Karatteristiċi tal-prestazzjoni tal-pannell tas-sandwich tal-fowm tal-aluminju tal-fibra tal-karbonju depożitati bir-ram meta mqabbla mal-pannell tas-sandwich tal-fowm tal-aluminju konvenzjonali

Sandwich tal-fowm tal-aluminjupannelli (AFS) għandhom taħlita ta 'karatteristiċi strutturali u funzjonali bħal densità baxxa, saħħa speċifika għolja, assorbiment favorevoli ta' enerġija, kapaċità ta 'damping, u lqugħ elettromanjetiku. Dawn il-proprjetajiet eċċellenti jagħmlu l-AFS għandhom potenzjal kbir fl-oqsma aerospazjali, tat-trasport u tal-baħar. Meta mqabbla ma 'fowms tal-metall bilkemm, il-pjanċi metalliċi ta' barra ta 'AFS jistgħu jissiġillaw b'mod effettiv ir-ragħwa u jtejbu l-proprjetajiet mekkaniċi komprensivi tiegħu, bħas-saħħa tat-tensjoni u tal-liwi. Ġeneralment, l-AFS kien iffabbrikat b'metodu ta 'twaħħil adeżiv, li jinvolvi li t-twaħħil tar-ragħwa tal-aluminju ma' pannelli tal-metall solidu bl-użu ta 'kolla tar-reżina epossidika.

Għalkemm il-metodu ta 'twaħħil adeżiv itejjeb b'mod effettiv id-damping strutturali, huwa akkumpanjat minn limitazzjonijiet, inklużi sfidi fir-riċiklaġġ u suxxettibilità għal falliment tad-delaminazzjoni taħt kundizzjonijiet ta' temperatura għolja jew korrużivi. Biex jiġu indirizzati dawn il-limitazzjonijiet, ġew iddedikati sforzi estensivi ta 'riċerka biex tinkiseb twaħħil metallurġiku bejn il-pannell u s-saff tal-qalba.

Bħalissa, il-metodi ta 'preparazzjoni predominanti għall-AFS immirati lejn il-kisba ta' twaħħil metallurġiku huma ġeneralment klassifikati fi tliet kategoriji: iwweldjar, ragħwa mdewba, u metodu tal-metallurġija tat-trab tal-irrumblar tal-ippakkjar. Fost dawn il-metodi, il-metodu tal-metallurġija tat-trab tal-irrumblar tal-ippakkjar huwa meqjus bħala superjuri għall-kontroll tal-istruttura tal-pori u l-kisba ta 'ragħwa b'temperatura baxxa. Ix-xogħol preċedenti tagħna uża din it-teknoloġija biex jiffabbrika AFS ta 'daqs kbir bi proprjetajiet ta' espansjoni aħjar u struttura ċellulari għal applikazzjonijiet industrijali.

Madankollu, minħabba l-proprjetajiet mekkaniċi kompressivi relattivament baxxi tal-qalba tal-fowm, it-titjib tas-saħħa mekkanika tal-AFS huwa limitat, għalhekk aktar titjib tas-saħħa tal-qalba tal-fowm huwa kruċjali għall-AFS.

Sal-lum, il-metodi komuni rrappurtati biex itejbu l-proprjetajiet mekkaniċi kompressivi ta 'fowm tal-aluminjuhuma kif ġej: trattament tal-wiċċ, trattament bis-sħana, u rinfurzar billi żżid partiċelli, fibri, elementi ta 'liga, eċċ Fost dawn, fibri qosra tal-karbonju b'densità baxxa, modulu elastiku għoli, u proporzjon kbir ġibdu attenzjoni wiesgħa bħala materjali ta' rinfurzar promettenti. Barra minn hekk, il-metallizzazzjoni tal-wiċċ tal-fibri tal-karbonju, permezz ta 'electroplating jew kisi kimiku bħal kisi tar-ram jew kisi tan-nikil, ittejjeb aktar it-tixrib tal-fibri tal-karbonju fit-tidwib tal-aluminju u tevita reazzjonijiet interfacial ta' ħsara bejn il-fibri tal-karbonju u t-tidwib tal-aluminju. Fibra qasira tal-karbonju issa tintuża ħafna biex issaħħaħ il-komposti tal-matriċi tal-aluminju.

Bhav Singhetal. fibri tal-karbonju ppreparati miksija bir-ram komposti tal-matriċi tal-aluminju rinfurzati bil-metodu ta 'stir casting. Muetal. komposti tal-matriċi tal-aluminju fabbrikati rinfurzati b'fibri tal-karbonju miksijin bin-nikil bl-użu tal-metodu tal-ikkastjar b'żewġ rollijiet. Ir-riżultati wrew titjib sinifikanti fis-saħħa tat-tensjoni tal-komposti biż-żieda ta 'fibri tal-karbonju. Madankollu, kien hemm riċerka limitata mwettqa fuqfowm tal-aluminju rinfurzatb'fibri tal-karbonju miksija bir-ram. Caoetal. l-ewwel ippreparat fibri tal-karbonju miksija bir-ram rinfurzaw fowm tal-aluminju permezz tal-metodu ta 'ragħwa tad-dewweb. Ir-riżultati juru li 0.35 vol% ta 'Cf jista' jistabbilizza r-ragħwa tal-aluminju billi jipprevjeni l-qsim tal-film likwidu, u aktar l-ammont ta 'fibri miżjuda mar-ragħwa huwa aktar stabbli. Muetal. wera li l-proprjetajiet ta 'damping tar-ragħwa ta' l-aluminju ppreparati bil-metodu ta 'ragħwa tat-tidwib tjiebu b'mod sinifikanti biż-żieda ta' Cf.

