張 斌, 左孝青, 孫彥琳, 陸建生, 周 蕓, 王 紅

(1. 昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093;2. 昆明理工大學 化學工程學院，昆明 650093; 3. 昆明理工大學 理學院，昆明 650093)

泡沫鋁的新型滲流法制備及其壓縮性能

張 斌1, 左孝青1, 孫彥琳2, 陸建生1, 周 蕓1, 王 紅3

(1. 昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093;2. 昆明理工大學 化學工程學院，昆明 650093; 3. 昆明理工大學 理學院，昆明 650093)

在熱傳計算的基礎(chǔ)上，采用鋅粒子為前驅(qū)體、鋁熔體為滲流體，通過氬氣滲流制備通孔泡沫鋁；對泡沫鋁的制備、壓縮性能及鋅殘余量進行研究。結(jié)果表明：滑石粉隔熱層厚度與滲流時間之間的關(guān)系為x2= 7.35×10?8τ；優(yōu)化的滲流工藝如下：滲流溫度740 ℃、鋅粒子預熱溫度220 ℃、鋅粒子直徑3 mm；平均孔徑為3 mm的泡沫鋁的屈服強度隨孔隙率的增加而減??；孔隙率為63%和67%的泡沫鋁的屈服強度都隨孔徑的增大而提高；泡沫鋁孔隙率從60%提高到71%，鋅殘余量從11.3%降低到4.5%。

泡沫鋁；滲流；熱傳導；制備；壓縮性能

泡沫鋁具有低密度、高能量吸收、阻尼減振、吸音、耐高溫、可回收等特性，在建筑、交通、機械、航天航空及噪音控制等行業(yè)都具有巨大的應用前景[1?4]。

目前，通孔泡沫鋁的制備方法主要有電沉積法[5]和滲流鑄造法[6]，前者采用泡沫塑料(如聚氨酯泡沫)、后者采用 NaCl作為滲流前軀體，滲流后將泡沫塑料燃燒去除或?qū)aCl水溶除[7]。聚氨酯燃燒會產(chǎn)生氰化氫、一氧化碳和異氰酸酯等有害氣體；而 NaCl具有腐蝕性，易污染、腐蝕環(huán)境和泡沫鋁[8?10]。

本文作者利用不同金屬的熔點差異，采用較低熔點及表面涂覆滑石粉隔熱層的鋅粒子為滲流前驅(qū)體、較高熔點的鋁熔體為滲流體，通過氬氣加壓滲流方法獲得鋅?鋁復合體，復合體加熱到鋅熔點以上溫度進行鋅熔除后獲得通孔泡沫鋁。該方法具有成本低、前驅(qū)體材料可循環(huán)利用及不污染環(huán)境的優(yōu)點。在傳熱計算的基礎(chǔ)上，研究滲流溫度、鋅粒子預熱溫度及鋅粒子直徑對泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響，并對所制備泡沫鋁的壓縮性能和殘余鋅含量進行分析。

1 傳熱計算

該滲流方法的關(guān)鍵是滲流過程中鋅粒子在一定厚度滑石粉隔熱層的保護下不熔化，以保證滲流過程的順利進行。為此，進行傳熱計算，以確定鋅粒子表面滑石粉層的厚度。

1.1 物理模型

圖1所示為熱傳導物理模型。鋁液的熱量通過滑石粉隔熱層傳遞到鋅粒子表面，滲流時間應小于鋅粒子表面溫度達到其熔點所需的時間。

圖1 傳熱過程物理模型Fig.1 Physical model of heat transfer process

為方便數(shù)學模型的建立，作如下假設(shè)：

1) 忽略滲流過程中滲流系統(tǒng)與環(huán)境間的熱交換；

2) 鋅粒子表面滑石粉涂敷均勻；

3) 導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)均為常數(shù)。

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 數(shù)學模型建立的方法及步驟

1) 依據(jù)能量守恒定律，建立空間直角坐標系中的熱傳導方程；

2) 邊界條件的確定和求解；

3) 計算滲流時間和滑石粉層厚度的關(guān)系。

1.2.2 熱傳導方程的建立

單位時間內(nèi)進入滑石粉表面的能量 Q1等于單位時間內(nèi)鋅粒子和滑石粉的能量累積Q2，即

式中：A為體積元dV的表面積；V為體積元dV的體積；n為面積元dA外法線方向上的單位向量；q(r, τ)為溫度降低方向單位時間內(nèi)的熱流密度向量；?為微分算子符號，?=+；r為涂有滑石粉鋅 粒子內(nèi)部的某一位置；ρ為鋅的密度；cp為鋅的定壓比熱容；負號表示熱流方向指向體積元dV內(nèi)部。

