墙、间壁活动门板,制造高性能吸声板、隔声墙、各种消声器等。
泡沫铝的隔音性能见表1
[3]
7具有吸收冲击能量的能力
泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性,也不像高分子泡沫材料具有反弹作用,它有很好的减震(阻尼性能,是制造抗冲击部件的良好材料。
可用于汽车刹车器、夹紧装置以及航空航天设备中的保护封套和缓冲器。
其阻尼性的大小与气孔孔径的大小有关。
可用于升降机和传送器的安全垫、高磨床防护装置的减震吸能内衬、高精密机床的底座等。
而且泡沫铝的减振(阻尼性能与其气孔孔径的大小有关,可通过调整材料的孔隙特征对其阻尼性能进行调节
8良好的吸音性
泡沫铝中大量的孔洞允许声波进入其中,泡沫内介质(一般为空气在声波作用下发生压缩伸张变形,引起介质与孔壁之间摩擦,使声能转化为热能;
泡内介质在声波作用下,产生振动引起声波射向金属表面,从而产生漫射而干涉消音。
尤其在中、低频率时。
这是由于泡沫铝的孔隙的惯通性、体积膨胀性及孔壁的良好导热性,必将补偿由于声波频率降低、振动衰减及孔壁摩擦阻力减小所引起的不良吸声性,可使泡沫铝在中、低频率下取得优良的吸声效果,尤其在低于1000Hz左右的频率范围。
随着孔径的减小、孔隙率的增大,吸声性能有规律的提高。
泡沫铝吸音性能见表2
9其他性能
泡沫铝还具有气敏性、催化性、良好的保温性,同时还具有电磁屏蔽性能,对高频电磁波有良好的屏蔽作用,能够使电磁干扰降低80%以上。
5mm厚、孔隙率为90%的闭孔泡沫铝,在60-1000MHz电磁屏蔽性能为35-75db,可用于电磁屏蔽室(罩、电子仪器外壳、无线电录音室电磁屏蔽等场合。
由于泡沫铝具有如此众多的特性,预计其在航空航天、电讯及环境保护等新领域中必将有很好的应用前景。
1.2.2泡沫铝的应用
泡沫铝具有各种优良性能:
密度小,耐热性强,隔音性好,耐冲击,通透性好。
因此在民用、工业、交通、航空、航天及军事国防等领域有着非常广泛的应用前景。
泡沫铝从结构上可分为开孔和闭孔两种,孔结构是决定其应用的主要因素,例如许多应用需要介质、液体或气体流通泡沫铝,这就需要完全开孔结构,而承载件就要求闭孔结构的泡沫铝。
图1展示了不同应用领域对孔形态的要求。
根据应用范围的不同,可以将泡沫铝的应用分为两类:
结构材料的应用和功能材料的应用[5]。
(1泡沫铝作为结构材料的应用
作为结构材料,泡沫铝在汽车、航天、建筑、铁路行业、机械制造业、体育器材、生物医学中都有着广泛的应用前景。
①汽车工业上的应用
未来汽车将要求更加轻便节能、安全、有良好的抗震性。
如果采用泡沫铝材制造盖板、卡车盖与滑动顶板等可减轻重量并提高刚度。
德国卡曼汽车公司与夫需霍弗研究所共同使用“夹层板”泡沫铝制造轿车顶盖板.其刚度比原来钢构件大7倍左右。
而其质量却比钢件小25%。
此外,这种泡沫铝还具有更高的吸收冲击能和声能的效果。
②航天工业
同时具有多项优良性能的泡沫铝是航天工程一直追寻的理想结构材料。
在空间技术中,泡沫金属轻质结构具有非常重要的应用前景。
用泡沫铝夹层材料替代昂贵的蜂窝夹层结构件,在获得更高的性能的同时又使成本大幅度下降。
波音公司试验了用泡沫钦和泡沫铝夹层材料制成直升飞机的尾架,这种材料与以往的蜂窝夹层材料相比还有一个很重要的特点就是可以制成弯曲甚至三维的形状。
正是这个原因,一些直升飞机制造商正考虑用泡沫铝夹层材料部分替代蜂窝夹层材料。
③建筑业
