מאפייני ביצועי פאנל סנדוויץ' קצף סיבי פחמן מסיבי פחמן אלומיניום בהשוואה ללוח סנדוויץ' מוקצף אלומיניום קונבנציונלי

כריך קצף אלומיניוםללוחות (AFS) יש שילוב של מאפיינים מבניים ותפקודיים כמו צפיפות נמוכה, חוזק ספציפי גבוה, ספיגת אנרגיה טובה, יכולת שיכוך ומיגון אלקטרומגנטי. המאפיינים המצוינים הללו הופכים את AFS לבעל פוטנציאל גדול בתחום התעופה והחלל, התחבורה והים. בהשוואה לקצף מתכת בקושי, הלוחות המתכתיים החיצוניים של AFS יכולים לאטום ביעילות את הקצף ולשפר את התכונות המכניות המקיפות שלו, כגון חוזק מתיחה וכיפוף. בדרך כלל, ה-AFS יוצר בשיטת הדבקה, הכוללת הצמדת קצף האלומיניום ללוחות מתכת מוצקים באמצעות דבק שרף אפוקסי.

למרות ששיטת ההדבקה בדבק משפרת ביעילות את השיכוך המבני, היא מלווה במגבלות, כולל אתגרים במיחזור ורגישות לכישלון דלמינציה בתנאי טמפרטורה גבוהים או קורוזיביים. כדי לטפל במגבלות אלו, הוקדשו מאמצי מחקר נרחבים להשגת התקשרות מתכתית בין הפאנל לשכבת הליבה.

נכון לעכשיו, שיטות ההכנה השולטות עבור AFS שמטרתן להשיג הדבקה מתכתית מסווגות בדרך כלל לשלוש קטגוריות: ריתוך, הקצף נמס ושיטת מתכות מתגלגלת אבקת אריזה. בין שיטות אלה, שיטת המתכות של אבקת אריזה מתגלגלת נחשבת עדיפה לשליטה במבנה הנקבוביות והשגת הקצף בטמפרטורה נמוכה. העבודה הקודמת שלנו השתמשה בטכנולוגיה זו כדי לייצר AFS בגודל גדול עם תכונות התרחבות טובות יותר ומבנה סלולרי עבור יישומים תעשייתיים.

עם זאת, בשל התכונות המכאניות הדחיסות הנמוכות יחסית של ליבת הקצף, שיפור החוזק המכני של ה-AFS מוגבל, ולכן שיפור נוסף בחוזק ליבת הקצף הוא חיוני עבור ה-AFS.

עד כה, השיטות הנפוצות דיווחו לשיפור המאפיינים המכאניים הדחיסה שלקצף אלומיניוםהם כדלקמן: טיפול פני השטח, טיפול בחום וחיזוק על ידי הוספת חלקיקים, סיבים, יסודות סגסוגת וכו'. ביניהם, סיבי פחמן קצרים עם צפיפות נמוכה, מודול אלסטי גבוה ויחס רוחב-גובה רב משכו תשומת לב רחבה כחומרי חיזוק מבטיחים. יתרה מכך, מתכת פני השטח של סיבי פחמן, על ידי ציפוי אלקטרוני או ציפוי כימי כגון ציפוי נחושת או ציפוי ניקל, משפרת עוד יותר את יכולת ההרטבה של סיבי הפחמן בהמסת האלומיניום ומונעת תגובות ממשק מזיקות בין סיבי הפחמן להמסת האלומיניום. כיום נעשה שימוש נרחב בסיבי פחמן קצרים לחיזוק חומרים מרוכבים מטריצת אלומיניום.

בהב סינגטל. מוכנים סיבי פחמן מצופים נחושת מחוזקים מטריצת אלומיניום בשיטת יציקת ערבוב. Muetal. חומרים מרוכבים מטריצת אלומיניום מיוצרים מחוזקים בסיבי פחמן מצופים ניקל בשיטת יציקת שני גלילים. התוצאות הוכיחו שיפור משמעותי בחוזק המתיחה של החומרים המרוכבים עם תוספת של סיבי פחמן. עם זאת, נערך מחקר מוגבל בנושאקצף אלומיניום מחוזקעם סיבי פחמן מצופים נחושת. Caoetal. סיבי פחמן מצופים נחושת מוכנים לראשונה קצף אלומיניום מחוזק באמצעות שיטת הקצף נמס. התוצאות מוכיחות ש-0.35% נפח של Cf יכולים לייצב את קצף האלומיניום על ידי מניעת קרע של סרט נוזלי, וככל שכמות הסיבים המוספים לקצף יציבה יותר. Muetal. הראה כי תכונות השיכוך של קצף אלומיניום שהוכן בשיטת ההמסה שופרו משמעותית עם הוספת Cf.

לפיכך, ניתן להסיק שהוספת Cf יכולה להיות אסטרטגיה יעילה לשיפור בו-זמנית את יציבות ההקצפה והתכונות המכניות שלקצפי אלומיניום. יתר על כן, לא היו דיווחים על לוחות סנדוויץ' מוקצף אלומיניום מחוזקים בסיבי פחמן מצופים שנחושת שהוכנו בשיטת אבקת מתכות, מה שמניע חוקרים לבצע מחקרים מעמיקים יותר בתחום זה.

