闫 彬,王录才,游晓红,王 芳,王艳丽,武建国

(太原科技大学 材料科学与工程学院,山西 太原 030024)

泡沫铝是一种具有广泛应用前景的多孔材料,其独特的孔结构对其性能起着至关重要的影响[1-3]。球形孔是一种常见的孔结构,因有较高的球形度,使得球形孔泡沫铝具有优良的力学性能、热传导性能以及良好的声音吸收性能,但目前没有一种成熟稳定的制备方法[4-6]。现有的制备方法,如渗流法往往存在孔结构不均匀、不可控和制备过程复杂等问题。因此,探究一种高效、可控的球形孔泡沫铝制备方法具有重大意义。

占位法[7-8]是一种制备工艺相对简单,生产效率较高的泡沫铝制备方法。其利用挥发或可溶性的占位剂在泡沫铝中形成孔隙,可使得孔结构和孔径分布得到精确的控制。本文旨在研究不同占位剂-小孔径球形孔泡沫铝的制备方法,并对其孔结构和力学性能进行深入的研究。通过对占位剂及其泡沫铝制备工艺、孔结构可控性、力学性能、吸能效果进行比较,进而寻求一种稳定的、具备良好性能的球形孔泡沫铝制备方法。

1 试验方法

试验选用氯化钙、硬脂酸、尿素、硫代硫酸钠为占位剂,铝粉为基体材料,探究球形孔泡沫铝的制备过程,并通过一系列实验和性能测试,确定最佳占位剂及工艺。其中硫代硫酸钠、尿素均采用“溶解-烧结”法,硬脂酸通过直接烧结的方法处理。氯化钙则采用“烧结-溶解”法[10-12],首先称取相应质量铝粉和光球氯化钙,并加入3 wt.%乙醇促进铝粉与造孔剂粘结[9],在350 MPa的冷压压力下保压12 min制得预制体,以15℃/min梯度升温至640℃,利用铁板和钢管所制备的隔离措施隔离空气烧结4 h[13],后用沸水溶解去除氯化钙。

2 试验结果与分析

2.1 孔结构分析

使用线切割切出泡沫铝试样截面,用砂纸打磨直至光亮;喷油漆至试样表面,后打磨除去表面油漆并使用打印机扫描;使用ImageJ软件对其二值化处理,对泡沫铝孔结构进行表征[13-14]。选取四种占位剂,孔径为1～2 mm,孔隙率为60%、70%及80%的泡沫铝试样进行对比,其宏观表面,剖面形貌及二值化如图2～图4所示,其中图2(a)～图2(d)分别为尿素、氯化钙、硫代硫酸钠、硬脂酸-泡沫铝宏观图;图2(e)～图2(h)分别为其泡沫铝剖面图;图2(i)～图2(l)分别为其泡沫铝二值化图。因部分高孔隙率泡沫铝孔壁过薄,在线切割和打磨的过程部分截面有损伤和破坏,所以只取相对完好的部分截面来代表。

通过观察泡沫铝试样截面图与二值化图,均可发现多数孔孔壁上有多个窗口与其他孔连接,又因截面图只截到孔洞一部分,故每个孔洞连通窗口会更多,这说明在整个泡沫铝中含有大量连通窗口,且随孔隙率增大,这种连通性也会增高[15-17]。

图1 氯化钙-泡沫铝制备工艺流程图

图2 不同占位剂,60%-泡沫铝宏观、剖面及二值化图

图3 不同占位剂,70%-泡沫铝宏观、剖面及二值化图

图4 不同占位剂,80%-泡沫铝宏观、剖面及二值化图

2.1.1 孔面积分析

通过对二值化图像数据进行处理,泡沫铝孔面积结果如图5～图6所示。由孔隙率为70%泡沫铝孔面积分布图5(a)可知,氯化钙、尿素-泡沫铝孔面积分布均呈现了中间高、两边逐渐降低的规律,其中孔面积为1.8 mm2更是接近整体孔个数的36%左右;硫代硫酸钠分布较为分散,其峰值孔面积所对应的孔个数比例仅为15%左右;也可发现硬脂酸-泡沫铝大部分都集中在0～2 mm2之间且主要集中在0.5 mm2以下的不寻常规律,这是由于硬脂酸硬度偏低,冷压时硬脂酸破碎分裂,导致孔面积总体变小,孔隙率为60%、80%的泡沫铝中也表现出相同的规律[16]。