建筑业中泡沫铝有着广泛的应用范围。
例如,用泡沫铝材制造电梯可大大减轻其重量,从而减少能量消耗,而且泡沫铝优良的能量吸收性能又保证了电梯的安全性。
如果泡沫铝作为装饰材料,既轻便美观,又可以起到防火、隔音的效果。
(2泡沫铝作为功能材料的应用
①过滤器
过滤器主要是从液体中分离固体颗粒或从气体中分离固体和液体。
例如,净化熔融聚合物,除去空气中的油烟和水汽。
过滤器要求有良好的过滤性能,耐蚀性以及优良的力学性能,而开孔泡沫铝正是制备过滤器的理想材料。
热交换器
高热导性泡沫铝可以作为热交换器材料,这就要使用诸如铸造法生产的开孔泡沫铝,通过加热或冷却泡沫铝,使流通过的气体或液体得到加热或冷却。
如泡沫铝可以制成一种紧凑的散热器用于微电子装置上对高密度发热元件的冷却,如对计算机的集成电路和电源的冷却。
③催化剂载体
高效催化剂要求在与气体、液体反应时有大的接触面积,因此催化剂就可以被注入多孔材料中。
由于多孔泡沫铝有大的表面积,同时有很好的塑性和导热性,所以可以充当催化剂载体。
同时催化剂在泡沫铝中有良好的机械完整性,例如,即使在经历多次升降温循环,催化剂基本没有损失。
作为功能材料,泡沫铝还可以制备电极、喷雾器、消声器、自润滑轴承等多种产品,其应用前途十分广阔。
1.3泡沫铝的制备方法
最常用的泡沫铝合金是2XXX,6XXX系合金。
铝硅系铸造合金因其熔点低与良好的成型性能,也可用于制造泡沫材料。
目前,世界各国已研制开发出多种加工工艺和制造方法,使不同规格和品种的泡沫材料正在向产业化方向发展。
制备泡沫铝的方法有多种,根据制备过程中铝的状态可以分为三大类:
液相法、固相法、电沉积法,见图1-1,图中英文为该法生产的泡沫铝商品名称。
图1-1泡沫铝制备方法[6]
1.3.1液相法
(1熔体发泡法(Directfoaming
其基本原理主要是将铝或铝合金熔化,随后加入增粘剂使铝熔体的粘度增加,以防止气泡从熔体中溢出,最后经冷却使熔体中的气体滞留在熔体内部。
气体的来源有两种:
一是直接从外部向铝液中注入气体;
二是在铝液中加入发泡剂。
但目前液相法只能做出板状泡沫铝。
①熔体注气法(Foamingbygasinjection
各种泡沫铝合金都可用此法生产。
将铝合金熔融后,加入一定体积分数的增粘颗粒(碳化硅、氧化铝等进行增粘,然后从熔融铝液底部吹入气体(空气、氮气、氢气,同时对液体进行搅拌使气泡细小并均匀分布,在金属液中形成大量气孔后冷却凝固制得泡沫铝。
这种方法优点是可以连续生产,可获得低密度、大体积的产品。
缺点是要对泡沫板材进行剪切,造成泡沫开孔,
同时由于颗粒的加入,使胞壁变脆,对力学性能产生不利影响。
图1-2熔体注气法示意图
②加发泡剂法(Foamingwithblowingagents
该法将发泡剂与合金进行混合,加热使发泡剂释气,由此可形成泡沫铝。
国内目前采用较多的发泡剂是金属氢化物,如TiH2或ZrH2等。
此方法具有工艺简单,成本较低,所得样品孔隙率高等优点,适合于制备尺寸较大的试样。
缺点是
气泡分布不均且局部气
泡尺寸过大。
(2固-气共晶凝固法((Solid-gaseutectic
该法是近年来开发的一种新方法,依据是在H2中,一些金属可形成共晶系统。
在高压H2下(50x106Pa得含氢的均匀铝液,如果降低温度通过定向凝固将发生共晶转变,H2在凝固区域内含量增加,并且形成气泡。
因为体系压力决定共晶组成,所以外部压力和氢含量必须协调好。
