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泡沫铝合金发泡机理的研究

田野  
【摘要】: 泡沫铝合金是近年来发展起来的一种新型结构功能材料。它具有轻质、阻燃、阻尼、高能量吸收等优良的物理性能,其应用已经涉及了航天航空、运输、电子、军工、等各个高科技领域及一般工业领域。熔体发泡法制备泡沫铝合金,因其生产工艺简单、成本低,因而最具有工业化规模生产的前途,有着广阔的市场前景。 本论文利用ZL102(Al-Si_(12))为基体材料,Ca粉作增粘剂,复合碱金属碳酸盐作发泡剂,采用熔体发泡法制备泡沫铝合金。试验对泡沫铝合金制备过程进行了基础的分析和研究,结果表明:发泡剂在铝熔体融化温度650℃附近达到其分解峰值,且分解反应区间较窄,符合制备结构可控泡沫铝所需的发泡剂条件。铝熔体中加入金属Ca,由于生成金属间化合物CaAl_4和CaAl_2被铝液部分润湿和包裹起到增粘作用,并且还能聚集铝液使气泡壁不易发生破裂,起到泡孔稳定作用。试验设计的四叶搅拌轮进行搅拌时,熔体能径向流动,还能轴向运动,使得加入的发泡剂在熔体中分布趋于均匀。 试验通过对熔体发泡过程中发泡剂的加入量、发泡温度及增粘剂加入量、搅拌时间、保温时间工艺参数进行调整,找出了铝合金熔体泡沫化过程中对发泡效果有利的控制条件范围,以此为基础,通过L_(16)(45)正交实验确定出最佳工艺参数:发泡温度680℃、发泡剂加入量2.5%、增粘剂加入量2.5%、搅拌时间2.0mim,保温时间4.0mim。 本论文同时对熔体发泡过程进行理论研究,从发泡热力学微观机制出发,通过对发泡剂的分解、行核、气泡长大等发泡过程的热力学进行分析,得出了发泡剂分解、非均匀形核和气孔的生长等热力学条件,揭示了气孔演化的趋势;从发泡动力机制出发,考虑各个发泡阶段对孔结构的影响,建立了发泡过程的动力学方程:(dr)/(dt)=(RT)/(4πr~2p)n_0(dα)/(dt),方程表明:气泡的长大速率dr/dt与发泡剂分解速率dn/dt之间存在函数关系,气泡半径随着气泡内CO_2量的增加而增大,保温发泡阶段是气泡的主要生长期,这时粘附在气泡上的发泡剂释放气体,使气泡进一步长大。


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