Karakteristikat e performancës së panelit sanduiç me shkumë alumini me fibër karboni të depozituar nga bakri në krahasim me panelin sanduiç me shkumë alumini konvencional

Sanduiç me shkumë aluminiPanelet (AFS) kanë një kombinim të karakteristikave strukturore dhe funksionale si densiteti i ulët, forca specifike e lartë, thithja e favorshme e energjisë, kapaciteti i amortizimit dhe mbrojtja elektromagnetike. Këto veti të shkëlqyera bëjnë që AFS të ketë potencial të madh në hapësirën ajrore, transportin dhe fushat detare. Krahasuar me shkumat mezi metalike, pllakat e jashtme metalike të AFS mund të mbyllin në mënyrë efektive shkumën dhe të përmirësojnë vetitë e saj mekanike gjithëpërfshirëse, si forca në tërheqje dhe përkulje. Në përgjithësi, AFS është fabrikuar me metodën e lidhjes ngjitëse, e cila përfshin bashkimin e shkumës së aluminit në panele metalike të ngurta duke përdorur ngjitësin e rrëshirës epoksi.

Megjithëse metoda e lidhjes ngjitëse rrit në mënyrë efektive amortizimin strukturor, ajo shoqërohet me kufizime, duke përfshirë sfidat në riciklimin dhe ndjeshmërinë ndaj dështimit të delaminimit në kushte të temperaturës së lartë ose gërryese. Për të adresuar këto kufizime, përpjekje të gjera kërkimore i janë kushtuar arritjes së lidhjes metalurgjike midis panelit dhe shtresës bazë.

Aktualisht, metodat mbizotëruese të përgatitjes për PVF që synojnë arritjen e lidhjes metalurgjike përgjithësisht klasifikohen në tre kategori: saldimi, shkumëzimi i shkrirjes dhe metoda e metalurgjisë së pluhurit të paketimit. Midis këtyre metodave, metoda e metalurgjisë së pluhurit të paketimit të rrotullimit konsiderohet si superiore për kontrollin e strukturës së poreve dhe arritjen e shkumëzimit në temperaturë të ulët. Puna jonë e mëparshme përdori këtë teknologji për të fabrikuar AFS me përmasa të mëdha me veti më të mira zgjerimi dhe strukturë celulare për aplikime industriale.

Megjithatë, për shkak të vetive mekanike kompresive relativisht të ulëta të bërthamës së shkumës, përmirësimi i forcës mekanike të AFS është i kufizuar, kështu që përmirësimi i mëtejshëm i forcës së bërthamës së shkumës është thelbësor për AFS.

Deri më sot, metodat e zakonshme janë raportuar për të përmirësuar vetitë mekanike kompresive tëshkumë aluminijanë si më poshtë: trajtimi i sipërfaqes, trajtimi termik dhe përforcimi duke shtuar grimca, fibra, elementë aliazh etj. Midis tyre, fibrat e shkurtra të karbonit me densitet të ulët, modul të lartë elastik dhe raport të madh pamjeje kanë tërhequr vëmendjen e gjerë si materiale përforcuese premtuese. Për më tepër, metalizimi sipërfaqësor i fibrave të karbonit, duke elektrizuar ose veshje kimike, si p.sh. veshje me bakër ose nikel, përmirëson më tej lagueshmërinë e fibrave të karbonit në shkrirjen e aluminit dhe shmang reaksionet e dëmshme ndërfaqesore midis fibrave të karbonit dhe shkrirjes së aluminit. Fibra e shkurtër e karbonit tani përdoret gjerësisht për të përforcuar përbërjet e matricës së aluminit.

Bhav Singhetal. të përgatitura me fibra karboni të veshura me bakër, kompozita me matricë alumini të përforcuara me metodën e derdhjes me trazim. Muetal. kompozita të fabrikuara me matricë alumini të përforcuara me fibra karboni të veshura me nikel duke përdorur metodën e derdhjes me dy rrotullime. Rezultatet treguan një rritje të konsiderueshme në rezistencën në tërheqje të përbërjeve me shtimin e fibrave të karbonit. Megjithatë, ka pasur kërkime të kufizuara të kryera mbishkumë alumini të përforcuarme fibra karboni të veshura me bakër. Kaoetali. përgatiti fillimisht fibrat e karbonit të veshura me bakër përforcuan shkumën e aluminit përmes metodës së shkumëzimit të shkrirë. Rezultatet tregojnë se 0,35 vol% e Cf mund të stabilizojë shkumën e aluminit duke parandaluar këputjen e filmit të lëngshëm dhe sa më shumë që sasia e fibrave të shtuara në shkumë të jetë më e qëndrueshme. Muetal. tregoi se vetitë amortizuese të shkumës së aluminit të përgatitur me metodën e shkumëzimit të shkrirë u përmirësuan ndjeshëm me shtimin e Cf.

Prandaj, mund të konkludohet se shtimi i Cf mund të jetë një strategji efektive për të përmirësuar njëkohësisht stabilitetin e shkumëzimit dhe vetitë mekanike tëshkume alumini. Për më tepër, nuk ka pasur raporte për panele sanduiç me shkumë alumini të përforcuar me fibra karboni të veshura me bakër, të përgatitura me metodën e metalurgjisë pluhur, e cila i motivon studiuesit të kryejnë studime më të thelluara në këtë fushë.

