Progresso da Pesquisa do Novo Material Funcional Espuma de Alumínio

1. Introdução

O alumínio espumado é um novo tipo de material funcional, que é uma espuma -como material metálico ultra-leve com várias bolhas dispersas na matriz de alumínio metálico e a porosidade geral é de 40% ~98%. Em 1948, Sonik propôs um método para preparar alumínio espumado por vaporização e formação de espuma de mercúrio em alumínio e, em seguida, Elliot preparou com sucesso alumínio espumado em 1951. Na década de 1960, a American Ethyl Company tornou-se uma base de centro de pesquisa científica para o desenvolvimento de espuma de alumínio. Em 1991, o Instituto Kyushu de Metais Industriais do Japão desenvolveu uma rota de processo para a industrialização de espuma de alumínio, e agora peças grandes e pequenas podem ser produzidas por métodos de espuma de metal e percolação. Até hoje, os Estados Unidos, Japão, Reino Unido, França, Canadá e outros países desenvolveram sucessivamente uma série de patentes técnicas. No meu país, também foram realizados alguns trabalhos exploratórios sobre a pesquisa básica sobre o processo de preparação do alumínio espumado, e alguns avanços foram feitos.

A espuma de alumínio tem muitas propriedades excelentes devido à sua estrutura única. Ele não só possui as propriedades leves dos materiais porosos, mas também possui excelentes propriedades mecânicas e térmicas, elétricas e outras propriedades físicas que os metais possuem, como penetração, amortecimento, absorção de energia, alta área de superfície específica, blindagem eletromagnética e outras propriedades. Agora, as principais aplicações do alumínio espumado são: painéis à prova de fogo e absorventes de som-, materiais absorventes de energia de impacto, painéis de construção, placas de difusão de gás semicondutor, trocadores de calor, blindagem eletromagnética e assim por diante. Pode ser usado nas áreas de metalurgia, indústria química, aeroespacial, construção naval, eletrônica, fabricação e construção de automóveis, e o escopo de aplicação está em constante expansão.

2. Método de preparação de espuma de alumínio

2.1 Método de fundição

O método de fundição é amplamente utilizado na fabricação de espuma de alumínio e o método de preparação é relativamente maduro. Vários métodos relacionados são apresentados abaixo.

2.1.1 Método de fundição de infiltração

O método de fundição por percolação consiste em infiltrar -alumínio metálico líquido de alta temperatura nos vazios das partículas de enchimento sob uma certa pressão e remover as partículas solúveis contidas na liga de alumínio após a solidificação, ou seja, obter alumínio espumado com uma estrutura celular conectada. Este método pode ser dividido em método de fundição por infiltração de pressão superior e método de fundição por infiltração de pressão negativa. O método de fundição sulfurosa de alta pressão é um material de eletrodo com resistência, alta condutividade, excelente transferência de calor e resistência à fluência em comparação com o método de fundição por infiltração de pressão negativa.

(3) A vida útil média dos eletrodos de cobre reforçados de dispersão de Al2O3-para soldagem de chapas de aço aluminizado de 1,5 mm de espessura é de 7200 pontos, o que pode atender às necessidades de soldagem de correia à prova de explosão-CPT.

Tem as vantagens de operação de processo simples, velocidade de pré-aquecimento rápida, alta produtividade e rendimento, grande fator de segurança, pequeno investimento em equipamentos e fácil produção mecanizada. Entre eles, a seleção e processamento de partículas de carga é muito crítica, que possui as seguintes características: resistência ao calor suficiente, não fundindo na temperatura de vazamento; resistência e rigidez suficientes, não quebradas e deformadas sob a ação da pressão de infiltração; boa remoção As partículas de carga nos poros tri-dimensionais podem ser completamente removidas com um solvente ou solução aquosa após a solidificação do alumínio líquido; estabilidade química, não reage com o líquido de alumínio. Esse método é simples de operar e a porosidade média pode chegar a 70% , o que é conveniente para produção em grande-escala. Atualmente, o método de percolação não é usado apenas na fabricação de espuma de alumínio, mas também na produção de materiais de espuma como zinco, magnésio, chumbo, estanho e ferro, que podem ser usados ​​para fabricar peças com formas complexas.

