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泡沫鋁發泡過程中氣泡的穩定性 

發布時間:2022/07/13

1, 李振江2, 姚廣春1

( 1. 東北大學 材料與冶金學院, 遼寧 沈陽 110004; 2. 沈陽市科技創業中心, 遼寧 沈陽 110005)

 

: 對采用粉末冶金法制備泡沫鋁材料過程中氣泡穩定性對發泡效果的影響進行了研 究, 對影響氣泡穩定的因素進行了分析 確定熔體的黏度與氫化鈦分解是決定氣泡穩定的主要因素采用在鋁硅合金粉末中加鈣來增加熔體黏度, 控制熔體的表面張力; 通過控制氫化鈦加入量來控制氫化鈦分解釋放出氫氣的量; 控制發泡時間, 使發泡在氣泡的穩定時段內進行; 保持氣泡內氣體壓力與氣泡表面張力的平衡, 可獲得孔結構均勻、密度適合的泡沫鋁材料。

: 粉末冶金; 泡沫鋁; 氣泡; 熔體黏度; 穩定性; 氫化鈦分解

中圖分類號: T F 34 文獻標識碼: A

 

泡沫鋁因其具有獨特的性能, 而成為21世紀前沿研究的熱點材料 近年來,國內外對泡沫鋁材料的制備方法、組織結構、機械性能及應用等已經有了比較廣泛的研究[ 1, 2] , 但多集中在制備工藝過程對孔結構和性能的宏觀影響上, 對泡沫鋁的發泡過程的研究也多集中在直接發泡法的研究上[ 3, 4]而針對粉末冶金法制備泡沫鋁材料的工藝參數、制備過程等方面雖然已經進行了一些研 究工作[ 5~ 7] , 但是關于發泡過程中氣泡穩定性對發泡效果影響的研究卻鮮有報道 由于發泡過程相當復雜, 泡沫結構的形成是由氣泡與液相界面間復雜的相互作用所控制, 因此提高氣泡的穩定性是粉末冶金法制備泡沫鋁材料過程中一個非常 重要的問題本文對影響氣泡穩定性的因素進行了研究, 采用特殊的方式加鈣增黏來控制氣泡的穩定, 并對氣泡穩定的控制條件進行了探索。

1 試驗方法

采用含硅 12 5%的鋁硅合金作為原料, 在鋁 硅合金中加不同含量的鈣, 然后將其制備成粉末將鋁硅鈣合金粉與發泡劑( T iH2 ) 混合均勻后, 壓制成金屬預制坯爐溫升至 580 ,將壓制成型的預制坯放入加熱爐內, 保溫適當的時間, 取

出冷卻, 即可得到泡沫鋁材料用體積測量法計算泡沫鋁的密度, 用線切割將試樣剖開, 用數碼照相機拍攝泡沫鋁的孔結構試驗裝置見圖 1。

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  1 發泡試驗裝置示意圖

Fig. 1 Schematic of experimental setup for foaming tests

1. 控溫儀; 2. 保溫層; 3. 熱電偶; 4. 密封塞;

5. 排氣管; 6. 硅碳棒; 7. 進氣管; 8. 高純氬氣; 9. 爐膛 

2 結果與討論

泡沫是由氣泡在液體中分散而形成的, 液體中氣泡的變形取決于氣泡間的相互作用由于形成金屬-氣體界面必然產生表面能, 泡沫將永遠處于非平衡態, 有通過減少內表面來降低內能的趨勢也就是說, 泡沫的多孔結構隨時間而變化, 其

實際結構取決于工藝過程, 受過程的熱和力的影響泡沫結構一般都是混亂無序的, 結構的演變取決于三種機制的共同作用: 膜破裂使氣泡合并; 氣體擴散使氣泡由小變大并破裂; 重力作用使液體向下排液對于熔體中無邊界的單獨氣泡, 其氣液界面的壓力平衡可用 Rayleigh 方程來表示[ 8] : 

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式中, p b 為氣泡壓力; p l 為液體中的平衡壓力; 為表面能; R 為球形氣泡的直徑; p 0 為大氣壓; g 為重力加速度; h 為氣泡所處的深度; 為密度.

 

發泡過程中氣泡處于長大、合并、塌縮的動態 平衡過程, 氣泡的生成速率、氣泡的大小、分布、液 氣界面性質等都是影響氣泡穩定性的因素發泡條件不同, 影響氣泡穩定的主要因素不同粉末冶金法的工藝特點決定, T iH2 分解產生的氫被

熔融的鋁液包裹, 隨著氣泡內氫氣量的增多, 氣泡壓力增大, 氣泡逐漸長大, 當超過氣泡壁- 鋁熔體界面的表面張力時, 氣泡將發生破裂在兩個氣泡相接觸且鋁熔體表面張力較小時, 氣泡會自發合并當氣泡內壓力與氣泡表面張力平衡時, 氣泡穩定性較好 氣泡的表面張力由熔體的黏度決定, 氣泡內氣體的壓力由氫化鈦分解釋放出的氫氣數量決定 因此熔體的黏度與氫化鈦分解是決定氣泡穩定的主要因素 在發泡過程中控制熔體的黏度與發泡劑加入量、發泡時間即可控制氣泡的穩定性

