ویژگی‌های عملکردی پنل ساندویچی فوم آلومینیومی الیاف کربنی رسوب‌شده با مس در مقایسه با پنل ساندویچی فوم آلومینیومی معمولی

ساندویچ فوم آلومینیومیپنل‌های (AFS) ترکیبی از ویژگی‌های ساختاری و عملکردی مانند چگالی کم، استحکام ویژه بالا، جذب انرژی مطلوب، ظرفیت میرایی و محافظت الکترومغناطیسی را دارند. این خواص عالی باعث می‌شود AFS پتانسیل بالایی در زمینه‌های هوافضا، حمل و نقل و دریایی داشته باشد. در مقایسه با فلز سختفومصفحات فلزی بیرونی AFS می‌توانند به طور مؤثر فوم را آب‌بندی کرده و خواص مکانیکی جامع آن، مانند مقاومت کششی و خمشی را بهبود بخشند. به طور کلی، AFS با روش اتصال چسبی ساخته شده است که مستلزم اتصال فوم آلومینیومی به پنل‌های فلزی جامد با استفاده از چسب رزین اپوکسی است.

اگرچه روش اتصال چسبی به طور مؤثر میرایی سازه را افزایش می‌دهد، اما با محدودیت‌هایی از جمله چالش‌های بازیافت و حساسیت به شکست لایه لایه شدن در شرایط دمای بالا یا خوردگی همراه است. برای رفع این محدودیت‌ها، تلاش‌های تحقیقاتی گسترده‌ای برای دستیابی به پیوند متالورژیکی بین پنل و لایه مرکزی انجام شده است.

در حال حاضر، روش‌های غالب آماده‌سازی AFS با هدف دستیابی به پیوند متالورژیکی عموماً به سه دسته تقسیم می‌شوند: جوشکاری، فوم‌سازی مذاب و روش متالورژی پودر نورد فشرده. در میان این روش‌ها، روش متالورژی پودر نورد فشرده برای کنترل ساختار منافذ و دستیابی به فوم‌سازی در دمای پایین برتر در نظر گرفته می‌شود. کار قبلی ما از این فناوری برای ساخت AFS در اندازه بزرگ با خواص انبساطی بهتر و ساختار سلولی برای کاربردهای صنعتی استفاده کرد.

با این حال، به دلیل خواص مکانیکی فشاری نسبتاً پایین هسته فومی، بهبود استحکام مکانیکی AFS محدود است، بنابراین بهبود بیشتر استحکام هسته فومی برای AFS بسیار مهم است.

تا به امروز، روش‌های رایج گزارش‌شده برای بهبود خواص مکانیکی فشاری ...فوم آلومینیومیبه شرح زیر است: عملیات سطحی، عملیات حرارتی و تقویت با افزودن ذرات، الیاف، عناصر آلیاژی و غیره. در میان آنها، الیاف کربن کوتاه با چگالی کم، مدول الاستیک بالا و نسبت ابعاد بزرگ، به عنوان مواد تقویت کننده امیدوارکننده توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. علاوه بر این، فلزکاری سطحی الیاف کربن، با آبکاری الکتریکی یا آبکاری شیمیایی مانند آبکاری مس یا آبکاری نیکل، قابلیت ترشوندگی الیاف کربن را در مذاب آلومینیوم بهبود می‌بخشد و از واکنش‌های سطحی مضر بین الیاف کربن و مذاب آلومینیوم جلوگیری می‌کند. الیاف کربن کوتاه اکنون به طور گسترده برای تقویت کامپوزیت‌های ماتریس آلومینیوم استفاده می‌شود.

باو سینگتال. کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی تقویت‌شده با الیاف کربن با پوشش مس را با روش ریخته‌گری چرخشی تهیه کرد. موئتال. کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی تقویت‌شده با الیاف کربن با پوشش نیکل را با استفاده از روش ریخته‌گری دو غلتکی ساخت. نتایج نشان داد که با افزودن الیاف کربن، استحکام کششی کامپوزیت‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. با این حال، تحقیقات محدودی در این زمینه انجام شده است.فوم آلومینیومی تقویت شدهبا الیاف کربن روکش‌شده با مس. Caoetal. ابتدا فوم آلومینیومی تقویت‌شده با الیاف کربن روکش‌شده با مس را از طریق روش فوم‌سازی مذاب تهیه کرد. نتایج نشان می‌دهد که 0.35 درصد حجمی Cf می‌تواند با جلوگیری از پارگی فیلم مایع، فوم آلومینیومی را پایدار کند و هرچه مقدار الیاف اضافه‌شده به فوم بیشتر باشد، پایدارتر است. Muetal. نشان داد که خواص میرایی فوم آلومینیومی تهیه‌شده با روش فوم‌سازی مذاب با افزودن Cf ​​به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

بر این اساس، می‌توان نتیجه گرفت که افزودن Cf ​​می‌تواند یک استراتژی مؤثر برای بهبود همزمان پایداری کف‌زایی و خواص مکانیکی ...فوم‌های آلومینیومیعلاوه بر این، هیچ گزارشی در مورد پانل‌های ساندویچی فوم آلومینیومی تقویت‌شده با الیاف کربن با روکش مس که از طریق روش متالورژی پودر تهیه شده‌اند، وجود ندارد، که این امر محققان را به انجام مطالعات عمیق‌تر در این زمینه ترغیب می‌کند.

