超声场中泡沫铝夹芯板的制备和泡孔形态控制的基础研究

Aluminum foam sandwiches(AFS), for the potential prospect of application in engineering, is a new type of composite material, and an efficient method to prepare the AFS is the powder metallurgy methods. However, many problems of cell morphology and size control are still not solved that restricting extensive application of the AFS and its preparation needs still to be improved. In this project, we are proposing that the ultrasonic field is applied to the preparation process of AFS, Microstructure, pore sizes and cell walls of AFS obtained in the aid of the Ultrasonic-field will be researched. Decomposition, solution and precipitation of TiH2 powder, pore nucleation, growth, amalgamation and rupture of pores during the foaming process will be an analyzed in order to formulate the control rules and obtain optimum foaming parameters. Finally, we would exactly clarify internal mechanism of ultrasonic field's effect to cell morphology, size and organization structure. These all can provide new ideas and theoretical guidance for the development and application of the preparation of AFS.

泡沫铝夹芯板是一种新型复合材料具有广泛的应用前景，粉末冶金方法是制备泡沫铝夹芯板的有效方法，但对泡孔形态和尺寸的控制等问题仍未能彻底解决，制约了该材料的有效应用，因此其制备技术有待完善。针对这一状况，本项目提出将超声场应用于泡沫铝夹芯板的制备过程中，通过超声场作用控制气泡生长和组织结构的优化。通过超声场作用："冻结"不同阶段而获得的泡沫铝夹芯板的微观形貌、泡孔尺寸及孔壁进行研究，分析超声场对TiH2的分解、溶解析出、气泡形核、长大、合并及破裂的整个发泡过程的影响，制定泡沫控制准则，并获得最佳的工艺参数。最终阐明超声场作用对泡孔形态、泡孔尺寸和组织结构影响的内在机制，从而为泡沫铝夹芯板的制备提供新的思路和科学依据。

泡沫铝夹芯板是一种结构功能一体化的新型复合材料，宏观上具有夹芯结构的复合特征，在充分发挥泡沫铝材料自身特点的同时，解决了单一泡沫铝强度较低，难于连接等问题，具有质轻、吸能效率高、比刚度较高等特点，可广泛应用在航空航天制造、轨道交通、海运、军事装备等领域。然而泡沫的稳定性，泡孔形状、大小、均匀性的控制和重现性差等问题一直制约了泡沫铝夹芯板产业化的发展及其应用，因此控制泡沫的生长过程及稳定性是泡沫铝夹芯板在制备中要解决的关键问题之一。本项目通过超声场协同制备泡沫铝夹芯板的方法，解决了泡沫铝夹芯板在制备过程中存在泡孔形态、尺寸大小与基体性能等问题。研究结果表明：导入超声场的最佳工艺是：导入温度为700℃，功率为600~700W，时间为30~40S，可以制备出芯层平均孔径为1~2mm，平均密度为0.8~1.0g/cm3，芯层平均密度为0.3~0.6g/cm3的界面实现冶金结合、泡孔均匀且基体组织细小的泡沫铝夹芯板。超声空化效应形成的空化泡的生成、长大和破灭，使基体为初生α（Al）相上首先结晶出少量的初生硅相，初生Si作不规则运动，在不同位置受不同大小和方向的作用力，从而使其难以聚集成团，并且由于紊流作用减小了初生晶粒的边界层，使晶粒生长前沿的温度梯度增大，从而减小了初生Si的生长速度与团状聚集，增强了基体性能，超声空化产生的高压冲击波促进TiH2分解，形成多边形小孔。通过动能控制实验可得，泡沫铝夹芯板的能量耗散主要是E=E板+E孔压+E孔弯+E孔剪+E孔摩，泡沫铝夹芯板的破坏模式主要是“U”型断裂与“V”型断裂。材料的性能达到了项目立项时提出的预期目标，本项目的研究为泡沫铝夹芯板的制备提供了新的思路和科学依据。