粉末冶金法制备泡沫铝材料的研究

摘要

泡沫铝是近年来发展起来的一种结构—功能一体化的新型材料。其优异的性能和广泛的应用前景吸引了众多研究者的关注。但对发泡过程的基础理论研究还不够全面，特别是对发泡过程中泡沫组织与结构的变化及动力学机制还不清楚。在对发泡过程的研究上，多集中在熔体直接发泡的方法。本文采用粉末冶金法，以特殊配制的Al-Si-Ca合金粉末为基体材料，以TiH2为发泡剂，通过混合—压制成型—发泡工艺来制备泡沫铝材料。对发泡过程进行深入了的分析，对泡沫组织形成的机制进行了探讨，并对所制备的泡沫铝材料的压缩与吸能性能进行了测试。 在泡沫铝的制备过程中，深入研究了主要的工艺参数(如粉末的混合时间、压坯的成型压力、发泡温度、发泡时间、发泡剂加入量、熔体粘度等)对泡沫铝形成过程的影响。分析了各参数对发泡的影响机制，确定了最佳的工艺条件。试验结果表明：混合时间在24小时以上，压坯压力大于350MPa，发泡温度为670℃～685℃，发泡时间为10min～16min，发泡剂加入量为2％～3％，基体材料中钙含量为2％左右，可制得孔隙高，孔结构均匀的泡沫铝材料。 对泡沫组织的微观形成机制进行了分析，描述了气泡形核与长大，泡沫组织的形成与演化过程。分析表明，气泡在熔体中非自发形核，形核后的气泡在熔体中不断上浮、长大，相邻气泡之间在表面张力的作用下形成液膜，多个气泡间液膜以Plareau边界形式存在。大量的Plareau边界形成泡沫组织。球状泡沫组织可以稳定存在。由于气泡间的相互作用，使泡沫组织变形，当转变为多面体泡沫时，则很快衰减破灭。 对气泡的稳定性研究结果表明：氢化钛的分解与熔体的粘度是决定气泡稳定的主要因素。控制熔体的粘度与发泡剂加入量、发泡时间、发泡温度，即可控制气泡的稳定性。在熔体粘度的控制上，首次选用自行配制的A1-Si-Ca合金粉末为基体材料，利用含钙量的不同，来调整熔体的粘度，从而有效地控制了气泡的稳定性。 采用自行研制的设备，首次对泡沫体膨胀过程进行动态观测。通过对发泡过程的热力学分析，对发泡过程中泡沫体的演变过程及其动力学机制进行探讨，建立了描述发泡过程的动力学模型。研究表明：泡沫铝的体积膨胀与发泡剂分解释放的气体量有直接关系。当发泡剂分解释放的气体量大于从泡沫中排出气体量时，体积膨胀可用dV/dτ=DK√r2-2Kτ-kV；(0≤τ≤τ')确定；当生成气体量小于从泡沫体中排出的气体量时，体积膨胀由dV/dτ=-kV；(τ'≤τ≤τ

目录

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第一章绪论

1.1泡沫铝材料的特性

1.1.1.泡沫铝材料的结构特点

1.1.2泡沫铝材料的性能

1.2泡沫铝的应用

1.2.1铁路交通业

1.2.2航空航天业

1.2.3造船业

1.2.4建筑业

1.2.5机械制造业

1.3泡沫铝材料的发展状况

1.3.1国外泡沫铝材料的研究进展

1.3.2国内泡沫铝材的研究现状

1.4粉末冶金法制备泡沫铝材料技术

1.4.1粉末冶金法制备泡沫铝材料的研究现状

1.4.2粉末冶金法制备泡沫铝材料的特点

1.4.3粉末冶金法制备泡沫铝材料的基本原理

1.4.4几种粉末冶金法制备泡沫铝材料工艺

1.5粉末冶金法制备泡沫铝材料目前存在的问题

1.6研究内容

参考文献

第二章发泡过程的研究与控制

2.1原料的选择与制备

2.1.1原料的选择

2.1.2铝硅钙合金粉的制备

2.1.3铝硅钙合金粉的性质

2.2粉末与发泡剂混合试验

2.2.1混合时间试验

2.2.2松装密度

2.3压制试验

2.3.1压力与坯体密度的关系

2.3.2坯体压实机制

2.4发泡条件试验

2.4.1试验设备

2.4.2压坯压力对泡沫铝发泡的影响

2.4.3不同压力下氢化钛在坯体中的分解

2.4.4发泡温度试验

2.4.5发泡时间试验

2.4.6发泡剂加入量试验

2.4.7熔体粘度试验

2.5本章小结

参考文献

第三章泡沫的形成与稳定性分析

3.1泡沫组织形成的微观机制

3.1.1气泡的形核

3.1.2气泡的长大

3.1.3泡沫组织的形成

3.1.4泡沫组织的演化

3.1.5泡沫的稳定性

3.1.6基体凝固方式

3.2气泡稳定性分析

3.3本章小结

参考文献

第四章泡沫体形成机制研究

4.1发泡剂分解的热力学分析

4.2发泡过程的动力学分析

4.2.1实验装置与实验过程

4.2.2发泡的演变过程

4.2.3发泡过程泡沫体形成机制分析

4.2.4发泡过程的动力学方程

4.3本章小结

参考文献

第五章泡沫铝应变性能研究

5.1泡沫铝静态压缩性能的测试

5.1.1实验方法

5.1.2实验结果

5.1.3应变过程分析

5.1.4多孔材料的单向压缩形变模型

5.2泡沫铝动态压缩性能的测试

5.2.1实验原理与方法

5.2.2试验结果

5.3泡沫铝能量吸收特征

5.3.1能量吸收

5.3.2试验结果

5.4本章小结

参考文献

第六章结论

致谢

作者简历

攻读博士学位期间完成的论文

附录