مطالعات زیادی در مورد مکانیسم هسته‌زایی و پایداری ... انجام شده است.فوم‌های آلومینیومیبا افزودن فازهای تقویت‌کننده. تفاوت در تعداد منافذ و مورفولوژی منافذ،

عواملی مانند اندازه، توزیع و شکل، معمولاً به مکانیسم‌های هسته‌زایی و پایداری نسبت داده می‌شوند. اثرات هسته‌زایی ناهمگن و مکانیسم‌های تثبیت شبکه اکسیدی در سیستم متالورژی پودر به طور جامع بررسی شده است. پودرهای آلیاژ کواترنری متشکل از Al-Si-Mg-Cu که در این مقاله استفاده شده‌اند، نرخ انبساط استثنایی و دمای کف‌آلودگی پایینی را با دمای سالیدوس 507 درجه سانتیگراد و دمای لیکوئیدوس 596 درجه سانتیگراد نشان داده‌اند. با این وجود، تحقیقات کمی در مورد مکانیسم هسته‌زایی، پایداری و خواص مکانیکی فشاری نمونه‌های فشرده حاوی این ترکیب آلیاژی خاص، به ویژه هنگام ترکیب Cf، وجود دارد. در کارهای قبلی، بررسی مکانیسم‌های هسته‌زایی و تثبیت در درجه اول از طریق روش‌های غیر درجا انجام شده است که شامل آنالیز توموگرافی نمونه‌هایی است که پس از قطع کف‌آلودگی به سرعت سرد شده‌اند. متأسفانه، هسته‌زایی حباب‌های زیر میکرونی در درجه اول در طول گرمایش پیش‌ساز رخ می‌دهد و در فواصل زمانی از 100 میلی‌ثانیه تا 1 ثانیه به سرعت گسترش می‌یابد و اغلب چالش‌هایی را برای مشاهده در زمان واقعی ایجاد می‌کند. تکنیک تصویربرداری اشعه ایکس تابش سینکروترون مدرن دارای وضوح انرژی و مکانی-زمانی بالایی است که امکان مشاهده درجا و بلادرنگ فرآیند هسته‌زایی و رشد فوم‌های آلومینیومی را در دماهای بالا فراهم می‌کند. در حال حاضر، تنها تعداد محدودی از محققان، سینتیک فوم شدن پودر آلیاژ Al-Si-Mg را با تابش سینکروترون بررسی کرده‌اند. به عنوان مثال، گارسیا-مورنوئتال، پدیده‌های دینامیکی قابل توجهی را در فوم آلومینیوم مایع، از جمله هسته‌زایی و رشد، بازآرایی حباب، انقباض مایع، تجمع و پارگی فیلم، گزارش کرده‌اند. کام و همکارانش فرآیند هسته‌زایی و رشد فوم آلومینیوم AlSi8Mg4 را با تابش سینکروترون مطالعه کردند. یافته‌های آنها نشان داد که هیدروژن تولید شده از طریق تجزیه مواد جذب‌شده روی سطح پودر فلز، مکانیسم هسته‌زایی قابل توجه دیگری را نشان می‌دهد. با این حال، تعامل بین اجزای پیش‌ساز پیچیده است و دینامیک فوم شدن می‌تواند تحت تأثیر ترکیب آنها قرار گیرد. برای هر دو سیستم پودری Al-Si-Cu-Mg و سیستم پودری Al-Si-Cu-Mg با افزودن Cf، درک و بررسی شروع و رشد فوم فلزی برای توسعه ساختاری بیشتر فوم به منظور بهبود خواص برای کاربردها بسیار مهم است.

در این کار، Cf/AFS و AFS با پیوند سطحی متالورژیکی با روش متالورژی پودر نورد فشرده تهیه شدند. تکامل حباب‌های Cf/AFS و AFS به صورت درجا توسط تابش سینکروترون مشاهده شد تا مکانیسم Cf بر هسته‌زایی، رشد و ادغام حباب و پایداری آشکار شود. علاوه بر این، Cf/AFS و AFS در دمای 620 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه در کوره محفظه‌ای فوم شدند. متعاقباً، توزیع اندازه منافذ، ریزساختار منافذ و خواص مکانیکی فشاری نمونه‌های فوم شده مشخص و آزمایش شدند. بر اساس مطالعات فوق‌الذکر، ساختار و مقاومت فشاری Cf/AFS و AFS به طور سیستماتیک ارزیابی شدند.

۲.موادها و روش ها

۲.۱ مواد اولیه

شش ماده اولیه برای تهیه AFS و Cf/AFS استفاده شد: پودر آلومینیوم (اندازه متوسط: ۴۵ میکرومتر، خلوص >۹۹.۷۰%)، پودر سیلیسیم (اندازه متوسط: ۳۸ میکرومتر، خلوص >۹۹.۵۰%)، پودر مس (اندازه متوسط: ۳۸ میکرومتر، خلوص >۹۹.۹۰%)، پودر منیزیم (اندازه متوسط: ۷۵ میکرومتر، خلوص >۹۹.۷۰%)، پودر TiH2 (اندازه متوسط: ۴۵ میکرومتر، خلوص >۹۹.۷۰%) و فیبر کربن با روکش مس (اندازه متوسط: ۱ تا ۲ میلی‌متر، ضخامت روکش مس: ۱.۴ میکرومتر).