Studime të shumta janë kryer mbi mekanizmin e bërthamimit dhe qëndrueshmërinë eshkume aluminime shtimin e fazave përforcuese. Dallimet në numrin e poreve dhe morfologjinë e poreve,

të tilla si madhësia, shpërndarja dhe forma, zakonisht i atribuohen mekanizmave të bërthamës dhe stabilitetit. Efektet heterogjene të bërthamës dhe mekanizmat e stabilizimit të rrjetit oksid në sistemin e metalurgjisë së pluhurit janë hetuar në mënyrë shteruese. Pluhurat e aliazhit kuaternar të përbërë nga Al-Si-Mg-Cu të përdorura në këtë punim kanë shfaqur shpejtësi të jashtëzakonshme zgjerimi dhe temperatura të ulëta shkumëzimi, me një temperaturë solidus prej 507 ◦C dhe një temperaturë likuidus prej 596 ◦C. Sidoqoftë, ka një mungesë kërkimi në lidhje me mekanizmin e bërthamës, stabilitetin dhe vetitë mekanike kompresive të kompakteve pluhur që përmbajnë këtë përbërje të veçantë aliazhi, veçanërisht kur përfshihet Cf. Në punimet e mëparshme, hetimet e mekanizmave të bërthamës dhe stabilizimit u kryen kryesisht përmes metodave jo-insitu, duke përfshirë analizën tomografike të mostrave që u ftohën me shpejtësi pas ndërprerjes së shkumës. Fatkeqësisht, bërthamimi i flluskave nën mikron ndodh kryesisht gjatë ngrohjes pararendëse dhe zgjerohet me shpejtësi brenda intervaleve kohore që shtrihen nga 100 ms në 1 s, duke paraqitur shpesh sfida për vëzhgimin në kohë reale. Teknika moderne e imazhit me rreze X me rrezatim sinkrotron posedon energji të lartë dhe rezolucion hapësinor-kohor, duke lejuar vëzhgimin në kohë reale, në vend, të procesit të bërthamës dhe rritjes së shkumave të aluminit në temperatura të ngritura. Aktualisht, vetëm studiues të kufizuar kanë eksploruar kinetikën e shkumëzimit të pluhurit të aliazhit Al-Si-Mg nga rrezatimi sinkrotron. Për shembull, García-Morenoetal. raportoi fenomene të rëndësishme dinamike në shkumën e lëngshme të aluminit, duke përfshirë bërthamimin dhe rritjen, rirregullimin e flluskave, tërheqjen e lëngut, grumbullimin dhe këputjen e filmit. Kamm etj. studioi procesin e bërthamimit dhe rritjes së shkumës së aluminit AlSi8Mg4 nga rrezatimi sinkrotron. Gjetjet e tyre treguan se hidrogjeni i krijuar përmes dekompozimit të adsorbateve në sipërfaqen e pluhurit metalik përfaqëson një tjetër mekanizëm të rëndësishëm bërthamor. Megjithatë, ndërveprimi midis përbërësve pararendës është i ndërlikuar dhe dinamika e shkumëzimit mund të ndikohet nga përbërja e tyre. Si për sistemin e pluhurit Al-Si-Cu-Mg ashtu edhe për sistemin e pluhurit Al-Si-Cu-Mg me Cf të shtuar, të kuptuarit dhe eksplorimi i fillimit dhe rritjes së shkumës metalike është thelbësor për zhvillimin e mëtejshëm strukturor të shkumës për të përmirësuar vetitë për aplikime.

Në këtë punim, Cf/AFS dhe AFS me lidhje ndërfaqesore metalurgjike u përgatitën me metodën e metalurgjisë së pluhurit të paketimit. Evolucioni i flluskave të Cf/AFS dhe AFS u vëzhgua in situ nga rrezatimi sinkrotron për të zbuluar mekanizmin e Cf në bërthamën e flluskave, rritjen dhe bashkimin dhe stabilitetin. Përveç kësaj, Cf/AFS dhe AFS u shkumuan në 620 ◦C për 15 minuta në një furrë me dhomë. Më pas, shpërndarja e madhësisë së poreve, mikrostruktura e poreve dhe vetitë mekanike kompresive të mostrave të shkumëzuara u karakterizuan dhe u testuan. Bazuar në studimet e sipërpërmendura, struktura dhe qëndrueshmëria në shtypje e Cf/AFS dhe AFS u vlerësuan në mënyrë sistematike.

2. Materialet dhe metodat

2.1. Lëndët e para

Për përgatitjen e AFS dhe Cf/AFS u përdorën gjashtë lëndë të para: pluhur Al (madhësia mesatare: 45 μm, pastërti >99.70%), pluhur Si (madhësia mesatare: 38 μm, pastërti >99.50%), pluhur Cu (madhësia mesatare: 38 μm, pastërti >99,90%), pluhur Mg (madhësia mesatare: 75 μm, pastërtia >99.70%), pluhur TiH2 (madhësia mesatare: 45 μm, pastërtia >99.70%) dhe fibër karboni të veshur me bakër (madhësia mesatare: 1~2 mm, trashësia e veshjes me bakër: 1.4 μm).

