泡沫铝基复合材料研究

※ 设计基本原理：
泡沫铝是近几十年发展起来的一种新型功能材料。

它由三维网状金属骨架结构和间隙构成，如果在其中渗入增强体，将大幅地提高其力学性能，还有可能带来其他新的功能特性，或者使泡沫铝基基体原有的优良特性得到进一步提高。

泡沫铝同时具有多孔结构和金属的双重特征,因而具有许多优良的特殊性能, 如热、声、能量吸收、电磁屏蔽、轻质、渗透性能等, 在汽车、航空航天、建筑、包装、运输等领域具有广泛的应用。

SiCp 增强铝基复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等优良特性, 已成为当前人们研究开发的热点之一。

如将二者相结合成为碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料, 则能取长补短, 同时兼有两种材料的优点, 成为一种新型的泡沫金属基复合材料。

※ 制备工艺（熔体发泡工艺）：
① 流程图如下
② 试验基体用材为纯Al, Si, Mg, 增强颗粒为10~ 14 μm 的W14 绿碳化硅颗粒( A-SiCp ) , 发泡剂200 目的TiH 2 粉末。

试验装置如③ 所示。

熔体发泡法制
备SiCp 增强泡沫铝基复合材料工艺流程为:首先将金属铝锭在高温箱形电炉熔化后, 在一定温度条件下加入10%~ 12% ( 质量分数) 的Si 作为添加剂和1% ~ 1。

5% ( 质量分数) 的Mg 作为助渗剂, 经调速电机驱动的搅拌器高速搅拌均匀, 升温后倒入预处理过的SiC 颗粒保温坩埚中, 再高速搅拌均匀, 冷却到固液两相区加入预处理过的发泡剂TiH 2, 高速搅拌均匀后, 保温一段时间, 使发泡剂
充分分解释放气体( H 2 ) , 气体滞留在熔体内冷却凝固后即产生大量孔洞。

均匀
分布的( H 2) 使金属发泡成为所需的结构和形状, 同时SiC 颗粒分布于金属基体
中起到强化作用。

③ 实验装置图：
SiC 颗粒进行预处理 TiH 2
配料
搅拌 熔化 冷却 发泡 冷却
※制备过程的控制与途径：
熔体发泡法的主要问题是发泡过程和孔洞均匀分布控制比较困难, 采取的
措施: ( 1) 为延长发泡剂的滞留时间, 向熔体中加入增粘剂如Ca,MnO2 等以提高熔体粘度; ( 2) 为使发泡剂均匀分布在熔体中, 采用高速搅拌。

由于本试验加入SiCp 颗粒形成复合材料, 熔体自身粘度较大, 故不需采用任何增粘措施, 简化了发泡工艺。

发泡剂的预处理由于TiH
2
在高温热分解速度快, 往往还未充分分散到铝
液中就分解完毕, 可通过一定的热处理工艺使TiH
2
粉末表面生成氧化膜 , 提高其在高温停留的时间, 使其在搅拌均匀后才开始发泡。

本试验采用预处理工艺为:400℃下保温30 h, 再在500 ℃下保温2 h 后随炉冷却, 干燥保存。

SiCp与TiH
2分布的均匀性 SiCp与TiH
2
分布的均匀性对复合材料的性能有较
大影响, 所以搅拌器形状、搅拌速度和搅拌时间就显得非常重要。

而且早期SiCp
搅拌的均匀性对后期发泡也有较大影响, 一般TiH
2受热分解的H
2
更易于以SiCp
为形核核心。

发泡过程半固态搅拌时, 既要提高搅拌器的剪切速度, 达到利用旋
涡区的抽吸作用将颗粒卷入熔体中; 又不致由于大的旋涡在金属内形成气孔、缩松。

如果搅拌不均匀, 冷却后会出现SiCp 的团聚和大气孔、孔洞不均匀。

搅拌时控制不好, 会有氢气泡在搅拌过程中沿搅拌杆上升而跑掉。

分次加入发泡剂会产生大小不均的孔洞。

与单层、二层叶片相比, 三层搅拌器上层叶片产生下压力, 下层叶片产生上吸力, 有利于颗粒分布的均匀性。

本试验搅拌头采用同轴三层螺旋浆形, 对SiCp加入后搅拌15 min, 再加入TiH
2
后搅拌20 s,转速为3000~ 4000
r\min- 1, 保温一段时间后快速冷却成型, 通过控制搅拌时间和加入的TiH
2
含
量可以获得所需孔洞大小及不同孔隙率的SiCp 增强泡沫。