Għaldaqstant, jista 'jiġi konkluż li ż-żieda ta' Cf tista 'tkun strateġija effettiva biex fl-istess ħin ittejjeb l-istabbiltà tar-ragħwa u l-proprjetajiet mekkaniċi ta'fowms tal-aluminju. Barra minn hekk, ma kien hemm l-ebda rapporti dwar pannelli sandwich tal-fowm tal-aluminju rinfurzati b'fibri tal-karbonju miksi bir-ram ippreparati permezz tal-metodu tal-metallurġija tat-trab, li jimmotiva riċerkaturi biex iwettqu studji aktar fil-fond f'dan il-qasam.

Saru bosta studji dwar il-mekkaniżmu ta 'nukleazzjoni u l-istabbiltà ta'fowms tal-aluminjubiż-żieda ta 'fażijiet ta' rinfurzar. Id-differenzi fin-numru tal-pori u l-morfoloġija tal-pori,

bħad-daqs, id-distribuzzjoni u l-għamla, normalment huma attribwiti għal mekkaniżmi ta 'nukleazzjoni u stabbiltà. Effetti ta 'nukleazzjoni eteroġenja u mekkaniżmi ta' stabbilizzazzjoni tan-netwerk ta 'ossidu fis-sistema tal-metallurġija tat-trab ġew investigati b'mod eżawrjenti. Trabijiet ta 'liga kwaternarja li jikkonsistu minn Al–Si–Mg–Cu użati f'dan id-dokument urew rati ta' espansjoni eċċezzjonali u temperaturi baxxi ta 'ragħwa, b'temperatura solidus ta' 507 ◦C u temperatura liquidus ta '596 ◦C. Madankollu, hemm nuqqas ta 'riċerka dwar il-mekkaniżmu ta' nukleazzjoni, l-istabbiltà u l-proprjetajiet mekkaniċi kompressivi ta 'kompatti ta' trab li fihom din il-kompożizzjoni ta 'liga partikolari, partikolarment meta tinkorpora Cf. F'xogħlijiet preċedenti, investigazzjonijiet ta 'mekkaniżmi ta' nukleazzjoni u stabbilizzazzjoni saru primarjament permezz ta 'metodi mhux in situ, li jinvolvu l-analiżi tomografika ta' kampjuni li tkessħu malajr wara interruzzjoni tar-ragħwa. Sfortunatament, in-nukleazzjoni tal-bużżieqa submicron primarjament isseħħ waqt it-tisħin tal-prekursur u tespandi malajr f'intervalli ta 'żmien li jkopru minn 100 ms sa 1 s, ħafna drabi jippreżentaw sfidi għal osservazzjoni f'ħin reali. It-teknika moderna ta 'l-immaġini tar-raġġi X tar-radjazzjoni sinkrotroni tippossjedi enerġija għolja u riżoluzzjoni spazjotemporali, li tippermetti osservazzjoni f'ħin reali, in situ tal-proċess ta' nukleazzjoni u tkabbir ta 'fowms ta' l-aluminju f'temperaturi elevati. Bħalissa, riċerkaturi limitati biss esploraw il-kinetika tar-ragħwa tat-trab tal-liga Al–Si–Mg bir-radjazzjoni sinkrotron. Per eżempju, García-Morenoetal. irrapporta fenomeni dinamiċi sinifikanti fil-fowm tal-aluminju likwidu, inklużi nukleazzjoni u tkabbir, arranġament mill-ġdid tal-bużżieqa, ritrazzjoni tal-likwidu, agglomerazzjoni u qsim tal-film. Kamm et al. studja l-proċess tan-nukleazzjoni u t-tkabbir tar-ragħwa tal-aluminju AlSi8Mg4 bir-radjazzjoni sinkrotron. Is-sejbiet tagħhom indikaw li l-idroġenu ġġenerat permezz tad-dekompożizzjoni ta 'adsorbati fuq il-wiċċ tat-trab tal-metall jirrappreżenta mekkaniżmu ta' nukleazzjoni sinifikanti ieħor. Madankollu, l-interazzjoni fost il-komponenti prekursuri hija kkomplikata, u d-dinamika tar-ragħwa tista 'tiġi influwenzata mill-kompożizzjoni tagħhom. Kemm għas-sistema tat-trab Al–Si–Cu–Mg kif ukoll għas-sistema tat-trab Al–Si–Cu–Mg b'Cf miżjud, il-fehim u l-esplorazzjoni tal-bidu u t-tkabbir tar-ragħwa tal-metall hija kruċjali għall-iżvilupp strutturali ulterjuri tar-ragħwa biex jittejbu l-proprjetajiet għall-applikazzjonijiet.

F'dan ix-xogħol, Cf/AFS u AFS b'twaħħil interfacial metallurġiku ġew ippreparati bil-metodu tal-metallurġija tat-trab tal-irrumblar tal-ippakkjar. L-evoluzzjoni tal-bżieżaq ta 'Cf/AFS u AFS ġiet osservata in situ permezz ta' radjazzjoni sinkrotron biex tiżvela l-mekkaniżmu ta 'Cf fuq in-nukleazzjoni tal-bżieżaq, it-tkabbir u l-għaqda, u l-istabbiltà. Barra minn hekk, Cf / AFS u AFS kienu r-ragħwa f'620 ◦C għal 15-il minuta f'forn tal-kamra. Sussegwentement, id-distribuzzjoni tad-daqs tal-pori, il-mikrostruttura tal-pori, u l-proprjetajiet mekkaniċi kompressivi tal-kampjuni bil-fowm ġew ikkaratterizzati u ttestjati. Ibbażat fuq l-istudji msemmija hawn fuq, l-istruttura u s-saħħa kompressiva ta 'Cf/AFS u AFS ġew evalwati b'mod sistematiku.

2. Materjali u metodi

2.1. Materja prima

Sitt materja prima ntużaw għall-preparazzjoni tal-AFS u Cf/AFS: Trab Al (daqs medju: 45 μm, purità> 99.70%), trab Si (daqs medju: 38 μm, purità> 99.50%), trab Cu (daqs medju: 38 μm, purità> 99.90%), Mg trab (daqs medju: 75 μm, purità > 99.70%), trab TiH2 (daqs medju: 45 μm, purità> 99.70%), u fibra tal-karbonju miksija bir-ram (daqs medju: 1 ~ 2 mm, ħxuna tar-ram miksija: 1.4 μm).