图5 70%-泡沫铝孔面积数据分析

观察孔隙率为60%、80%泡沫铝孔面积分布及其累计分布,均表现出相同的规律,硬脂酸、硫代硫酸钠-泡沫铝的孔面积可控性较低,氯化钙和尿素依旧表现出较好的孔面积可控性。尿素与氯化钙制备的60%泡沫铝集中性相差不多,但尿素与氯化钙制备的80%泡沫铝孔面积集中性、均匀性相差很多,其在0～3 mm3孔面积比例为80%,而氯化钙则在90%以上。所以,氯化钙的孔面积可控性最好,尿素稍低于氯化钙,硫代硫酸钠、硬脂酸次之。

图6 60%、80%-泡沫铝孔面积数据分析

2.1.2 孔圆形度分析

泡沫铝孔圆形度结果如图7～图8所示。可看出,70%-泡沫铝孔圆形度均呈现出两边低,中间高的规律。值得注意的是,氯化钙、硫代硫酸钠、尿素、硬脂酸-泡沫铝孔圆形度分别集中在0.80、0.72、0.63、0.59,对应的个数比例为0.35、0.32、0.31、0.30;且氯化钙曲线更为靠右,圆形度更接近1。从其累计分布图也可看出,氯化钙-泡沫铝孔圆形度在0.6以下比例仅为16%,而尿素、硫代硫酸钠、硬脂酸-泡沫铝圆度在0.6以下比例分别为22%、53%、52%。所以孔隙率为70%,氯化钙-泡沫铝孔圆形度更高,进一步也说明其泡沫铝孔的球形度越高。

图7 70%-泡沫铝孔圆形度分析

图8 60%、80%-泡沫铝孔圆形度数据分析

对比其60%、80%-泡沫铝(图8),氯化钙、尿素-泡沫铝圆形度相差不大,硫代硫酸钠、硬脂酸-泡沫铝效果并不好。其中孔隙率为80%时,硬脂酸-泡沫铝孔圆形度最差,氯化钙-泡沫铝孔更圆且分布更为集中。

2.2 力学性能

2.2.1 压缩性能

每组试样取3个,以4 mm/min的速度对试样进行准静态压缩实验(图9(a)-图9(h)为泡沫铝压缩过程中的形态变化),压缩实验取平均值,绘制出应力-应变曲线如图10～图11。图10为1～2 mm孔径下,四种占位剂不同孔隙率应力-应变曲线。可清楚观察到随孔隙率增加,泡沫铝压缩性能降低。这是由于孔隙率增加,单位体积内所需铝的量变少,泡沫铝相对密度变小,孔壁、孔楞变薄,所能承受的应力也有所降低,故压缩性能降低[21-23]。而在曲线平台区会存在上下波动是因为泡沫铝在承受应力时发生形变,内部大量胞孔的孔壁发生弯曲和断裂,而破损的孔壁又相互支撑形成新的结构来承载压力,这种结构的多次发生就会造成应力-应变平台区的曲线波动[24]。

图9 泡沫铝在压缩过程中的形态变化(a-h)

图10 四种占位剂不同孔隙率应力-应变曲线

根据以上应力-应变曲线绘制屈服强度、平台区应力平均值如图11～图12所示。可以看出屈服强度、平台区应力平均值随孔隙率的增大而明显降低。值得注意的是,60%、70%、80%的氯化钙-泡沫铝屈服强度分别为15.8、 10.5和2.6 MPa,均高于其他占位剂制备的泡沫铝,这是因为氯化钙-泡沫铝的孔结构可控性最好;60%、70%、80%的氯化钙-泡沫铝平台应力平均值分别为9.6、7.1和2.0 MPa,除60%-硫代硫酸钠-泡沫铝稍高一些,其他泡沫铝试样中,氯化钙-泡沫铝均表现出较高的平台应力平均值。这是因为60%-氯化钙-泡沫铝采用“烧结-溶解”工艺,在高温烧结过程中,有少许氯化钙被铝包覆紧密,进而导致水浴时间变长,力学性能有所降低。也可观察到,尿素所表现出的性能要稍逊于硫代硫酸钠,原因是泡沫铝的压缩性能不仅与孔结构有关,还与其基体材料有关。硫代硫酸钠在“烧结-溶解”过程中,除生成无法避免的氧化铝外,基本上不会与铝基体反应;而尿素溶于水中,其酸碱性发生变化,对基体产生腐蚀,故其屈服强度和平台应力平均值不与孔结构成正比[18]。硬脂酸-泡沫铝压缩性能最差则不难解释,其一,硬脂酸在冷压过程中发生破碎和裂解,导致孔结构较差;其二,在烧结处理时,受到硬脂酸的侵蚀和冲刷严重,进而其力学性能降低[16]。