۲.۲ ساخت Cf/AFS

طرح کلی روش متالورژی پودر نورد بسته بندی در شکل نشان داده شده است.شکل ۱در طول مرحله اختلاط، پودر آلیاژ چهارتایی AlSi6Mg4Cu4 با پودرهای Al، Si، Cu و Mg به ترتیب با نسبت‌های 86 درصد وزنی، 6 درصد وزنی، 4 درصد وزنی و 4 درصد وزنی تهیه شد. 1 درصد وزنی پودر TiH2 اکسید شده (عملیات حرارتی در هوا به مدت 1.5 ساعت در دمای 470 درجه سانتیگراد) به عنوان عامل پف دهنده اضافه شد که H2 را به سرعت در دمای مذاب آزاد می‌کند و مذاب را منبسط می‌کند. علاوه بر این، 0.5 درصد وزنی الیاف کربن به عنوان فازهای تقویت کننده در نظر گرفته شد. نکته قابل توجه این است که برای افزایش ترشوندگی و جلوگیری از واکنش‌های مضر مانند Al4C3 در فصل مشترک الیاف-مذاب آلومینیوم در طول فوم شدن، الیاف کربن از طریق آبکاری با مس پوشش داده شدند. فرآیند آبکاری در مراجع شرح داده شده است.شکل ۲شکل، الیاف کربن با پوشش مس حاصل از فرآیند آبکاری بدون برق را نشان می‌دهد. پوشش، سطح الیاف را به طور یکنواخت و پیوسته پوشش می‌دهد.(شکل 2 (الف) تا (ب))متعاقباً، ترکیبات آلیاژی مختلف مورد استفاده در این مطالعه با مخلوط کردن کامل پودرهای مذکور با و بدون Cf در یک میکسر سه‌بعدی به مدت ۳ ساعت تهیه شدند. پودر مخلوط شده به طور یکنواخت در یک حفره آب‌بندی شده محصور شده و پس از آن مراحل نورد سرد و گرم انجام می‌شود.

مرحله نورد سرد به طور مؤثر هوا را از درون حفره‌ها و فضاهای بینابینی بین ذرات از طریق یک سری پاس‌های متعدد و فرورفتگی‌های کوچک تخلیه می‌کند. مرحله نورد گرم تضمین می‌کند که پیش‌ساز از طریق تغییر شکل همزمان پنل و پودر به چگالی نسبی بیش از ۹۸٪ برسد که فرآیند فوم‌سازی بعدی را تسهیل می‌کند. پارامترهای دقیق فرآیند نورد در مراجع شرح داده شده است. پیش‌سازهای فوم‌پذیر AFS و Cf/AFS از طریق فرآیند فوق‌الذکر به دست می‌آیند. در نهایت، هر دو پیش‌ساز فوم‌پذیر به مدت ۱۵ دقیقه در دمای ۶۲۰ درجه سانتیگراد گرم شدند تا نمونه‌های Cf/AFS و AFS ساخته شوند که برای تجزیه و تحلیل اندازه منافذ، توصیف ریزساختاری و آزمایش‌های خواص مکانیکی فشاری مورد استفاده قرار گرفتند.

۲.۳ مشخصات و روش‌های آزمایش

۲.۳.۱ مشخصات ریزساختاری

مورفولوژی ریزساختار Cf/AFS و AFS با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (SEM، Zeiss Ultra Plus) بررسی شد. از طیف‌سنجی پراکندگی انرژی (EDS) برای شناسایی ترکیب فازهای مختلف در دیواره‌های سلولی نمونه‌های فوم‌شده استفاده شد. مقاطع طولی نمونه‌ها با برش نمونه‌های فوم‌شده با استفاده از دستگاه تخلیه الکتریکی (EDM، DK7745) به دست آمد. پس از این، مقاطع طولی نمونه‌ها با رنگ پوشش داده شده و سپس به ترتیب با استفاده از کاغذ سنباده ۸۰۰ و ۱۵۰۰ گریت سنباده زده و صیقل داده شدند. در نهایت، قطر معادل سلول (Dmean) سطح مقطع نمونه صیقل‌شده با استفاده از نرم‌افزار آنالیز تصویر، Image Pro Plus 6.0 تعیین شد.

شکل ۱.شماتیک روش متالورژی پودر نورد بسته بندی.

شکل ۲.تصاویر SEM از (الف) الیاف کربن با پوشش مس، و (ب) نمای بزرگنمایی شده از ناحیه مشخص شده با مربع قرمز در (الف) را نشان می‌دهد. تصاویر (ج) و (د) نتایج EDS نقطه A در (ب) هستند.

شکل ۳.نمودار شماتیک چیدمان آزمایش تابش سینکروترون.

۲.۳.۲ مشاهدات کف‌سازی درجا با استفاده از تابش سینکروترون

نمودار شماتیک چیدمان آزمایش تابش سینکروترون در شکل 1 نشان داده شده است.شکل ۳. این آزمایش‌ها در خط پرتو 4W1A از تأسیسات تابش سینکروترون پکن (BSRF، مؤسسه فیزیک انرژی بالای پکن، آکادمی علوم چین، چین) انجام شد. برخلاف تصویربرداری جذب-کنتراست مرسوم، این مقاله از تصویربرداری فاز-کنتراست با منبع نور تابش سینکروترون استفاده می‌کند. این رویکرد محدودیت‌های تصویربرداری جذب سنتی را که برای تجسم مواد با جذب ضعیف ناکارآمد است، برطرف می‌کند. فرآیند کف‌سازی نمونه‌ها در یک کوره کف‌سازی سفارشی انجام شد که دارای یک پنجره مربعی 15 میلی‌متر در 15 میلی‌متر است که عمود بر جهت پرتو اشعه ایکس قرار گرفته است. اندازه نمونه، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، 15 میلی‌متر × 15 میلی‌متر × 2 میلی‌متر است. نمونه در یک قالب کف‌سازی متشکل از تعداد مشخصی از ورق‌های سرامیکی قرار می‌گیرد. در طول فرآیند کف‌سازی، اشعه ایکس می‌تواند از نمونه عبور کند و توسط یک دوربین دستگاه جفت‌شده با بار (CCD) ثبت می‌شود. منبع اشعه ایکس انتخاب شده با شدت 20 کیلوولت کار می‌کرد و حداکثر اندازه دید 7.4 میلی‌متر × 7.4 میلی‌متر برای مشاهده جامع کل فرآیند کف‌سازی به کار گرفته شد.

