Progreso de la investigación del nuevo material funcional espuma de aluminio

1. Introducción

El aluminio espumado es un nuevo tipo de material funcional, que es un material metálico ultraligero similar a la espuma con numerosas burbujas dispersas en la matriz de aluminio metálico, y la porosidad general es del 40% ~ 98%. En 1948, Sonik propuso un método para preparar aluminio espumado vaporizando y espumando mercurio en aluminio, y luego Elliot preparó con éxito aluminio espumado en 1951. En la década de 1960, American Ethyl Company se convirtió en una base de centro de investigación científica para el desarrollo de espuma de aluminio. En 1991, el Instituto Kyushu de Metales Industriales de Japón desarrolló una ruta de proceso para la industrialización del aluminio espumado, y ahora se pueden producir piezas grandes y pequeñas mediante métodos de espuma y percolación de metales. Hasta hoy, los Estados Unidos, el Japón, el Reino Unido, Francia, el Canadá y otros países han desarrollado sucesivamente una serie de patentes técnicas. En mi país, también se ha llevado a cabo un trabajo exploratorio sobre la investigación básica sobre el proceso de preparación del aluminio espumado, y se han logrado algunos progresos.

La espuma de aluminio tiene muchas propiedades excelentes debido a su estructura única. No solo tiene las propiedades livianas de los materiales porosos, sino que también tiene excelentes propiedades mecánicas y térmicas, eléctricas y otras propiedades físicas que tienen los metales, como penetración, amortiguación, absorción de energía, alta área de superficie específica, blindaje electromagnético y otras propiedades. Ahora, las principales aplicaciones del aluminio espumado son: paneles ignífugos y fonoabsorbentes, materiales absorbentes de energía de impacto, paneles de construcción, placas de difusión de gas semiconductor, intercambiadores de calor, blindaje electromagnético, etc. Se puede utilizar en los campos de la metalurgia, la industria química, la industria aeroespacial, la construcción naval, la electrónica, la fabricación y construcción de automóviles, y el alcance de la aplicación se está expandiendo constantemente.

2. Método de preparación de espuma de aluminio

2.1 Método de fundición

El método de fundición es ampliamente utilizado en la fabricación de aluminio espumado, y el método de preparación es relativamente maduro. A continuación se presentan varios métodos relacionados.

2.1.1 Método de conversión por filtración

El método de fundición por percolación consiste en infiltrar aluminio metálico líquido a alta temperatura en los huecos de las partículas de relleno bajo una cierta presión, y eliminar las partículas solubles encerradas en la aleación de aluminio después de la solidificación, es decir, para obtener aluminio espumado con una estructura de celda conectada. Este método se puede dividir en el método de fundición por infiltración a presión superior y el método de fundición por infiltración a presión negativa. El método de fundición sulfurizante de presión superior es un material de electrodo con resistencia, alta conductividad, excelente transferencia de calor y resistencia a la fluencia en comparación con el método de fundición por infiltración a presión negativa.

(3) La vida útil promedio de los electrodos de cobre reforzado con dispersión Al2O3 para soldar placas de acero aluminizado de 1,5 mm de espesor es de 7200 puntos, lo que puede satisfacer las necesidades de la soldadura por correa a prueba de explosiones CPT.

Tiene las ventajas de una operación de proceso simple, velocidad de precalentamiento rápida, alta productividad y rendimiento, gran factor de seguridad, inversión en equipos pequeños y fácil producción mecanizada. Entre ellos, la selección y el procesamiento de partículas de relleno es muy crítica, que tiene las siguientes características: suficiente resistencia al calor, no se derrite a la temperatura de vertido; suficiente resistencia y rigidez, no rotas y deformadas bajo la acción de la presión de filtración; buena eliminación Las partículas de relleno en los poros tridimensionales se pueden eliminar completamente con un disolvente o solución acuosa después de que el líquido de aluminio se solidifique; estabilidad química, no reacciona con el líquido de aluminio. Este método es fácil de operar, y la porosidad promedio puede alcanzar el 70%, lo cual es conveniente para la producción a gran escala. En la actualidad, el método de percolación no solo se utiliza en la fabricación de espuma de aluminio, sino también en la producción de materiales de espuma como zinc, magnesio, plomo, estaño y hierro, que se pueden usar para fabricar piezas con formas complejas.

