高強(qiáng)韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化連續(xù)制備基礎(chǔ)研究結(jié)題摘要

泡沫鋁由于其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)及組合性能，在超輕結(jié)構(gòu)-功能應(yīng)用上受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。泡沫鋁獲得規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在于發(fā)展高強(qiáng)韌泡沫鋁的高效連續(xù)制備技術(shù),為此，項(xiàng)目通過內(nèi)生少量微細(xì)第二相顆粒及低溫物理增粘共同作用下的熔體泡沫穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)均勻性控制機(jī)理、強(qiáng)韌化機(jī)制等科學(xué)問題研究，建立高強(qiáng)韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化制備基礎(chǔ)理論體系，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌泡沫鋁的連續(xù)制備奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)泡沫鋁工業(yè)的發(fā)展。 在內(nèi)生少量微米第二相（Al-Si-Fe-Mg系）及低溫物理增粘（低于常規(guī)發(fā)泡溫度10-20℃）的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了Al-Si系合金熔體泡沫的穩(wěn)定性控制。熔體泡沫的穩(wěn)定，一是通過降低熔體溫度提高粘度，通過粘度的提高穩(wěn)定熔體泡沫結(jié)構(gòu)；二是內(nèi)生少量微細(xì)第二相，通過第二相對(duì)粘度的作用、第二相空間網(wǎng)絡(luò)對(duì)熔體流動(dòng)的阻礙作用、部分元素（如Mg）降低熔體表面張力的作用，提高熔體泡沫的穩(wěn)定性。另外，在Al-Fe-Si系合金中添加0.5%的稀土元素后，發(fā)現(xiàn)可泡沫化熔體的Fe含量可以從2%降低到0.2%。此現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為Al-Fe-Si-Mg系合金泡沫的強(qiáng)韌化奠定了成分基礎(chǔ)。 研究獲得了TiH2在鋁熔體中的分散性、氣泡的非均勻形核、TIH2的表面處理及其分解特性變化等規(guī)律，對(duì)二次發(fā)泡泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)控制規(guī)律有了深入的了解。 采用二次發(fā)泡法制備了平均孔徑3.5 mm、孔隙率80%的ZL111合金泡沫，研究了變質(zhì)處理、T6熱處理對(duì)ZL111合金泡沫組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：T6熱處理后，Y&Sr復(fù)合變質(zhì)的ZL111合金泡沫，其α-Al保持了原先的變質(zhì)效果，共晶硅呈球狀且分布均勻，并在晶界析出彌散分布的第二相CuAl2及Al9FeMg3Si5；Y&Sr復(fù)合變質(zhì)的ZL111合金泡沫，其屈服強(qiáng)度從未熱處理、未變質(zhì)的13.3MPa 增加到T6熱處理后的22.6 MPa、致密化應(yīng)變從59.3%增加到76.9%、能量吸收值從4.87 MJ/m3增加到13.77 MJ/m3。 本研究的意義在于，改變了傳統(tǒng)熔體發(fā)泡制備泡沫鋁的Ca增粘穩(wěn)定熔體泡沫模式，實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)生少量微米第二相及低溫物理增粘條件下的熔體泡沫穩(wěn)定性控制，為泡沫鋁的連鑄-二次發(fā)泡連續(xù)制備奠定了基礎(chǔ)。研究表明，該設(shè)想是可行的。該研究對(duì)于開發(fā)高性價(jià)比泡沫鋁提供了科學(xué)、可行的方法和技術(shù)，對(duì)推動(dòng)泡沫鋁的工業(yè)應(yīng)用有重要意義。

泡沫鋁由于其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)及組合性能，在超輕結(jié)構(gòu)-功能應(yīng)用上受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。泡沫鋁獲得規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵在于發(fā)展高強(qiáng)韌泡沫鋁的高效連續(xù)制備技術(shù),為此，項(xiàng)目提出：在內(nèi)生少量微細(xì)第二相顆粒作用下獲得兼?zhèn)淇蛇B鑄、可泡沫化和可強(qiáng)韌化特征的鋁合金熔體，通過先驅(qū)體連鑄、先驅(qū)體二次泡沫化及泡沫鋁強(qiáng)韌化處理，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌泡沫鋁的連續(xù)制備。項(xiàng)目通過內(nèi)生少量微細(xì)第二相顆粒及低溫物理增粘共同作用下的熔體泡沫穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)均勻性控制機(jī)理、強(qiáng)韌化機(jī)制、連鑄溫度場和流場等科學(xué)問題研究，建立高強(qiáng)韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化制備基礎(chǔ)理論體系，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌泡沫鋁的連續(xù)制備奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)泡沫鋁工業(yè)的發(fā)展。