شایان ذکر است که نمونه‌های مشاهده‌شده به گونه‌ای عمود بر جهت نورد و جهت مماس قرار گرفتند. صفحات جانبی هر دو نمونه اولیه حاوی 0.5 درصد وزنی Cf و نمونه‌های فاقد 0.5 درصد وزنی Cf با استفاده از EDM از دو طرف نمونه‌ها جدا شدند. تأثیر Cf بر ویژگی‌های فوم شدن فوم آلومینیومی بررسی شد. علاوه بر این، نمونه‌های اولیه با ترکیبات مختلف در یک کوره گرمایشی یکسان در دمای از پیش تعیین‌شده 620 درجه سانتیگراد فوم شدند.

۲.۳.۳ آزمون خواص مکانیکی فشاری

نمونه‌های فشاری با استفاده از دستگاه EDM به نمونه‌های استوانه‌ای با ارتفاع ۲۳ میلی‌متر و قطر ۲۰ میلی‌متر برش داده شدند و برای جلوگیری از اثر اندازه، اطمینان حاصل شد که هر جهت شامل حداقل ۱۰ منفذ کامل باشد. آزمایش‌های فشاری شبه‌استاتیک طبق استانداردهای ISO13314–2011 و GB/T31930–2015، با استفاده از دستگاه آزمایش مواد یونیورسال الکترونی AG-XPLUS با حداکثر ظرفیت بار ۱۰۰ کیلونیوتن انجام شد. برای هر گروه، سه نمونه آزمایش شد و منحنی‌های تنش-کرنش فشاری در این مقاله، میانگین نتایج به‌دست‌آمده از سه نمونه آزمایش‌شده را نشان می‌دهد. همه آزمایش‌ها تحت کنترل جابجایی و با حفظ سرعت ثابت سرسیلندر ۲ میلی‌متر بر دقیقه (مطابق با نرخ کرنش اولیه ۱۰-۳ ثانیه) در دمای اتاق انجام شدند.

شکل ۴.تصاویر تابش سینکروترون تکامل‌یافته در طول زمان از فرآیند فوم‌سازی Cf/AFS: (الف) پیش‌ماده فوم‌نشده در لحظه t0 برابر با 380 درجه سانتیگراد؛ (ب)-(ج) انحلال مس عنصری و هسته‌زایی نوع II در طول ذوب پیش‌ماده؛ (د)-(ز) فرآیندهای هسته‌زایی و رشد ناهمگن حباب‌ها؛ و (ح)-(ط) ادغام و پارگی حباب‌ها.

۳. نتایج و بحث

۳.۱ رفتار کف‌آلودگی درجا تحت تابش سینکروترون

۳.۱.۱ تکامل فوم Cf/AFS

شکل ۴مجموعه‌ای از تصاویر تابش سینکروترون را نشان می‌دهد که فرآیند کف کردن Cf/AFS را نشان می‌دهد. تصاویر اصلی Cf/AFS(شکل 4 (الف))زمانی که ماتریس در دمای 380 درجه سانتیگراد در حالت جامد بود، ثبت شدند و این زمان به عنوان t0 تنظیم شد. در مقایسه با سایر اجزای موجود در پیش ماده، Cf در ماتریس غنی از آلومینیوم که عمدتاً خاکستری است، سیاه به نظر می‌رسد. این را می‌توان به محتوای بالای مس در سطح فیبر نسبت داد، همانطور که در شکل نشان داده شده است.شکل 2(ج)-(د)که در مقایسه با سایر اجزای پیش‌ساز، بزرگترین جرم اتمی نسبی را دارد. علاوه بر این، همانطور که در شکل نشان داده شده است، اکثر Cfها پراکنده و جدا از هم مشاهده می‌شوند، نه اینکه به صورت خوشه‌ای به هم متصل باشند.شکل 4 (الف)این نشان می‌دهد که با افزودن 0.5 درصد وزنی Cf، یک فرآیند هم زدن 3 ساعته می‌تواند به طور مؤثر به حالت پراکندگی مطلوب دست یابد.