2.1.2 Método de adicionar bola

O método de adição de bola é adicionar partículas ou esferas ocas à liga de alumínio líquido, fortalecer a agitação e fundir o líquido de alumínio que ainda está em fluxo relativo para obter uma liga de alumínio e um composto de partículas e, em seguida, dissolver e remover a matriz de liga de alumínio . Partículas solúveis e uma espuma de alumínio de célula-conectada foram obtidas.

2.1.3 Método de fundição de investimento

Primeiro, um material esponjoso de espuma contínua tridimensional com uma certa porosidade é usado como material principal e, em seguida, um material refratário fácil de-remover é colocado na esponja{{ 3}} como espuma, seca e endurecida para formar uma forma pré-fabricada, e depois queimada para endurecer o material refratário e torná-lo A esponja de espuma é vaporizada e decomposta e, em seguida, a pré-forma é colocada em um molde de metal, derramada em metal fundido, e uma certa pressão é aplicada a ele ou a fundição a vácuo é realizada para preencher os poros do molde com metal fundido, e é removido após o resfriamento. O bloco de material refratário pode ser obtido em rede tri-dimensional através de-espuma de alumínio celular. A espuma de alumínio produzida por este processo de preparação de microfusão tem boa penetração tridimensional, e o processo tem uma ampla gama de aplicações e é não-corrosivo, e tem boas perspectivas na fabricação de fluidos -produtos permeáveis.

2.1.4 Método de formação de espuma

Existem dois tipos de método de espuma de gás e método de espuma de metal líquido. O método de formação de espuma de gás é soprar gás no metal fundido fundido para espumar o metal fundido. O gás usado para a formação de espuma pode ser oxigênio, argônio, ar, vapor de água, dióxido de carbono, etc. A espuma formada deve ter estabilidade suficiente para garantir que a espuma não se quebre durante o processo subsequente de coleta e moldagem. O método de espuma de gás é atualmente o método mais barato para a produção de espuma metálica. O tamanho da espuma é muito grande e a porosidade dos produtos de espuma de alumínio pode chegar a 97%. O método de espuma de metal líquido foi amplamente utilizado nos primeiros dias, principalmente adicionando TiH2, ZrH2, CaH2 e outros agentes espumantes à liga de alumínio líquido e, em seguida, aquecendo para decompor o agente espumante para liberar o gás e a expansão do gás feita a liga de alumínio em uma espuma e, em seguida, resfriada Ou seja, o produto de alumínio espumado é obtido. A espuma de alumínio preparada por este método pertence à espuma de alumínio de -célula fechada. A estrutura e a porosidade dos poros estão relacionadas com a viscosidade do metal fundido e o tempo de formação de espuma. Controlar a viscosidade do metal fundido e o tempo de formação de espuma durante o processo de fusão pode controlar a porosidade. No entanto, os poros são independentes uns dos outros, seu tamanho e distribuição são desiguais e o controle é complicado.

2.1.5 Método de solidificação eutética

O gás tem uma certa solubilidade no metal fundido e aumenta com o aumento da pressão e da temperatura. Quando a solubilidade do gás no metal atinge um valor predeterminado, o metal e a fase gasosa sofrem solidificação eutética para obter a espuma de alumínio desejada. , controlando com precisão as condições de resfriamento (pressão, taxa de resfriamento, direção de dissipação de calor), espumas de alumínio de alta-porosidade isotrópicas e anisotrópicas com vários formatos de poros podem ser obtidas [18].

2.2 Método de deposição

2.2.1 Método de deposição sputter

O método de deposição sputter é usar a tecnologia de sputtering para pulverizar uniformemente o pó com gás inerte no metal de liga de alumínio e aquecê-lo até o ponto de fusão do metal, de modo que o gás adicionado na matriz metálica se expanda em orifícios e, após resfriamento, é obtido um alumínio espumado com uma estrutura espumada. A fração de volume de poros do produto obtido por este método pode ser controlada controlando a pressão parcial do gás inerte na deposição, e a fração de massa do gás de inclusão pode ser variada na faixa de {{0} },015 por cento a 0,23 por cento.