2.2. Fabbrikazzjoni ta' Cf/AFS

L-skematika tal-metodu tal-metallurġija tat-trab tal-irrumblar tal-ippakkjar hija illustrata fiFig. 1. Matul l-istadju tat-taħlit, it-trab tal-liga kwaternarja AlSi6Mg4Cu4 ġie ppreparat, bi trab ta 'Al, Si, Cu, u Mg fi proporzjonijiet ta' 86% wt, 6% wt, 4% wt, u 4% wt, rispettivament. 1 wt% trab TiH2 ossidizzat (trattament bis-sħana fl-arja għal 1.5 sigħat f'470 ◦C) ġie miżjud bħala aġent ta 'nfiħ li jirrilaxxa H2 malajr fit-temperatura tat-tidwib li jespandi t-tidwib. Barra minn hekk, 0.5% wt ta 'fibri tal-karbonju ġew inkorporati bħala fażijiet ta' rinfurzar. Notevolment, biex tissaħħaħ it-tixrib u jiġu evitati reazzjonijiet ta 'ħsara bħal Al4C3 fl-interface tat-tidwib tal-fibra-aluminju waqt ir-ragħwa, il-fibri tal-karbonju kienu miksija bir-ram permezz tal-electroplating. Il-proċess tal-electroplating kien deskritt f'Refs.Fig. 2turi l-fibri tal-karbonju miksija bir-ram miksuba mill-proċess ta ' kisi elettroless. Il-kisja għandha kopertura uniformi u kontinwa tal-wiċċ tal-fibra(Fig. 2(a)–(b)). Sussegwentement, il-kompożizzjonijiet ta 'liga differenti utilizzati f'dan l-istudju ġew ippreparati billi tħallat sewwa trabijiet imsemmija qabel bi u mingħajr Cf f'mixer tridimensjonali għal 3 sigħat. It-trab imħallat b'mod uniformi huwa inkapsulat f'kavità ssiġillata, segwit minn proċeduri ta 'rolling kiesaħ u sħun.

L-istadju tal-irrumblar kiesaħ effettivament jevakwa l-arja minn ġewwa l-kavitajiet u l-ispazji interstizjali bejn il-partiċelli permezz ta 'serje ta' passaġġi multipli u depressjonijiet żgħar. L-istadju tal-irrumblar bis-sħana jiżgura li l-prekursur jikseb densità relattiva li taqbeż it-98% permezz tal-ko-deformazzjoni tal-pannell u t-trab, li tiffaċilita l-proċess ta 'ragħwa sussegwenti. Parametri dettaljati tal-proċess tal-irrumblar huma deskritti f'Refs. Il-prekursuri tal-foam AFS u Cf/AFS jinkisbu permezz tal-proċess imsemmi hawn fuq. Fl-aħħar mill-aħħar, iż-żewġ prekursuri tal-foam ġew imsaħħna f'620 ◦C għal 15-il minuta biex jiffabbrikaw kampjuni Cf / AFS u AFS, li ntużaw għal analiżi tad-daqs tal-pori, karatterizzazzjoni mikrostrutturali u testijiet ta 'proprjetajiet mekkaniċi kompressivi.

2.3. Metodi ta' karatterizzazzjoni u ttestjar

2.3.1. Karatterizzazzjoni mikrostrutturali

Il-morfoloġija tal-Mikrostruttura tas-Cf/AFS u l-AFS ġew investigati permezz tal-mikroskopija elettronika tal-iskannjar tal-emissjoni tal-kamp (SEM, Zeiss Ultra Plus). Spettroskopija dispersiva tal-enerġija (EDS) ġiet użata biex tidentifika l-kompożizzjoni ta 'diversi fażijiet fil-ħitan taċ-ċelluli tal-kampjuni bil-fowm. Sezzjonijiet lonġitudinali tal-kampjuni nkisbu billi jinqatgħu l-kampjuni bil-fowm bl-użu tal-magna elettro-diskarigu (EDM, DK7745). Wara dan, is-sezzjonijiet lonġitudinali tal-kampjuni ġew miksija biż-żebgħa u mbagħad xkatlat u illustrati bl-użu ta 'sandpaper ta' 800-grit u 1500-grit, rispettivament. Fl-aħħar mill-aħħar, id-dijametri taċ-ċelluli ekwivalenti (Dmean) tas-sezzjoni trasversali tal-kampjun illustrat ġew determinati bl-użu ta 'softwer ta' analiżi tal-immaġni, Image Pro Plus 6.0.

Fig. 1.Skematika tal-metodu tal-metallurġija tat-trab tal-irrumblar tal-ippakkjar.

Fig. 2.Immaġini SEM tal-(a) fibri tal-karbonju miksija bir-ram, u (b) turi dehra mkabbra tar-reġjun immarkat minn kwadru aħmar f'(a). Stampi (c) u (d) huma r-riżultati tal-EDS tal-punt A f'(b).

Fig. 3.Dijagramma skematika tas-setup tal-esperiment tar-radjazzjoni sinkrotron.