מחקרים רבים בוצעו על מנגנון הגרעין והיציבות שלקצפי אלומיניוםבתוספת שלבי חיזוק. ההבדלים במספר הנקבוביות ובמורפולוגיה של הנקבוביות,

כמו גודל, תפוצה וצורה, מיוחסים בדרך כלל למנגנוני גרעין ויציבות. השפעות גרעין הטרוגניות ומנגנוני ייצוב רשת תחמוצת במערכת מתכות אבקה נחקרו באופן ממצה. אבקות סגסוגת רבעונית המורכבת מ-Al-Si-Mg-Cu בשימוש במאמר זה הפגינו שיעורי התפשטות יוצאי דופן וטמפרטורות קצף נמוכות, עם טמפרטורת סולידוס של 507 ◦C וטמפרטורת ליקווידוס של 596 ◦C. עם זאת, קיים חוסר במחקר בנוגע למנגנון הגרעין, היציבות והתכונות המכניות הדחיסות של קומפקטי אבקה המכילים את הרכב הסגסוגת המסוימת הזו, במיוחד כאשר משלבים Cf. בעבודות קודמות, חקירות של מנגנוני גרעין וייצוב נערכו בעיקר באמצעות שיטות שאינן באתר, הכוללות ניתוח טומוגרפי של דגימות שצוננו במהירות בעקבות הפרעה בהקצפה. למרבה הצער, גרעין בועות תת-מיקרון מתרחש בעיקר במהלך חימום מבשר ומתרחב במהירות בתוך מרווחי זמן הנעים בין 100 שניות לשנייה, ולעתים קרובות מציג אתגרים לתצפית בזמן אמת. הטכניקה המודרנית להדמיית קרינת רנטגן בקרינת סינכרוטרון היא בעלת אנרגיה גבוהה ורזולוציה מרחבית-זמנית, המאפשרת תצפית בזמן אמת, במקום, בתהליך הגרעין והצמיחה של קצפי אלומיניום בטמפרטורות גבוהות. נכון לעכשיו, רק חוקרים מוגבלים חקרו את הקינטיקה ההקצפה של אבקת סגסוגת Al-Si-Mg על ידי קרינת סינכרוטרון. לדוגמה, García-Morenoetal. דיווחו על תופעות דינמיות משמעותיות בקצף אלומיניום נוזלי, כולל גרעין וגדילה, סידור מחדש של בועות, נסיגת נוזל, צבירה וקרע של סרט. קאם וחב'. חקר את תהליך הגרעין והצמיחה של קצף אלומיניום AlSi8Mg4 על ידי קרינת סינכרוטרון. הממצאים שלהם הצביעו על כך שמימן שנוצר באמצעות פירוק של אדסורבטים על פני אבקת המתכת מייצג מנגנון גרעין משמעותי נוסף. עם זאת, האינטראקציה בין רכיבי הפרקורסורים מורכבת, והדינמיקה של הקצף יכולה להיות מושפעת מהרכבם. הן עבור מערכת אבקת Al-Si-Cu-Mg והן עבור מערכת אבקת Al-Si-Cu-Mg בתוספת Cf, הבנה וחקירה של ההתחלה והצמיחה של קצף מתכת חיוניים להמשך הפיתוח המבני של הקצף לשיפור התכונות עבור יישומים.

בעבודה זו הוכנו Cf/AFS ו-AFS עם הדבקת פנים מתכתית בשיטת מתכות אבקת אריזה. התפתחות הבועות של Cf/AFS ו-AFS נצפתה באתר על ידי קרינת סינכרוטרונים כדי לחשוף את המנגנון של Cf על גרעין בועות, צמיחה ומיזוג ויציבות. בנוסף, Cf/AFS ו-AFS הוקצפו בטמפרטורה של 620 ◦C למשך 15 דקות בתנור תא. לאחר מכן, אופיינו ונבדקו חלוקת גודל הנקבוביות, מבנה המיקרו של הנקבוביות ותכונות מכניות דחיסה של הדגימות המוקצפות. בהתבסס על המחקרים שהוזכרו לעיל, המבנה וחוזק הלחיצה של Cf/AFS ו-AFS הוערכו באופן שיטתי.

2. חומרים ושיטות

2.1. חומרי גלם

להכנת ה-AFS וה-Cf/AFS נעשה שימוש בשישה חומרי גלם: אבקת אל (גודל ממוצע: 45 מיקרומטר, טוהר >99.70%), אבקת Si (גודל ממוצע: 38 מיקרומטר, טוהר >99.50%), אבקת Cu (גודל ממוצע: 38 מיקרומטר, טוהר >99.90%), אבקת Mg (גודל ממוצע: 75 מיקרומטר, טוהר >99.70%), אבקת TiH2 (גודל ממוצע: 45 מיקרומטר, טוהר >99.70%) וסיבי פחמן מצופים נחושת (גודל ממוצע: 1-2 מ"מ, עובי מצופה נחושת: 1.4 מיקרומטר).