2.2. Fabrikimi i Cf/AFS

Skema e metodës së metalurgjisë së pluhurit të paketimit të rrotullimit është ilustruar nëFig. 1. Gjatë fazës së përzierjes, u përgatit pluhuri aliazh kuaternar AlSi6Mg4Cu4, me pluhura Al, Si, Cu dhe Mg në përmasa përkatësisht 86 wt%, 6 wt%, 4 wt% dhe 4 wt%. 1 wt% pluhur TiH2 i oksiduar (trajtim termik në ajër për 1.5 orë në 470 ◦C) u shtua si një agjent fryrje i cili lëshon H2 me shpejtësi në temperaturën e shkrirjes duke zgjeruar shkrirjen. Për më tepër, 0.5 wt% e fibrave të karbonit u përfshinë si faza përforcuese. Veçanërisht, për të rritur lagështimin dhe për të parandaluar reaksionet e dëmshme si Al4C3 në ndërfaqen e shkrirjes fibër-alumini gjatë shkumëzimit, fibrat e karbonit u mbuluan me bakër nëpërmjet elektrikimit. Procesi i elektrikimit është përshkruar në Ref.Fig. 2tregon fibrat e karbonit të veshura me bakër të përftuara nga procesi i platingjes pa elektronikë. Veshja ka mbulim uniform dhe të vazhdueshëm të sipërfaqes së fibrës(Fig. 2(a)–(b)). Më pas, përbërjet e ndryshme të lidhjeve të përdorura në këtë studim u përgatitën duke përzier plotësisht pluhurat e lartpërmendur me dhe pa Cf në një mikser tredimensional për 3 orë. Pluhuri i përzier në mënyrë uniforme kapsulohet brenda një zgavër të mbyllur, e ndjekur nga procedurat e rrotullimit të ftohtë dhe të nxehtë.

Faza e rrotullimit të ftohtë në mënyrë efektive evakuon ajrin nga brenda zgavrave dhe hapësirave intersticiale midis grimcave përmes një sërë kalimesh të shumta dhe depresioneve të vogla. Faza e rrotullimit të nxehtë siguron që pararendësi të arrijë një dendësi relative që tejkalon 98% përmes bashkë-deformimit të panelit dhe pluhurit, gjë që lehtëson procesin e mëpasshëm të shkumëzimit. Parametrat e detajuar të procesit të rrotullimit janë përshkruar në Ref. Pararendësit e shkumëzuar AFS dhe Cf/AFS përftohen përmes procesit të lartpërmendur. Në fund të fundit, të dy prekursorët e shkumëzuar u ngrohën në 620 ◦C për 15 minuta për të prodhuar ekzemplarë Cf/AFS dhe AFS, të cilat u përdorën për analizën e madhësisë së poreve, karakterizimin mikrostrukturor dhe testet e vetive mekanike kompresive.

2.3. Karakterizimi dhe metodat e testimit

2.3.1. Karakterizimi mikrostrukturor

Morfologjia e mikrostrukturës së Cf/AFS dhe AFS u hetua nga mikroskopi elektronik i skanimit të emetimeve në terren (SEM, Zeiss Ultra Plus). Spektroskopia e shpërndarjes së energjisë (EDS) u përdor për të identifikuar përbërjen e fazave të ndryshme në muret qelizore të mostrave të shkumëzuara. Seksionet gjatësore të mostrave janë marrë duke prerë ekzemplarët e shkumëzuar duke përdorur makinën elektro-shkarkuese (EDM, DK7745). Pas kësaj, seksionet gjatësore të ekzemplarëve u lyen me bojë dhe më pas u lëmuan dhe u lustruan duke përdorur letër zmerile me 800 grimca dhe 1500 grimca, përkatësisht. Në fund të fundit, diametrat ekuivalent të qelizave (Dmean) të seksionit kryq të mostrës së lëmuar u përcaktuan duke përdorur softuerin e analizës së imazhit, Image Pro Plus 6.0.

Fig. 1.Skema e metodës së metalurgjisë së pluhurit të paketimit të rrotullimit.

Fig. 2.Imazhet SEM të (a) fibrave të karbonit të veshura me bakër dhe (b) tregojnë një pamje të zmadhuar të rajonit të shënuar nga një katror i kuq në (a). Imazhet (c) dhe (d) janë rezultatet EDS të pikës A në (b).

Fig. 3.Diagrami skematik i konfigurimit të eksperimentit të rrezatimit sinkrotron.