將式(3)和(4)代入式(1)整理得

1.2.3 邊界條件的確定和求解

滲流過程中，滑石粉外表面溫度從220 ℃(預熱溫度)突然變化到740 ℃(鋁熔體溫度)時，在滑石粉隔熱層間形成熱梯度，鋅粒子表面溫度t和滲流時間τ的關(guān)系為

聯(lián)立式(8)與式(9)并整理得：

式中：t0為鋅粒子表面的初始溫度；x為隔熱層厚度。經(jīng)拉普拉斯變換[13]，將式(10)~(13)轉(zhuǎn)換為x的函數(shù)，求解并進行拉普拉斯逆變換，得到

式(17)即為鋅粒子表面滑石粉層厚度 x和可利用的滲流時間τ的關(guān)系式。

圖2所示為式(17)的x—τ曲線。由圖2可見，隨著滲流時間的增加，所需滑石粉層厚度增加。采用Ar氣壓滲流的時間通常小于0.5 s[15]，0.5 s所對應的滑石粉厚度為0.19 mm。由此可知，在鋅粒子表層涂有一定厚度滑石粉層的條件下，利用鋅為前軀體進行滲流制備泡沫鋁是可行的。

圖2 滑石粉隔熱層厚(x)與滲流時間(τ)的關(guān)系Fig.2 Relationship between thickness of heat insulation layer of talcum and infiltration time

2 實驗

2.1 滲流工藝

圖3所示為滲流工藝流程。在氬氣壓力為5 MPa及滑石粉層厚度為0.19 mm的條件下，研究表1所列的滲流溫度、鋅粒子預熱溫度和鋅粒子直徑對泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響。

圖3 滲流工藝流程圖Fig.3 Flow chart of infiltration process

表1 滲流工藝參數(shù)Table 1 Experimental parameters of infiltration process

2.2 孔結(jié)構(gòu)分析

線切割泡沫鋁，對截面進行打磨、涂黑，用掃描儀采集圖像，導入 Photoshop進行二值化處理，然后利用 BWJScan軟件[16]計算泡沫鋁的平均孔徑和孔隙率。

2.3 壓縮性能測試

將泡沫鋁加工成d 34 mm×35 mm的圓柱體，在CSS?44100電子萬能試驗機上以1 mm/min的速度進行壓縮實驗，取σ0.2作為泡沫鋁的屈服強度。

2.4 鋅殘余量分析

將泡沫鋁重熔澆鑄成形狀規(guī)則的試樣，利用混合法則計算泡沫鋁的鋅含量：

式中：ω(Zn)為泡沫鋁中殘余鋅含量；ρmix為泡沫鋁重熔試樣的密度。

3 實驗結(jié)果

3.1 泡沫鋁的滲流制備

3.1.1 滲流溫度對泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響

圖4和5所示分別為滲流溫度對泡沫鋁平均孔徑和孔隙率的影響。由圖4和5可見，隨著滲流溫度的提高，鋅粒子因部分熔化而在滲流過程中熔失，造成鋅粒子直徑減小、平均孔徑減小；同時，熔失的鋅混入鋁液并在滲流過程中凝固形成骨架，造成孔隙率降低。

圖4 滲流溫度對平均孔徑的影響Fig.4 Effect of infiltration temperature on mean cell diameter

圖5 滲流溫度對孔隙率的影響Fig.5 Effect of infiltration temperature on porosity

圖6 鋅粒子預熱溫度對平均孔徑的影響Fig.6 Effect of preheating temperature of zinc particle on mean cell diameter

