基于新型缓释发泡剂的闭孔泡沫铝制备、表征与工程化

摘要

闭孔泡沫铝兼顾了结构材料和功能材料的特点，使其在现代交通、建筑以及航空航天等领域显现出了广阔的应用前景。采用TiH2类金属氢化物发泡剂的熔体发泡法是目前闭孔泡沫铝材料制备的主要方法，但由于氢化物起始分解温度低且分解速度快，从而导致现行熔体发泡法存在工艺控制条件苛刻、泡沫铝制品中孔洞分布不均匀以及大尺寸产品制备难度大的缺陷;另外，间断式操作导致的不同批次产品性能的一致性难以保证也是现有技术中存在的主要问题。针对现行熔体发泡法中存在的问题，本文从对现有TiH2发泡剂进行高温预处理与表面包覆研究着手，提出了研制新型缓释发泡剂并以此为基础来制备孔洞分布可控闭孔泡沫铝的思路，设计了基于缓释发泡技术的闭孔泡沫铝生产线并成功实现了产业化，同时还表征了所研制闭孔泡沫铝产品的力学、热学等性能。所获得的主要研究结论如下:
　　(1)对TiH2粉末进行高温预氧化处理是提高其起始分解温度、并保证其缓慢释放发泡气体的有效手段，这主要是因为预氧化增厚了TiH2粉末表面的氧化层;对氧化处理后TiH2粉末采用非均匀成核法进行Al2O3包覆的研究发现，包覆处理可使其主要分解温度范围提高近100℃。尽管高温预氧化与包覆等措施有效改善了TiH2粉末的热分解特性，但依然难从根本上解决闭孔泡沫铝制备时所存在工艺控制条件苛刻等方面的问题。
　　(2)研制了一种新型缓释发泡剂，热分解过程研究发现:①该发泡剂的起始分解温度大大高于本论文所研究改性处理后所得TiH2粉末的起始分解温度，达到608℃;②650℃以后分解速率才开始快速增大，700～750℃之间的分解速率上升较快，当温度达756℃时反应才基本结束;③在5℃/min升温速率下，整个分解反应过程持续长达30min;④在680℃恒温条件下的分解速率变化曲线接近一条直线，并且在680℃下分解完全的时间长达40min。这些热性能研究表明，所研制缓释发泡剂在铝熔体发泡温度附近是一个缓慢均速分解的过程，这为闭孔泡沫铝制备过程中各种工艺参数的良好可控性创造了条件。
　　(3)进行了采用新型缓释发泡剂的闭孔泡沫铝熔体发泡法制备实验室研究，结果表明:闭孔泡沫铝的孔隙率和发泡效率随新型缓释发泡剂增加逐渐提高;当发泡温度低于720℃时，升高发泡温度，孔隙率逐渐增大，表观密度随之减小;随着保温时间的延长，闭孔泡沫铝的孔隙率增大，发泡效率降低。当发泡剂的加入量为1.2～1.6wt％、发泡温度在680～720℃之间、搅拌时间2.5～5.5min、搅拌速度1500～2500rpm和保温时间3.0～7.0min时可以制备出孔隙率在75～85％之间，孔洞分布均匀，平均孔径范围为1～4mm的闭孔泡沫铝样品。
　　(4)基于实验室研究结果，设计了采用新型缓释发泡剂的闭孔泡沫铝半连续工业化生产线，所设计生产线由复合模具及其连续预热系统、熔体熔制与分配系统、熔体发泡系统以及全自动冷却系统等部分组成;制造出了基于该设计思路的全自动/半连续闭孔泡沫铝工业化生产系统，在该生产系统上实现了不同熔点闭孔泡沫铝材料的制备，最大产品尺寸达到2600×800×Xmm(X表示可根据需要进行调整或切割)，产品孔洞分布均匀，没有宏观缺陷，孔隙率达到75％左右;工业化生产过程还发现，通过控制发泡剂的加入量，可实现密度可控闭孔泡沫铝的制备;所制备闭孔泡沫铝坯锭中的底部无泡层很小，也是产业化生产线的另一特点，这表明本文所研制工业化制备技术可有效提高闭孔泡沫铝的成材率。
　　(5)研究了基于新型缓释发泡剂所制备闭孔泡沫铝材料的准静态压缩性能和抗弯性能。结果表明:闭孔泡沫铝材料的准静态压缩应力-应变曲线明显表现出了包括线性变形阶段、屈服平台阶段和致密化阶段在内的“三阶段”特征;与纯铝基多孔材料相比，用ZLD102合金制备的多孔材料的曲线在屈服平台阶段具有一定的波动，显示出了一定的脆性多孔材料特征，且其屈服应力明显大于纯铝基多孔材料，接近20MPa。孔隙率和孔径大小是影响闭孔泡沫铝材料压缩性能的重要因素，闭孔泡沫铝的屈服应力随着孔隙率的增大而逐渐变小，而小孔径试样的屈服应力明显高于大孔径试样的屈服应力。用ZLD102合金制备的多孔材料的抗弯性能明显高于纯铝基多孔材料，其抗弯强度超过了15MPa;随着孔隙率的增大，其负载能力明显减弱，抗弯强度不断降低。
　　(6)采用控制容积法推导出了闭孔泡沫铝导热过程的离散方程，用编制的有效导热系数数值算法程序得出了计算值，并与实测值进行了比较。当闭孔泡沫铝的孔隙率较高时(≥83.8％)，程序计算值与导热仪实际测试值比较吻合;而当孔隙率低于83.8％时，程序计算值要明显大于实际测试值。
　　(7)采用三维建模软件建立了球形泡孔结构的闭孔泡沫铝三维模型，推导出了孔隙率与平均孔径和孔壁厚度的关系，并利用此关系通过C语言程序建立了具有不同结构参数且孔隙随机分布的不均匀闭孔泡沫铝模型。研究发现:①有效导热系数随着孔隙率的降低呈增大的趋势;但当孔隙率相同时，非均匀闭孔泡沫铝中的温度分布不均匀，且温度分布与孔隙大小、孔隙分布密切相关，温度在基体金属与孔隙的交界处有突变，温度梯度在孔隙中明显变大;②孔隙沿着垂直热流方向延伸或分布对热流的阻碍作用增大，说明仅通过孔隙率来确定闭孔泡沫铝的有效导热系数具有很大的局限性和不确定性;当孔隙在垂直于热流的方向上连通后，随着连通程度增强，有效导热系数急剧下降，相当于在闭孔泡沫铝底部形成了一道“热阻墙”而阻碍热量的传递。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 前言