2.2.2 Deposição de Evaporação de Vapor

Em uma atmosfera inerte de pressão relativamente alta (102~103Pa), o alumínio metálico é lentamente evaporado, e os átomos de metal evaporados sofrem uma série de colisões e espalhamento com o gás inerte no processo de avanço, e perdem rapidamente energia cinética, condensando-se parcialmente para formar fumaça metálica. A fumaça metálica é depositada sob a ação de sua própria gravidade e transportada pelo fluxo de gás inerte, e continua a esfriar durante o processo descendente, e finalmente atinge a base. Devido à sua baixa temperatura, é difícil para os átomos migrarem ou se difundirem, de modo que as partículas de fumaça de metal são apenas empilhadas frouxamente para formar a estrutura de espuma celular. A espuma de alumínio produzida por esta técnica é diferente da espuma de alumínio com estrutura macroscópica. Ele é composto por um grande número de partículas de metal e microporos de sub-mícron-escala, e sua densidade é de cerca de 1 por cento da densidade do alumínio do metal original, e o mínimo é de 0,15 por cento.

2.2.3 Eletrodeposição

Este método é cobrir o plástico espumado com várias etapas, como tratamento de rugosidade, sensibilização e tratamento de ativação, pré{0}}revestimento químico e revestimento químico, etc., e então aquecer o plástico espumado para se decompor para obter alumínio espumado. Entre eles, os dois processos de sensibilização e tratamento de ativação desempenham um papel muito importante. O tratamento de sensibilização consiste em fazer com que a superfície da peça rugosa absorva os íons redutores, de modo que durante o tratamento de ativação iônica, a superfície da peça forme uma camada com propriedades catalíticas. O papel da camada de metal precioso, para que o revestimento eletrolítico possa ser realizado espontaneamente, para que a espuma se torne um semicondutor, o que, por sua vez, promove o sucesso da galvanoplastia de alumínio. A espuma de alumínio preparada por este método tem boa conectividade de poros, distribuição uniforme e grande porosidade, mas a espessura do produto é limitada e o custo é alto.

2.2.4 Galvanoplastia com Sal Fundido Alumínio

O alumínio galvanizado com sal fundido é um tipo de espuma de alumínio porosa feita pelo processo de eletrodeposição em sal fundido contendo sal de alumínio, com espuma plástica como cátodo de eletrodo e placa de alumínio como ânodo. A espuma de alumínio feita por este método tem alta porosidade e poros uniformes.

2.3 Metalurgia do pó

2.3.1 Método de formação de espuma em pó

O método de formação de espuma em pó consiste em misturar pó de alumínio com um agente espumante (TiH2) e comprimi-lo axialmente a uma determinada temperatura para obter uma pré-forma com uma estrutura hermética. Um método de expansão do produto para obter alumínio espumado. A mistura, a prensagem e a formação de espuma são os três elos importantes no método de formação de espuma em pó. Ao mesmo tempo, ajustando os parâmetros no processo de formação de espuma (a quantidade de agente de formação de espuma, temperatura de formação de espuma e tempo de formação de espuma), o alumínio espumado com diferentes estruturas celulares pode ser obtido.

2.3.2 Método de formação de pasta

O método de moldagem em pasta é formar uma suspensão de pó de alumínio metálico, agente espumante (ácido fluorídrico, hidróxido de alumínio ou ácido ortofosfórico) e transportador orgânico, agitá-lo em um estado contendo espuma e depois colocá-lo em um molde e aquecê-lo Após a calcinação , alumínio metálico sólido com estrutura porosa pode ser obtido. Este método foi usado inicialmente para fazer espuma de Be, Fe, Cu e materiais de aço inoxidável e, mais tarde, para criar espuma de alumínio. Mas a força do produto é muito baixa.

2.3.3 Método de moldagem em pó

O método de moldagem em pó é um método de misturar pó de alumínio metálico com um agente espumante (TiH2), formando-o por pressão fria ou quente e depois sinterizando-o em alumínio espumado. Tem duas vantagens importantes: uma é que pode ser usado para uma gama mais ampla de composições de ligas do que outros métodos, controlando assim as propriedades mecânicas da espuma de alumínio; Estruturas de turbinas preenchidas com-espuma de alumínio em forma de sanduíche e espuma de alumínio-

2.3.4 Método de sinterização de pó solto

O princípio do método de sinterização de pó solto é que, quando as partículas finas estão em contato umas com as outras, elas podem ser ligadas umas às outras através da ação da tensão superficial. Esses pós finos de alumínio metálico são colocados no molde para sinterização e as partículas são ligadas umas às outras para formar um corpo sinterizado poroso. Este método também pode ser usado para produzir filtros com porosidade tipicamente de 40% a 60%.

