泡沫铝夹芯板气泡的生长行为与稳定性研究

复合轧制-粉末冶金方法是制备泡沫铝夹芯板的有效方法，但其发泡过程的控制仍未彻底解决。由于其涉及的工艺参数众多，参数间相互影响错综复杂，单纯通过发泡实验，很难全面了解芯材发泡过程中各项参数对泡沫生长行为的影响，更无法掌握其作用机理、稳定机制。格子boltzmann方法（LBM）因其独特的优点为泡沫铝夹芯板发泡过程的模拟提供了强有力的工具。本项目拟通过冷淬法对不同阶段泡沫的孔隙率、泡孔尺寸及孔壁的特征进行实验分析；拟引入改进的三维LBM技术，采用多松弛（MRT）算法及表面张力的势能表达式分别处理数值稳定性及大密度比两相流，研究泡沫铝夹芯板芯材泡沫形核、长大、合并及带约束的排液过程中气液两相流体的动力学行为，建立可处理发泡剂气化、气液两相流的LBM介观模型。最终揭示泡沫相互作用行为及稳定机制，制定泡沫控制准则，实现泡沫铝夹芯板发泡过程的仿真及预测。为制备泡沫均匀、稳定的夹芯板提供技术和理论支持。

复合轧制方法是制备泡沫铝夹芯板的有效方法，本项目通过实验和有限元fluent模拟研究复合轧制法制备泡沫铝夹芯板的芯材错综复杂的发泡过程。首先进行实验研究，进行主要参数（TiH2的粒度、混粉时间、TiH2发泡剂的热处理、发泡温度、添加合金元素）对发泡行为的影响，实验发现TiH2粒度不宜过大，在38μm- 48μm之间较为适宜，混料时间直接影响泡孔的均匀性和稳定性，因此混料两个小时氢化钛分布比较均匀。另外发泡剂TiH2的预先热处理对泡孔稳定性起到至关重要的作用，实验发现最好工艺解决方案是将轧制好的发泡预制体进行炉中450℃保温2小时的热处理。发泡温度和时间是直接影响发泡过程中熔体的黏度，因此需严格控制。另外还对原始粉末中添加不同的合金元素对发泡过程的影响进行研究，发现铝能润湿三氧化二铝最好的条件就是形成铝硅共晶合金，Mg的加入大大改善了Al/Al2O3 的润湿性，中度润湿的氧化物颗粒减慢了由于重力作用而导致的排液。因此对于本项目来说，Si和Mg的加入是控制泡孔稳定性的重要因素。. 进行fluent数值模拟研究气泡表面流体流动对气泡稳定性的影响，进行单个气泡的建模，根据实验结果气泡的形状近似有球形、椭球形、多边形，因此建立了三种气泡模型，从几个方面进行模拟研究，(1) 气泡的形状不变，在气泡均为球形时，改变铝熔体的粘度，从模拟结果的气泡表面压力和速度云图发现，在一定温度范围内，随着铝熔体粘度的降低，气泡的稳定性下降。由理论所得，液态下气泡由液体膜分离，在气泡的交界处，由于表面张力的作用，液膜中的液体会向交界处流动。降低粘度使流动增强并削弱气泡膜的强度，液体流动阻力小，气泡膜易破裂，小气泡容易并聚长大，气泡稳定性差。所以模拟与实际基本是相吻合的，（2）气泡形状（球体、椭球体、正十二面体）对泡孔稳定性的影响，通过黏度一定，而改变气泡形状，发现正十二面体的泡孔最稳定，模拟结果与实际实验结果也十分吻合，（3）孔壁处的固体颗粒对稳定性的影响，实验发现Mg元素的适量加入，大大改善了Al/Al2O3 的润湿性，模拟结果表明Al2O3颗粒的适度润湿增加了泡沫铝发泡过程的稳定性。. 项目揭示影响泡沫铝稳定性的因素有发泡剂分布的均匀性、预处理、添加合金元素、固体颗粒适度润湿以及适度控制发泡温度和时间使得熔体黏度适中，最终控制复合轧制法制备泡沫铝夹芯板的芯材发泡过程稳定。