2.3.2. Vëzhgimet e shkumëzimit në vend nga rrezatimi sinkrotron

Është skicuar diagrami skematik i konfigurimit të eksperimentit të rrezatimit sinkrotronFig. 3. Eksperimentet u kryen në linjën rreze 4W1A të objektit të rrezatimit sinkrotron të Pekinit (BSRF, Instituti i Fizikës së Energjisë së Lartë të Pekinit, Akademia Kineze e Shkencave, Kinë). Ndryshe nga imazhet konvencionale të kontrastit të thithjes, ky punim përdor imazhin e kontrastit fazor me burimin e dritës së rrezatimit sinkrotron. Kjo qasje trajton kufizimet e imazheve tradicionale të përthithjes, e cila është joefektive për vizualizimin e substancave që thithin dobët. Procesi i shkumëzimit të ekzemplarëve u krye brenda një furre shkumëzimi të projektuar me porosi, me një dritare katrore 15 mm me 15 mm të pozicionuar pingul me drejtimin e rrezeve X. Madhësia e kampionit, siç përshkruhet në Fig. 3, ka përmasa 15 mm × 15 mm × 2 mm. Mostra vendoset në një kallëp shkumës të përbërë nga një numër i caktuar fletësh qeramike. Gjatë gjithë procesit të shkumëzimit, rrezet X mund të kalojnë përmes kampionit dhe kapen nga një kamerë e pajisjes me ngarkesë (CCD). Burimi i zgjedhur i rrezeve X funksiononte me një intensitet prej 20 Kev dhe një madhësi maksimale e shikimit prej 7.4 mm × 7.4 mm u përdor për të mundësuar vëzhgim gjithëpërfshirës të të gjithë procesit të shkumëzimit.

Vlen të theksohet se mostrat e vëzhguara janë pozicionuar në një mënyrë pingul me drejtimin e rrotullimit dhe drejtimin tangjencial. Të dy prekursorët që përmbajnë 0,5 wt% Cf dhe ata pa 0,5 wt% Cf u hoqën panelet anësore nga të dy anët e mostrave duke përdorur EDM. Efekti i Cf në karakteristikat e shkumëzimit të shkumës së aluminit është hetuar. Për më tepër, prekursorët me përbërje të ndryshme shkumoheshin në të njëjtën furrë ngrohëse në një temperaturë të paracaktuar prej 620 ◦C.

2.3.3. Testi i vetive mekanike të kompresimit

Mostrat e ngjeshjes u prenë në ekzemplarë cilindrikë me një lartësi prej 23 mm dhe një diametër prej 20 mm nga EDM, dhe çdo drejtim u sigurua të përfshinte të paktën 10 pore të plota për të shmangur efektin e madhësisë. Testet kuazi-statike të kompresimit u kryen duke ndjekur standardet ISO13314–2011 dhe GB/T31930–2015, duke përdorur një makinë universale të testimit të materialit elektronik AG-XPLUS me një kapacitet ngarkese maksimale prej 100 KN. Tre mostra u testuan për secilin grup, dhe kurbat e tensionit-deformimit në shtypje në këtë punim përfaqësojnë rezultatet mesatare të marra nga tre mostrat e testuara. Të gjitha testet u kryen nën kontrollin e zhvendosjes, duke mbajtur një shpejtësi konstante të kryqëzimit prej 2 mm/min (që korrespondon me një shkallë sforcimi fillestar prej 10− 3 s− 1) në temperaturën e dhomës.

Fig. 4.Imazhet e rrezatimit sinkrotron të evoluar në kohë të procesit të shkumëzimit Cf/AFS: (a) pararendës i pa shkumëzuar në momentin t0 prej 380 ◦C; (b)–(c) shpërbërja e bakrit elementar dhe bërthama e tipit II gjatë shkrirjes së prekursorëve; (d)–(g) proceset heterogjene të bërthamës dhe rritjes së flluskave; dhe (h)–(i) flluska bashkohen dhe çahen.

3. Rezultatet dhe diskutimi

3.1. Sjellja e shkumëzimit në vend nën rrezatimin sinkrotron

3.1.1. Evolucioni i shkumës së Cf/AFS

Fig. 4shfaq një seri imazhesh të rrezatimit sinkrotron që përshkruajnë procesin e shkumëzimit të Cf/AFS. Imazhet origjinale të Cf/AFS(Fig. 4 (a))u kapën kur matrica ishte në gjendje të ngurtë në 380 ◦C, dhe kjo kohë u vendos si t0. Krahasuar me përbërësit e tjerë në pararendësin, Cf duket e zezë brenda matricës kryesisht gri të pasur me alumin. Kjo mund t'i atribuohet përmbajtjes së lartë të bakrit në sipërfaqen e fibrave, siç tregohet nëFig. 2(c)–(d), i cili ka masën atomike relative më të madhe në krahasim me përbërësit e tjerë të pararendësit. Për më tepër, shumica e Cf-ve janë vërejtur të jenë të shpërndara dhe të ndara, në vend që të grumbullohen së bashku, siç tregohet nëFig. 4(a). Kjo nënkupton që me një shtim 0,5 wt% të Cf, një proces trazimi 3 orë mund të arrijë në mënyrë efektive gjendjen e dëshiruar të dispersionit.

