, 于洋, 姚广春东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2017-03-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174060)。
作者简介：李珉(1981-), 女, 辽宁葫芦岛人, 东北大学博士研究生;
姚广春(1947-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：利用溶体直接发泡法制备出了不同Mg和碳纤维添加量的闭孔泡沫铝材料, 详细研究了Mg的添加对泡沫铝发泡过程和胞孔结构的影响.研究结果表明:Mg元素的加入明显增大了泡沫体的膨胀率, 拓宽了孔径分布的范围, 并增加泡沫体中小气孔的数量.气泡壁内部和表面的微观形貌观察表明:Mg元素加入后, 造成铝液表面张力降低, 改善了铝液和氧化物颗粒的润湿性, 有助于增加发泡过程中的气体释放, 使泡沫体气泡壁平整且变薄, 有助于提升气泡壁的稳定性，使获得的泡沫铝的孔隙率达到90%以上.
关键词：泡沫铝Mg膨胀率孔径分布气泡壁的稳定性
Effect of Mg on Carbon Fiber Stabilized Foaming Process and Pore Structure of Aluminum Foam
LI Min, CAO Zhuo-kun
, YU Yang, YAO Guang-chunSchool of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: CAO Zhuo-kun, E-mail: caozk@smm.neu.edu.cn
Abstract: Closed-cell aluminum foam with different amounts of Mg and carbon fiber were prepared by the method of molten body transitional foaming process, and the effect of Mg element on foaming process and pore structure of aluminum foams was discussed. The main results are as follows: when the addition of Mg element increases, the expansion rate of foam increases significantly and the range of the pore size distribution becomes broader, associated with the increasing number of small stomata. The microstructures of the inner and surface of the pore wall show that the pore wall can be smoother, thinner and more stable after adding Mg, because the surface tension of molten aluminum is reduced, the wettability between aluminum and oxide particles is improved and the gas release during the foaming process increases. As a result of Mg addition, it is achieved that the porosity of aluminum foam can be more than 90%.
Key Words: aluminum foamMgexpansion ratedistribution of pore sizestability of pore wall
泡沫金属材料兼备了多孔材料和金属材料的各项特性, 包括低密度、高强度, 以及优良的能量吸收和声波、冲击波等的耗散能力.其中, 以铝或铝合金为基体的泡沫材料被广泛地研究和应用于汽车制造、军事装备等领域[1-3].
闭孔泡沫铝制备的方法包括以铝粉为原料的粉末致密化发泡法, 铝熔体直接发泡的原位气体发泡法和注气发泡法[4].这些制备过程中都需要在液态下形成稳定的泡沫结构, 而后冷却获得泡沫材料.其核心问题是泡沫稳定性的控制, 即抑制气泡壁的破裂、泡孔合并和坍塌.
纯液体不能形成稳定的泡沫结构, 铝熔体中需要加入Al2O3或SiC等固相颗粒, 或形成氧化物薄膜等来稳定气泡壁[5].这些固相质点或吸附在气液界面, 或夹在气泡壁液体内部, 使气泡壁表面产生局部弯曲来平衡其内部液体Plateau边界的压力差和阻尼气泡壁厚度波动, 从而抑制气泡壁进一步变薄和破裂[6-7].Mg等合金元素的加入会使铝熔体的表面张力、固相颗粒的润湿性等发生明显变化, 从而对泡沫体的稳定性产生影响, 但具体的影响机理仍需进一步研究[8-11].
相对于传统制备方法中的固相颗粒, 采用大长径比的镀铜短纤维作为液态泡沫的气泡稳定剂时, 纤维用量仅为0.35%~1.7%, 并且短纤维与铝液完全润湿, 加入活性元素不对纤维的润湿性产生明显影响.本文通过在碳纤维稳定泡沫体系中加入金属Mg来研究这种常用的活性合金元素对液态金属泡沫的稳定性和获得泡沫铝泡孔结构的影响机理.
1 实验材料和实验方法实验所使用碳纤维为T300型连续纤维, 直径为7 μm.通过预处理和在酸性镀铜液内电镀获得镀铜碳纤维[12], 而后剪断至长度为3~5 mm的短纤维.泡沫铝制备采用工业纯铝为原料, 在720 ℃下加入镀铜短纤维, 并搅拌均匀, 而后降温至690 ℃加入1.2%的氢化钛作为发泡剂, 而后保持搅拌180 s, 冷却后将坩埚从炉体中取出.试验中短纤维加入量为0.35%和1.7%, Mg加入量为0.2%, 0.5%和1.0%.在发泡过程中, 使用史丹利激光测距仪在顶部非接触测量泡沫体膨胀的实时高度.