در t0+194s (همانطور که درشکل 4 (ب)تعداد قابل توجهی از حباب‌های سفید و تقریباً کروی با قطرهای مختلف از ۹۰ میکرومتر تا ۱۸۰ میکرومتر در ماتریس آلومینیومی خاکستری (که با فلش قرمز مشخص شده است) قابل مشاهده هستند. تعداد حباب‌ها در عرض ۴۶ ثانیه همچنان افزایش یافت، همانطور که در ... نشان داده شده است.شکل 4 (ج)علاوه بر این، تغییر قابل توجه دیگری که در ماتریس رخ می‌دهد این است که با شروع انحلال مس (با کادر نقطه‌چین قرمز مشخص شده است)، برخی حباب‌های کوچک تمایل دارند روی سطح Cf تشکیل شوند. این پدیده احتمالاً به هسته‌زایی نوع II که در داخل پودر حاوی مس رخ می‌دهد، نسبت داده می‌شود. به طور گسترده پذیرفته شده است که افزودن مس به طور قابل توجهی دمای ذوب آلیاژها را کاهش می‌دهد. این امر منجر به ذوب موضعی در اطراف ذرات پودر منفرد در پیش‌ساز پودر حاوی پودر مس در طول فرآیند گرمایش می‌شود و مقدار قابل توجهی از مذاب یوتکتیک کواترنری Al-Si-Mg-Cu را در دماهای پایین‌تر تولید می‌کند. حوضچه مذاب یوتکتیک کواترنری تمایل دارد که یک منطقه ضعیف در آلیاژ باشد و بیشتر مستعد هسته‌زایی است. در نتیجه، حباب‌ها بیشتر احتمال دارد که در نزدیکی پوشش مسی روی سطح فیبر، هسته‌زایی و رشد کنند. علاوه بر این، کسر مایع کم در ماتریس در این لحظه باعث می‌شود که گازهای حاصل از تجزیه TiH2 به راحتی در ماتریس آلومینیوم جمع شوند. هسته‌زایی نوع II می‌تواند به طور موثری از گاز انباشته شده که ماتریس کسر مایع کم را از هم جدا می‌کند و باعث گسترش ترک‌ها در مایع می‌شود و در نتیجه باعث از دست رفتن شدید مقدار هیدروژن می‌شود، جلوگیری کند.

شکل 4 (د)شکل نشان می‌دهد که حباب‌ها در ابتدا در ناحیه Cf هسته‌زایی کرده و رشد می‌کنند، زیرا ماتریس کاملاً ذوب می‌شود و مکان‌های حباب مربوط به لایه پوشش داده شده با مس ناپدید شده (با کادر قرمز نقطه‌چین مشخص شده است) است. به خوبی ثابت شده است که افزودن فازهای ثانویه تعداد مکان‌های هسته‌زایی ناهمگن را افزایش می‌دهد و در نتیجه مانع انرژی برای تشکیل حباب‌های جدید در مذاب آلیاژ را کاهش می‌دهد. در همین حال، سرعت هسته‌زایی به کل مساحت هسته‌زایی ناهمگن در واحد حجم مربوط می‌شود. در نتیجه، می‌توان مشاهده کرد که حباب‌ها در ابتدا در مکان‌هایی که الیاف کربن قرار دارند هسته‌زایی می‌کنند و در امتداد طول الیاف کربن گسترش می‌یابند. با افزایش بیشتر کسر مذاب، حباب‌های جدید متعددی همچنان از ... پدیدار می‌شوند.شکل 4 (ه) تا 4 (ز)با این حال، سرعت ادغام و پارگی موضعی حباب‌ها کند است، که نشان می‌دهد حباب‌ها از پایداری بالایی برخوردارند. در t0+426s، تعداد حباب‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، و

حجم پیش ماده انبساط زیادی را نشان می‌دهد(شکل 4 (ح))علاوه بر این، وقوع برخی ادغام حباب‌ها (که با فلش قرمز مشخص شده است)، که در آن حباب‌های کوچک به دلیل بلوغ اوستوالد توسط حباب‌های بزرگتر جذب می‌شوند، یک فرآیند اجتناب‌ناپذیر در طول تکامل فوم‌های فلزی است [40]. این پدیده بلوغ همچنین منجر به ظهور تعداد کمی حباب بزرگ و نامنظم می‌شود (که با فلش قرمز در ... مشخص شده است).شکل 4 (i)).

شکل ۵.تصاویر تکامل یافته در طول زمان از فرآیند کف‌سازی AFS در مراحل مختلف: (الف) پیش‌ماده ذوب نشده در لحظه t0 با دمای 380 درجه سانتیگراد؛ (ب) انحلال مس عنصری و هسته‌زایی نوع II در طول ذوب پیش‌ماده؛ (ج) فرآیندهای هسته‌زایی و رشد حباب‌ها؛ و (د) تا (و) ادغام و پارگی حباب‌ها.

۳.۱.۲ تکامل فوم AFS

شکل 5 مجموعه‌ای از تصاویر تابش سینکروترون را نشان می‌دهد که فرآیند کف کردن AFS را نشان می‌دهد. مشابه Cf/AFS، تصویر اولیه برای توالی تابش سینکروترون زمانی گرفته شد که AFS در فاز جامد در دمای 380 درجه سانتیگراد بود (به بخش مراجعه کنید).شکل 5 (الف)). هنگامی که ماتریس بالاتر از دمای سالیدوس گرم می‌شود، حباب‌های کوچک سفید در آن قابل مشاهده می‌شوند.شکل 5 (ب) و (ج)، ناشی از تجزیه TiH2 و وقوع هسته‌زایی نوع II در ناحیه غنی از مس. با این حال، تعداد حباب‌های تولید شده و چگالی توزیع آنها درشکل 5 (ج)به طور قابل توجهی در مقایسه باشکل 4 (ج)این نشان می‌دهد که Cf/AFS کانال‌های بیشتری برای آزادسازی زودهنگام گاز در طول هسته‌زایی فراهم می‌کند و از تشکیل بیش از حد ترک در ماتریس آلومینیوم با کسر مایع کم جلوگیری می‌کند.