Në t0+194s (siç shihet nëFig. 4(b)), një numër i konsiderueshëm flluskash të bardha, gati sferike me diametër që variojnë nga 90 μm në 180 μm mund të vërehen në matricën gri të aluminit (të shënuar me shigjetën e kuqe). Numri i flluskave vazhdoi të rritet brenda 46 s, siç tregohet nëFig. 4(c). Për më tepër, një ndryshim tjetër i rëndësishëm që ndodh në matricë është se disa flluska të vogla priren të formohen në sipërfaqen e Cf me fillimin e shpërbërjes së Cu (të shënuara me kutinë me pika të kuqe). Ky fenomen ka të ngjarë t'i atribuohet bërthamimit të tipit II që ndodh brenda kompaktit të pluhurit që përmban bakër. Është e njohur gjerësisht se shtimi i Cu ul ndjeshëm temperaturën e shkrirjes së lidhjeve. Kjo rezulton në shkrirjen e lokalizuar rreth grimcave individuale të pluhurit në pararendësin pluhur që përmban pluhur bakri gjatë procesit të ngrohjes, duke gjeneruar një sasi të konsiderueshme të shkrirjes eutektike kuaternare Al-Si-Mg-Cu në temperatura më të ulëta. Pishina e shkrirjes eutektike kuaternare ka tendencë të jetë një rajon i dobët në aliazh dhe është më i prirur ndaj bërthamimit. Si rezultat, flluskat kanë më shumë gjasa të formojnë bërthama dhe të rriten pranë sipërfaqes së fibrës së veshur me bakër. Për më tepër, fraksioni i ulët i lëngshëm në matricë në këtë moment bën që gazrat nga dekompozimi i TiH2 të grumbullohen lehtësisht në matricën e aluminit. Bërthama e tipit II mund të shmangë në mënyrë efektive gazin e akumuluar që detyron matricën e fraksionit të ulët të lëngshëm të shkëputet dhe të përhapë çarje nëpër lëng, duke rezultuar në humbje të rëndë të sasisë së hidrogjenit.

Fig. 4(d)tregon se flluskat fillimisht formojnë bërthama dhe rriten në rajonin e Cf ndërsa matrica shkrihet plotësisht dhe vendndodhjet e flluskave korrespondojnë me shtresën e zhdukur të veshur me bakër (të shënuar me kutinë me pika të kuqe). Është vërtetuar mirë se shtimi i fazave dytësore rrit numrin e vendeve heterogjene të bërthamës, duke reduktuar kështu pengesën e energjisë për formimin e flluskave të reja brenda shkrirjes së aliazhit. Ndërkohë, shkalla e bërthamimit lidhet me sipërfaqen totale heterogjene të bërthamimit për njësi vëllimi. Rrjedhimisht, mund të vërehet se flluskat fillimisht bërthamohen në vendet ku ndodhen fibrat e karbonit dhe zgjerohen përgjatë gjatësisë së fibrës së karbonit. Me një rritje të mëtejshme në fraksionin e shkrirjes, flluska të shumta të reja vazhdojnë të dalin ngaFig. 4(e)–4(g). Megjithatë, shkalla e bashkimit të lokalizuar dhe këputjes së flluskave është e ngadaltë, duke treguar se flluskat kanë stabilitet të lartë. Në t0+426s, numri i flluskave rritet ndjeshëm, dhe

vëllimi pararendës shfaq zgjerim të madh(Fig. 4(h)). Për më tepër, shfaqja e disa bashkimeve të flluskave (të shënuara me shigjetën e kuqe), ku flluska të vogla thithen nga ato më të mëdha për shkak të maturimit të Ostwald, është një proces i pashmangshëm gjatë evolucionit të shkumave metalike [40]. Ky fenomen maturimi rezulton gjithashtu në shfaqjen e një numri të vogël flluskash të mëdha dhe të parregullta (të shënuara me shigjetën e kuqe nëFig. 4(i)).

Fig. 5.Imazhet e evoluara në kohë të procesit të shkumëzimit të AFS në faza të ndryshme: (a) pararendës i pashkrirë në momentin t0 prej 380 ◦C; (b) shpërbërja e bakrit elementar dhe bërthama e tipit II gjatë shkrirjes së prekursorëve; (c) proceset e formimit dhe rritjes së flluskave; dhe (d)–(f) flluska bashkohen dhe çahen.

3.1.2. Evolucioni i shkumës së AFS

Fig. 5 demonstron një seri imazhesh të rrezatimit sinkrotron që ilustrojnë procesin e shkumëzimit të AFS. Ngjashëm me Cf/AFS, imazhi fillestar për sekuencën e rrezatimit sinkrotron u kap kur AFS ishte në fazën e ngurtë në 380 ◦C (shihFig. 5(a)). Kur matrica nxehet mbi temperaturën solidus, flluska të vogla të bardha bëhen të dukshme brendaFig. 5(b) dhe (c), që rezulton nga zbërthimi i TiH2 dhe shfaqja e bërthamave të tipit II në rajonin e pasur me Cu. Megjithatë, numri i flluskave të krijuara dhe dendësia e shpërndarjes së tyre nëFig. 5(c)është dukshëm më e ulët në krahasim meFig. 4(c). Kjo sugjeron që Cf/AFS ofron më shumë kanale për çlirimin e hershëm të gazit gjatë bërthamimit, duke parandaluar formimin e tepërt të çarjeve në matricën e aluminit me fraksion të ulët të lëngshëm.