使用线切割机床将制得的泡沫铝材料沿中心纵向切开, 观察其内部孔结构, 并通过涂黑、打磨和扫描等工序获得样品图片, 而后使用ImagePro Plus软件进行孔径统计.孔径的计算方法为测定单个泡孔的面积, 而后换算为等面积的圆形的直径.
2 结果与讨论2.1 膨胀曲线图 1所示为加入不同量的Mg对两种纤维含量的铝泡沫膨胀过程的影响.从图中可以看出, 加入金属镁后, 泡沫体的膨胀速度和达到的最大膨胀率均明显提高.当纤维含量为0.35%时, 泡沫体的最大膨胀率由不含镁时的255%增大至镁加入量为1.0%时的330%;而碳纤维加入量为1.7%时, 最大膨胀高度增大至400%.并且, 从图 1中还可以看出, 随着镁加入量的增大, 泡沫体达到最大膨胀高度的时间逐渐缩短.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 Mg对不同纤维含量泡沫铝膨胀过程行为的影响Fig.1 Influence of Mg addition on the foaming behavior of aluminum foams with different fiber content (a)—0.35%；(b)—1.7%. |
这说明镁的加入一方面减少了气体熔体中的逸出, 另一方面加快了氢化钛的分解放气和气泡的形核和长大.其原因是在碳纤维和氢化钛存在时, 气泡的形核方式为异质形核, Mg加入后, 铝熔体的表面张力降低, 形核壁垒减小, 随着纤维含量的增大, 形核质点也随之增多, 加速了气泡形核.Mg的加入还使熔体的黏度降低, 而表面张力和黏滞力是气泡长大的主要阻力, 因此加入Mg后气泡加速长大, 发泡剂快速分解.
2.2 泡孔结构图 2为制得泡沫铝样品的宏观结构.与膨胀曲线对应, 在加入镁后, 泡沫体的高度明显增加.并且, 随着Mg加入量的增大, 泡沫体无泡层的厚度减小.这是因为在Mg加入后, 气泡快速长大, 形成具有薄壁和Pleteau边界组成的泡沫结构, 使铝液在重力作用向下流动的通道变窄, 毛细管力作用变大, 减缓了重力排液.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 不同镁加入量的泡沫铝泡孔结构Fig.2 Pore structure of aluminum foam with different Mg content |
图 3为各个样品的孔径分布.当碳纤维含量为0.35%时, 加入0.2%或0.5%的Mg使泡沫铝的孔径有减小的趋势.而当纤维含量或Mg加入量增大时, 泡孔的分布范围变宽.这是因为Mg加入后增加了气泡的形核, 使单位体积内的气泡数量增大.但是, 泡沫体的膨胀总是以气泡的合并为代价, 因此, 样品高度较大的几个样品的气泡平均直径均明显大于上述两个样品.同时, 含有Mg的样品中小气泡的数量明显增多, 这是因为Mg的加入降低了铝液的表面张力, 使相邻气泡间由于直径不同引起的压力差异减小, 因此样品中同时存在大量小气泡和大直径气泡.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同泡沫铝样品的孔径分布Fig.3 Distribution of pore size in different aluminum foam samples (a)—0.2%；(b)—0.5%. |
2.3 微观结构使用扫面电子显微镜观察了气泡壁内部和表面的微观形貌.如图 4所示, 无Mg加入时, 气泡壁中的氢化钛颗粒位于气液界面, 说明润湿性不好.而当加入Mg后, 氢化钛进入到气泡壁内部, 说明已经完全润湿.而碳纤维均位于两侧气泡壁之间, 表现为完全润湿.氢化钛的放气过程与其周边氢气浓度有直接的关系, 当氢化钛颗粒位于气泡壁表面时, 氢化钛易于向气泡内放气.而当发泡剂颗粒位于铝液内部时, 其分解放出的氢气通过扩散到气泡内, 而后使气泡长大.因此, 在含有Mg的铝熔体内加入发泡剂后, 发泡剂在搅拌阶段的分解速度减慢, 更多的气体在发泡过程释放, 这可能是Mg加入后膨胀率增大的主要原因之一.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 气泡壁微观结构照片Fig.4 Microstructure of pore wall (a)—表面；(b)—内部. |
对气泡壁表面的观察发现, 当Mg加入后, 气泡壁表面变得更为平整, 氧化物颗粒少, 细化, 如图 5所示.这是因为Mg加入后, 氧化物颗粒与铝液的润湿性改善, 并且有部分铝的氧化物可以转化为MgAl复合氧化物.另一方面, 由于表面张力的降低, Plateau边界与气泡壁内的压力差减小, 气泡壁因稳定剂碳纤维作用产生的局部凹凸也相应减少.