制造汽車保險(xiǎn)杠、坦克車復(fù)合裝甲和航天飛船返回倉等需要高吸能性泡沫鋁材料，目前工業(yè)化生產(chǎn)的泡沫鋁材料基體成分相對(duì)固定，或脆性大、或強(qiáng)度低，不能完全滿足實(shí)際需求。本項(xiàng)目使用氧化物顆粒和碳纖維作為泡沫鋁的增強(qiáng)劑和穩(wěn)定劑，消除對(duì)基體成分的限制，研制使用高性能鋁合金制備泡沫鋁，利用復(fù)合材料基體的高強(qiáng)度和變形時(shí)界面的開裂、滑動(dòng)特性提高泡沫鋁的吸能性能。對(duì)制備過程中涉及的泡沫穩(wěn)定機(jī)理這一關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，通過建立理論數(shù)學(xué)模型表述影響泡沫穩(wěn)定性各因素間的復(fù)雜關(guān)系，形成了具有一般性的液態(tài)金屬泡沫穩(wěn)定理論，找出了影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素，明確了提高泡沫穩(wěn)定性的方法。制備出了粉煤灰復(fù)合，短碳纖維復(fù)合，以及鋁合金基等多種高系能性泡沫鋁材料，壓縮強(qiáng)度最高達(dá)到14.5MPa，為目前國內(nèi)外報(bào)道的同密度泡沫鋁材料壓縮強(qiáng)度最高值。并研究了泡沫鋁材料在多種變形條件下的吸能機(jī)制，載荷形式包括準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、高溫壓縮、落錘沖擊載荷、霍普金森壓桿高速?zèng)_擊載荷，以及爆炸沖擊載荷等。結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合泡沫鋁材料對(duì)應(yīng)變速率有一定的敏感性，即隨應(yīng)變速率的增加，其強(qiáng)度和吸能量也隨之增加，這主要與復(fù)合材料基體內(nèi)存在大量界面有關(guān)。在爆炸沖擊載荷下，沖擊波在泡沫鋁內(nèi)迅速衰減，且隨泡沫鋁厚度和密度的增大，衰減速率增大。在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的同時(shí)，積極推廣研究成果在實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)和研究，設(shè)計(jì)研究了泡沫鋁/鋁管復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)，并將泡沫鋁材料適用于新能源校車防撞模塊、導(dǎo)彈運(yùn)輸車防地雷底板等多項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用研究。 2100433B

制造汽車保險(xiǎn)杠、坦克復(fù)合裝甲和航天飛船返回倉等需要高吸能性泡沫鋁材料，目前工業(yè)化生產(chǎn)的泡沫鋁材料基體成分相對(duì)固定，或脆性大、或強(qiáng)度低，不能完全滿足實(shí)際需求。本項(xiàng)目擬使用氧化物顆粒和碳纖維作為泡沫鋁的增強(qiáng)劑和穩(wěn)定劑，消除對(duì)基體成分的限制，研制使用高性能鋁合金制備泡沫鋁，利用復(fù)合材料基體的高強(qiáng)度和變形時(shí)界面的開裂、滑動(dòng)特性提高泡沫鋁的吸能性能，解決高吸能泡沫鋁需要同時(shí)具備高孔隙率和高強(qiáng)度這一難題。對(duì)制備過程中涉及的泡沫穩(wěn)定機(jī)理這一關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，擬通過試驗(yàn)研究和與水溶液泡沫體系的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，建立具有一般性的理論數(shù)學(xué)模型，找出影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素，提出提高泡沫穩(wěn)定性的方法。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用時(shí)泡沫鋁需要在不同應(yīng)變速率下變形，使用準(zhǔn)靜態(tài)和高速壓縮實(shí)驗(yàn)研究泡沫鋁密度、孔結(jié)構(gòu)和基體成分以及應(yīng)變速率對(duì)其吸能性能的影響規(guī)律，建立對(duì)實(shí)際應(yīng)用有指導(dǎo)意義的基礎(chǔ)理論，形成制備高吸能性泡沫鋁材料的技術(shù)原型。

泡沫鋁具有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能以及可回收性。泡沫鋁的這些優(yōu)異性能使其在當(dāng)今的材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是很有開發(fā)前途的工程材料，特別是在交通運(yùn)輸工業(yè)，航天事業(yè)和建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)等方面 。