最终孔的形状主要取决于氢含量、铝液外部压力、凝固的方向和速率、金属液的化学成分,通常沿凝固方向形成管状孔,孔直径1Oμm-lOmm,长度100μm-300mm。
(3铸造法
①熔模铸造(Investmentcasting
用耐热材料(莫来石、酚醛树脂、石膏填充开孔的高分子泡沫,然后通过加热除去高分子泡沫并将铝液铸入模型中来复原高分子泡沫的结构,这一步可以采用加压和加热模型的方法使细小孔洞得到充分填充,最后用水溶等方法除去耐热材料,即得到与原高分子泡沫相同结构的泡沫铝。
此法的难点在于如何使铝液充分填充到模型中,以及如何在不破坏泡沫铝结构的同时除去耐热模型。
优点是可制备多种泡沫金属,并且可以得到开孔结构,生产重复性好,有相对稳定的密度。
②渗流铸造法(Infiltrationcasting
将液态铝合金渗入到填料颗粒的间隙中而获得铝合金填料复合体的一种方法。
填料可以使用耐热且可溶的材料(如精盐。
样品制成后,填料粒子可从铸件中浸洗掉,从而获得具有连通空隙结构的泡沫铝。
渗流铸造法又可分为上压渗流铸造法和负压渗流铸造法,这两种方法都可以得到通孔性良好的泡沫铝样品,并且填料粒子可以迅速去除,并重复使用。
1.3.2固相法(Solid
用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料。
因为大部分固相法通过烧结使铝颗粒互相联结,铝始终保持在固态,所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。
(1散粉烧结法(Sinteringofaluminumpowders
这种生产方法包括三个过程:
粉末准备,粉末压缩,粉末烧结。
此方法多用于制备泡沫铜。
由于铝粉表面具有的致密氧化膜将阻止颗粒烧结在一起,因此用散粉烧结法制备泡沫铝相对困难。
这时可以通过变形手段破坏氧化膜,使颗粒更易粘结在一起;
或加入镁、铜等元素在595℃-625℃烧结时形成低共熔合金。
用散粉烧结制备的泡沫金属优点是工艺简单、成本低,缺点是孔隙率不高、材料强度低。
如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。
(2粉浆烧结(Foamingofslurries
把铝粉、发泡剂(磷酸加氢氧化铝、活性添加剂混合后注入模子中形成含有泡沫的铝粉浆,逐渐升温,在添加剂、发泡剂影响下,浆开始变粘,并随产生的气体开始膨胀。
如果工艺参数控制得当,经烧结后就可得到一定强度的泡沫铝。
该法存在的主要问题是制得的泡沫材料强度不高并有裂纹。
如果把粉浆直接灌入高分子泡沫中,通过升温把高分子材料热解,烧结后同样可制得开孔泡沫材料。
(3填加造孔剂法(Basedonspaceholder
Brain等人用高分子球、镁颗粒、尿素作为造孔剂制备了多孔钛。
由于铝表面致密的氧化层使颗粒之间在烧结时结合困难,所以用此法制备泡沫铝并不多。
(4粉末冶金法(powdermetallurgy
由于此法的原料是铝粉末,所以有的文献将其列入固相法。
但该法实际的发
泡阶段是在液相,因此也有文献将其列入液相法。
在此将其列入固相法讨论。
该法的原理是将铝粉或铝合金粉与一种发泡剂粉末混合,将这种混合物压制成密实的金属基体,然后对其加热升温。
当温度升至铝粉或铝合金粉的熔点以上。
发泡剂产生的气体在熔融状态的铝或铝合金内部形成无数的气孔,冷却这种铝基体后,即可得到泡沫铝产品,该工艺相对简单,优点是可以根据具体要求制作各种复杂的异型件。