此外, 有研究[5]指出, 吸附在气液界面的细小氧化物颗粒也会对气泡壁的稳定性起到正面作用.如图 4所示, 加入Mg后的气泡壁厚度明显低于原来无Mg的样品, 这说明气泡壁的破裂极限厚度降低, 稳定性增强.此外, 气泡壁厚度的降低也有利于制备高孔隙率样品, 表 1给出了各个样品的密度, 可以看出, Mg加入后孔径较大的样品密度明显降低, 孔隙率可增大至90%以上.
表 1(Table 1)
 表 1 不同泡沫铝样品的密度Table 1 Density of different aluminum foam samples
| 表 1 不同泡沫铝样品的密度 Table 1 Density of different aluminum foam samples |
3 结论通过使用碳纤维作为泡沫铝的稳定剂, 研究了Mg的加入对于发泡过程和泡孔结构的影响.实验结果表明, Mg加入后可以明显增大泡沫体的膨胀率, 并使孔径分布范围拓宽, 增加小气孔的数量.微观结构观察表明Mg加入后造成铝液表面张力降低, 改善铝液和氧化物颗粒的润湿性, 有助于提升气泡壁稳定性和增加发泡过程中的气体释放, 使获得的泡沫铝孔隙率达到90%以上.
参考文献
| [1] | Fuganti A, Lorenzi L, Hanssen A G, et al. Aluminum foam for automotive applications[J].Advanced Engineering Materials, 2002, 2(4): 200–204. |
| [2] | Schwingel D, Seeljger H W, Vecchionacci C, et al. Aluminum foam sandwich structures for space applications[J].Acta Astronaut, 2007, 61: 326–330.DOI:10.1016/j.actaastro.2007.01.022 |
| [3] | 田杰. 泡沫铝的冲击波衰减和抗爆震特性研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2006. ( Tian Jie.The shock wave attenuation and anti-detonation property of aluminum foam[D].Hefei:University of Science and Technology of China, 2006.) |
| [4] | Banhart J. Manufacture, characterization and application of celluar metals and metal foams[J].Progress in Materials Science, 2001, 46: 559–632.DOI:10.1016/S0079-6425(00)00002-5 |
| [5] | 李兵. 熔体直接发泡法制备纯铝基泡沫铝材料的研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2008. ( Li Bing.A study of preparation of pure Al matrix foam by direct foaming in the melt[D].Shenyang:Northeastern University, 2008.) |
| [6] | Ip S W, Wang Y, Toguri J M. Aluminum foam stabilization by solid particles[J].Canadian Metallurgical Quarterly, 1999, 38(1): 81–91.DOI:10.1179/cmq.1999.38.1.81 |
| [7] | 魏莉, 曹立, 朴慧京. 泡沫铝熔体黏度的控制与气泡稳定性研究[J].沈阳理工大学学报, 2009, 28(1): 6–10. ( Wei Li, Cao Li, Piao Hui-jing. Study on the viscosity control of foam aluminum melt and the bubbles stability[J].Journal of Shenyang Ligong University, 2009, 28(1): 6–10.) |
| [8] | Lumley R N, Sercombe T B, Schaffer G B. Surface oxide and the role of magnesium during the sintering of aluminum[J].Metallurgical Transaction A, 1999, 30: 457–463.DOI:10.1007/s11661-999-0335-y |
| [9] | Kaptay G. Interfacial criteria for stabilization of liquid foams by solid particles[J].Colloids and Surface A, 2002, 230: 67–80. |
| [10] | Sun Y Q, Gao T. The optimum wetting angle for the stabilization of liquid-metal foams by ceramic particles:experimental simulations[J].Metallurgical Transaction A, 2002, 33: 3285–3292.DOI:10.1007/s11661-002-0315-y |
| [11] | Bhogi S, Mukherjee M. Foam stabilization by magnesium[J].Materials Letters, 2017, 200: 118–120.DOI:10.1016/j.matlet.2017.04.100 |
| [12] | Cao Z K, Yao G C, Liu Y H. Effect of coating thickness on microstructures and mechanical properties of C/Cu/Al composites[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2006, 16: 1481–1484. |