2.2. ייצור של Cf/AFS

הסכימה של שיטת המתכות של אבקת אריזה מתגלגלת מומחשת באיור 1. במהלך שלב הערבוב הוכנה אבקת הסגסוגת הרבעונית AlSi6Mg4Cu4, עם אבקות של Al, Si, Cu ו-Mg בפרופורציות של 86%, 6%, 4% ו-4%, בהתאמה. אבקת TiH2 מחומצנת 1% (טיפול בחום באוויר למשך 1.5 שעות ב-470 ◦C) נוספה כחומר נופח המשחרר H2 במהירות בטמפרטורת ההיתוך ומרחיב את ההמסה. בנוסף, 0.5% משקל מסיבי פחמן שולבו כשלבי חיזוק. יש לציין, כדי לשפר את יכולת ההרטבה ולמנוע תגובות מזיקות כמו Al4C3 בממשק ההיתוך של סיבים-אלומיניום במהלך ההקצפה, סיבי פחמן צופו בנחושת באמצעות ציפוי אלקטרוני. תהליך הציפוי תואר ב-Refs.איור 2מציג את סיבי הפחמן המצופים בנחושת המתקבלים בתהליך הציפוי ללא חשמל. לציפוי כיסוי אחיד ורציף של פני הסיבים(איור 2(א)–(ב)). לאחר מכן, הרכבי הסגסוגת השונים המשמשים במחקר זה הוכנו על ידי ערבוב יסודי של אבקות הנ"ל עם ובלי Cf במערבל תלת מימדי במשך 3 שעות. האבקה המעורבבת באופן אחיד מכוסה בתוך חלל אטום, ולאחר מכן נהלי גלגול קר וחם.

שלב הגלגול הקר מפנה ביעילות את האוויר מתוך החללים והמרווחים הבין-סטיליים בין החלקיקים דרך סדרה של מעברים מרובים ושקעים קטנים. שלב הגלגול החם מבטיח שהמבשר משיג צפיפות יחסית העולה על 98% באמצעות עיוות משותף של הפאנל והאבקה, מה שמקל על תהליך ההקצפה שלאחר מכן. פרמטרים מפורטים של תהליך גלגול מתוארים ב-Refs. AFS ו-Cf/AFS מבשרי קצף מתקבלים באמצעות התהליך הנ"ל. בסופו של דבר, שני הפרקורסורים הניתנים להקצפה חוממו ב-620 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כדי לייצר דגימות Cf/AFS ו-AFS, ששימשו לניתוח גודל נקבוביות, אפיון מיקרו-מבנה ובדיקות תכונות מכניות דחיסה.

2.3. אפיון ושיטות בדיקה

2.3.1. אפיון מיקרו מבני

המורפולוגיה של המיקרו-מבנה של ה-Cf/AFS וה-AFS נחקרה על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סריקת פליטת שדה (SEM, Zeiss Ultra Plus). ספקטרוסקופיה מפזרת אנרגיה (EDS) שימשה לזיהוי הרכב שלבים שונים בדפנות התא של הדגימות המוקצפות. חתכים אורכיים של הדגימות התקבלו על ידי חיתוך הדגימות המוקצפות באמצעות מכונת הפריקה האלקטרונית (EDM, DK7745). לאחר מכן, החתכים האורכיים של הדגימות צופו בצבע ולאחר מכן עברו שיוף והברקה באמצעות נייר זכוכית בגריט 800 ו-1500 בהתאמה. בסופו של דבר, קוטרי התא המקבילים (Dmean) של חתך הדגימה המלוטשת נקבעו באמצעות תוכנת ניתוח תמונה, Image Pro Plus 6.0.

איור 1.סכימה של שיטת מתכות אבקת אריזה מתגלגלת.

איור 2.תמונות SEM של (א) סיבי פחמן מצופים נחושת, ו-(ב) מציגות תצוגה מוגדלת של האזור המסומן בריבוע אדום ב-(א). תמונות (ג) ו-(ד) הן תוצאות ה-EDS של הנקודה A ב-(ב).

איור 3.תרשים סכמטי של מערך ניסוי קרינת סינכרוטרון.