圖7 鋅粒子預熱溫度對孔隙率的影響Fig.7 Effect of preheating temperature of zinc particle on porosity

當滲流溫度較低時(720~740 ℃)，滑石粉層的熱障作用明顯，鋅粒子的完整性不會破壞，在此溫度范圍內(nèi)，隨著滲流溫度的提高，鋁熔體的粘度降低和流動性提高使鋁熔體的充型能力提高，所以，孔徑和孔隙率隨滲流溫度的提高而緩慢減??；當滲流溫度較高時(740~760 ℃)，滑石粉隔熱層的熱障作用減弱，過多的熱量傳遞使鋅熔化，致使孔壁增厚，孔徑和孔隙率明顯下降。

3.1.2 鋅粒子預熱溫度對泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響

圖6和7所示分別為鋅粒子預熱溫度對泡沫鋁平均孔徑和孔隙率的影響。由圖6和7可見，當鋅粒子預熱溫度為210~220 ℃時，泡沫鋁的平均孔徑保持在2.95 mm，但孔隙率略有提高；當鋅粒子預熱溫度為220~230 ℃時，隨著預熱溫度的提高，鋁液的流動性及充型能力提高，滑石粉層逐漸減薄，部分鋅粒子表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，使泡沫鋁的孔徑及孔隙明顯減小。

3.1.3 鋅粒子直徑對孔結(jié)構(gòu)的影響

圖8所示為鋅粒子直徑對泡沫鋁平均孔徑的影響。由圖8可見，當鋅粒子直徑為2 mm時，泡沫鋁的平均孔徑大于2 mm，為2.51 mm，?D =0.51 mm；當鋅粒子直徑為3 mm時，泡沫鋁平均孔徑小于3 mm，為2.95 mm, ?D =?0.05 mm；當鋅粒子直徑為4 mm時，泡沫鋁平均孔徑小于4 mm，為3.5 mm, ?D =?0.5 mm。

圖8 鋅粒子直徑對平均孔徑的影響Fig.8 Effect of zinc particle diameter on mean cell diameter

當鋅粒徑為2 mm時，粒子間的間隙小，滲流阻力大、滲流不充分，使平均孔徑大于 2 mm、孔隙率也較高，但孔結(jié)構(gòu)不完整；當鋅粒徑為4 mm時，粒子的間隙大、滲流阻力小，滲流充分，鋁液和鋅粒子間的熱交換強烈而使熱障層破壞，部分鋅熔化，導致泡沫鋁孔徑小于4 mm；當鋅粒徑為3 mm時，粒子的間隙適中，在保證充分滲流的同時熱障層破壞，鋅熔化現(xiàn)象大大減弱，泡沫鋁孔徑與鋅粒子直徑大致相等。

3.2 泡沫鋁的壓縮性能

3.2.1 孔隙率對泡沫鋁壓縮性能的影響

圖9所示是孔徑為3 mm，孔隙率分別為60%、64%和70%泡沫鋁的壓縮應力—應變關(guān)系曲線。由圖9可以看出：隨著孔隙率的提高，應變平臺降低，且其壓縮曲線為光滑曲線，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點。

表2所列為不同孔隙率泡沫鋁的屈服強度。從表2可看到：對于相同孔徑的泡沫鋁，隨著孔隙率的提高，泡沫鋁的孔壁變薄，鋅含量減少，泡沫鋁的屈服強度減小，孔隙率為 60%~70%泡沫鋁的屈服強度為5.20~2.35 MPa。

3.2.2 孔徑對泡沫鋁壓縮性能的影響

圖10所示是孔隙率為63%和67%，粒徑為3和4 mm的泡沫鋁應力—應變關(guān)系曲線；表3所列為相應的屈服強度值。由圖10和表3可以看出，在相同孔隙率情況下，泡沫鋁的平臺應變及屈服強度隨泡沫鋁孔徑的增大而增大。

圖9 孔徑為3 mm和不同孔隙率泡沫鋁的應力—應變關(guān)系曲線Fig.9 Stress—strain curves of Al foams with different porosities and mean cell diameter of 3 mm

