泡沫鋁材料基本介紹

本書為國(guó)家“十二五”重點(diǎn)圖書出版規(guī)劃項(xiàng)目《現(xiàn)代冶金與材料過程工程叢書》中的一本。泡沫鋁材料具有輕質(zhì)、吸聲、隔聲、吸能、減震、電磁屏蔽等多種優(yōu)良性能，在制造艦船防爆甲板、坦克復(fù)合裝甲和防地雷底板、列車底板和側(cè)襯、汽車蓋板及保險(xiǎn)杠、隧道降噪及各種設(shè)備降噪等方面潛在需求量大，應(yīng)用面廣，成為當(dāng)今世界材料科學(xué)高技術(shù)領(lǐng)域的重要研究、開發(fā)對(duì)象之一．本書收集了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料，結(jié)合作者多年來承擔(dān)的國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃、自然科學(xué)基金項(xiàng)目等國(guó)家和省部級(jí)科技項(xiàng)目研究成果及體會(huì)撰寫而成。

姚廣春教授東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院博士生導(dǎo)師、教育部材料先進(jìn)制備技術(shù)工程研究中心主任。1992年起享受國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。1998年被評(píng)為國(guó)家級(jí)有突出貢獻(xiàn)的中青年科技專家。

《現(xiàn)代冶金與材料過程工程叢書》序

前言

第1章緒論

1.1泡沫鋁材料發(fā)展史

1.2泡沫鋁材料發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1泡沫鋁材料應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展

1.2.2開發(fā)高性能泡沫鋁材料

1.2.3現(xiàn)有泡沫鋁制備方法的改進(jìn)

1.2.4開發(fā)泡沫鋁材料后加工技術(shù)

1.3 泡沫鋁材料的市場(chǎng)需求

參考文獻(xiàn)

第2章泡沫鋁材料的性能

2.1泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2泡沫鋁材料的吸聲性能

2.3泡沫鋁材料的隔聲性能

2.4泡沫鋁材料的壓縮強(qiáng)度

2.4.1閉孔泡沫鋁材料靜態(tài)壓縮性能

2.4.2閉孔泡沫鋁材料動(dòng)態(tài)壓縮性能

2.4.3 不同基體材料泡沫鋁的壓縮性能

2.5泡沫鋁材料的吸能性能

2.5.1泡沫鋁吸能量

2.5.2泡沫鋁能量吸收效率

2.5.3不同基體材料泡沫鋁的吸能性能

2.6泡沫鋁材料的電磁屏蔽性能

2.7泡沫鋁材料的傳熱性能

2.8泡沫鋁材料的抗彎強(qiáng)度

2.9泡沫鋁材料的阻尼性能

參考文獻(xiàn)

第3章泡沫鋁材料制備基礎(chǔ)理論

3.1 制備閉孔泡沫鋁材料的發(fā)泡機(jī)理

3.2 TiH2分解過程

3.2.1氫化鈦的物理性質(zhì)

3.2.2氫化鈦分解動(dòng)力學(xué)分析

3.3鋁熔體的黏度

3.4鋁熔體的表面張力

3.4.1表面張力概念

3.4.2表面張力影響因素

3.5鋁熔體對(duì)固相顆粒表面的潤(rùn)濕性

3.6鋁熔體中氣泡的形成

3.7泡沫組織的形成

3.8氣泡的穩(wěn)定性

3.9氣泡的均勻性

3.10泡沫體的凝固

參考文獻(xiàn)

第4章熔體直接發(fā)泡法制備泡沫鋁材料工程化研究

4.1熔體直接發(fā)泡法制備泡沫鋁材料的工藝基礎(chǔ)

4.1.1鋁基合金的性質(zhì)

4.1.2鋁熔體的增黏方法

4.1.3發(fā)泡劑的選擇及改性

4.1.4熔體的攪拌方法

4.1.5保溫發(fā)泡的方式

4.1.6泡沫體的冷卻

4.2熔體直接發(fā)泡法制備泡沫鋁材料的工程化

4.2.1工程化研究方法

4.2.2工藝條件的調(diào)整

4.2.3工程化試驗(yàn)中存在的問題及解決方法

4.2.4工業(yè)化生產(chǎn)流程初步設(shè)計(jì)

4.3熔體直接發(fā)泡法的后續(xù)發(fā)展

4.3.1兩步法制備泡沫鋁材料

4.3.2熔體法制備泡沫鋁夾芯板

參考文獻(xiàn)

第5章熔體直接發(fā)泡法生產(chǎn)泡沫鋁材料工藝與設(shè)備

5.1 引言

5.1.1熔體直接發(fā)泡法的生產(chǎn)情況

5.1.2注氣發(fā)泡法的生產(chǎn)情況

5.2 熔體直接發(fā)泡法生產(chǎn)泡沫鋁材料工藝和設(shè)備

5.2.1泡沫鋁生產(chǎn)工藝流程

5.2.2鋁錠（鋁合金）熔化

5.2.3返回料熔化

5.2.4鋁液增黏

5.2.5添加發(fā)泡劑

5.2.6發(fā)泡

5.2.7冷卻凝固

5.2.8切割作業(yè)