缺点是比熔体发泡法成本高,工件尺寸受到限制,孔尺寸难控制[7]。
1.3.3电沉积法((Electro-deposition
电沉积法是以泡沫塑料为基底,经导电化处理后为阴极,工业纯铝板为阳极,在烷基铝溶液中电镀制成泡沫铝。
采用此电沉积法制备的泡沫铝具有容易控制孔隙结构、孔径小、孔隙均匀、孔隙率高等特点。
其隔热性能和阻尼特性优于铸造法生产的泡沫铝;
其吸声性能与声频率有关,声频率在1000-2000Hz之间时,平均吸声系数为0.751,是一种很好的吸声降噪材料。
2.泡沫铝夹层板
泡沫铝夹层板(AluminumFormSandwich即AFS或泡沫铝夹芯板、泡沫铝三明治。
随着泡沫铝制备技术日益成熟以及对其比强度应用需求,其应用设计研究的重要性日益增大,而泡沫铝夹层板是其很重要的应用方面。
泡沫铝夹芯板泡沫铝夹层板有三个特点:
1、两个比较薄的、高强度、高密度材料作为表面。
2、一个材料密度较低的夹心层。
3、面板与夹心层的结合通过胶粘或冶金结合实现。
生产泡沫铝夹芯板复合结构技术首先由德国Fraunhofer先进材料制造研究所和德国卡曼汽车公司联合推出。
由金属面板与泡沫铝芯构成的夹芯板复合结构的特点是轻质、高比刚度,并具有良好的减震性能,主要应用为泡沫铝夹层板梁、板、管以及夹层板异型件。
在汽车、航天、航空等领域将有广泛的应用前景。
此外,还有吸收冲击能与声能的效果,可代替传统的金属板、金属网、木材、塑料、有机玻璃等作为机床防护罩材料。
目前在国外己经成功地用于高速磨床吸能内衬,充分地起到了吸声减振的作用。
泡沫铝夹层板既是一种热稳定好不可燃材料,也是一种抗破坏的耐用材料,并能完全回收与再生利用。
2.1泡沫铝夹层板的结构与性能
2.1.1良好的抗冲击及能量吸收特性
泡沫铝是一种轻质的具有吸收能量和抗冲击性能的多孔材料,但强度相对较低。
然而,将其做合成结构则既能满足结构件的刚度和强度要求,又能满足高能量吸收的要求。
2.1.2良好的抗震性
泡沫铝本身是一种轻质高阻尼材料,其金属框架及孔隙结构具有高能量吸收的特性,阻尼值可为铸铁材料的5一10倍。
采用泡沫铝作为芯层材料时,芯层材料作为阻尼层在振动发生时会被迫伸缩,层内产生较大的剪切应力和应变,因此会损耗更多的能量。
特别是,泡沫铝芯和金属面板之间的接触界面对结构阻尼有极大的影响。
如果接触表面间在压力作用下可以相对滑动,则会产生附加的界面阻尼作用,阻尼效应由界面的干摩擦产生,这就使得过量的震动可得到有效的衰减。
2.1.3良好的吸音特性
泡沫铝吸声板是一种先进的吸声材料,其吸声性能除了与材质有关外,还与材料
厚度、覆面材料、空腔大小等有关。
制备出来的泡沫铝夹芯板可以从中间劈开,将其分成两半具有吸音功能的材料。
2.1.4其它特性
除了上述特性外,泡沫铝夹芯结构还具有重量轻、用料少、综合成本低等优点,特别是泡沫铝夹芯板这种轻质型复合板材表而比较平整,不易变形,具有耐久性和靓丽的装饰,防水性、密封性能也较好,其耐热、隔热性还会起到保温的作用。
鉴于泡沫铝夹芯板诸多的优良性能,因此倍受国内外的关注。
(见表3;
相对于其他材料的夹层板结构,泡沫铝夹层板结构具有芯部性能各向同性、成本低等优势;
采用粉末冶金发泡法还可以制成复杂形状的夹层板零件,耐热性优良。
因而必将在汽车、航空、航天等领域得到广泛的应用。
