混合元素轧制法制备泡沫铝夹芯板及其性能研究

论文摘要

泡沫铝是一种新型功能材料,具有低密度、吸收冲击能、低热导率、低磁导率和良好阻尼性等性能,但是单一的泡沫结构存在强度低和脆性较大的缺点。传统的泡沫铝夹芯板由泡沫铝芯和外层的致密金属板通过各种连接方式所组成,尽管这种复合结构比单一泡沫结构在性能上有所提高,但制备工艺相对复杂,结合强度较低,耐高温能力差。采用混合元素轧制法制备泡沫铝夹芯板实现了面板和泡沫芯之间的冶金结合,极大地改善了材料的力学性能。泡沫铝夹芯板具有质轻、比强度及比刚度高等突出特点,在汽车制造、航空、航天、轨道交通等领域具有广阔的应用前景,是一种综合性能优异的、国民经济发展急需的重要功能材料。本课题采用混合元素轧制法对制备高性能泡沫铝夹芯板的工艺过程和基础理论进行了研究。本项工艺具有两个明显的优点：①可以灵活地按照需要的合金添加各种合金化元素,通过均匀化混合和高温发泡,即可获得近终型产品；⑦采用轧制技术与粉末冶金法相结合制备泡沫铝夹芯板,实现金属面板与泡沫铝芯的直接复合,取代了传统的粘结工艺。本文的主要研究内容和结论如下：研究了混合元素轧制法制备泡沫铝夹芯板的整个工艺过程,分别从轧制压下率、发泡时间、发泡温度等方面考察了获得最佳发泡效果的工艺条件。重点分析了Si粒度对泡沫铝夹芯板泡孔结构均匀性和稳定性的影响,研究了对氢化钛进行热处理以及加入适量的Mg粉对发泡效果的影响,探讨了发泡后面板与泡沫芯层的结合情况。结果表明：以Al、Si元素粉末为主要原料,TiH2为发泡剂,轧制压下率为65-70%,发泡温度在630-640℃之间,发泡时间为7-9min,可以制备出结构均匀的泡沫铝夹芯板；通过对氢化钛进行热处理可以提高泡沫铝夹芯板的泡孔均匀性；减小硅颗粒粒度以及添加质量分数为1%Mg粉末可以有效改善泡沫铝夹芯板的泡孔结构。对泡沫铝夹芯板分别进行了摆锤冲击试验与三点抗弯试验,结合理论分析确定了材料的变形特点及失效方式,测试了泡沫铝夹芯板的界面结合性能。摆锤冲击实验结果表明：泡沫铝夹芯板具有较好的冶金结合界面,不同孔隙率的泡沫铝夹芯板受冲击后的破坏机制是不同的,夹芯板的抗冲击性能随孔隙率的增加而提高。抗弯实验结果表明：在弯曲载荷作用下,铝面板/泡沫芯的界面依然紧密结合,没有产生面板和芯层的剥离现象。泡沫铝夹芯板的泡孔沿受力方向具有逐渐破坏的特点,充分说明了泡沫铝夹芯板具有缓冲吸能的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 泡沫铝材料
• 1.2 泡沫铝夹芯板材料
• 1.2.1 泡沫铝夹芯板的主要性能
• 1.2.2 泡沫铝夹芯板的主要应用领域
• 1.2.3 泡沫铝夹芯板的主要制备方法
• 1.3 泡沫铝夹芯板国内外研究进展
• 1.4 目前制备工艺存在的主要问题
• 1.5 本实验研究内容及意义
• 第二章 实验原理与过程
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 芯层粉末
• 2.1.2 发泡剂
• 2.1.3 金属面板
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 混料
• 2.3.2 面板表面处理
• 2.3.3 预压和轧制
• 2.3.4 发泡
• 2.4 分析方法及设备
• 2.4.1 密度的测定
• 2.4.2 粒度测试
• 2.4.3 金相组织分析
• 2.4.4 扫描电镜分析
• 2.4.5 X射线衍射分析
• 2.4.6 冲击性能测试
• 2.4.7 三点抗弯测试
• 2.4.8 力学实验后界面的观察
• 第三章 泡沫铝夹芯板的制备工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 粉末合金化机理
• 3.2.1 粉末在发泡预制体芯层中的存在状态及扩散方式
• 3.2.2 Al、Si合金化过程
• 3.3 主要工艺参数对泡沫铝夹芯板发泡效果的影响
• 3.3.1 Si颗粒粒度对发泡效果的影响
• 3.3.2 发泡温度对发泡效果的影响
• 3.3.3 发泡时间对发泡效果的影响
• 3.3.4 轧制压下率对发泡效果的影响
• 3.3.5 粉末混合对发泡效果的影响
• 2热处理对发泡效果的影响'>3.3.6 TiH₂热处理对发泡效果的影响
• 3.3.7 添加Mg元素粉末对发泡效果的影响
• 3.4 泡沫体的形成与稳定因素
• 3.4.1 发泡过程中泡沫体的形成与长大
• 3.4.2 泡孔的均匀性及稳定性
• 3.5 界面结合及面板凸起
• 3.5.1 发泡后界面结合情况
• 3.5.2 面板凸起现象的形成与控制
• 3.6 冷却控制
• 3.7 本章小结
• 第四章 泡沫铝夹芯板的力学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 冲击实验结果与分析
• 4.3 抗弯实验结果与分析
• 4.3.1 宏观分析
• 4.3.2 力学行为分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 作者简介