2.3.2. תצפיות קצף במקום על ידי קרינת סינכרוטרונים

הדיאגרמה הסכמטית של מערך הניסוי של קרינת סינכרוטרון משורטטתאיור 3. הניסויים נערכו בקו קרן 4W1A של מתקן קרינת סינכרוטרון בייג'ינג (BSRF, מכון בייג'ינג לפיזיקה לאנרגיה גבוהה, האקדמיה הסינית למדעים, סין). שלא כמו הדמיה קונבנציונלית של ניגודיות ספיגה, מאמר זה משתמש בהדמיית ניגודיות פאזה עם מקור האור של קרינת סינכרוטרון. גישה זו מתייחסת למגבלות של הדמיית ספיגה מסורתית, שאינה יעילה לדמיית חומרים בעלי ספיגה חלשה. תהליך ההקצפה של הדגימות בוצע בתוך תנור הקצף בעיצוב מותאם אישית, הכולל חלון מרובע של 15 מ"מ על 15 מ"מ הממוקם בניצב לכיוון קרן הרנטגן. גודל המדגם, כפי שמתואר באיור 3, הוא 15 מ"מ × 15 מ"מ × 2 מ"מ. את הדוגמה מניחים בתבנית קצפת המורכבת ממספר מסוים של יריעות קרמיקה. לאורך תהליך ההקצפה, קרני רנטגן יכולות לעבור דרך הדגימה ונלכדות על ידי מצלמת מטען מצמד (CCD). מקור הרנטגן הנבחר פעל בעוצמה של 20 קב, וגודל צפייה מרבי של 7.4 מ"מ × 7.4 מ"מ הופעל כדי לאפשר תצפית מקיפה על תהליך ההקצפה כולו.

ראוי לציין כי הדגימות שנצפו הוצבו באופן מאונך הן לכיוון הגלגול והן לכיוון המשיק. גם המבשרים המכילים 0.5 Wt% Cf וגם אלו ללא 0.5 Wt% Cf הוסרו את לוחות הצד שלהם משני הצדדים של הדגימות באמצעות EDM. נחקרה ההשפעה של Cf על מאפייני ההקצפה של קצף אלומיניום. יתר על כן, המבשרים בעלי הרכבים שונים הוקצפו באותו תנור חימום בטמפרטורה מוגדרת מראש של 620 ◦C.

2.3.3. בדיקת מאפיינים מכאניים של דחיסה

דגימות הדחיסה נחתכו לדגימות גליליות בגובה של 23 מ"מ ובקוטר של 20 מ"מ על ידי EDM, וכל כיוון הובטח לכלול לפחות 10 נקבוביות שלמות כדי להימנע מהשפעת הגודל. מבחני דחיסה מעין סטטיים נערכו בהתאם לתקנים ISO13314–2011 ו-GB/T31930–2015, באמצעות מכונת בדיקת חומרים אוניברסלית של AG-XPLUS אלקטרונים עם קיבולת עומס מקסימלית של 100 KN. שלוש דגימות נבדקו עבור כל קבוצה, ועקומות הלחץ-מתח הדחיסה במאמר זה מייצגות את התוצאות הממוצעות שהתקבלו משלוש הדגימות שנבדקו. כל הבדיקות בוצעו תחת בקרת עקירה, תוך שמירה על מהירות צלב קבועה של 2 מ"מ לדקה (המקבילה לקצב מתח ראשוני של 10-3 שניות-1) בטמפרטורת החדר.

איור 4.תמונות קרינת סינכרוטרון שהתפתחו בזמן של תהליך הקצפת Cf/AFS: (א) מבשר לא מוקצף ברגע t0 של 380 ◦C; (ב)–(ג) התמוססות של נחושת יסודית וגרעין מסוג II במהלך המסת מבשר; (ד)–(ז) תהליכי גרעין וגדילה הטרוגניים של בועות; ו-(ח)–(א) בועות מתמזגות ונקרעות.

3. תוצאות ודיון

3.1. התנהגות קצף באתרו תחת קרינת סינכרוטרונים

3.1.1. אבולוציה של קצף של Cf/AFS

איור 4מציג סדרה של תמונות קרינת סינכרוטרון המתארות את תהליך ההקצפה של ה-Cf/AFS. התמונות המקוריות של Cf/AFS(איור 4 (א))נלכדו כאשר המטריצה ​​הייתה במצב מוצק ב-380 ◦C, והזמן הזה נקבע כ-t0. בהשוואה לרכיבים האחרים במבשר, Cf נראה שחור בתוך המטריצה ​​העשירה באלומיניום אפורה בעיקרה. ניתן לייחס זאת לתכולת הנחושת הגבוהה על פני הסיבים, כפי שמוצג באיור 2(ג)–(ד), בעל המסה האטומית היחסית הגדולה ביותר בהשוואה לשאר המרכיבים של המבשר. יתרה מכך, רוב ה-Cf נצפים כמפוזרים ונפרדים, במקום מקובצים יחד, כפי שמוצג ב-איור 4(א). זה מרמז שעם תוספת של 0.5% wt של Cf, תהליך ערבוב של 3 שעות יכול להשיג ביעילות את מצב הפיזור הרצוי.

