泡沫鋁材料的制備與有限元模擬.pdf

1、泡沫鋁材料是一種在鋁或鋁合金基體中均勻分布著大量孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料，它包括泡沫純鋁和各種泡沫鋁合金材料。本論文在泡沫鋁材料制備方面主要研究了粉末冶金與熔體發(fā)泡法兩種工藝。 在粉末冶金法制備工藝中，首先研究了壓制和燒結(jié)工藝對(duì)壓坯發(fā)泡性的影響，然后研究了發(fā)泡溫度、發(fā)泡時(shí)間、發(fā)泡劑含量對(duì)泡沫鋁孔隙率和結(jié)構(gòu)的影響，得到的最佳工藝為：鋁粉與為2 wt％發(fā)泡劑混合均勻后，在350 Mpa的壓力下初壓成型，隨后在400 ℃燒結(jié)40 mi

2、n，再在150 Mpa壓力下壓制得到發(fā)泡預(yù)制品，最后，在720 ℃發(fā)泡12 min，得到孔結(jié)構(gòu)較均勻，孔隙率80％的泡沫鋁。 在熔體發(fā)泡法制備工藝中，研究了攪拌時(shí)間、發(fā)泡溫度、發(fā)泡劑含量、鋁粉的加入量對(duì)孔結(jié)構(gòu)和孔隙率的影響。結(jié)果表明：選用鋁硅合金（AlSi7Mg0.45)為基體材料，采用粒徑74 ~150μm的鋁粉增粘，在固定其它工藝為最佳條件下，僅通過(guò)改變鋁粉含量實(shí)現(xiàn)了孔徑大小控制。得出的最佳工藝為：鋁粉含量5~15 wt％，

3、增粘攪拌時(shí)間7 min，發(fā)泡溫度650 0C，發(fā)泡劑1.5wt％，得到孔結(jié)構(gòu)均勻，孔隙率為80~85％，孔徑為2.0~8.5mm的泡沫鋁硅合金。 通過(guò)對(duì)泡沫鋁材料的發(fā)泡過(guò)程中氣泡形核和長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)過(guò)程的分析，鋁熔體中氣泡的形核過(guò)程為非均相形核，得出了氣泡形核的活性孔隙尺寸范圍，同時(shí)推導(dǎo)出氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中半徑r與時(shí)間t的關(guān)系，及球形氣孔理論上的最大半徑。 依據(jù)熔體發(fā)泡法制備的不同孔徑泡沫鋁硅材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析表明鋁粉增粘后的

4、鋁合金熔體為非牛頓流體，其粘度可用Vand式進(jìn)行表示，同時(shí)對(duì)理論推導(dǎo)所得的半徑公式進(jìn)行修正，使其成為適合鋁粉增粘發(fā)泡法制備泡沫鋁硅合金的孔徑公式。 泡沫鋁硅合金的力學(xué)性能結(jié)果表明，泡沫鋁硅合金的單向壓縮形變經(jīng)歷三個(gè)區(qū)域, 在各區(qū)內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變特征符合Ashby 模型，即線性彈性區(qū)、平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)。 根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算了泡沫鋁硅合金的吸能能力及吸能效率，結(jié)果表明：其吸能能力，取決于應(yīng)力和應(yīng)變，與密度之間呈非單調(diào)關(guān)系

5、，在某一密度時(shí)，具有最大值。泡沫鋁硅合金的吸能效率隨應(yīng)變的增加，達(dá)到最大值后開始下降。泡沫鋁硅合金密度越低，平臺(tái)區(qū)越長(zhǎng)，在平臺(tái)區(qū)變形范圍內(nèi)，能量吸收效率達(dá)80％以上。 建立了三種泡沫鋁模型：模型1（不均勻結(jié)構(gòu)）、模型2（均勻結(jié)構(gòu)）、和模型3（大孔缺陷結(jié)構(gòu)）。與常用的周期性六邊形蜂窩模型相比，所建立的模型更符合實(shí)際泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)。利用ANSYS軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行有限元分析，得出其彈性模量和密度呈指數(shù)關(guān)系。 根據(jù)泡沫鋁硅