表2 不同孔隙率泡沫鋁的屈服強度Table 2 Yield strength of Al foam with different porosities

表3 相同孔隙率泡沫鋁孔徑對屈服強度的影響Table 3 Effect of cell diameter of Al foams with same porosity on yield strength

在相同孔隙率下，孔徑增加，則滲流時鋅粒子之間的空隙增大，滲流阻力減小，滲流充分，泡沫鋁的孔壁增厚，導致其屈服強度增大。

3.3 泡沫鋁的鋅殘余量分析

圖11所示為泡沫鋁基體的XRD譜。由圖11可見，泡沫鋁基體里殘留了部分鋅。圖12所示為孔隙率分別為60%、64%、70%和71%的泡沫鋁的鋅殘余含量曲線。由圖12可見：泡沫鋁中的鋅殘余量隨孔隙率的增大而降低；當孔隙率從60%增加到71%時，殘余鋅含量從11.3%降低到4.5%。

圖10 孔隙率為63%和67%時不同孔徑泡沫鋁的應力—應變關(guān)系曲線Fig.10 Stress—strain curves of Al foam with different cell diameters and porosities of 63% (a) and 67% (b)

圖12 孔隙率對泡沫鋁基體鋅殘余量的影響Fig.12 Effect of porosity on residual zinc content in Al foam matrix

鋅粒子表面滑石粉涂覆不均勻及滲流熔體溫度場的不均勻等因素使?jié)B流過程中鋅熔化，熔融鋅和鋁形成合金熔體，最終導致泡沫鋁基體密度增加。

4 結(jié)論

1) 傳熱計算結(jié)果表明，隨著滲流時間的延長，所需滑石粉層厚度增加，滑石粉隔熱層厚度與滲流時間的關(guān)系式為 x2=7.35×10?8τ。

2) 鋅粒子前驅(qū)體滲流制備泡沫鋁優(yōu)化的工藝參數(shù)如下：滲流溫度740 ℃，鋅粒子預熱溫度220 ℃，鋅粒子直徑3 mm。

3) 孔徑相同的泡沫鋁的屈服強度隨孔隙率的增大而減小。當孔徑為3 mm、孔隙率為60%~70%時，泡沫鋁的屈服強度為5.20~2.35 MPa；相同孔隙率泡沫鋁的屈服強度隨孔徑的增大而增大。

4)泡沫鋁中的殘余鋅含量隨孔隙率的增加而降低。

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Novel penetrating fabricating process and
compression properties of aluminum foams with open cell

ZHANG Bin1，ZUO Xiao-qing1，SUN Yan-lin2，LU Jian-sheng1，ZHOU Yun1, WANG Hong3
(1. School of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093, China;2. School of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;3. School of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Based on the heat conduction calculation, Al foam with open-cell was fabricated by a new penetrating process which takes zinc particles as the precursor and presses Al melt into the precursor by Ar gas. The fabricating process, the compression properties and the residual zinc content were studied. The results show that the relationship between the thickness of talcum heat insulation layer and the infiltration time is x2= 7.35×10?8τ; the optimized procession parameters are deduced as the aluminum melt infiltration temperature of 740 ℃, the preheating temperature of zinc particles of 220℃, and the diameter of zinc particles of 3 mm; the yield strength of Al foam with the mean pore diameter of 3 mm decreases with the increase of porosities. Yield strengths of both Al foams with porosities of 63% and 67% rise with the increase of their cell diameters; when porosity increases from 60% to 71%，the residual Zn content in the Al foams reduces from 11.3% to 4.5%.

aluminum foam; infiltration; heat conduction; fabrication; compressive property

TF125.6；TQ427.6

A

1004-0609(2011)03-0597-07

云南省人才培養(yǎng)項目(2006PY01－06)；云南省國際合作項目(2006GH21); 云南省應用基礎(chǔ)研究重點項目(2010CC004)

2010-03-14；

2010-07-12

左孝青, 教授；電話：0871-6735058; E-mail:zxqdzhhm@hotmail.com

(編輯 陳衛(wèi)萍)