ב-t0+194s (כפי שניתן לראות באיור 4(ב)), ניתן להבחין במספר ניכר של בועות לבנות, כמעט כדוריות בקטרים ​​הנעים בין 90 מיקרומטר ל-180 מיקרומטר במטריצת האלומיניום האפורה (מסומנת בחץ האדום). מספר הבועות המשיך לעלות תוך 46 שניות, כפי שמוצג באיור 4(ג). בנוסף, שינוי ראוי לציון נוסף המתרחש במטריצה ​​הוא שכמה בועות קטנות נוטות להיווצר על פני השטח של Cf עם התחלת התמוססויות Cu (מסומנות בתיבה המנוקדת האדומה). תופעה זו מיוחסת ככל הנראה ליצירת גרעין מסוג II המתרחשת בתוך קומפקטי האבקה המכילים נחושת. ידוע על כך שהוספת Cu מפחיתה משמעותית את טמפרטורת ההיתוך של סגסוגות. זה גורם להמסה מקומית סביב חלקיקי אבקה בודדים במבשר האבקה המכילים אבקת נחושת במהלך תהליך החימום, ויוצרת כמות ניכרת של נמס רבעוני אוטקטי Al-Si-Mg-Cu בטמפרטורות נמוכות יותר. בריכת ההיתוך האוטקטית הרבעונית נוטה להיות אזור חלש בסגסוגת ונוטה יותר להיווצרות גרעין. כתוצאה מכך, יש סיכוי גבוה יותר לבועות להתגרע ולצמוח ליד מצופה הנחושת על פני הסיבים. יתר על כן, חלק הנוזל הנמוך במטריצה ​​ברגע זה גורם לגזים מהפירוק של TiH2 להצטבר בקלות במטריצת האלומיניום. גרעין מסוג II יכול למנוע ביעילות את הגז המצטבר מאלץ את מטריצת החלק הנוזל הנמוך להיפרד ולהפיץ סדקים דרך הנוזל, וכתוצאה מכך לאובדן חמור של כמות המימן.

איור 4(ד)מראה שהבועות מתגבשות בהתחלה וצומחות באזור ה-Cf כאשר המטריצה ​​נמסה לחלוטין, ומיקומי הבועות תואמים את השכבה הנעלמת מצופה נחושת (מסומנת בתיבה המנוקדת האדומה). ידוע היטב שהוספת שלבים משניים מגדילה את מספר אתרי הגרעין ההטרוגניים, ובכך מפחיתה את מחסום האנרגיה להיווצרות בועות חדשות בתוך התכת הסגסוגת. בינתיים, קצב הגרעין קשור לשטח הגרעין ההטרוגני הכולל ליחידת נפח. כתוצאה מכך, ניתן להבחין כי הבועות מתגבשות בתחילה באתרים שבהם נמצאים סיבי פחמן ומתרחבות לאורך סיבי הפחמן. עם עלייה נוספת בשבר ההמסה, בועות חדשות רבות ממשיכות לצוץ מהןאיור 4(ה)–4(g). עם זאת, קצב המיזוג והפריצה המקומיים של הבועות הוא איטי, מה שמעיד על יציבות גבוהה של הבועות. ב-t0+426s, מספר הבועות גדל באופן משמעותי, ו

נפח המבשר מציג התרחבות גדולה(איור 4(ח)). יתר על כן, התרחשות של התמזגות בועות כלשהי (מסומנת בחץ האדום), שבה בועות קטנות נספגות בבועות גדולות יותר עקב התבגרות אוסטוולד, היא תהליך בלתי נמנע במהלך האבולוציה של קצף מתכתי [40]. תופעת התבגרות זו גורמת גם להופעת מספר קטן של בועות גדולות ולא סדירות (מסומנות בחץ האדום באיור 4(i)).

איור 5.תמונות שהתפתחו בזמן של תהליך ההקצפה של AFS בשלבים שונים: (א) מבשר לא נמס ברגע t0 של 380 ◦C; (ב) התמוססות של נחושת יסודית וגרעין מסוג II במהלך המסת מבשר; (ג) תהליכי גרעין וגדילה של בועות; ו-(ד)–(ו) בועות מתמזגות ונקרעות.

3.1.2. אבולוציית קצף של AFS

איור 5 מדגים סדרה של תמונות קרינת סינכרוטרון הממחישות את תהליך ההקצפה של AFS. בדומה ל-Cf/AFS, התמונה הראשונית של רצף קרינת הסינכרוטרונים נלכדה כאשר AFS היה בשלב מוצק ב-380 ◦C (ראהאיור 5(א)). כאשר המטריצה ​​מחוממת מעל טמפרטורת הסולידוס, בועות לבנות קטנות נראות בפניםאיור 5(ב) ו-(ג), הנובע מפירוק של TiH2 והתרחשות של גרעין מסוג II באזור העשיר ב-Cu. עם זאת, מספר הבועות שנוצרו וצפיפות ההפצה שלהן באיור 5(ג)נמוך משמעותית בהשוואה לאיור 4(ג). זה מצביע על כך ש- Cf/AFS מספק יותר ערוצים לשחרור מוקדם של גז במהלך גרעין, ומונע היווצרות מוגזמת של סדקים במטריצת אלומיניום עם שבר נוזל נמוך.