2.3.2. Osservazzjonijiet ta' ragħwa fil-post permezz ta' radjazzjoni sinkrotron

Id-dijagramma skematika tas-setup tal-esperiment tar-radjazzjoni synchrotron hija abbozzata fihaFig. 3. L-esperimenti saru fil-linja tar-raġġ 4W1A tal-Faċilità ta 'Radjazzjoni Sinkrotron ta' Beijing (BSRF, Istitut ta 'Beijing tal-Fiżika ta' Enerġija Għolja, Akkademja Ċiniża tax-Xjenzi, iċ-Ċina). B'differenza mill-immaġini konvenzjonali ta 'assorbiment-kuntrast, dan id-dokument juża immaġini ta' kuntrast ta 'fażi bis-Sors tad-Dawl tar-Radjazzjoni Synchrotron. Dan l-approċċ jindirizza l-limitazzjonijiet ta 'l-immaġini ta' assorbiment tradizzjonali, li huwa ineffettiv għall-viżwalizzazzjoni ta 'sustanzi li jassorbu dgħajjef. Il-proċess tar-ragħwa tal-kampjuni sar fi ħdan forn tar-ragħwa ddisinjat apposta, li fih tieqa kwadra ta '15 mm b'15 mm pożizzjonata perpendikolari għad-direzzjoni tar-raġġ tar-raġġi-X. Id-daqs tal-kampjun, kif muri fil-Figura 3, ikejjel 15 mm × 15 mm × 2 mm. Il-kampjun jitqiegħed f'forma ta 'ragħwa li tikkonsisti f'ċertu numru ta' folji taċ-ċeramika. Matul il-proċess tar-ragħwa, ir-raġġi-X jistgħu jgħaddu mill-kampjun u jinqabdu minn kamera ta 'charge-coupled device (CCD). Is-sors tar-raġġi X magħżul operat f'intensità ta '20 Kev, u daqs massimu tal-vista ta' 7.4 mm × 7.4 mm kien impjegat biex jippermetti osservazzjoni komprensiva tal-proċess kollu tar-ragħwa.

Ta 'min jinnota li l-kampjuni osservati kienu pożizzjonati b'mod perpendikolari kemm għad-direzzjoni tal-irrumblar kif ukoll għad-direzzjoni tanġenzjali. Kemm il-prekursuri li fihom 0.5 wt% Cf kif ukoll dawk mingħajr 0.5 wt% Cf kellhom il-pannelli tal-ġenb tagħhom imneħħija miż-żewġ naħat tal-kampjuni bl-użu ta 'EDM. L-effett ta 'Cf fuq il-karatteristiċi tar-ragħwa tar-ragħwa tal-aluminju ġie investigat. Barra minn hekk, il-prekursuri b'kompożizzjonijiet differenti kienu r-ragħwa fl-istess forn tat-tisħin f'temperatura stabbilita minn qabel ta '620 ◦C.

2.3.3. Test tal-proprjetajiet mekkaniċi tal-kompressjoni

Il-kampjuni tal-kompressjoni nqatgħu f'kampjuni ċilindriċi b'għoli ta '23 mm u dijametru ta' 20 mm permezz ta 'EDM, u kull direzzjoni ġiet żgurata li tinkludi mill-inqas 10 pori kompluti biex jiġi evitat l-effett tad-daqs. Twettqu testijiet ta 'kompressjoni kważi-statika skont l-istandards ISO13314–2011 u GB/T31930–2015, bl-użu ta' magna tal-ittestjar tal-materjal universali tal-elettron AG-XPLUS b'kapaċità massima ta 'tagħbija ta' 100 KN. Tliet kampjuni ġew ittestjati għal kull grupp, u l-kurvi kompressivi stress-strain f'dan id-dokument jirrappreżentaw ir-riżultati medji miksuba mit-tliet kampjuni ttestjati. It-testijiet kollha twettqu taħt kontroll ta 'spostament, u żammew veloċità kostanti ta' cross-head ta '2 mm / min (li tikkorrispondi għal rata ta' strain inizjali ta '10− 3 s− 1) f'temperatura tal-kamra.

Fig. 4.Immaġini tar-radjazzjoni sinkrotron evolvita fiż-żmien tal-proċess tar-ragħwa Cf/AFS: (a) prekursur bla ragħwa f'mument t0 ta' 380 ◦C; (b)–(c) ix-xoljiment tar-ram elementali u n-nukleazzjoni tat-tip II waqt it-tidwib tal-prekursur; (d)–(g) proċessi eteroġenji ta' nukleazzjoni u tkabbir tal-bżieżaq; u (h)–(i) bżieżaq li jingħaqdu u jinkisru.

3. Riżultati u diskussjoni

3.1. Imġieba tar-ragħwa in situ taħt radjazzjoni sinkrotron

3.1.1. Evoluzzjoni tal-fowm ta' Cf/AFS

Fig. 4juri serje ta' immaġini tar-radjazzjoni sinkrotron li juru l-proċess tar-ragħwa tas-Cf/AFS. L-immaġini oriġinali tal-Cf/AFS(Fig. 4 (a))inqabdu meta l-matriċi kienet fl-istat solidu f'380 ◦C, u din id-darba ġiet stabbilita bħala t0. Meta mqabbel mal-komponenti l-oħra fil-prekursur, Cf jidher iswed fil-matriċi b'ħafna aluminju predominantement griż. Dan jista 'jiġi attribwit għall-kontenut għoli ta' ram fuq il-wiċċ tal-fibra, kif muri fiFig. 2(c)–(d), li għandha l-akbar massa atomika relattiva meta mqabbla mal-komponenti l-oħra tal-prekursur. Barra minn hekk, il-maġġoranza ta’ Cf huma osservati li huma mxerrda u separati, aktar milli miġbura flimkien, kif muri f’Fig. 4(a). Dan jimplika li b'żieda ta '0.5 wt% ta' Cf, proċess ta 'taħwid ta' 3 sigħat jista 'effettivament jilħaq l-istat mixtieq ta' tixrid.