2.3.5 Método de sinterização da esponja de impregnação

Na metalurgia do pó, o material esponjoso também pode ser usado como estrutura de suporte temporária para gerar espumas de alumínio uniformes e de alta-porosidade. A matéria orgânica esponjosa é cortada na forma desejada e então infiltrada com uma pasta contendo o pó de alumínio metálico a ser processado (o veículo da suspensão é água e líquido orgânico). A matéria orgânica tipo esponja imersa-é seca para remover o fluxo, e após o resfriamento, o alumínio metálico espumado com uma estrutura tridimensional de alta porosidade-pode ser obtido. O método também é usado para produzir folhas de prata em espuma com porosidade de 70% a 90%.

2.3.6 Método de sinterização de fibra

O fio metálico de alumínio usado neste método é um fio metálico obtido por trefilação mecânica ou outros métodos. O fio de alumínio metálico é transformado em um anel de feltro por fundição por deslizamento ou método de anel de feltro mecânico e, em seguida, sinterizado para obter a resistência necessária. e porosidade. A espuma de alumínio porosa preparada por este método tem vantagens bastante notáveis: pode-se obter maior porosidade do que a sinterização em pó, até 95 por cento; todos os poros são poros interligados; a porosidade máxima ainda é mantida. Propriedades estruturais; na mesma porosidade, a resistência e a tenacidade são várias vezes maiores que as da metalurgia do pó. Também pode ser usado para fabricar vários filtros metálicos, como aço inoxidável, cobre, níquel, nicromo, etc.

2.3.7 Método de dissolução de sinterização

O método de dissolução por sinterização é um novo método de fabricação de espuma de alumínio desenvolvido nos últimos anos. É um método de preparação através de -espuma de alumínio celular misturando, pressurizando, sinterizando e dissolvendo pó de alumínio e partículas de enchimento. Possui as características de que a forma, tamanho, porosidade e distribuição dos poros podem ser controlados com precisão e possui um bom índice abrangente de qualidade e preço. É um método eficaz para produzir espuma de alumínio de média-densidade com aberturas finas uniformes ou gradientes.

3. Propriedades e aplicações da espuma de alumínio

Em termos de estrutura, a espuma de alumínio pode ser dividida em dois tipos: espuma de alumínio de-célula fechada e espuma de alumínio de célula-aberta. As características organizacionais e morfológicas da espuma de alumínio, incluindo a estrutura dos poros (abertos ou fechados), densidade relativa, tamanho dos poros, formato dos poros, espessura da parede dos poros, anisotropia, etc. Microscopia eletrônica e tomografia de raios X- são usadas para análise e pesquisa, e a pesquisa nesta área está se desenvolvendo rapidamente. Devido a diferentes estruturas, suas propriedades são muito diferentes, por isso tem diferentes usos. Comparado com o alumínio metálico tradicional, o alumínio espumado tem as seguintes características e é amplamente utilizado na metalurgia, indústria química, aeroespacial, construção naval, eletrônica, fabricação de automóveis e indústrias de construção. e outros campos têm sido amplamente utilizados.

3.1 Baixa densidade

Como a espuma de alumínio tem poros grandes e pequenos na matriz de alumínio, ela tem uma densidade menor. A densidade da espuma de alumínio pode variar em uma ampla faixa, e a porosidade máxima que pode ser obtida atualmente pode chegar a 97%, e seu tamanho de poro varia de vários micrômetros a dezenas de milímetros. Quanto menor a densidade. Pode ser usado em caixas de embalagem, especialmente contêineres de frete aéreo.

3.2 Forte resistência ao calor

O alumínio espumado tem alta resistência ao calor e não derrete mesmo que atinja o ponto de fusão da liga. Geralmente, a temperatura de fusão das ligas de alumínio varia de 560 a 700 e, mas o alumínio espumado não derrete mesmo quando aquecido a 1400 graus. Além disso, não libera gases nocivos em alta temperatura e pode substituir produtos de espuma de resina e amianto como materiais-isolantes e resistentes ao calor- e peças centrais de vários trocadores de calor em muitas ocasiões.