ניתן לראות מספר קטן יותר של אתרי גרעין AFS והסתברות גבוהה יותר לצמיחת בועות לא תקינה בהשוואה ל- Cf/AFS מאיור 5(ד)–(ו). האבולוציה של בועות AFS אינה סדירה, והגדלים שלהן מציגים תנודות רחבות עקב קיום משותף של בועות בגודל מיקרומטר וגם של בועות גדולות בגודל לא נורמלי של מילימטר (מסומנות בחץ אדום). יתר על כן, חוסר יציבות וחוסר הומוגניות זו במהלך תהליך הגרעין המוקדם עלולים לגרום להבדלים משמעותיים במבנה הנקבוביות הסופי ובמאפיינים המכניים בין AFS ו- Cf/AFS.

3.2. ניתוח מאקרו

כדי לחקור את ההבדלים במורפולוגיה מקרוסקופית של הנקבוביות ובקוטר הנקבוביות בין AFS ו- Cf/AFS, הוכנו שני מבני סנדוויץ' בתנאי מעבדה בטמפרטורת הקצפה של 620 ◦C למשך 15 דקות. מבני המאקרו והתפלגות גודל התא של AFS ו- Cf/AFS מוצגים באיור 6. ההשוואה בין חתכים אנכיים של שני דגימות מבני הסנדוויץ' מגלה שלקצפי Cf/AFS יש תאים עדינים יותר ופחות פגמים כמו קרע או מיזוג של תאים (ראהאיור 6 (ב)). להיפך, כפי שמוצג באיור 6(א), ה-AFS מפגין הומוגניות נקבוביות ירודה עם נוכחות של כמה נקבוביות גדולות באופן חריג. בינתיים, קוטר הנקבוביות המקביל עבור AFS ו-Cf/AFS היה 2.9 ± 0.2 מ"מ ו-1.9 ± 0.1 מ"מ, בהתאמה, מה שמצביע על כך שקוטר הנקבוביות שוכלל עוד יותר על ידי הוספת Cf (ראהאיור 6(ג) ו-(ד)).

התפתחות מבנה הנקבוביות מושפעת משני מנגנונים תחרותיים: פירוק TiH2 והתמזגות וקרע של הקצף. הפירוק של TiH2 תורם לעלייה במספר הגרעינים, הנקבוביות וקצב ההתפשטות, בעוד שהתמזגות וקרע של בועות מקטינים את מספר הנקבוביות ומגדילים את קוטר הנקבוביות. הפחתת אירועי מיזוג וקרע בועות תורמת להשגת מבנה תאי טוב יותר. לפיכך, היציבות הגבוהה של הקצף נחוצה כדי לשמור על ההומוגניות של מבנה הנקבוביות במהלך תהליך ההקצפה. עבור Cf/AFS, הוספת Cf משפרת מאוד את יכולת ההרטבה של הסיבים עם התכת האלומיניום. בדומה לקצף אלומיניום מחוזק Cf המדווח [44] שהוכן בשיטת קצף נמס, התוספת של Cf מייצבת את קצף האלומיניום על ידי מניעת קרע בדופן התא והפחתת צבירה. בינתיים, Cf יכול ליצור מבנה דמוי רשת בדופן התא, אשר יוצר כוח הפרדה ומונע קרע של בועות, ובכך, משפר את מבנה התא, יציבות הקצף ואחידות פיזור הנקבוביות.

3.3. אפיון מיקרו מבני

איור 7(א)מראה את המיקרומבנה של דופן התא לאחר הקצף עם AFS. כפי שדווח עבור קצפי סגסוגת AlSi6Cu4Mg4, Al-Si, Mg2Si, Al2Cu ו-Al5Cu2Mg8Si6 אוטקטי, נמצאים בסגסוגת, מה שמתאים לממצאים שהתקבלו מניתוח EDS באיור 7(ב). שלבים שבירים אלה מפחיתים את התכונות המכניות של קצף האלומיניום על ידי החלשת דופן הנקבוביות או פועל כמקור לסדקים במהלך דפורמציה. לכן, שיפור התכונות המכניות של דופן הנקבוביות באמצעות הוספת שלבי חיזוק היא אסטרטגיה מעשית ויעילה.

עבור Cf/AFS, ניתן לצפות בואיור 7(ג) ו-(ד)שה-Cf מופץ בתוך דופן התא או בקצה דופן התא, מה שמעיד על יכולת הרטבה מצוינת של Cf עם נמס האלומיניום. יתר על כן, זה מורגש (עייןאיור 7(ד)) שכמות מינורית מהפאזה המשוקעת Al2Cu נוצרת בממשק שבין הסיבים להמסת האלומיניום. תופעה זו תורמת להשגת קשר חזק בין הסיבים למטריצה. ניתן לראות באופן אינטואיטיבי את ההתקדמות של תגובת הדיפוזיה הזואיור 4(א)–(ג). שימו לב, השלב המשקע אינו מקיף לחלוטין את סיבי הפחמן, והמצב והכמות של התפלגות זו מועילים עבור Cf/AFS. בהתבסס על המחקר של Lv et al, על חומרים מרוכבים מטריצת אלומיניום מחוזקים ב-Cf, הוכח כי הכמות המתאימה של שלב המשקע יכולה להשפיע ולווסת את חוזק הקשר הממשק.