F't0+194s (kif jidher fiFig. 4(b)), numru konsiderevoli ta 'bżieżaq bojod, kważi sferiċi b'dijametri li jvarjaw minn 90 μm sa 180 μm jista' jiġi osservat fil-matriċi tal-aluminju griż (immarkat bil-vleġġa ħamra). In-numru ta 'bżieżaq kompla jiżdied fi żmien 46 s, kif muri fiFig. 4(c). Barra minn hekk, bidla notevoli oħra li qed isseħħ fil-matriċi hija li xi bżieżaq żgħar għandhom it-tendenza li jiffurmaw fuq il-wiċċ ta 'Cf bil-bidu ta' xoljimenti ta 'Cu (immarkati bil-kaxxa bit-tikek ħamra). Dan il-fenomenu huwa probabbli attribwit għan-nukleazzjoni tat-tip II li sseħħ fi ħdan il-kompatt tat-trab li fih ir-ram. Huwa rikonoxxut b'mod wiesa 'li ż-żieda ta' Cu tnaqqas b'mod sinifikanti t-temperatura tat-tidwib tal-ligi. Dan jirriżulta f'tidwib lokalizzat madwar partiċelli tat-trab individwali fil-prekursur tat-trab li fih trab tar-ram matul il-proċess tat-tisħin, li jiġġenera ammont sostanzjali ta 'tidwib ewtektiku kwaternarju Al–Si–Mg–Cu f'temperaturi aktar baxxi. Il-ġabra ta 'tidwib ewtektiku kwaternarju għandha tendenza li tkun reġjun dgħajjef fil-liga u hija aktar suxxettibbli għan-nukleazzjoni. Bħala riżultat, il-bżieżaq huma aktar probabbli li jinnukleaw u jikbru ħdejn il-kisja tar-ram fuq il-wiċċ tal-fibra. Barra minn hekk, il-frazzjoni likwida baxxa fil-matriċi f'dan il-mument tikkawża li l-gassijiet mid-dekompożizzjoni ta 'TiH2 jakkumulaw faċilment fil-matriċi tal-aluminju. In-nukleazzjoni tat-Tip II tista 'tevita b'mod effettiv il-gass akkumulat li jġiegħel il-matriċi tal-frazzjoni likwida baxxa barra u l-propagazzjoni ta' xquq permezz tal-likwidu, li jirriżulta f'telf sever tal-ammont ta 'idroġenu.

Fig. 4(d)juri l-bżieżaq inizjalment jinnukleaw u jikbru fuq ir-reġjun tal-Cf hekk kif il-matriċi idub kompletament, u l-postijiet tal-bżieżaq jikkorrispondu għas-saff miksi bir-ram li jisparixxi (immarkat bil-kaxxa bit-tikek ħamra). Huwa stabbilit sew li ż-żieda ta 'fażijiet sekondarji żżid in-numru ta' siti ta 'nukleazzjoni eteroġeni, u b'hekk tnaqqas il-barriera tal-enerġija għall-formazzjoni ta' bżieżaq ġodda fit-tidwib tal-liga. Sadanittant, ir-rata ta 'nukleazzjoni hija relatata mal-erja totali ta' nukleazzjoni eteroġenja għal kull unità ta 'volum. Konsegwentement, jista 'jiġi osservat li l-bżieżaq inizjalment jinnukleaw fis-siti fejn jinsabu l-fibri tal-karbonju u jespandu tul it-tul tal-fibra tal-karbonju. B'żieda ulterjuri fil-frazzjoni tat-tidwib, ikomplu joħorġu bosta bżieżaq ġoddaFig. 4(e)–4(g). Madankollu, ir-rata ta 'għaqda lokalizzata u qsim tal-bżieżaq hija bil-mod, li tindika li l-bżieżaq għandhom stabbiltà għolja. F't0 + 426s, in-numru ta 'bżieżaq jiżdied b'mod sinifikanti, u

il-volum tal-prekursur juri espansjoni kbira(Fig. 4(h)). Barra minn hekk, l-okkorrenza ta 'xi għaqda tal-bużżieqa (immarkata bil-vleġġa ħamra), fejn bżieżaq żgħar jiġu assorbiti minn oħrajn akbar minħabba l-maturazzjoni ta' Ostwald, huwa proċess inevitabbli matul l-evoluzzjoni ta 'foams metalliċi [40]. Dan il-fenomenu ta’ maturazzjoni jirriżulta wkoll fid-dehra ta’ numru żgħir ta’ bżieżaq kbar u irregolari (immarkati bil-vleġġa ħamra fil-Fig. 4(i)).

Fig. 5.Immaġini evolviti fiż-żmien tal-proċess tar-ragħwa tal-AFS fi stadji differenti: (a) prekursur mhux imdewweb f'mument t0 ta' 380 ◦C; (b) ix-xoljiment tar-ram elementali u n-nukleazzjoni tat-tip II waqt it-tidwib tal-prekursur; (c) proċessi ta' nukleazzjoni u tkabbir tal-bżieżaq; u (d)–(f) bżieżaq li jingħaqdu u jinkisru.

3.1.2. Evoluzzjoni tal-fowm tal-AFS

Fig. 5 turi serje ta' immaġini tar-radjazzjoni sinkrotron li juru l-proċess tar-ragħwa tal-AFS. Simili għal Cf/AFS, l-immaġni inizjali għas-sekwenza tar-radjazzjoni sinkrotron inqabdet meta AFS kien fil-fażi solida f'380 ◦C (araFig. 5(a)). Meta l-matriċi tissaħħan 'il fuq mit-temperatura solidus, bżieżaq bojod żgħar isiru viżibbli ġewwaFig. 5(b) u (c), li jirriżulta mid-dekompożizzjoni ta 'TiH2 u l-okkorrenza ta' nukleazzjoni tat-tip II fir-reġjun b'ħafna Cu. Madankollu, in-numru ta 'bżieżaq iġġenerati u d-densità tad-distribuzzjoni tagħhom fiFig. 5(c)hija notevolment aktar baxxa meta mqabbla ma'Fig. 4(c). Dan jissuġġerixxi li Cf/AFS jipprovdi aktar kanali għal rilaxx bikri tal-gass matul in-nukleazzjoni, u jipprevjeni l-formazzjoni eċċessiva ta 'xquq fil-matriċi tal-aluminju bi frazzjoni likwida baxxa.