2.1.2 Método de agregar bola

El método de adición de bolas es agregar partículas o esferas huecas a la aleación de aluminio líquido, fortalecer la agitación y fundir el líquido de aluminio que todavía está en flujo relativo para obtener una aleación de aluminio y un compuesto de partículas, y luego disolver y eliminar la matriz de aleación de aluminio. Se obtuvieron partículas solubles y una espuma de aluminio de celda conectada.

2.1.3 Método de fundición de inversión

Primero, se utiliza un material de esponja de espuma continua tridimensional con una cierta porosidad como material principal, y luego se enjuaga un material refractario fácil de quitar en la espuma similar a una esponja, se seca y endurece para formar una forma prefabricada, y luego se dispara para endurecer el material refractario y hacerlo La esponja de espuma se vaporiza y descompone, y luego la preforma se coloca en un molde de metal, se vierte en metal fundido, y se le aplica una cierta presión o se realiza una fundición al vacío para llenar los poros del molde con metal fundido, y se retira después del enfriamiento. El bloque de material refractario se puede obtener en red tridimensional a través de la espuma de aluminio de la celda. La espuma de aluminio producida por este proceso de preparación de fundición de inversión tiene una buena penetración tridimensional, y el proceso tiene una amplia gama de aplicaciones y no es corrosivo, y tiene una buena perspectiva en la fabricación de productos permeables a fluidos.

2.1.4 Método de formación de espuma

Hay dos tipos de método de espuma de gas y método de espuma líquida de metal. El método de espuma de gas es soplar gas en el metal fundido fundido para espumar el metal fundido. El gas utilizado para la formación de espuma puede ser oxígeno, argón, aire, vapor de agua, dióxido de carbono, etc. La clave técnica es que la masa fundida debe tener una viscosidad adecuada, la composición del metal debe garantizar un rango de temperatura de espuma lo suficientemente amplio y la espuma formada debe tener suficiente estabilidad para garantizar que la espuma no se rompa durante el posterior proceso de recolección y moldeo. El método de espuma de gas es actualmente el método más barato para producir espuma de metal. El tamaño de la espuma es muy grande, y la porosidad de los productos de aluminio espumado puede alcanzar el 97%. El método de espuma de metal líquido fue ampliamente utilizado en los primeros días, principalmente agregando TiH2, ZrH2, CaH2 y otros agentes espumantes a la aleación de aluminio líquido, y luego calentando para descomponer el agente espumante para liberar el gas, y la expansión del gas convirtió la aleación de aluminio en una espuma, y luego se enfrió. se obtiene el producto de aluminio espumado. La espuma de aluminio preparada por este método pertenece a la espuma de aluminio de celda cerrada. La estructura y la porosidad de los poros están relacionadas con la viscosidad del metal fundido y el tiempo de formación de espuma. Controlar la viscosidad del metal fundido y el tiempo de formación de espuma durante el proceso de fusión puede controlar la porosidad. Sin embargo, los poros son independientes entre sí, su tamaño y distribución son desiguales y el control es complicado.

2.1.5 Método de solidificación eutéctica

El gas tiene una cierta solubilidad en el metal fundido, y aumenta con el aumento de la presión y la temperatura. Cuando la solubilidad del gas en el metal alcanza un valor predeterminado, el metal y la fase gaseosa se someten a solidificación eutéctica para obtener la espuma de aluminio deseada. , controlando con precisión las condiciones de enfriamiento (presión, velocidad de enfriamiento, dirección de disipación de calor), se pueden obtener espumas de aluminio isotrópicas y anisotrópicas de alta porosidad con varias formas de poros [18].

2.2 Método de deposición

2.2.1 Método de deposición de pulverización

El método de deposición por pulverización es usar la tecnología de pulverización para rociar uniformemente el polvo con gas inerte sobre el metal de aleación de aluminio y calentarlo hasta el punto de fusión del metal, de modo que el gas agregado en la matriz metálica se expanda en agujeros, y después del enfriamiento, se obtiene un aluminio espumado con una estructura espumada. La fracción de volumen de poro del producto obtenido por este método se puede controlar controlando la presión parcial del gas inerte en la deposición, y la fracción de masa del gas de inclusión se puede variar en el rango de 0.015% a 0.23%.

