（材料加工工程专业论文）泡沫锌铝合金及其复合材料的制备与机械阻尼性能的研究.pdf

摘要 论文题目：泡沫锌铝合金及其复合材料的制备与机械阻尼性能的研究 学科专业：材料加工工程 研究生：王海滨签名： 指导教师：梁淑华教授 摘要 签名： 泡沫金属的研究目前在铝基、镍基金属方面研究的较多，如果以阻尼、减震材料作为 泡沫金属的应用，铝基、镍基材料远远比不上锌基材料的阻尼性能。因此，本文采用自行 设计的负压渗流设备装置，运用负压渗流铸造法成功地制备出了通孔泡沫锌铝合金，对影 响泡沫锌铝合金渗流长度的因素进行了研究。同时，为了提高泡沫锌铝合金的阻尼力学性 能，采用浸渗法制备出在泡沫锌铝合金三维网状孔洞中浸渗松香和石蜡的复合材料，并对 泡沫锌铝合金及其复合材料的机械阻尼性能进行了研究。研究结果表明： ( 1 ) 填料粒子尺寸对渗流长度的影响较为显著，填料粒子预热温度的影响次之，金属液 渗流温度与渗流负压的影响不显著，确定了三种不同成分的泡沫合金z n - 2 7 a i 、 z n - 2 2 a l 、和z n - 5 a 1 的最佳工艺参数； ( 2 ) 食盐颗粒的堆积密度是决定孔隙率的直接因素，得出了不同孔径的泡沫z n 2 7 a 1 合金获得最大孔隙率时所对应的食盐颗粒堆积密度的参考值； ( 3 ) 泡沫锌铝合金的抗压缩强度随着相对密度的增大和铝含量的减少而升高，松香和石 蜡在复合材料的受压缩过程中可以连续传递和缓冲载荷，因而提高了复合材料的抗 压强度； ( 4 ) 泡沫锌铝合金及其复合材料的阻尼机制主要表现为缺陷阻尼，随着基体材料孔径变 小和浸渗材料粘度的增大，泡沫锌铝合金及其复合材料的内耗值增大； ( 5 ) 采用负压渗流铸造法制备出了稀土泡沫锌铝合金。稀土l a 和c e 使晶粒得到了细化， 提高了泡沫z n - 2 2 a l 合金的抗压强度，在本实验条件下，稀土l a 和c e 的添加量为 0 3 w t 时可获得最佳的变质效果和最高的阻尼能力。 关键词：负压渗流铸造；泡沫锌铝合金；复合材料；机械阻尼：稀土 筐马 龌游 t i t l e ：p r e p a r a t i o no fz aa l l o yf o a ma n dl t sc o m p o s i t e m a t e r i a la n ds t u d yo ni t sm e c h a n i c a ld a m p i n g p r o p e r | t i e s m a j o r ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：h a i b i nw a n g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f s h u h u al i a n g a b s t r a c t s ；g n a t u 怕：掣露 t h es t u d yo f m e t a lf o a mm a i n l yf o c u s e s0 1 1a l u m i n u mb a s e df o a ma n dn i c k e lb a s e df o a m , b u t 勰d a m p i n gm a t e r i a l sz i n cb a s e df o a mh a sab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ef o r m e r i nt h i s p a p e f z aa l l o yh a sb e e ns e l e c t e da st h eb a s em a t e r i a la n dz aa l l o yf o a mh a sb e e np r e p a r e db y v a c u u mi n f i l t r a t i o nc a s t i n gp r o c e s s t h ce f f e c t so ft h et e c h n o l o g i c a lf a c t o r so l lt h ei n f i l t r a t i o n l e n g t hh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h e nt h er o s i na n dt h ep a r a f f i nw a xh a v eb e e n i n f i l t r a t e di n t ot h ez a a l l o yf o a mr e s p e c t i v e l yb yi n f i l t r a t i o nm e t h o d , s ot h en e wc o m p o s i t e m a t e r i a l sw i t ht h el l i g hd a m p 自a gp r o p e r t i e sh a v eb e e nf o r m e da n di t sm e c h a n i c a ld a m p i n g p r o p e r t i e sh a v ea l s ob e e ns t u d i e d n 坨r e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) 皿ei n f i l t r a t i o nl e n g t hi si n f l u e n c e db yt h es i z eo fp a r t i c l e s ，t h ep r e h e a t e dt e m p e r a t u r e ， i n f i l t r a t i n g t e m p e r a t u r eo f z a a l l o y - m e l ta n di n f i l t r a t i n gp r e s s u r e ，n 圮s i z eo f p a r t i c l e si s m o r ee f f e c t i v et h a no t h e r sf a c t o r s 。