NgaFig. 5(d)–(f). Evolucioni i flluskave AFS është i parregullt dhe madhësitë e tyre shfaqin luhatje të gjera për shkak të bashkëjetesës së flluskave me madhësi mikrometrash dhe flluskave të mëdha me madhësi anormale milimetrash (të shënuara me shigjetën e kuqe). Për më tepër, kjo paqëndrueshmëri dhe johomogjenitet gjatë procesit të bërthamimit të hershëm mund të rezultojë në ndryshime të rëndësishme në strukturën e poreve përfundimtare dhe vetitë mekanike midis AFS dhe Cf/AFS.

3.2. Analiza e makrostrukturës

Për të hetuar ndryshimet në morfologjinë makroskopike të poreve dhe diametrin e poreve midis AFS dhe Cf/AFS, u përgatitën dy struktura sanduiç në kushte laboratori në një temperaturë shkumëzimi prej 620 ◦C për 15 min. Makrostrukturat dhe shpërndarja e madhësisë së qelizave të AFS dhe Cf/AFS janë paraqitur nëFig. 6. Krahasimi i seksioneve vertikale të dy mostrave të strukturave sanduiç zbulon se shkumat Cf/AFS kanë qeliza më të imta dhe më pak defekte të tilla si këputja ose bashkimi i qelizave (shihFig. 6 (b)). Përkundrazi, siç tregohet nëFig. 6(a), AFS shfaq homogjenitet të dobët të poreve me praninë e disa poreve anormalisht të mëdha. Ndërkohë, diametri ekuivalent i poreve për AFS dhe Cf/AFS ishte përkatësisht 2,9 ± 0,2 mm dhe 1,9 ± 0,1 mm, duke sugjeruar që diametri i poreve u rafinua më tej me shtimin e Cf (shihFig. 6(c) dhe (d)).

Evolucioni i strukturës së poreve ndikohet nga dy mekanizma konkurrues: dekompozimi i TiH2 dhe bashkimi dhe këputja e shkumës. Zbërthimi i TiH2 kontribuon në rritjen e numrit të bërthamave, porozitetit dhe shkallës së zgjerimit, ndërsa bashkimi dhe këputja e flluskave zvogëlon numrin e poreve dhe rrit diametrin e poreve. Reduktimi i ngjarjeve të shkrirjes dhe këputjes së flluskave kontribuon në marrjen e një strukture më të mirë qelizore. Prandaj, stabiliteti i lartë i shkumës është i nevojshëm për të ruajtur homogjenitetin e strukturës së poreve gjatë procesit të shkumëzimit. Për Cf/AFS, shtimi i Cf përmirëson shumë lagështimin e fibrave me shkrirjen e aluminit. Ngjashëm me shkumën e raportuar të aluminit të përforcuar Cf [44] të përgatitur me metodën e shkumëzimit të shkrirë, shtimi i Cf stabilizon shkumën e aluminit duke parandaluar këputjen e murit qelizor dhe duke zvogëluar grumbullimin. Ndërkohë, Cf mund të krijojë një strukturë si rrjetë në murin qelizor, e cila gjeneron një forcë ndarëse dhe parandalon këputjen e flluskave, duke përmirësuar kështu strukturën e qelizës, stabilitetin e shkumës dhe uniformitetin e shpërndarjes së poreve.

3.3. Karakterizimi mikrostrukturor

Fig. 7(a)tregon mikrostrukturën e murit qelizor pas shkumëzimit me AFS. Siç është raportuar për shkumat e aliazhit AlSi6Cu4Mg4, Al-Si, Mg2Si, Al2Cu dhe Al5Cu2Mg8Si6 eutektike janë të pranishme në aliazh, gjë që është në përputhje me gjetjet e marra nga analiza EDS nëFig. 7(b). Këto faza të brishta ulin vetitë mekanike të shkumës së aluminit duke dobësuar murin e poreve ose duke vepruar si burim i çarjeve gjatë deformimit. Prandaj, rritja e vetive mekanike të murit të poreve përmes shtimit të fazave përforcuese është një strategji e zbatueshme dhe efektive.

Për Cf/AFS, mund të vërehet ngaFig. 7(c) dhe (d)që Cf shpërndahet brenda murit qelizor ose në skajin e murit qelizor, duke treguar se Cf ka një lagështi të shkëlqyer me shkrirjen e aluminit. Për më tepër, është e dukshme (referojuniFig. 7(d)) që një sasi e vogël e fazës së precipituar Al2Cu formohet në ndërfaqen midis fibrave dhe shkrirjes së aluminit. Ky fenomen kontribuon në arritjen e një lidhjeje të fortë midis fibrave dhe matricës. Progresi i këtij reaksioni të difuzionit mund të vërehet intuitivisht nëFig. 4(a)–(c). Vini re se faza e precipituar nuk i rrethon plotësisht fibrat e karbonit dhe gjendja dhe sasia e kësaj shpërndarjeje janë të dobishme për Cf/AFS. Bazuar në studimin e Lv et al, mbi materialet kompozite të matricës së aluminit të përforcuar me Cf, u demonstrua se sasia e duhur e fazës së precipituar mund të ndikojë dhe rregullojë forcën e lidhjes ndërfaqesore.