2.2.2 Deposición por evaporación de vapor

En una atmósfera inerte de presión relativamente alta (102 ~ 103Pa), el aluminio metálico se evapora lentamente, y los átomos de metal evaporados sufren una serie de colisiones y dispersión con el gas inerte en el proceso de avance, y pierden rápidamente energía cinética, por lo que se condensan parcialmente para formar humo de metal, El humo de metal se deposita bajo la acción de su propia gravedad y es transportado por el flujo de gas inerte, y continúa enfriándose durante el proceso descendente, y finalmente llega a la base. Debido a su baja temperatura, es difícil que los átomos migren o se difundan, por lo que las partículas de humo metálico solo se apilan libremente para formar la estructura de espuma celular. La espuma de aluminio producida por esta técnica es diferente del aluminio espumado con una estructura macroscópica. Se compone de una gran cantidad de partículas metálicas y microporos a escala submicrométrica, y su densidad es de aproximadamente el 1% de la densidad del aluminio metálico original, y el mínimo es del 0,15%.

2.2.3 Electrodeposición

Este método consiste en cubrir el plástico espumado con múltiples pasos como el tratamiento de rugosidad, el tratamiento de sensibilización y activación, el prechapado químico y el recubrimiento químico, etc., y luego calentar el plástico espumado para descomponerse y obtener aluminio espumado. Entre ellos, los dos procesos de sensibilización y activación del tratamiento juegan un papel muy importante. El tratamiento de sensibilización consiste en hacer que la superficie de la parte rugosa adsorbera los iones reductores, de modo que durante el tratamiento de activación iónica, la superficie de la pieza forme una capa con propiedades catalíticas. El papel de la capa de metal precioso, para que el recubrimiento sin electricidad se pueda llevar a cabo espontáneamente, de modo que la espuma se convierta en un semiconductor, lo que a su vez promueve el éxito de la galvanoplastia de aluminio. La espuma de aluminio preparada por este método tiene una buena conectividad de poros, distribución uniforme y gran porosidad, pero el grosor del producto es limitado y el costo es alto.

2.2.4 Galvanoplastia de sal fundida aluminio

El aluminio de galvanoplastia en sales fundidas es un tipo de espuma de aluminio porosa hecha por proceso de electrodeposición en sal fundida que contiene sal de aluminio, con plástico de espuma como cátodo de electrodo y placa de aluminio como ánodo. La espuma de aluminio hecha por este método tiene una alta porosidad y poros uniformes.

2.3 Pulvimetalurgia

2.3.1 Método de formación de espuma en polvo

El método de espuma en polvo es mezclar polvo de aluminio con un agente espumante (TiH2) y comprimirlo axialmente a una cierta temperatura para obtener una preforma con una estructura hermética. Un método de expansión del producto para obtener aluminio espumado. Mezclar, prensar y espumar son los tres eslabones importantes en el método de espuma en polvo. Al mismo tiempo, ajustando los parámetros en el proceso de formación de espuma (la cantidad de agente espumante, la temperatura de espuma y el tiempo de formación de espuma), se puede obtener aluminio espumado con diferentes estructuras celulares.

2.3.2 Método de conformado de purines

El método de moldeo de lodos consiste en formar una suspensión de polvo de aluminio metálico, agente espumante (ácido fluorhídrico, hidróxido de aluminio o ácido ortofosfórico) y portador orgánico, agitarlo en un estado que contenga espuma y luego ponerlo en un molde y calentarlo Después de la calcinación, se puede obtener aluminio metálico sólido con estructura porosa. Este método se utilizó inicialmente para hacer espuma de Be, Fe, Cu y materiales de acero inoxidable, y más tarde para crear aluminio espumado. Pero la resistencia del producto es muy baja.

2.3.3 Método de moldeo en polvo

El método de moldeo en polvo es un método de mezclar polvo de aluminio metálico con un agente espumante (TiH2), formándolo por presión fría o caliente, y luego sinterizándolo en aluminio espumado. Tiene dos ventajas importantes: una es que se puede utilizar para una gama más amplia de composiciones de aleaciones que otros métodos, controlando así las propiedades mecánicas de la espuma de aluminio; Espuma de aluminio en forma de sándwich y estructuras de turbina llenas de espuma de aluminio

2.3.4 Método de sinterización de polvo suelto

El principio del método de sinterización de polvo suelto es que cuando las partículas finas están en contacto entre sí, pueden unirse entre sí a través de la acción de la tensión superficial. Estos polvos de aluminio de metal fino se colocan en el molde para la sinterización, y las partículas se unen entre sí para formar un cuerpo sinterizado poroso. Este método también se puede utilizar para producir filtros con una porosidad típicamente del 40% al 60%.