硼”o p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r so fz n - 2 7 a l z n - 2 2 a la n dz a - 5 a la r ed e t e r m i n e d ( 2 ) 1 1 1 c p a c k i n g d e n s i t y o f s a l t p a r t i c l e s i s a d i r e c t f a c t o r t o p o r o s i t y j 1 1 把r e f e r e n c e v a l u e o f p a c k i n gd e n s i t yu n d e rw h i c hw e c a l lo b t a i nt h em a x i l n u l np o r o s i t yo f z n - 2 7 a if o a mi s g w e n ( 3 ) t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h o f z a a l l o y f o a m i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h er e l a t i v e d e n s i t ya n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f a l u m i n u mc o n t e n t t h cc o m p r e s s i v es t r e n g t h o f t h ec o m p o s i t ei n c r e a s e sa st h ep a l 施mw a xa n dt h er o s i ni n s i d et h ec o m p o s i t ec a r r y l o a d ( 4 ) t h ed a m p i n gm e c h a n i s mo f z aa l l o yf o a ma n di t sc o m p o s i t ei sd a m p i n gd i s f i g u r e m e n t t h ei n t e r n a lf r i c t i o no f z aa l l o yf o a ma n di t sc o m p o s i t ei n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo f a p c r t u r ea n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f v i s c o s i t yo f i n f i l t r a t i n gm a t e r i a l s ( 5 ) z a a l l o yf o a mw i t hr a l ee a r t hc e o rl aa d d i t i v e sh a v e b e e nf a b r i c a t e db yt h ev a c u u i n i n f i l t r a t i o nc a s t i n g , t h ea d d i t i o no f c ea n dl ai n t ot h ez n - 2 2 a ia l l o yf o a mc a nr e f i n e m i c r o s t m c t u r ea n di m p r o v et h ed a m p i n gc a p a c i t y 鹤w e l l j 1 1 1 cb e s tm o d i f i c a t i o ne f f e c t a n dh i g h e s td a m p i n gc a p a c i t yc a nb eo b t a i n e da t0 3 w t r e k e yw o r d s ：v a c u u mi n f i l t r a t i o nc a s t i n g ；z aa l l o yf o a m ；c o m p o s i t e ：m e c h a n i c a ld a m p i n g p r o p e r t i e s ：r a r ee a r t h 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：毖堡纠年岁月彩日 学位论文使用授权声明 1 ，r 本人垒崖生兰幺在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阋读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权浇明) 敝储虢碰瘦导师娩型坐j 阳声3 月驴 第1 章前言 1 前言 1 1 研究背景及意义 随着现代工业的发展。以及人们环保意识的增强，尤其在航海、航天、航空和核工 业等领域，减振降噪技术的研究已经得到了普遍的重视。振动和噪声控制成为一个迫切的 问题。振动不但造成机械结构的破坏，而且还引起噪声，污染环境，甚至危害人们的身心 健康。因此，世界各国对振动和噪声的问题都十分关注，而且随着现代新技术的发展 和对环境保护的要求，机械产品的振动和噪声水平己经成为衡量产品质量的重要指标，甚 至也是衡量一个国家科学技术乃至工业技术水平的一项重要标志。