温度控制熔体发泡法制备SiCp 增强泡沫铝基复合材料工艺过程中, 温度的控制特别重要。

如果搅拌SiCp时温度低于熔体熔化温度, 则会生成颗粒絮状物质。

熔体温度的提高一方面有利于改善SiCp 与铝液的润湿性, 但降低粘度; 另一方面有利于发泡, 但不利于泡沫的稳定, 而温度过低又不利于TiH
的分解,
2
最合适的发泡温度应该是在该温度范围内同时满足发泡剂的分解压大于气泡核长大的内压力和熔融金属有较高粘度的要求。

本试验条件下, 700 ℃进行SiCp
发泡初始温度为700 ℃,终了温度为670 ℃ , 可获得SiCp 高速搅拌; 加入TiH
2
和孔洞均匀分布的SiCp 颗粒增强泡沫铝基复合材料。

※性能调整方法：
1、增粘剂、发泡剂加入方式的影响
由于增粘剂、发泡剂中的Ca、Mg 、TiH2 密度较小, 且在高温下极易燃烧, 采用简单的抛洒加入方式不能达到使熔体增粘、发泡的效果, 而是在熔体表面迅速燃烧, 发出耀眼白光。

针对这一现象, 采用了将增粘剂、发泡剂用铝箔包裹后强制压入熔体的方法, 发现熔体迅速胀大, 冷却后得到孔隙率约40%的泡沫体 , 但其孔隙大小及分布极不均匀。

2、搅拌速度的影响
分析孔隙大小及分布不均匀的原因, 可能是加入发泡剂后搅拌速度太低, 以致在短时间内发泡剂TiH2 颗粒未能均匀分散, 从而导致发泡体气泡分布不均匀。

提高加入T iH2 后的搅拌速度至800 r/ min,得到孔隙率约58%的泡沫体, 可见其孔隙率和孔分布均匀性均有所提高, 但气孔不规则、大小不均匀。

3、搅拌时间的影响
造成气孔团聚的原因可能是搅拌速度仍不够高和搅拌时间短, 以至发泡剂在熔体冷却凝固前仍未完全分散开。

为此, 一方面进一步提高加入发泡剂后的搅拌速度至1200 r/ min, 同时延长搅拌时间为4 分钟, 得到孔隙率为70%、孔径比较均匀、孔型基本一致的泡沫铝样品。

对熔体发泡法制备闭孔泡沫铝工艺的初步探索发现, 影响孔隙率和孔分布均匀性的因素较多, 如熔体粘度、熔体发泡温度、搅拌速度、搅拌时间、冷却速度等等。

增加熔体粘度和降低熔体发泡温度都有利于提高气泡的稳定性, 有助于孔隙率的提高。

但是由于发泡剂的分解温
度远比熔体的熔化温度低, 气泡合并是自发的热力学过程, 气泡发生破裂和逸出熔体的几率就会增加, 因此搅拌速度和搅拌时间的影响就显得尤为突出。

提高加入发泡剂后的搅拌速度有利于发泡剂的快速均匀分散, 从而增加气泡形核数量, 明显提高孔隙率和孔分布均匀性。

适当延长搅拌时间, 既有利于发泡剂的充分分散, 又有利于气泡的进一步长大均匀。

※应用领域：
1、由于其多孔结构和金属特征, 具有优良的特殊性质, 如轻质、渗透、能量吸收、热性能、高电阻、电磁屏蔽性能等, 在航空、航天、运输、建筑等领域有广泛的应用前景。

2、利用减振特性, 可用于制作精密仪器的基底和防护罩、运输包装箱内衬。

3、利用吸音特性, 制作高速列车发动机室的隔音墙、汽车发动机消音器以及用做新型的防火、隔音建筑装饰材料。

4、也可作为轻质结构材料, 如飞机夹层材料、空心支撑体的增强添料。

5、而颗粒增强金属基复合材料也是近年来发展的一种新的金属材料, 具有高比强度、高比模量、耐磨损、耐高温、疲劳性能好等优良性能。

6、二者结合形成泡沫金属基复合材料, 则应用范围还在不断扩大, 在当今节约能源和资源、对产品要求轻量化、高能化的年代, 新型泡沫金属基复合材料的研究和开发具有十分重要和深远的意义。