Fig. 6.Seksionet vertikale të mostrës përfaqësuese (a) AFS dhe (b) Cf/AFS. Diametri ekuivalent kundrejt fraksioneve të sipërfaqes që korrespondojnë me (a) dhe (b) përshkruhen respektivisht në (c) dhe (d). Vija e vazhdueshme e ngurtë në (c) dhe (d) përfaqëson përshtatjen log-normale. Regresioni (R2 ) përfaqëson mirësinë e përshtatjes.

Fig. 7.Imazhet SEM (a) dhe (b) tregojnë mikrostrukturat që korrespondojnë meFig. 6(a) PVF dheFig. 6(b) Cf/AFS, përkatësisht, për më tepër,Fig. 7(b) dhe (d) tregojnë zmadhimet e lokalizuara tëFig. 7(a) dhe (c), respektivisht.

3.4. Mekanizmi i stabilizimit të Cf shkumës Al–Si–Mg–Cu

Bazuar në analizën e sipërpërmendur, një paraqitje skematike e mekanizmit të shkumëzimit për Cf/AFS dhe AFS është përmbledhur nëFig. 8. Dallimet domethënëse midis Cf/AFS dhe AFS në fazën e bërthamës, rritjes së flluskave dhe fazës së bashkimit dhe fazës së ngurtësimit gradual, siç ilustrohet nëFig. 8(a) dhe (b).

Fig. 8.Diagrami skematik i sjelljes së shkumëzimit të Cf/AFS dhe AFS: (a) Cf/AFS; dhe (b) PVF.

Në fazën e bërthamimit të shkumave të aliazhit AlSi6Cu4Mg4, flluskat priren të bërthamojnë brenda eutektikës së lëngët kuaternare që rrethon grimcat e bakrit, në vend që të bërthama në vendndodhjen e grimcave TiH2. Ky lloj bërthamimi në rajonin më të dobët të pararendësit (bërthama e tipit II) siguron më shumë kanale ikjeje për gazrat e çliruar nga dekompozimi i TiH2, duke shmangur akumulimin e gazrave dhe duke shkaktuar përhapjen e çarjeve në shkrirjen e aluminit. Shtimi i fibrave të karbonit të veshura me bakër me sa duket krijon më shumë kanale për çlirimin e H2. Megjithatë, meqenëse shkrirja e aluminit nuk ka fraksion të mjaftueshëm të lëngshëm në këtë fazë, është e vështirë që flluska të tilla të vogla të kenë një burim të mjaftueshëm H2 për të vazhduar të rriten. Si rezultat, këto flluska të vogla çahen brenda shkrirjes ndërsa temperatura rritet. Kur pararendësi të shkrihet plotësisht, H2 i çliruar nga reaksioni i dhunshëm i dehidrogjenizimit të TiH2 do të bërthamohet dhe do të rritet me shpejtësi bazuar në pikën e bërthamës. Cf siguron vende të shumta heterogjene të bërthamimit për gjenerimin e flluskave, të cilat rrisin shumë shkallët e bërthamimit. Njëkohësisht, prania e Cf pengon në mënyrë efektive kontaktin dhe bashkimin e flluskave primare dhe shmang formimin e flluskave anormalisht të mëdha.

Gjatë fazës së rritjes dhe bashkimit të flluskave, shtimi i Cf përmirëson ndjeshëm stabilitetin e shkumës. Arsyeja është se Cf dhe shkrirja e aluminit kanë lagështi të mirë, dhe fibrat mund të bllokohen lehtësisht midis dy ndërfaqeve gaz-lëng për të formuar një strukturë rrjeti (siç tregohet nëFig. 7(c)). Ndërsa filmi i lëngshëm hollohet, fijet mund të gjenerojnë një presion ndarës për t'i rezistuar thithjes nga kufiri i pllajës, duke parandaluar kështu këputjen e filmit të lëngshëm. Pra, Cf/AFS ka nevojë për kohë më të gjatë shkumëzimi në krahasim me AFS, me stabilitet më të lartë që mund të ruajë uniformitetin e strukturës së poreve gjatë evolucionit të shkumës.

Gjatë fazës së ngurtësimit të ngadaltë, flluskat në Cf/AFS nuk rriten më dhe fibrat janë të ngulitura brenda murit qelizor (të shënuara me kutinë me pika të kuqe). Kjo mbajtje e fibrave parandalon thithjen e flluskave të vogla nga ato më të mëdha, siç shihet në maturimin e Ostwald, dhe pengon këputjen e murit qelizor për shkak të zgjerimit të ngurtësimit. Si rezultat, Cf/AFS shfaq një strukturë pore më homogjene dhe më pak defekte të poreve në krahasim me AFS.