Jistgħu jiġu osservati numru inqas ta’ siti ta’ nukleazzjoni AFS u probabbiltà ogħla ta’ tkabbir anormali tal-bużżieqa meta mqabbla ma’ Cf/AFS minnFig. 5(d)–(f). L-evoluzzjoni tal-bżieżaq AFS hija irregolari, u d-daqsijiet tagħhom juru varjazzjonijiet wiesgħa minħabba l-koeżistenza kemm ta 'bżieżaq ta' daqs mikrometru kif ukoll bżieżaq kbar ta 'daqs anormali millimetriku (immarkati bil-vleġġa ħamra). Barra minn hekk, din l-instabilità u n-nuqqas ta 'omoġeneità matul il-proċess ta' nukleazzjoni bikrija jistgħu jirriżultaw f'differenzi sinifikanti fl-istruttura finali tal-pori u l-proprjetajiet mekkaniċi bejn AFS u Cf/AFS.

3.2. Analiżi tal-makrostruttura

Biex tinvestiga d-differenzi fil-morfoloġija makroskopika tal-pori u d-dijametru tal-pori bejn AFS u Cf/AFS, ġew ippreparati żewġ strutturi sandwich taħt kundizzjonijiet tal-laboratorju f'temperatura ta 'ragħwa ta' 620 ◦C għal 15-il minuta. Il-makrostrutturi u d-distribuzzjoni tad-daqs taċ-ċelluli ta 'AFS u Cf/AFS huma murija fiFig. 6. It-tqabbil tas-sezzjonijiet vertikali taż-żewġ kampjuni tal-istrutturi sandwich juri li r-ragħwa Cf/AFS għandhom ċelluli irqaq u inqas difetti bħal ksur jew għaqda taċ-ċelloli (araFig. 6 (b)). Għall-kuntrarju, kif muri fiFig. 6(a), l-AFS juri omoġeneità fqira tal-pori bil-preżenza ta 'xi pori kbar anormalment. Sadanittant, id-dijametru tal-pori ekwivalenti għal AFS u Cf/AFS kien 2.9 ± 0.2 mm u 1.9 ± 0.1 mm, rispettivament, li jissuġġerixxi li d-dijametru tal-pori kien irfinat aktar biż-żieda ta 'Cf (araFig. 6(c) u (d)).

L-evoluzzjoni tal-istruttura tal-pori hija influwenzata minn żewġ mekkaniżmi kompetittivi: id-dekompożizzjoni ta 'TiH2 u l-għaqda u l-qsim tar-ragħwa. Id-dekompożizzjoni ta 'TiH2 tikkontribwixxi għaż-żieda fin-numru ta' nukleazzjoni, porożità, u rata ta 'espansjoni, filwaqt li l-għaqda u l-qsim tal-bżieżaq inaqqas in-numru ta' pori u jżid id-dijametru tal-pori. It-tnaqqis tal-għaqda tal-bużżieqa u l-avvenimenti tal-qsim jikkontribwixxi biex tinkiseb struttura ċellulari aħjar. Għalhekk, l-istabbiltà għolja tar-ragħwa hija meħtieġa biex tinżamm l-omoġenità tal-istruttura tal-pori matul il-proċess tar-ragħwa. Għal Cf/AFS, iż-żieda ta 'Cf ittejjeb ħafna t-tixrib tal-fibri bit-tidwib tal-aluminju. Simili għar-ragħwa tal-aluminju rinfurzata Cf irrappurtata [44] ippreparata bil-metodu ta 'ragħwa mdewba, iż-żieda ta' Cf tistabbilizza r-ragħwa tal-aluminju billi tipprevjeni l-qsim tal-ħajt taċ-ċelluli u tnaqqas l-agglomerazzjoni. Sadanittant, Cf jista 'joħloq struttura li tixbaħ nett fil-ħajt taċ-ċellula, li tiġġenera forza ta' separazzjoni u tipprevjeni l-qsim tal-bżieżaq, u b'hekk, ittejjeb l-istruttura taċ-ċelluli, l-istabbiltà tal-fowm u l-uniformità tad-distribuzzjoni tal-pori.

3.3. Karatterizzazzjoni mikrostrutturali

Fig. 7(a)turi l-mikrostruttura tal-ħajt taċ-ċellula wara r-ragħwa bl-AFS. Kif irrappurtat għall-fowms tal-liga AlSi6Cu4Mg4, eutectic Al–Si, Mg2Si, Al2Cu, u Al5Cu2Mg8Si6, huma preżenti fil-liga, li jaqbel mas-sejbiet miksuba mill-analiżi EDS f'Fig. 7(b). Dawn il-fażijiet fraġli jnaqqsu l-proprjetajiet mekkaniċi tar-ragħwa tal-aluminju billi jdgħajfu l-ħajt tal-pori jew jaġixxu bħala sors ta 'xquq waqt id-deformazzjoni. Għalhekk, it-titjib tal-proprjetajiet mekkaniċi tal-ħajt tal-pori permezz taż-żieda ta 'fażijiet ta' rinfurzar hija strateġija vijabbli u effettiva.

Għal Cf/AFS, jista 'jiġi osservat minnFig. 7(c) u (d)li l-Cf huwa mqassam ġewwa l-ħajt taċ-ċellula jew fit-tarf tal-ħajt taċ-ċellula, li jindika Cf għandu tixrib eċċellenti mal-tidwib tal-aluminju. Barra minn hekk, huwa notevoli (irreferi għalFig. 7(d)) li ammont żgħir tal-fażi preċipitata Al2Cu jifforma fl-interface bejn il-fibri u t-tidwib tal-aluminju. Dan il-fenomenu jikkontribwixxi biex tinkiseb rabta qawwija bejn il-fibri u l-matriċi. Il-progressjoni ta 'din ir-reazzjoni tad-diffużjoni tista' tiġi osservata b'mod intuwittiv fiFig. 4(a)–(c). Innota li, il-fażi preċipitata ma ddawwarx kompletament il-fibri tal-karbonju, u l-istat u l-ammont ta 'din id-distribuzzjoni huma ta' benefiċċju għal Cf/AFS. Ibbażat fuq l-istudju ta 'Lv et al, fuq materjali komposti tal-matriċi tal-aluminju rinfurzati Cf, intwera li l-ammont xieraq ta' fażi preċipitata jista 'jinfluwenza u jirregola s-saħħa tal-bond interfacial.