3.3 Boa permeabilidade

A espuma de alumínio pode ser usada como material filtrante para filtrar partículas sólidas de líquido ou gás. Geralmente, a permeabilidade aumenta com o aumento do tamanho dos poros, mas também é afetada pela rugosidade da superfície. permeabilidade. Ele pode ser usado para fazer filtros para vários líquidos e gases.

3.4 Grande área de superfície específica

Usando a grande área de superfície específica da espuma de alumínio para obter alta troca de calor, é um bom material para fazer aquecedores e trocadores de calor. Além disso, também pode ser usado como carreador para reações químicas que requerem uma superfície enorme, como carreador de catalisador. , eletrodos porosos, materiais de placas para baterias recarregáveis, trocadores de calor, absorvedores de energia e transportadores de catalisadores, etc.

3.5 Forte isolamento acústico

A espuma de alumínio pode absorver a energia do som através da vibração da parede do orifício e pode ser usada para abafar e remover o ruído. De um modo geral, o desempenho de absorção de som da espuma de alumínio de -célula é melhor. O tamanho do furo afeta seu desempenho de absorção para toda a faixa de frequência da onda sonora. Quanto menor o furo, maior a capacidade de absorção sonora.

O alto desempenho de absorção de som pode ser obtido alterando o tamanho e a forma dos poros da espuma de alumínio. Pode ser usado para peças decorativas internas e externas, paredes cortina, painéis de portas móveis divisórias na indústria da construção, fabricação de painéis-sonorizantes-absorventes de alto desempenho,-paredes isolantes de som, diversos silenciadores, etc

3.6 Tem um alto desempenho de absorção de energia de impacto

O alumínio espumado não é direcional como os materiais de favo de mel, nem tem um efeito de rebote como os materiais de espuma de polímero. Tem boas propriedades de absorção de choque e é um bom material para fazer peças-resistentes a impactos. Pode ser usado em freios automotivos, tensores e mangas de proteção e pára-choques em equipamentos aeroespaciais. O tamanho do seu amortecimento está relacionado com o tamanho dos poros dos poros. Pode ser usado para almofadas de segurança para elevadores e transportadores, revestimentos de absorção de choque e absorção de energia para proteções de esmerilhadeiras de alta-velocidade, bases para máquinas-ferramentas de alta-precisão, etc.

3.7 Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas da espuma de alumínio são determinadas principalmente por sua densidade, mas o tamanho, estrutura e distribuição dos poros também são parâmetros importantes que determinam as propriedades mecânicas. Sob a ação da tensão compressiva, após o material sofrer deformação elástica inicial, a espuma de alumínio entra na plataforma da curva de tensão, ou seja, a espuma de alumínio começa a se romper, e a tensão permanece basicamente inalterada durante a etapa de britagem da espuma. Após uma grande quantidade de deformação plástica, a espuma foi completamente quebrada e o material entra no denso Durante a fase química, o estresse aumenta rapidamente. Tanto o módulo de Young quanto o módulo de cisalhamento da espuma de alumínio aumentam com o aumento da densidade.

3.8 Desempenho de blindagem eletromagnética

A espuma de alumínio tem um bom efeito de proteção em ondas eletromagnéticas de alta-frequência, o que pode reduzir a interferência eletromagnética em mais de 80 por cento . Espuma de alumínio de célula fechada-com espessura de 5 mm e porosidade de 90%, o desempenho da blindagem eletromagnética em 60 ~ 1000MHz é de 35 ~ 75dB, que pode ser usado em salas de blindagem eletromagnética (capas), gabinetes de instrumentos eletrônicos, salas de gravação de rádio, blindagem eletromagnética e outras ocasiões.

3.9 Outras propriedades

A espuma de alumínio também tem sensibilidade ao gás, resistência ao fogo, catálise, etc. A condutividade elétrica do alumínio espumado é muito afetada pela densidade relativa, enquanto o tamanho do poro tem pouco efeito sobre a condutividade elétrica. Espera-se que tenha boas perspectivas de aplicação em novos campos, como aeroespacial, telecomunicações e proteção ambiental.