تعداد کمتر مکان‌های هسته‌زایی AFS و احتمال بیشتر رشد حباب غیرطبیعی در مقایسه با Cf/AFS را می‌توان از ... مشاهده کرد.شکل 5 (د) – (و)تکامل حباب‌های AFS نامنظم است و اندازه آنها به دلیل همزیستی حباب‌های میکرومتری و حباب‌های بزرگ با اندازه غیرطبیعی میلی‌متری (که با فلش قرمز مشخص شده‌اند) نوسانات گسترده‌ای را نشان می‌دهد. علاوه بر این، این ناپایداری و ناهمگنی در طول فرآیند هسته‌زایی اولیه می‌تواند منجر به تفاوت‌های قابل توجهی در ساختار نهایی منافذ و خواص مکانیکی بین AFS و Cf/AFS شود.

۳.۲ تحلیل کلان‌ساختار

برای بررسی تفاوت‌ها در مورفولوژی ماکروسکوپی منافذ و قطر منافذ بین AFS و Cf/AFS، دو ساختار ساندویچی تحت شرایط آزمایشگاهی در دمای کف‌آلودگی 620 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه تهیه شدند. ماکروساختارها و توزیع اندازه سلول AFS و Cf/AFS در شکل 1 نشان داده شده است.شکل 6مقایسه مقاطع عمودی دو نمونه سازه ساندویچی نشان می‌دهد که فوم‌های Cf/AFS دارای سلول‌های ریزتر و عیوب کمتری مانند پارگی یا ادغام سلول‌ها هستند (به بخش ... مراجعه کنید).شکل 6 (ب)). برعکس، همانطور که در نشان داده شده استشکل 6 (الف)، AFS همگنی منافذ ضعیفی را با وجود برخی منافذ غیرطبیعی بزرگ نشان می‌دهد. در همین حال، قطر منافذ معادل برای AFS و Cf/AFS به ترتیب 2.9 ± 0.2 میلی‌متر و 1.9 ± 0.1 میلی‌متر بود، که نشان می‌دهد قطر منافذ با افزودن Cf ​​بیشتر اصلاح شده است (به بخش مراجعه کنید).شکل 6 (ج) و (د)).

تکامل ساختار منافذ تحت تأثیر دو مکانیسم رقابتی قرار دارد: تجزیه TiH2 و ادغام و پارگی فوم. تجزیه TiH2 به افزایش تعداد هسته‌زایی، تخلخل و سرعت انبساط کمک می‌کند، در حالی که ادغام و پارگی حباب‌ها تعداد منافذ را کاهش داده و قطر منافذ را افزایش می‌دهد. کاهش رویدادهای ادغام و پارگی حباب‌ها به دستیابی به ساختار سلولی بهتر کمک می‌کند. از این رو، پایداری بالای فوم برای حفظ همگنی ساختار منافذ در طول فرآیند فوم‌سازی ضروری است. برای Cf/AFS، افزودن Cf ​​به میزان زیادی ترشوندگی الیاف را با مذاب آلومینیوم بهبود می‌بخشد. مشابه فوم آلومینیومی تقویت‌شده با Cf گزارش‌شده [44] که با روش فوم‌سازی مذاب تهیه شده است، افزودن Cf ​​با جلوگیری از پارگی دیواره سلولی و کاهش تجمع، فوم آلومینیومی را تثبیت می‌کند. در همین حال، Cf می‌تواند یک ساختار شبکه‌ای مانند در دیواره سلولی ایجاد کند که نیروی جداسازی ایجاد می‌کند و از پارگی حباب‌ها جلوگیری می‌کند، بنابراین ساختار سلولی، پایداری فوم و یکنواختی توزیع منافذ را بهبود می‌بخشد.

۳.۳ مشخصات ریزساختاری

شکل 7 (الف)ریزساختار دیواره سلولی را پس از فوم‌سازی با AFS نشان می‌دهد. همانطور که برای فوم‌های آلیاژی AlSi6Cu4Mg4 گزارش شده است، ترکیبات یوتکتیک Al-Si، Mg2Si، Al2Cu و Al5Cu2Mg8Si6 در آلیاژ وجود دارند که با یافته‌های به‌دست‌آمده از آنالیز EDS در [مطابق است.]شکل 7 (ب)این فازهای شکننده با تضعیف دیواره منافذ یا ایجاد ترک در حین تغییر شکل، خواص مکانیکی فوم آلومینیومی را کاهش می‌دهند. بنابراین، افزایش خواص مکانیکی دیواره منافذ از طریق افزودن فازهای تقویت‌کننده، یک استراتژی مناسب و مؤثر است.

برای Cf/AFS، می‌توان آن را از [شکل 1] مشاهده کرد.شکل 7 (ج) و (د)اینکه Cf در داخل دیواره سلولی یا در لبه دیواره سلولی توزیع شده است، نشان می‌دهد که Cf قابلیت ترشوندگی عالی با مذاب آلومینیوم دارد. علاوه بر این، قابل توجه است (بهشکل 7 (د)) که مقدار کمی از فاز رسوبی Al2Cu در سطح مشترک بین الیاف و مذاب آلومینیوم تشکیل می‌شود. این پدیده به دستیابی به پیوند قوی بین الیاف و ماتریس کمک می‌کند. پیشرفت این واکنش انتشار را می‌توان به طور شهودی در [شکل 1] مشاهده کرد.شکل 4 (الف) تا (ج)توجه داشته باشید که فاز رسوبی به طور کامل الیاف کربن را احاطه نمی‌کند و حالت و مقدار این توزیع برای Cf/AFS مفید است. بر اساس مطالعه Lv و همکارانش، بر روی مواد کامپوزیت ماتریس آلومینیومی تقویت‌شده با Cf، نشان داده شد که مقدار مناسب فاز رسوبی می‌تواند بر استحکام پیوند بین سطحی تأثیر گذاشته و آن را تنظیم کند.