图11 泡沫铝屈服强度对比

图12 泡沫铝平台应力平均值对比

所以从整体力学性能分析,氯化钙-泡沫铝>硫代硫酸钠-泡沫铝>尿素-泡沫铝>硬脂酸-泡沫铝。其中孔结构占主要因素,其次还与其基体材料和制备过程有关[25]。

2.2.2吸能效果

泡沫铝在压缩所做的功主要有孔壁的弹性弯曲、塑性屈服或脆性压损来吸收能量。压缩过程分为弹性变形区,塑性平台区,密实化区三阶段[26]。泡沫铝在压缩时的吸能特性可通过将单位体积泡沫铝压缩到相应应变量所吸收的能量表示[27]。

(1)

式中:W为单位体积内所吸收的能量,单位MJ/m3;ε为应变量;σ为应力,单位MPa。

图13 泡沫铝能量吸收曲线

图13为泡沫铝压缩实验的能量吸收曲线。孔隙率为60%时,泡沫铝试样均表现出为较好的能量吸收,其中硫代硫酸钠和氯化钙试样在其密实点处,吸能都在5 MJ/m3左右,但氯化钙泡沫铝为5.2 MJ/m3,吸能效果最好,尿素稍逊一些,硬脂酸最差;孔隙率为70%时,吸能能力均有所下降,但氯化钙-泡沫铝吸能效果依旧表现最好,为4.3 MJ/m3;孔隙率为80%时,均表现出较差的能量吸收,其中氯化钙-泡沫铝为1.4 MJ/m3,这是由其压缩性能直接导致,孔隙率越高,其孔楞、孔壁越薄,压缩性能越低,吸能效果也越差。值得注意的是,氯化钙-泡沫铝试样的整体吸能效果要优于其他占位剂,这与其较好的孔结构密切相关。

3 工艺性能分析

硫代硫酸钠塑形效率太低,尤其是小孔径泡沫铝的生产,准备时间过长;硬脂酸烧结时,产生大量刺激性污染气体,污染环境且价格昂贵,两者都无法实现工业化。尿素溶解时,有氨水、碳酸铵等氨氮产生,一来对基体造成腐蚀,另一方面污染环境,表现并不太好;氯化钙可使球形形态完好复制在泡沫铝中,因其泡沫铝有较好的孔结构,故效果较好,且其成本相比其他占位剂更加低廉,易工业生产。

4 结 论

1)采用所选四种占位剂,均可成功制备出1～2 mm孔径的球形孔泡沫铝。但从其孔结构(圆形度和孔面积)、力学性能和吸能效果分析,占位剂氯化钙优于尿素和硫代硫酸钠,硬脂酸最差。同样条件下,球形孔泡沫铝性能比非球形孔提高1.4倍～1.8倍。

2)以氯化钙作为占位剂所得方案为:冷压压力为350 MPa下压制12 min,并以15℃/min的速度梯度升温至640℃,隔空烧结4 h,后进行沸水水浴溶解直到氯化钙完全去除。在此条件下可制得孔隙率60%～80%,孔径1～2 mm,孔均匀性优异(孔面积0～3 mm2占比80%),孔圆形度高(圆形度<0.6占比不超15%)的泡沫铝,其屈服强度范围为2.6～15.8 MPa;平台应力平均值范围为2.0～9.6 MPa;吸能范围为1.4～5.2 MJ/m3。

3)对四种占位剂制备所得泡沫铝就制备效率、生产成本、环境保护等工艺性因素进行分析,氯化钙表现最优。