2.3.5 Método de sinterización de esponjas de impregnación

En la pulvimetalurgia, el material esponjoso también se puede utilizar como una estructura de soporte temporal para generar espumas de aluminio uniformes y de alta porosidad. La materia orgánica esponjosa se corta en la forma deseada y luego se infiltra con una suspensión que contiene el polvo de aluminio metálico que se procesará (el portador de la suspensión es agua y líquido orgánico). La materia orgánica sumergida similar a una esponja se seca para eliminar el flujo, y después del enfriamiento, se puede obtener el aluminio metálico espumado con una estructura tridimensional de alta porosidad. El método también se utiliza para producir láminas de plata espumada con una porosidad del 70% al 90%.

2.3.6 Método de sinterización de fibras

El alambre de aluminio metálico utilizado en este método es un alambre metálico obtenido por dibujo mecánico u otros métodos. El alambre de aluminio metálico se convierte en un anillo de fieltro mediante fundición deslizante o método de anillo de fieltro mecánico, y luego se sinteriza para lograr la resistencia requerida. y porosidad. La espuma de aluminio porosa preparada por este método tiene ventajas bastante sobresalientes: se puede obtener una mayor porosidad que la sinterización en polvo, hasta un 95%; todos los poros son poros interconectados; la porosidad máxima se mantiene. Propiedades estructurales; a la misma porosidad, la resistencia y la tenacidad son varias veces más altas que las de la pulvimetalurgia. También se puede utilizar para fabricar varios filtros metálicos, como acero inoxidable, cobre, níquel, nicrom, etc.

2.3.7 Método de disolución por sinterización

El método de disolución por sinterización es un nuevo método para la fabricación de aluminio espumado desarrollado en los últimos años. Es un método de preparación de espuma de aluminio a través de la célula mediante la mezcla, presurización, sinterización y disolución de polvo de aluminio y partículas de relleno. Tiene las características de que la forma, el tamaño, la porosidad y la distribución de los poros se pueden controlar con precisión, y tiene un buen índice completo de calidad y precio. Es un método eficaz para producir espuma de aluminio de densidad media con aberturas finas uniformes o degradadas.

3. Propiedades y aplicaciones de la espuma de aluminio

En términos de estructura, la espuma de aluminio se puede dividir en dos tipos: espuma de aluminio de celda cerrada y espuma de aluminio de celda abierta. Las características organizativas y morfológicas de la espuma de aluminio, incluida la estructura de los poros (abiertos o cerrados), la densidad relativa, el tamaño de los poros, la forma de los poros, el grosor de la pared de los poros, la anisotropía, etc. La microscopía electrónica y la tomografía de rayos X se utilizan para el análisis y la investigación, y la investigación en esta área se está desarrollando rápidamente. Debido a las diferentes estructuras, sus propiedades son muy diferentes, por lo que tiene diferentes usos. En comparación con el aluminio metálico tradicional, el aluminio espumado tiene las siguientes características y es ampliamente utilizado en la metalurgia, la industria química, la industria aeroespacial, la construcción naval, la electrónica, la fabricación de automóviles y las industrias de la construcción. y otros campos han sido ampliamente utilizados.

3.1 Baja densidad

Debido a que la espuma de aluminio tiene poros grandes y pequeños en la matriz de aluminio, tiene una densidad más pequeña. La densidad de la espuma de aluminio puede variar en un amplio rango, y la porosidad máxima que se puede obtener en la actualidad puede alcanzar el 97%, y su tamaño de poro varía desde varios micrómetros hasta decenas de milímetros. Cuanto menor sea la densidad. Se puede utilizar en cajas de embalaje, especialmente contenedores de carga aérea.

3.2 Fuerte resistencia al calor

El aluminio espumado tiene una alta resistencia al calor y no se derretirá incluso si alcanza el punto de fusión de la aleación. En general, la temperatura de fusión de las aleaciones de aluminio varía de 560 a 700 e, pero el aluminio espumado no se derrite incluso cuando se calienta a 1400 ° C. Además, no libera gases nocivos a alta temperatura, y puede reemplazar la resina espumada y los productos de asbesto como materiales aislantes del calor y resistentes al calor y partes centrales de varios intercambiadores de calor en muchas ocasiones.