شکل ۶.مقاطع عمودی نمونه نماینده (a) AFS و (b) Cf/AFS. نمودارهای معادل قطر در مقابل کسر مساحت مربوط به (a) و (b) به ترتیب در (c) و (d) نشان داده شده‌اند. خط ممتد در (c) و (d) نشان دهنده برازش لگاریتمی نرمال است. رگرسیون (R2) نشان دهنده نیکویی برازش است.

شکل ۷.تصاویر SEM (الف) و (ب) ریزساختارهای مربوط بهشکل 6(الف) AFS وشکل 6(ب) به ترتیب Cf/AFS، علاوه بر این،شکل 7(ب) و (د) بزرگنمایی‌های موضعی را نشان می‌دهندشکل 7به ترتیب (الف) و (ج).

۳.۴ مکانیسم پایدارسازی فوم Al-Si-Mg-Cu توسط Cf

بر اساس تحلیل فوق، نمایش شماتیک مکانیسم کف‌زایی برای Cf/AFS و AFS در شکل زیر خلاصه شده است.شکل ۸تفاوت‌های قابل توجه بین Cf/AFS و AFS در مرحله جوانه‌زنی، رشد حباب و مرحله ادغام و مرحله انجماد تدریجی، همانطور که در شکل نشان داده شده است.شکل 8 (الف) و (ب).

شکل ۸.نمودار شماتیک رفتار کف‌زایی Cf/AFS و AFS: (الف) Cf/AFS؛ و (ب) AFS.

در مرحله هسته‌زایی فوم‌های آلیاژی AlSi6Cu4Mg4، حباب‌ها تمایل دارند در یوتکتیک کواترنری مایع اطراف ذرات مس هسته‌زایی کنند، نه اینکه در محل ذرات TiH2 هسته‌زایی کنند. این نوع هسته‌زایی در ضعیف‌ترین ناحیه پیش‌ماده (هسته‌زایی نوع II) کانال‌های فرار بیشتری برای گازهای آزاد شده توسط تجزیه TiH2 فراهم می‌کند و از تجمع گازها و ایجاد ترک در مذاب آلومینیوم جلوگیری می‌کند. ظاهراً افزودن الیاف کربن با پوشش مس، کانال‌های بیشتری را برای آزادسازی H2 ایجاد می‌کند. با این حال، از آنجایی که مذاب آلومینیوم در این مرحله کسر مایع کافی ندارد، برای چنین حباب‌های کوچکی دشوار است که منبع کافی H2 برای ادامه رشد داشته باشند. در نتیجه، این حباب‌های کوچک با افزایش دما در مذاب پاره می‌شوند. هنگامی که پیش‌ماده به طور کامل ذوب شد، H2 آزاد شده از واکنش شدید دهیدروژناسیون TiH2 به سرعت بر اساس نقطه هسته‌زایی هسته‌زایی و رشد می‌کند. Cf مکان‌های هسته‌زایی ناهمگن متعددی را برای تولید حباب‌ها فراهم می‌کند که سرعت هسته‌زایی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. همزمان، حضور Cf به طور مؤثر از تماس و ادغام حباب‌های اولیه جلوگیری کرده و از تشکیل حباب‌های بزرگ غیرعادی جلوگیری می‌کند.

در طول مرحله رشد و ادغام حباب‌ها، افزودن Cf ​​به طور قابل توجهی پایداری کف را بهبود می‌بخشد. دلیل این امر این است که Cf و مذاب آلومینیوم قابلیت ترشوندگی خوبی دارند و الیاف می‌توانند به راحتی بین دو سطح مشترک گاز-مایع به دام افتاده و یک ساختار شبکه‌ای تشکیل دهند (همانطور که در شکل نشان داده شده است).شکل 7 (ج)). با نازک شدن فیلم مایع، الیاف می‌توانند فشار جداسازی ایجاد کنند تا در برابر مکش از مرز فلات مقاومت کنند و در نتیجه از پارگی فیلم مایع جلوگیری کنند. بنابراین Cf/AFS در مقایسه با AFS به زمان کف‌سازی طولانی‌تری نیاز دارد، با پایداری بالاتر که می‌تواند یکنواختی ساختار منافذ را در طول تکامل فوم حفظ کند.

در طول مرحله انجماد آهسته، حباب‌ها در Cf/AFS دیگر رشد نمی‌کنند و الیاف درون دیواره سلولی (با کادر نقطه‌چین قرمز مشخص شده است) قرار می‌گیرند. این حفظ الیاف، همانطور که در بلوغ اوستوالد مشاهده می‌شود، از جذب حباب‌های کوچک توسط حباب‌های بزرگتر جلوگیری می‌کند و از پارگی دیواره سلولی به دلیل انبساط انجماد جلوگیری می‌کند. در نتیجه، Cf/AFS در مقایسه با AFS ساختار منافذ همگن‌تر و نقص‌های منافذ کمتری را نشان می‌دهد.