Fig. 6.Sezzjonijiet vertikali ta' kampjun rappreżentattiv (a) AFS u (b) Cf/AFS. Il-plots tal-frazzjoni tad-dijametru ekwivalenti kontra l-erja li jikkorrispondu għal (a) u (b) huma murija f'(c) u (d), rispettivament. Il-linja kontinwa solida f'(c) u (d) tirrappreżenta t-tajbin log-normal. Ir-rigressjoni (R2 ) tirrappreżenta t-tjubija tat-tajbin.

Fig. 7.Immaġini SEM (a) u (b) juru l-mikrostrutturi li jikkorrispondu għalFig. 6(a) AFS uFig. 6(b) Cf/AFS, rispettivament, barra minn hekk,Fig. 7(b) u (d) juru ingrandimenti lokalizzati ta'Fig. 7(a) u (c), rispettivament.

3.4. Mekkaniżmu ta' Cf li jistabbilizza fowm Al–Si–Mg–Cu

Ibbażat fuq l-analiżi msemmija hawn fuq, rappreżentazzjoni skematika tal-mekkaniżmu tar-ragħwa għal Cf/AFS u AFS hija mqassra f'Fig. 8. Id-differenzi sinifikanti bejn Cf/AFS u AFS fl-istadju tan-nukleazzjoni, it-tkabbir tal-bużżieqa, u l-istadju tal-għaqda, u l-istadju ta 'solidifikazzjoni gradwali, kif muri f'Fig. 8(a) u (b).

Fig. 8.Dijagramma skematika tal-imġiba tar-ragħwa Cf/AFS u AFS: (a) Cf/AFS; u (b) AFS.

Fl-istadju ta 'nukleazzjoni ta' fowms ta 'liga ta' AlSi6Cu4Mg4, il-bżieżaq għandhom it-tendenza li jinnukleaw fi ħdan l-ewtektiku kwaternarju likwidu li jdawwar il-partiċelli tar-ram, aktar milli jinnukleaw fil-post tal-partiċelli TiH2. Dan it-tip ta 'nukleazzjoni fl-iktar reġjun dgħajjef tal-prekursur (nukleazzjoni tat-tip II) jipprovdi aktar kanali ta' ħarba għall-gassijiet rilaxxati mid-dekompożizzjoni ta 'TiH2, tevita l-akkumulazzjoni ta' gassijiet u tikkawża xquq li jinfirxu fit-tidwib tal-aluminju. Iż-żieda ta 'fibri tal-karbonju miksija bir-ram apparentement tkompli toħloq aktar kanali għar-rilaxx ta' H2. Madankollu, peress li t-tidwib tal-aluminju m'għandux frazzjoni likwida suffiċjenti f'dan l-istadju, huwa diffiċli għal bżieżaq żgħar bħal dawn li jkollhom sors suffiċjenti ta 'H2 biex ikomplu jikbru. Bħala riżultat, dawn il-bżieżaq żgħar jinkisru fit-tidwib hekk kif it-temperatura togħla. Meta l-prekursur ikun imdewweb kompletament, l-H2 rilaxxat mir-reazzjoni vjolenti ta 'deidroġenazzjoni ta' TiH2 jinnuklea u jikber malajr ibbażat fuq il-punt ta 'nukleazzjoni. Is-Cf jipprovdi bosta siti ta 'nukleazzjoni eteroġeni għall-ġenerazzjoni ta' bżieżaq, li jżidu ħafna r-rati ta 'nukleazzjoni. Fl-istess ħin, il-preżenza ta 'Cf effettivament jinibixxi l-kuntatt u l-għaqda tal-bżieżaq primarji u tevita l-formazzjoni ta' bżieżaq kbar b'mod anomali.

Matul l-istadju tat-tkabbir u l-għaqda tal-bżieżaq, iż-żieda ta 'Cf ittejjeb b'mod sinifikanti l-istabbiltà tal-fowm. Ir-raġuni hija li Cf u t-tidwib tal-aluminju għandhom tixrib tajjeb, u l-fibri jistgħu jinqabdu faċilment bejn iż-żewġ interfaces tal-gass-likwidu biex jiffurmaw struttura tan-netwerk (kif muri f'Fig. 7(c)). Peress li l-film likwidu huwa mraqqa, il-fibri jistgħu jiġġeneraw pressjoni ta 'separazzjoni biex jirreżistu l-ġbid mill-konfini tal-plateau, u b'hekk jipprevjenu li l-film likwidu jinqata'. Allura Cf/AFS jeħtieġ ħin itwal ta 'ragħwa meta mqabbel ma' AFS, bi stabbiltà ogħla li tista 'żżomm l-uniformità tal-istruttura tal-pori matul l-evoluzzjoni tar-ragħwa.

Matul l-istadju ta 'solidifikazzjoni bil-mod, il-bżieżaq f'Cf/AFS m'għadhomx jikbru u l-fibri huma inkorporati fil-ħajt taċ-ċellula (immarkati bil-kaxxa bit-tikek ħamra). Din iż-żamma tal-fibri tipprevjeni l-assorbiment ta 'bżieżaq żgħar minn dawk akbar, kif jidher fil-maturazzjoni ta' Ostwald, u jinibixxi l-qsim tal-ħajt taċ-ċelluli minħabba l-espansjoni tas-solidifikazzjoni. Bħala riżultat, Cf/AFS juri struttura tal-pori aktar omoġenja u inqas difetti fil-pori meta mqabbla ma 'AFS.