1．2 闭孔泡沫铝国内外发展概况

1．3 闭孔泡沫铝的结构、性能与应用

1．3．1 闭孔泡沫铝材料的结构特点

1．3．2 闭孔泡沫铝材料的主要性能

1．3．3 闭孔泡沫铝材料的应用

1．4 闭孔泡沫铝制备方法研究概况

1．4．1 熔体发泡法

1．4．2 粉末冶金发泡法

1．4．3 注气发泡法

1．4．4 两步铸造法

1．4．5 固—气低共熔凝固法(GASAR)

1．4．6 直接搅拌法

1．5 现存的问题及本论文研究的内容

1．5．1 现存的问题

1．5．2 本论文的研究内容

2 TiH2发泡剂的改性处理及其热分解行为研究

2．1 引言

2．2 实验原料和主要实验设备

2．2．1 主要实验原料

2．2．2 主要实验设备

2．3 TiH2改性处理的工艺流程

2．4 相关参数表征与主要测试方法

2．5 结果与讨论

2．5．1 原始TiH2粉末的热分解行为分析

2．5．2 不同加热氧化温度对TiH2热分解行为的影响

2．5．3 Al2O3包覆TiH2的实验研究

2．6 本章小结

3 新型缓释发泡剂的热分解行为及其发泡性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要实验原料

3．2．2 实验工艺流程与主要实验设备

3．2．3 性能测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 新型缓释材料的性能表征

3．3．2 采用新型缓释材料制备泡沫铝的探索性试验

3．3．3 工艺参数对闭孔泡沫铝性能的影响

3．4 本章小结

4 基于缓释发泡剂的闭孔泡沫铝工程化制备研究

4．1 引言

4．2 闭孔泡沫铝的全自动／半连续生产系统设计

4．2．1 新型复合模具的设计

4．2．2 半连续／全自动化操作生产线的设计

4．2．3 基于设计思路所制造的工业化生产线

4．3 基于新型缓释发泡剂的泡沫铝半连续工业化制备

4．3．1 闭孔泡沫铝的工业化制备原则工艺流程

4．3．2 基于新型缓释发泡剂的闭孔泡沫铝工业化生产

4．4 本章小结

5 采用新型缓释发泡剂所制备泡沫铝的性能表征

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 准静态压缩性能测试样品准备与测试方法

5．2．2 抗弯性能测试样品准备与测试方法

5．2．3 热学性能测试样品准备与测试方法

5．3 闭孔泡沫铝准静态压缩性能分析

5．3．1 闭孔泡沫铝的压缩应力-应变曲线特征

5．3．2 闭孔泡沫铝准静态压缩性能影响因素分析

5．4 闭孔泡沫铝材料的三点弯曲实验

5．5 闭孔泡沫铝热学性能分析

5．5．1 闭孔泡沫铝导热性能计算

5．5．2 闭孔泡沫铝结构建模

5．5．3 闭孔泡沫铝导热性能的影响因素分析

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 主要实验结论

6．1．2 论文主要创新点

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