איור 6.קטעים אנכיים של מדגם מייצג (א) AFS ו-(ב) Cf/AFS. חלקות הקוטר המקבילות לעומת חלקי השטח המקבילות ל-(א) ו-(ב) מתוארות ב-(ג) ו-(ד), בהתאמה. הקו הרציף המוצק ב-(c) ו-(d) מייצג את ההתאמה היומית-נורמלית. רגרסיה (R2) מייצגת את טובת ההתאמה.

איור 7.תמונות SEM (א) ו-(ב) מציגות את המיקרו-מבנים התואמיםאיור 6(א) AFS ואיור 6(ב) Cf/AFS, בהתאמה, בנוסף,איור 7(ב) ו-(ד) מציגים הגדלות מקומיות שלאיור 7(א) ו-(ג), בהתאמה.

3.4. מנגנון של Cf מייצב קצף Al-Si-Mg-Cu

בהתבסס על הניתוח הנ"ל, ייצוג סכמטי של מנגנון ההקצפה עבור Cf/AFS ו-AFS מסוכם ב-איור 8. ההבדלים המשמעותיים בין Cf/AFS ו-AFS בשלב הגרעין, צמיחת הבועות והמיזוג, ובשלב ההתמצקות ההדרגתית, כפי שמודגם באיור 8(א) ו-(ב).

איור 8.תרשים סכמטי של התנהגות קצף Cf/AFS ו-AFS: (א) Cf/AFS; וכן (ב) AFS.

בשלב יצירת הגרעין של קצפי סגסוגת AlSi6Cu4Mg4, בועות נוטות להיווצר גרעין בתוך האוקטיקה הרבעונית הנוזלית המקיפה את חלקיקי הנחושת, במקום להיווצר גרעין במיקום של חלקיקי TiH2. גרעין מסוג זה באזור החלש ביותר של הפרקורסור (גרעין מסוג II) מספק יותר תעלות מילוט לגזים המשתחררים מפירוק TiH2, מונע הצטברות גזים וגורם להתפשטות סדקים בהמסת האלומיניום. התוספת של סיבי פחמן מצופים נחושת יוצרת ככל הנראה עוד ערוצים לשחרור H2. עם זאת, מכיוון שלמסת האלומיניום אין חלק נוזלי מספיק בשלב זה, קשה לבועות קטנות כל כך להיות מקור מספיק של H2 כדי להמשיך ולגדול. כתוצאה מכך, הבועות הקטנות הללו נקרעות בתוך ההמסה ככל שהטמפרטורה עולה. כאשר המבשר נמס לחלוטין, ה-H2 המשתחרר מתגובת הדה-הידרוגנציה האלימה של TiH2 יתגרע ויצמח במהירות על סמך נקודת הגרעין. ה-Cf מספק אתרי גרעין הטרוגניים רבים ליצירת בועות, מה שמגדיל מאוד את שיעורי הגרעין. במקביל, הנוכחות של Cf מעכבת למעשה את המגע והמיזוג של הבועות הראשוניות ומונעת היווצרות של בועות גדולות בצורה חריגה.

בשלב הגדילה והמיזוג של הבועות, הוספת Cf משפרת משמעותית את יציבות הקצף. הסיבה היא שלהתכת Cf והיתוך אלומיניום יש יכולת הרטבה טובה, וניתן לכוד את הסיבים בקלות בין שני ממשקי הגז-נוזל ליצירת מבנה רשת (כפי שמוצג ב-איור 7(ג)). כאשר הסרט הנוזל מדולל, הסיבים יכולים ליצור לחץ הפרדה כדי להתנגד לשאיבה מגבול הרמה, ובכך למנוע את קריעת הסרט הנוזל. אז Cf/AFS צריך זמן הקצף ארוך יותר בהשוואה ל-AFS, עם יציבות גבוהה יותר שיכולה לשמור על אחידות מבנה הנקבוביות במהלך התפתחות הקצף.

במהלך שלב ההתמצקות האיטי, בועות ב-Cf/AFS כבר לא גדלות והסיבים משובצים בתוך דופן התא (מסומן בקופסה המנוקדת האדומה). שמירה זו של סיבים מונעת ספיגת בועות קטנות על ידי גדולות יותר, כפי שניתן לראות בהבשלת אוסטוולד, ומעכבת קרע של דופן התא עקב התפשטות התמצקות. כתוצאה מכך, Cf/AFS מציג מבנה נקבוביות הומוגני יותר ופחות פגמים בנקבוביות בהשוואה ל-AFS.