3.5. Proprjetajiet mekkaniċi

Il-kurvi ta' stress-strain kompressivi għal Cf/AFS u AFS bi kważi l-istess porożità (83.2% u 81.4%, rispettivament) huma ppreżentati f'Fig. 9(a). Il-kurva tal-istress-strain kompressiva turi karatteristika distinta ta 'tliet stadji, li tinkludi r-reġjun elastiku lineari, ir-reġjun tal-plateau, u r-reġjun ta' densifikazzjoni. Il-qawwa tal-produzzjoni kompressiva ta 'AFS u Cf/AFS kienu 8.44 MPa u 11.87 MPa, rispettivament. Il-qawwa ta 'rendiment kompressiva ta' Cf / AFS żdiedet b'40.6% meta mqabbla ma 'AFS. Sadanittant, il-kapaċità ta 'assorbiment ta' enerġija ta 'Cf/AFS hija aħjar minn dik ta' AFS fl-istess razza, kif muri f'Fig. 9(b). Il-kapaċitajiet ta 'assorbiment ta' enerġija ta 'AFS u Cf/AFS huma madwar 3.3 MJ/m3 u 6.1 MJ/m3, rispettivament. Il-kapaċità ta 'assorbiment ta' enerġija ta 'Cf/AFS hija mtejba b'84.8% meta mqabbla ma' AFS.

Fig. 9.Kurvi kompressivi ta' stress-train u kurvi tal-kapaċità ta' assorbiment ta' enerġija ta' Cf/AFS u AFS: (a) kurvi kompressivi ta' stress-train; (b) kurvi tal-kapaċità tal-assorbiment tal-enerġija.

L-inkorporazzjoni ta 'Cf tejbet b'mod sinifikanti l-proprjetajiet mekkaniċi tal-qalba tal-fowm. Huwa magħruf sew li l-proprjetajiet mekkaniċi ta 'fowm tal-aluminjuhuma relatati mill-qrib mal-istruttura tal-pori u l-proprjetajiet mekkaniċi tal-istrut. L-analiżi makrostrutturali indikat li ż-żieda ta 'Cf irfinat id-daqs tal-pori, tejbet id-distribuzzjoni tal-pori, u naqqset id-difetti tal-pori. Simili għas-sejbiet ta’ Sasikumar et al. u Yangetal. dijametru żgħir tal-pori u distribuzzjoni dejqa tal-pori huma aktar ta 'benefiċċju biex itejbu s-saħħa kompressiva u l-effiċjenza tal-assorbiment tal-enerġija. Barra minn hekk, l-effett tal-mikrostruttura fuq il-proprjetajiet mekkaniċi tar-ragħwa huwa prinċipalment dovut għall-Cf inkorporat fil-ħitan tal-pori tar-ragħwa. Id-diffużjoni u x-xoljiment tal-fibri tal-karbonju miksija bir-ram fil-matriċi tal-aluminju jistgħu jiksbu rabta interfaċjali aktar soda bejn il-fibri u l-matriċi tal-aluminju, li tikkontribwixxi għat-trasferiment tat-tagħbija. Il-fibra tal-karbonju ta 'modulu għoli stapled fil-ħajt tal-pori tista' tillimita d-deformazzjoni tal-ħajt tal-pori taħt tagħbija ta 'kompressjoni u ttejjeb il-kapaċità li ġġorr it-tagħbija. Dawn il-fatturi kollha jiffavorixxu lil Cf/AFS biex tinkiseb saħħa ta 'rendiment ogħla u kapaċità ta' assorbiment ta 'enerġija meta mqabbla ma' AFS.

4. Konklużjonijiet

Is-Cf/AFS u l-AFS ġew ippreparati bil-metodu tal-metallurġija tat-trab tal-irrumblar tal-ippakkjar f'dan ix-xogħol. L-imġiba tar-ragħwa ta’ Cf/AFS u AFS kienet osservata b’mod dinamiku permezz ta’ radjazzjoni sinkrotron għal

tinvestiga l-influwenza ta 'Cf fuq in-nukleazzjoni u t-tkabbir tal-bużżieqa. Barra minn hekk, Cf fuq il-morfoloġija tal-pori, id-distribuzzjoni tal-pori, u l-proprjetajiet tal-kompressjoni tal-fowms tal-aluminju ġiet analizzata bir-reqqa. Il-konklużjonijiet ewlenin huma kif ġej:

(1) Osservazzjonijiet in situ tar-radjazzjoni sinkrotron juru li kemm il-proċessi tar-ragħwa Cf/ AFS kif ukoll AFS juru tliet stadji distinti: nukleazzjoni tal-bużżieqa, tkabbir u għaqda tal-bużżieqa, u solidifikazzjoni.

Meta mqabbel ma 'AFS, il-proċess tar-ragħwa ta' Cf/AFS juri stabbiltà ogħla u uniformità tal-bużżieqa. L-AFS hija aktar suxxettibbli li tifforma pori anormalment kbar u oħxon matul il-proċess tal-evoluzzjoni tal-pori. Barra minn hekk, id-disparità hija attribwita għall-effett ta 'nukleazzjoni eteroġenju ta' Cf, li jipprevjeni l-qsim tal-ħajt tal-bużżieqa u jnaqqas il-koalescence filwaqt li jżid ir-rata ta 'nukleazzjoni.

(2) Iż-żieda ta '0.5 wt.% Cf tirfina d-dijametru tal-pori ekwivalenti minn 2.9 ± 0.2 mm għal 1.9 ± 0.1 mm, tnaqqas b'mod sinifikanti d-difetti tal-pori oħxon. Fl-istess ħin, il-mikrostruttura tiżvela tixrib tajba ta 'Cf, li hija mqassma tul il-ħajt tal-pori u l-interface tal-gass-solidu, u b'hekk ittejjeb l-istabbiltà tal-fowm.

(3) Meta mqabbel ma 'AFS, is-saħħa ta' rendiment kompressiva u l-kapaċità ta 'assorbiment ta' enerġija tas-Cf/AFS żdiedu b'madwar 40.6% u 84.8%, rispettivament. Is-sejbiet ta 'dan l-istudju jistgħu jipprovdu ideat għat-tisħiħ ta' pannelli sandwich tal-fowm tal-aluminju b'interfaces ta 'twaħħil metallurġiku li għandhom il-potenzjal għal applikazzjonijiet ta' inġinerija fil-qasam tal-industriji tal-karozzi u aerospazjali.

Artikolu minn Ġurnal ta 'Riċerka u Teknoloġija tal-Materjali....