图1-3是德国佛朗霍夫先进材料研究中心(IFAM利用冶金发泡法制备的夹层板板样。
图中上下两层为铝面板,中间为泡沫芯,面板与泡沫芯之间为冶金结合。
图1-3泡沫铝夹层板[8]
2.2泡沫铝夹层板的制备方法[9]
目前泡沫铝夹层板的制备工艺主要有两大类:
一类是先由熔体发泡法、粉末冶金法等制备泡沫铝,再通过金属泡沫与金属板材采用胶粘或其他方法连接在一
起;
第二种方法是铝硅粉加金属发泡剂和金属板材压制成预制体,在加热炉里加热过熔点发泡,冷却后成泡沫铝夹层板。
2.2.1粉末冶金法
此法是根据所需的泡沫铝合金成分,将铝粉和其他合金元素粉(如硅、镁等及发泡剂粉末(如TiH2按一定重量比混合。
将混合粉与面板一起放入模具中(混合粉在两块面板之间经过压力成型,成型方法可以是压缩或挤压,最后得到可发泡三明治复合板。
随后将经过冷轧后的坯料放入加热炉中,在适当的温度下加热至复合板的芯部熔融,发泡剂分解出气体使铝溶体发泡,得到具有冶金界面结合的泡沫铝三明治结构。
所制备出的泡沫产品的相对密度为20~40%。
模具的空腔即为泡沫铝制品的几何形状,他的优点是可以直接制造复杂形状的零件,图1-4为其原理图。
用这种方法可直接生产用于小汽车结构的泡沫铝三明治板材。
这种泡沫铝三明治比钢板的刚性大10倍,而重量却轻了50%
可用于汽车的地板、火墙、车顶和行李厢等。
图1-4粉末冶金法
2.2.2胶粘法
胶粘法是用粘合剂把面板与泡沫铝芯板粘接起来,如日本的ShikeWire公司生产的Alporas三明治就是采用胶粘法,外层板材可以是铝板、钢板或大理石板等,建筑用Alporas板的表面处理是喷涂丙烯酸树脂或喷涂陶瓷层。
由于胶是一种有机溶剂,不耐高温,在一些环境恶劣的情况下,该种三明治结构材料就会发生失效。
另外,如同蜂窝铝三明治一样,胶粘部分还存在一个年限问题,超过一定的使用时间,也会出现老化失效情况。
此外,胶粘AFS通常只能制备板状构件,使其应用领域受限。
2.2.3其他方法
目前还有使用玻璃纤维与聚氨酯为面板的泡沫铝夹心三明治[10],利用超声波扭转将铝和铁合金板焊接到闭孔泡沫铝上制造三明治板[11],热固性塑料一泡沫铝三明治板[12],纤维增强泡沫铝三明治,钢包泡沫铝三明治结构[13],超塑性铝合金板与
闭孔泡沫铝扩散连接形成三明治结构[14,15]。
2.3泡沫铝夹层板的应用
2.3.1在汽车工业中的应用
轻质、高刚度且有吸能和隔音性能的泡沫铝夹层板己在国外汽车上得到应用,如顶盖板、底盖板和滑动顶板等高刚度构件。
在汽车冲击区的部件上(如金属横梁、保险杠等使用合适形状的泡沫铝夹层板,可控制最大能量的变形,对
侧面冲击保护同样如此。
由德国Fraunhofer先进材料制造研究所和德国卡曼汽车公司联合推出的夹层板式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车的顶盖板的刚度比原来的钢构件大7倍左右,而其质量却比钢件轻25%[5]。
此外,还有更高的吸收冲击能与声能的效果,其保温绝热性能比铝的好1倍。
用泡沫铝夹层板制造的某些汽车零件的质量,只有原钢件质量的1/2,而其刚度却为钢件的10倍,对频率大于800Hz的噪声有很强的消声能力。
据预测,约有20%的汽车车身结构件可用AFS(AluminumFoamsandwich材料制造,一辆中型轿车用AFS材
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