3.5. תכונות מכניות

עקומות הלחץ-מתח הלחיצה עבור Cf/AFS ו-AFS עם כמעט אותה נקבוביות (83.2% ו-81.4%, בהתאמה) מוצגות ב-איור 9(א). עקומת הלחץ-מתח הלחיצה מציגה מאפיין תלת-שלבי מובהק, הכולל את האזור האלסטי הליניארי, אזור הרמה ואזור הצפיפות. חוזק התשואה הלחיצה של AFS ו-Cf/AFS היה 8.44 MPa ו-11.87 MPa, בהתאמה. חוזק התשואה הלחיצה של Cf/AFS גדל ב-40.6% בהשוואה ל-AFS. בינתיים, יכולת ספיגת האנרגיה של Cf/AFS טובה יותר מזו של AFS באותו מתח, כפי שמוצג ב-איור 9(ב). יכולות ספיגת האנרגיה של AFS ו-Cf/AFS הן כ-3.3 MJ/m3 ו-6.1 MJ/m3, בהתאמה. יכולת ספיגת האנרגיה של Cf/AFS משופרת ב-84.8% בהשוואה ל-AFS.

איור 9.עקומות רכבת מתח דחיסה ועיקולי יכולת ספיגת אנרגיה של Cf/AFS ו-AFS: (א) עקומות רכבת מתח דחיסה; (ב) עקומות יכולת ספיגת אנרגיה.

השילוב של Cf שיפר באופן משמעותי את התכונות המכניות של ליבת הקצף. זה ידוע היטב כי התכונות המכניות שלקצף אלומיניוםקשורים קשר הדוק למבנה הנקבוביות ולמאפיינים המכניים של ה-Stol. ניתוח מקרו-סטרוקטורלי הצביע על כך שהוספת Cf חידדה את גודל הנקבוביות, שיפרה את פיזור הנקבוביות והפחיתה את פגמי הנקבוביות. בדומה לממצאים של Sasikumar et al. ויאנגטל. קוטר נקבוביות קטן וחלוקת נקבוביות צרה מועילים יותר כדי לשפר את חוזק הלחיצה ויעילות ספיגת האנרגיה. יתרה מכך, השפעת המיקרו-מבנה על התכונות המכניות של הקצף נובעת בעיקר מה-Cf המוטבע בדפנות הנקבוביות של הקצף. הדיפוזיה וההתמוססות של מצופה הנחושת של סיבי הפחמן במטריצת האלומיניום יכולים להשיג קשר ממשק מוצק יותר בין הסיבים למטריצת האלומיניום, מה שתורם להעברת עומסים. סיבי הפחמן המודולוס הגבוה הנצמדים בדופן הנקבוביות יכולים להגביל את העיוות של דופן הנקבוביות בעומס דחיסה ולשפר את יכולת נשיאת העומס. כל הגורמים הללו מעדיפים את Cf/AFS כדי להשיג חוזק תפוקה וכושר ספיגת אנרגיה גבוהים יותר בהשוואה ל-AFS.

4. מסקנות

ה-Cf/AFS וה-AFS הוכנו בשיטת מתכות אבקת אריזה מתגלגלת בעבודה זו. התנהגות ההקצפה של Cf/AFS ו-AFS נצפתה באופן דינמי באמצעות קרינת סינכרוטרון ל

לחקור את ההשפעה של Cf על גרעין הבועה והצמיחה. בנוסף, Cf על מורפולוגיה של הנקבוביות, פיזור הנקבוביות ותכונות הדחיסה של קצפי אלומיניום נותחו ביסודיות. המסקנות העיקריות הן כדלקמן:

(1) תצפיות בקרינת סינכרוטרון באתר חושפות כי גם תהליכי הקצף Cf/AFS וגם AFS מציגים שלושה שלבים ברורים: גרעין בועות, גידול ומיזוג בועות והתמצקות.

בהשוואה ל-AFS, תהליך ההקצפה של Cf/AFS מפגין יציבות גבוהה יותר ואחידות בועות. AFS נוטה יותר ליצור נקבוביות גדולות וגסות באופן חריג במהלך תהליך התפתחות הנקבוביות. בנוסף, הפער מיוחס להשפעת הגרעין ההטרוגני של Cf, המונעת קרע בדופן הבועות ומפחיתה את ההתאחדות תוך הגדלת קצב הגרעין.

(2) תוספת של 0.5% Wt. Cf מעדנת את קוטר הנקבוביות המקביל מ-2.9 ± 0.2 מ"מ ל-1.9 ± 0.1 מ"מ, ומפחיתה משמעותית את פגמי הנקבוביות הגסים. במקביל, המיקרו-מבנה חושף יכולת הרטבה טובה של Cf, המופץ לאורך דופן הנקבוביות וממשק גז-מוצק, ובכך משפר את יציבות הקצף.

(3) בהשוואה ל-AFS, חוזק התפוקה הדחיסה וכושר ספיגת האנרגיה של ה-Cf/AFS עלו בכ-40.6% ו-84.8%, בהתאמה. הממצאים של מחקר זה יכולים לספק רעיונות לחיזוק לוחות סנדוויץ' מוקצף מאלומיניום עם ממשקי מליטה מתכתיים בעלי פוטנציאל ליישומים הנדסיים בתחום הרכב והתעשייה האווירית.

מאמר מתוך Journal of Materials Research and Technology