粉末复合轧制法制备泡沫铝夹芯板基础研究

作     者：张玉洁 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄闻战

授予年度：2024年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 0702[理学-物理学] 

主      题：泡沫铝夹芯板 粉末复合轧制法 准静态三点弯曲 抗弯强度 吸能 数字图像技术 

摘      要：泡沫铝夹芯板结合了泡沫铝芯材质轻、吸能、隔热及致密板材刚度大的优异性能,因此该复合结构具备了优异的整体特性,现今被广泛研究和应用。但是,目前泡沫铝夹芯板制备方法中,仍存在芯材与板材结合效果差、结合工艺复杂、缺乏一体化成型的制备工艺的问题,以及存在原材料浪费的现象。 本文首次采用粉末复合轧制法制备得到泡沫铝夹芯板,首先分析了轧制及发泡工艺与泡沫铝发泡效果内在机理,获得泡沫铝制备工艺最优参数;基于泡沫铝芯材的制备工艺研究探索制备泡沫铝夹芯板的工艺,针对泡沫铝夹芯板发泡不稳定且存在各种缺陷的问题,优化泡沫铝夹芯板板厚及发泡剂含量,并制得孔结构优良、具良好冶金结合效果的泡沫铝夹芯板。此外,结合数字图像技术(Digital Image Correlation,DIC)数字图像技术对夹芯板进行准静态三点弯曲性能测试及分析,建立了失效模型示意图。主要研究内容如下: (1)对泡沫铝芯材轧制工艺参数进行了系统探索。分别在40%、60%、80%轧制变形量及300℃、400℃、500℃轧制温度下进行泡沫铝芯材前驱体制备,发现轧制变形量主要通过改变前驱体致密度及元素分散性影响发泡过程气体分布,进而影响孔结构参数;轧制温度则主要影响前驱体中铝基体及Si元素结合紧密程度来影响发泡过程气体生长扩散;并在660℃、680℃及700℃发泡温度下进行发泡试验,通过对比孔结构发现轧制变形量60%,轧制温度500℃,发泡温度680℃为最优参数。 (2)基于泡沫铝芯材最优参数制备泡沫铝夹芯板,研究发泡时间对泡沫铝夹芯板孔结构影响,发现300s为最佳发泡时间,对该发泡时间下制备泡沫铝夹芯板进行计算机断层扫描(Computed Tomography,CT),得到分布均匀的逐层孔隙率;并针对泡沫铝夹芯板发泡稳定性差,优化了泡沫铝夹芯板板厚及发泡剂含量,有效降低泡沫铝夹芯板制备过程缺陷发生,发泡剂含量0.8wt%试样孔结构均匀性优于发泡剂含量0.5wt%,板厚2mm试样发泡稳定性优于板厚1mm试样。 (3)通过准静态三点弯曲测试泡沫铝夹芯板弯曲性能,研究发现发泡剂含量主要通过调整孔结构从而影响抗弯性能;发泡剂含量增加,孔均匀程度下降,孔隙率变大,试样极限载荷变小,抗弯强度下降。板厚主要影响失效模式,增大板厚,试样极限载荷变大,抗弯强度上升,1mm板厚失效模式主要有芯层压实、芯层剪切及面板断裂,2mm板厚还有面板屈服;结合三点弯曲变形过程和DIC数字图像技术,讨论分析得到孔薄弱区及应力集中区,建立失效模型示意图。 (4)通过计算得到泡沫铝夹芯板试样吸能曲线,比较不同发泡剂含量下板厚1mm的样品的能量吸收水平,排序为:0.8wt%0.5wt%1wt%,主要原因是发泡剂含量0.8wt%时,样品孔结构最为均匀,孔圆度值及孔壁厚度最大,具有更高的承载能力;比较不同板厚样品,其能量吸收水平及单位质量能量吸收效率显著提升,主要由于板厚增加,在承载过程不易断裂,平台区更长,能量吸收水平更高。