5.3產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5.3.1泡沫鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

5.3.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5.4產(chǎn)品成材率

5.4.1泡沫鋁成材率的計(jì)算

5.4.2影響泡沫鋁成材率的因素

5.5廢料回收利用

5.5.1廢料的來源

5.5.2廢料回收的困難

5.5.3廢料回收方式

5.6泡沫鋁生產(chǎn)設(shè)備的安裝與布置

5.6.1泡沫體生產(chǎn)車間

5.6.2切割車間的布置

參考文獻(xiàn)

第6章 粉末冶金法制備泡沫鋁材料工藝

6.1粉末冶金法制備泡沫鋁概況

6.1.1粉末冶金法制備泡沫鋁材料的基本原理

6.1.2粉末冶金法制備泡沫鋁材料的優(yōu)缺點(diǎn)

6.1.3粉末冶金法制備泡沫鋁材料的工藝參數(shù)

6.2坯體的制備

6.2.1制坯壓強(qiáng)

6.2.2制坯溫度

6.2.3鋁粉粒度對(duì)發(fā)泡劑分散性的影響

6.3發(fā)泡過程

6.3.1發(fā)泡溫度對(duì)發(fā)泡的影響

6.3.2發(fā)泡劑量對(duì)發(fā)泡的影響

6.3.3發(fā)泡時(shí)間的影響

6.4添加Mg粉對(duì)泡沫鋁發(fā)泡行為的影響

6.4.1 Mg粉添加量對(duì)膨脹率的影響

6.4.2 Mg粉添加量對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響

6.5加熱技術(shù)及原理

6.5.1紅外加熱

6.5.2感應(yīng)加熱技術(shù)

6.5.3電阻爐的加熱技術(shù)

6.5.4可行的快速加熱技術(shù)

6.6鋼面板泡沫鋁夾芯板制備方法

6.6.1鋼板表面處理

6.6.2鋁基前驅(qū)體制備

6.6.3鋼面板泡沫鋁夾芯板發(fā)泡工藝

6.7鋼殼泡沫鋁芯部件制備方法

6.7.1鋼殼的制備與處理

6.7.2泡沫鋁半成品的制備

6.7.3泡沫鋁半成品在鋼殼內(nèi)發(fā)泡

參考文獻(xiàn)

第7章泡沫鋁夾芯板制備工藝

7.1泡沫鋁夾芯板材料簡(jiǎn)介

7.1.1泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)

7.1.2泡沫鋁夾芯板材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域

7.1.3泡沫鋁夾芯板的主要制備方法

7.1.4泡沫鋁夾芯板制備工藝存在的主要問題

7.1.5泡沫鋁夾芯板材料的主要研究成果

7.1.6泡沫鋁夾芯板制備技術(shù)研究進(jìn)展

7.2泡沫鋁夾芯板制備工藝

7.2.1泡沫鋁夾芯板材料制備工藝流程

7.2.2原料

7.2.3泡沫鋁夾芯板的制備過程

7.2.4實(shí)驗(yàn)檢測(cè)手段及設(shè)備

7.3軋制復(fù)合工藝制備發(fā)泡預(yù)制坯工藝

7.3.1軋制復(fù)合對(duì)預(yù)制坯結(jié)合效果的影響

7.3.2軋制復(fù)合對(duì)芯層粉末致密度的影響

7.3.3板/芯界面的變形研究

……

第8章 泡沫鋁材料的其他制備工藝

第9章泡沫鋁材料后處理

第10章 泡沫鋁材料性能檢測(cè)方法

第11章 泡沫鋁材料的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

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(guó)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

通過系統(tǒng)的細(xì)宏觀實(shí)驗(yàn)研究，了解泡沫鋁材料及其夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為特征，觀察泡沫鋁材料在循環(huán)變形過程中的孔洞微結(jié)構(gòu)演化情況，揭示泡沫鋁金屬循環(huán)變形行為的規(guī)律和循環(huán)變形的細(xì)觀機(jī)理；通過細(xì)觀有限元分析，研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫鋁宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響；基于細(xì)觀機(jī)理，在唯象粘塑性本構(gòu)框架下，提出新的泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系；結(jié)合泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和面板材料循環(huán)本構(gòu)關(guān)系，利用有限元軟件對(duì)泡沫鋁夾芯板的循環(huán)變形行為進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。該研究針對(duì)泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題這一固體力學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，研究成果將是對(duì)泡沫金屬這一細(xì)觀非均勻材料本構(gòu)關(guān)系的重要突破，具有重要的理論意義；同時(shí)，研究成果可用于循環(huán)加載條件下泡沫鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及安全性和壽命評(píng)估中，對(duì)于促進(jìn)泡沫鋁在輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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。