۳.۵ خواص مکانیکی

منحنی‌های تنش-کرنش فشاری برای Cf/AFS و AFS با تخلخل تقریباً یکسان (به ترتیب ۸۳.۲٪ و ۸۱.۴٪) در [۱] ارائه شده‌اند.شکل 9 (الف)منحنی تنش-کرنش فشاری، یک مشخصه سه مرحله‌ای متمایز را نشان می‌دهد که شامل ناحیه الاستیک خطی، ناحیه فلات و ناحیه متراکم شوندگی است. استحکام تسلیم فشاری AFS و Cf/AFS به ترتیب 8.44 مگاپاسکال و 11.87 مگاپاسکال بود. استحکام تسلیم فشاری Cf/AFS در مقایسه با AFS، 40.6 درصد افزایش یافت. در همین حال، ظرفیت جذب انرژی Cf/AFS در کرنش یکسان، همانطور که در شکل نشان داده شده است، بهتر از AFS است.شکل 9 (ب)ظرفیت جذب انرژی AFS و Cf/AFS به ترتیب حدود ۳.۳ مگاژول بر متر مکعب و ۶.۱ مگاژول بر متر مکعب است. ظرفیت جذب انرژی Cf/AFS در مقایسه با AFS، ۸۴.۸ درصد بهبود یافته است.

شکل ۹.منحنی‌های تنش-قطر فشاری و منحنی‌های ظرفیت جذب انرژی Cf/AFS و AFS: (الف) منحنی‌های تنش-قطر فشاری؛ (ب) منحنی‌های ظرفیت جذب انرژی.

افزودن Cf ​​به طور قابل توجهی خواص مکانیکی هسته فوم را افزایش داد. به خوبی شناخته شده است که خواص مکانیکیفوم آلومینیومیارتباط نزدیکی با ساختار منافذ و خواص مکانیکی ستون دارند. تجزیه و تحلیل کلان‌ساختاری نشان داد که افزودن Cf ​​اندازه منافذ را اصلاح کرده، توزیع منافذ را بهبود بخشیده و نقص‌های منافذ را کاهش می‌دهد. مشابه یافته‌های ساسیکومار و همکاران و یانگتال، قطر منافذ کوچک و توزیع باریک منافذ برای افزایش مقاومت فشاری و راندمان جذب انرژی مفیدتر هستند. علاوه بر این، تأثیر ریزساختار بر خواص مکانیکی فوم عمدتاً به دلیل Cf تعبیه شده در دیواره‌های منافذ فوم است. انتشار و انحلال الیاف کربن با پوشش مس در ماتریس آلومینیوم می‌تواند پیوند سطحی محکم‌تری بین الیاف و ماتریس آلومینیوم ایجاد کند که به انتقال بار کمک می‌کند. الیاف کربن با مدول بالا که در دیواره منافذ منگنه شده‌اند، می‌توانند تغییر شکل دیواره منافذ را تحت بار فشاری محدود کرده و ظرفیت تحمل بار را بهبود بخشند. همه این عوامل Cf/AFS را برای دستیابی به مقاومت تسلیم و ظرفیت جذب انرژی بالاتر در مقایسه با AFS ترجیح می‌دهند.

۴. نتیجه‌گیری

در این کار، Cf/AFS و AFS با روش متالورژی پودر نورد فشرده تهیه شدند. رفتار کف‌آلودگی Cf/AFS و AFS به صورت دینامیکی از طریق تابش سینکروترون مشاهده شد.

تأثیر Cf را بر هسته‌زایی و رشد حباب بررسی کنید. علاوه بر این، Cf بر مورفولوژی منافذ، توزیع منافذ و خواص فشاری فوم‌های آلومینیومی به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج اصلی به شرح زیر است:

(1) مشاهدات درجا با تابش سینکروترون نشان می‌دهد که هر دو فرآیند فوم‌سازی Cf/AFS و AFS سه مرحله مجزا را نشان می‌دهند: هسته‌زایی حباب، رشد و ادغام حباب و انجماد.

در مقایسه با AFS، فرآیند کف‌سازی Cf/AFS پایداری و یکنواختی حباب بالاتری را نشان می‌دهد. AFS در طول فرآیند تکامل منافذ، بیشتر مستعد تشکیل منافذ بزرگ و درشت غیرطبیعی است. علاوه بر این، این اختلاف به اثر هسته‌زایی ناهمگن Cf نسبت داده می‌شود که از پارگی دیواره حباب جلوگیری کرده و ضمن افزایش سرعت هسته‌زایی، به هم پیوستگی را کاهش می‌دهد.

(2) افزودن 0.5 درصد وزنی Cf قطر معادل منافذ را از 2.9 ± 0.2 میلی‌متر به 1.9 ± 0.1 میلی‌متر کاهش می‌دهد و به طور قابل توجهی نقص‌های درشت منافذ را کاهش می‌دهد. همزمان، ریزساختار، ترشوندگی خوب Cf را نشان می‌دهد که در امتداد دیواره منافذ و فصل مشترک گاز-جامد توزیع شده و در نتیجه پایداری فوم را افزایش می‌دهد.

(3) در مقایسه با AFS، استحکام تسلیم فشاری و ظرفیت جذب انرژی Cf/AFS به ترتیب تقریباً 40.6٪ و 84.8٪ افزایش یافت. یافته‌های این مطالعه می‌تواند ایده‌هایی برای تقویت پنل‌های ساندویچی فوم آلومینیومی با رابط‌های پیوند متالورژیکی ارائه دهد که پتانسیل کاربردهای مهندسی در زمینه صنایع خودرو و هوافضا را دارند.

مقاله از مجله تحقیقات و فناوری مواد