3.5. Vetitë mekanike

Lakoret sforco-deformim shtypës për Cf/AFS dhe AFS me porozitet pothuajse të njëjtë (83.2% dhe 81.4%, respektivisht) janë paraqitur nëFig. 9(a). Kurba e tensionit-deformimit shtypës shfaq një karakteristikë të veçantë me tre shkallë, që përfshin rajonin elastik linear, rajonin e pllajës dhe rajonin e densifikimit. Forca e rendimentit në shtypje e AFS dhe Cf/AFS ishte përkatësisht 8.44 MPa dhe 11.87 MPa. Forca e rendimentit në shtypje e Cf/AFS u rrit me 40.6% krahasuar me AFS. Ndërkohë, kapaciteti absorbues i energjisë i Cf/AFS është më i mirë se ai i AFS në të njëjtin tendosje, siç tregohet nëFig. 9(b). Kapacitetet absorbuese të energjisë të AFS dhe Cf/AFS janë përkatësisht rreth 3.3 MJ/m3 dhe 6.1 MJ/m3. Kapaciteti absorbues i energjisë i Cf/AFS është përmirësuar me 84.8% krahasuar me AFS.

Fig. 9.Lakoret e sforcimit-trajnimi kompresues dhe kurbat e kapacitetit të absorbimit të energjisë të Cf/AFS dhe AFS: (a) kurbat e tensionit shtypës-trenës; (b) kurbat e kapacitetit të absorbimit të energjisë.

Përfshirja e Cf përmirësoi ndjeshëm vetitë mekanike të bërthamës së shkumës. Dihet mirë se vetitë mekanike tëshkumë aluminijanë të lidhura ngushtë me strukturën e poreve dhe vetitë mekanike të shtyllës. Analiza makrostrukturore tregoi se shtimi i Cf rafinoi madhësinë e poreve, përmirësoi shpërndarjen e poreve dhe reduktoi defektet e poreve. Ngjashëm me gjetjet e Sasikumar et al. dhe Yangetal. Diametri i vogël i poreve dhe shpërndarja e ngushtë e poreve janë më të dobishme për të rritur forcën në shtypje dhe efikasitetin e thithjes së energjisë. Për më tepër, efekti i mikrostrukturës në vetitë mekanike të shkumës është kryesisht për shkak të Cf-së së ngulitur në muret e poreve të shkumës. Difuzioni dhe shpërbërja e fibrave të karbonit të veshur me bakër në matricën e aluminit mund të arrijë një lidhje më të fortë ndërfaqesore midis fibrave dhe matricës së aluminit, e cila kontribuon në transferimin e ngarkesës. Fibra e karbonit me modul të lartë të ngjitur në murin e poreve mund të kufizojë deformimin e murit të poreve nën ngarkesën e ngjeshjes dhe të përmirësojë kapacitetin mbajtës të ngarkesës. Të gjithë këta faktorë favorizojnë Cf/AFS për të arritur forcë më të lartë rendimenti dhe kapacitet absorbues të energjisë në krahasim me AFS.

4. Përfundime

Cf/AFS dhe AFS janë përgatitur me metodën e paketimit të pluhurit të metalurgjisë në këtë punim. Sjellja e shkumëzimit të Cf/AFS dhe AFS u vëzhgua në mënyrë dinamike përmes rrezatimit sinkrotron në

të hetojë ndikimin e Cf në bërthamën dhe rritjen e flluskave. Përveç kësaj, Cf mbi morfologjinë e poreve, shpërndarjen e poreve dhe vetitë e ngjeshjes së shkumave të aluminit u analizua tërësisht. Përfundimet kryesore janë si më poshtë:

(1) Rrezatimi sinkrotron in situ zbulon se të dy proceset e shkumëzimit Cf/AFS dhe AFS shfaqin tre faza të dallueshme: bërthama e flluskave, rritja dhe bashkimi i flluskave dhe ngurtësimi.

Në krahasim me AFS, procesi i shkumëzimit të Cf/AFS demonstron stabilitet më të lartë dhe uniformitet të flluskave. AFS është më i prirur për të formuar pore anormalisht të mëdha dhe të trashë gjatë procesit të evolucionit të poreve. Për më tepër, pabarazia i atribuohet efektit heterogjen të bërthamës së Cf, i cili parandalon këputjen e murit të flluskës dhe redukton bashkimin duke rritur shkallën e bërthamimit.

(2) Shtimi i 0,5 wt.% Cf rafinon diametrin ekuivalent të poreve nga 2,9 ± 0,2 mm në 1,9 ± 0,1 mm, duke reduktuar ndjeshëm defektet e poreve të trashë. Njëkohësisht, mikrostruktura zbulon lagështueshmëri të mirë të Cf, e cila shpërndahet përgjatë murit të poreve dhe ndërfaqes gaz-ngurtë, duke rritur kështu qëndrueshmërinë e shkumës.

(3) Krahasuar me AFS, forca e rendimentit në shtypje dhe kapaciteti i thithjes së energjisë së Cf/AFS u rritën përkatësisht me afërsisht 40.6% dhe 84.8%. Gjetjet e këtij studimi mund të ofrojnë ide për përforcimin e paneleve sanduiç me shkumë alumini me ndërfaqe lidhëse metalurgjike që kanë potencial për aplikime inxhinierike në fushën e industrisë së automobilave dhe hapësirës ajrore.

Artikull nga Journal of Materials Research and Technology