2. 1 鈣含量

2 是不同含鈣量的泡沫鋁的孔結構照片,可以看到, 加鈣質量分數為 15% 時, 熔體黏度較小, 氣泡液膜的表面張力較小, 氣泡長大、合并較容易, 氫氣很容易從熔體中逸出, 因此在圖 2a 中有大而相互連通的孔洞, 同時由于氫氣的逸出, 試 樣存在無泡區隨 著加鈣質量分數的增加 (25%) , 熔體黏度逐漸增大, 一方面能夠較好地抑制氫氣的逸出, 另一方面對孔洞的合并有阻礙

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作用, 氣泡的穩定性提高從圖 2b 可以看到, 基本不存在無泡區,相互連通的孔洞也非常少, 孔洞呈圓形, 且形狀較均勻當加鈣質量分數增加到 30% ~ 35% 時, 熔體黏度進一步增加, 使得氣泡液膜的表面張力增大, 液膜厚度增大, 氣泡之間合 并的機會下降, 氣泡更加穩定 在圖 2c, 圖 2d 中可以看到, 孔洞更加趨近于圓形, 但氣孔壁變厚, 小孔徑數量增多, 泡沫鋁的密度增大 實驗結果表明, 加鈣質量分數在 25% ~ 30% , 可獲得較好的發泡效果。

2. 2 氫化鈦加入量

3 為不同氫化鈦加入量的泡沫鋁孔結構照片圖3a 顯示 T iH2 加入量是不足的, 少量的 TiH2 顆粒被大量的金屬顆粒包圍, 若要達到一定的發泡程度, TiH2 分解產生氫氣的膨脹體積要 大, 所以可以觀察到少量不規則的大孔在沒有 TiH2 分布的部位仍然不能發泡, 因此可見未曾發泡的實芯部分隨著 TiH2含量的增加, T iH2 顆粒均勻地被鋁硅合金顆粒包圍, 氣泡克服熔體的阻力得以長大在長大過程中, 氣泡之間相互擠壓, 使氣泡變小圖3b, 圖 3c 所示, 當 TiH2 加入的質量分數為 10%, 13% 時, 有大量分布均勻的圓形孔而當 TiH2 加入的質量分數為 20% 時, 如圖 3d 所示, 出現了一些大而形狀極不規則的氣孔及破孔, 這是由于 TiH2 加入量過多, 產生的氣體壓力過大, 造成氣泡不穩定, 氣泡壁破裂合并或破孔, 形成大而不規則的氣孔 由此可見, 當TiH2 加入的質量分數為 10% ~ 13% 時, 氣泡 穩定, 可獲得孔徑均勻、密度合適的泡沫鋁材料。

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2. 3 發泡時間

4 為發泡時間與泡沫鋁密度的關系曲線。

可以看出, 開始階段, 泡沫鋁的密度隨著發泡時間 的增加而降低, 達到一定時間后, 隨著發泡時間的增加而增大 發泡開始階段, T iH2 分解釋放出的氫氣的分子數不斷增加, 使得氣泡內氣體壓力增大, 發泡動力增強, 在此時間段得到的泡沫鋁的密度不斷降低, 這是氣泡穩定階段當超過一定時間后, 氣泡內氣體壓力大于氣泡壁表面張力, 氣泡變得不穩定, 一些氣泡發生破壁、塌縮, 泡沫體密度增大。

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同時發泡溫度影響發泡劑分解產生氣體的速 度和氣體膨脹的速度 隨著溫度的升高, 發泡劑分 解速率增大, 高的分解速率導致氣體膨脹速度的加快, 因此發泡溫度越高, 氣泡穩定時段越短,泡沫鋁密度穩定在最小點的時間越短 試驗結果表 明: 發泡時間控制在 10~ 16 min 內, 可獲得較低密度的泡沫鋁材料。

 4 結 論

發泡過程中氣泡穩定性對發泡效果影響是至關重要的熔體的黏度與氫化鈦分解是決定氣泡穩定的主要因素 粉末冶金法制備泡沫鋁材料過程中, 在鋁硅合金粉末中加鈣, 是提高熔體黏度的一個重要的措施 氫化鈦分解對氣泡穩定性有很大的影響氫化鈦分解釋放出的氫氣是氣泡長大的驅動力, 因此保持氣泡內氣體壓力與氣泡表面張力的平衡, 是獲得孔結構均勻、密度適合的泡沫鋁材料的關鍵 可以通過控制氫化鈦加入量來控制氫化鈦分解釋放出氫氣的分子數, 控制發泡時間, 使發泡在氣泡的穩定時段內進行, 控制熔體黏度來控制氣泡的表面張力。

 

 

 

 




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