3.3 Buena permeabilidad

La espuma de aluminio se puede utilizar como material filtrante para filtrar partículas sólidas de líquidos o gases. En general, la permeabilidad aumenta con el aumento del tamaño de los poros, pero también se ve afectada por la rugosidad de la superficie. permeabilidad. Se puede utilizar para hacer filtros para varios líquidos y gases.

3.4 Gran superficie específica

Utilizando la gran superficie específica de espuma de aluminio para lograr un alto intercambio de calor, es un buen material para hacer calentadores e intercambiadores de calor. Además, también se puede utilizar como portador para reacciones químicas que requieren una superficie enorme, como un portador de catalizador. , electrodos porosos, materiales de placas para baterías recargables, intercambiadores de calor, absorbentes de energía y portadores de catalizadores, etc.

3.5 Fuerte aislamiento acústico

La espuma de aluminio puede absorber la energía del sonido a través de la vibración de la pared del agujero, y se puede utilizar para amortiguar y eliminar el ruido. En términos generales, el rendimiento de absorción de sonido de la espuma de aluminio a través de la celda es mejor. El tamaño del orificio afecta su rendimiento de absorción para todo el rango de frecuencia de onda de sonido. Cuanto más pequeño sea el agujero, mayor será la capacidad de absorción del sonido.

Se puede obtener un alto rendimiento de absorción de sonido cambiando el tamaño y la forma de los poros de espuma de aluminio. Se puede utilizar para piezas decorativas interiores y exteriores, muros cortina, paneles de puertas móviles de partición en la industria de la construcción, fabricación de paneles absorbentes de sonido de alto rendimiento, paredes aislantes del sonido, varios silenciadores, etc.

3.6 Tiene un alto rendimiento de absorción de energía de impacto

El aluminio espumado no es direccional como los materiales de panal, ni tiene un efecto rebote como los materiales de espuma polimérica. Tiene buenas propiedades de absorción de impactos y es un buen material para fabricar piezas resistentes a los impactos. Se puede utilizar en frenos automotrices, tensores y manguitos y parachoques protectores en equipos aeroespaciales. El tamaño de su amortiguación está relacionado con el tamaño del tamaño del poro de los poros. Se puede utilizar para almohadillas de seguridad para ascensores y transportadores, revestimientos de absorción de impactos y absorción de energía para protectores de amoladoras de alta velocidad, bases para máquinas herramienta de alta precisión, etc.

3.7 Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de la espuma de aluminio están determinadas principalmente por su densidad, pero el tamaño, la estructura y la distribución de los poros también son parámetros importantes que determinan las propiedades mecánicas. Bajo la acción de la tensión de compresión, después de que el material sufre una deformación elástica inicial, la espuma de aluminio ingresa a la plataforma de la curva de tensión, es decir, la espuma de aluminio comienza a romperse y la tensión permanece básicamente sin cambios durante la etapa de trituración de la espuma. Después de una gran cantidad de deformación plástica, la espuma se ha roto por completo y el material entra en la densa Durante la fase química, la tensión aumenta rápidamente. Tanto el módulo de Young como el módulo de cizallamiento de la espuma de aluminio aumentan con el aumento de la densidad.

3.8 Rendimiento de blindaje electromagnético

La espuma de aluminio tiene un buen efecto de protección en las ondas electromagnéticas de alta frecuencia, lo que puede reducir la interferencia electromagnética en más del 80%. Espuma de aluminio de celda cerrada con un grosor de 5 mm y una porosidad del 90%, el rendimiento de blindaje electromagnético a 60 ~ 1000MHz es de 35 ~ 75dB, que se puede utilizar en salas de blindaje electromagnético (cubiertas), recintos de instrumentos electrónicos, salas de grabación de radio, blindaje electromagnético y otras ocasiones.

3.9 Otras propiedades

La espuma de aluminio también tiene sensibilidad a los gases, resistencia al fuego, catálisis, etc. La conductividad eléctrica del aluminio espumado se ve muy afectada por la densidad relativa, mientras que el tamaño del tamaño del poro tiene poco efecto sobre la conductividad eléctrica. Se espera que tenga buenas perspectivas de aplicación en nuevos campos como el aeroespacial, las telecomunicaciones y la protección del medio ambiente.