在国外工业发达国家对 振动和噪声的控制给予高度重视，甚至在法律上对振动和噪声环境有严格要求和明确的规 定标准。所以，设计、生产振动和噪声小的产品，发展减振降噪技术就倍受各界的关注。 采用高阻尼材料是解决振动和噪声问题十分有效的手段之一“。 从分析各种金属材料强度与阻尼性能的关系发现，m n - - c u ，c u - - a i - - n i ，t i n i 等 材料具有高强度和高阻尼的特征，但密度较大，纯m g 、m g - - z r 具有最高的阻尼和最轻的 密度，但强度很低1 5 , 6 1 。高阻尼结构材料既要具有足够的强度和刚度，又要具有较高的 阻尼损耗因子。高分子粘弹性材料具有最高的阻尼损耗因子，但弹性模量过低不能单独做 结构材料，阻尼合金具有良好的力学特性，但阻尼损耗因子比粘弹性材料低得多，不适合 要求高阻尼的场合。若将阻尼合金与粘弹性材料复合，则能制备出既有金属材料的力学性 能，又有粘弹性材料的高阻尼本领的新型复合材料订，舢。传统的阻尼合金大都属单阻尼机 制，泡沫金属基复合材料是一种复相型阻尼合金，利用泡沫金属制各技术，在合金基体中 形成大量细小弥散的微孔，然后与粘弹性或无机非金属材料复合，形成复相阻尼、结构阻 尼和粘弹性阻尼等多种阻尼机制的叠加。 关于泡沫金属的研究目前在铝基、镍基金属方面研究的较多，如果以阻尼、减震材料 作为泡沫金属的应用，铝基、镍基材料远远比不上锌基材料的阻尼性能。目前，泡沫金属 阻尼性能的研究仅局限于泡沫铝合金和z a 2 7 合金泡沫1 9 , 1 0 1 。泡沫铝虽然具有比其基体材 料本身高得多的阻尼性能，然而，应该认识到基体本身的性质对泡沫铝合金的阻尼性能具 有重要的决定作用，从有关泡沫金属的内耗研究得知，不同合金泡沫之问的阻尼性能的差 异是非常显著的i l l , 1 2 p 因此，基于这个观点，通过选择合适的基体材料便能够得到具有 高阻尼性能的金属泡沫。锌铝合金是典型超塑性阻尼合金，锌合金基体本身具有很高阻尼 性能，本课题从制备泡沫锌合金出发，通过与粘弹性高分子材料复合，制备出聚合物，泡 沫金属新型复合材料一泡沫锌合金复合材料，研究其机械阻尼性能并与泡沫铝及泡沫铝合 金的机械阻尼性能进行比较，为获得高机械阻尼性能的材料提供理论依据。 1 2 阻尼的表征及阻尼材料 阻尼材料3 1 是一类功能材料，因其优越的减振、抗冲击、隔噪声性能而倍受世人关 西安理工大学硕士学位论文 注。所谓减振阻尼就是指通过将机械振动和声振动的能量转变为热能耗散掉，从而达到减 振消声的目的。阻尼材料大致可分为金属类阻尼材料、粘弹性阻尼材料、聚合物基阻尼复 合材料、无机类阻尼材料和智能型阻尼材料等，其中聚合物阻尼材料的阻尼本领最高，比 高阻尼合金高l 2 数量级，同时具有较好的力学性能，应用发展较快。 1 。2 1 高阻尼合金 根据阻尼耗能机制，高阻尼合金可分为四类 1 4 , 1 5 1 a 复合型 复合型阻尼合金一般都具有两相( 或两相以上) 复合组织，通常是在高强度基体中分布 软的第二相。在外界振动作用下，基体组织发生弹性变形，第二相在界面处发生塑性流动， 使振动能转变为摩擦热而消耗。灰口铸铁是应用最广泛的复合型阻尼合金，其中石墨含量 较多，片状石墨越发达，阻尼效果越好。此外a 1 s i 合金、a 1 s n 合金、a i - c o 合金等也属 于这类合金。 b 铁磁型 铁磁型阻尼合金在外界振动时产生磁损耗，磁损耗由宏观涡流、微观涡流和磁一机械 静滞后三种损耗组成。其中，磁一机械静滞后是由于合金内部磁畴壁发生不可逆移动而造 成能量耗散，这是此类合金对振动衰减阻尼的主要原因。这种合金的优点是机械性能好， 使用温度高( 居里点以下) ，一般为小于3 8 0 ( 2 ，f e - 1 5 c r 是最典型铁磁性减振材料，f e c r - a i 合金则是它的改进材料。 c 位错型 位错型阻尼合金主要是纯m g 和m g 合金。由于位错与杂质原子之间相互作用，位错 从杂质原子的钉扎点脱离产生静态滞后损耗而吸收振动能。由于这类合金比强度高，比重 轻，能承受较大冲击负荷，适用于航天航空仪表的保持机构，免受剧烈冲击，确保仪表正 常运行。 d 孪晶型 孪晶型也称为热弹性马氏体型或共格晶面型。这类合金由于马氏体相变时产生的孪晶 界非常容易移动，伴随界面移动产生非弹性应交而使应力松弛，从而使外加振动能耗散， 形成阻尼衰减机制。属于孪晶型阻尼合金有：m n 2 c u 、m n 2 c u 2 a i 、c u 2 z n 2 a i 、c u 2 a 1 2 n i 、 砸2 n i 等。这类合金由于具有热弹性马氏体、不仅阻尼性能好，而且在多数情况下还具有 形状记忆效应。 1 2 2 粘弹性材料 这类材料就是指橡胶、塑料等高分子聚合物，它们都是由结构简单的链节构成的长链 分子6 1 。当受到外力作用时扭曲变形，外力去除后一部份分子链不能完全恢复，产生永 久变形。这部分能量转变为热能而耗损于周围环境，这就是其产生阻尼的根本原因。迄今 为止，粘弹性材料的阻尼本领最高，比高阻尼合金高l 2 数量级。 2 第1 章前言 1 2 3 泡沫金属 泡沫金属产生的阻尼是滞弹性内耗抽。滞 弹性内耗是应变驰豫不能瞬时达到平衡值引起 的，即应变与应力有位相差，在一个外加循环 应力的作用下，产生如图1 1 所示的封闭应力 应变曲线。该滞迟曲线的面积即为振动物体在 一个应力循环下所消耗的功矿面积越大， 消耗的能量越大，阻尼值越大。动态滞后产生 的阻尼与频率，温度犹如钟罩曲线般的关系， 与振幅无关。 1 2 4 泡沫金属基复合材料 ，) t 卜蝌 少 。 一 图1 - 1 动态滞后产生的滞迟曲线1 2 f 瑭1 1h y s t e r e t i cp r o i r t yc u r v e s 泡沫金属基复合材料2 刀既具有足够的强度和刚度，又具有较高的阻尼损耗因子，既 克服了高分子粘弹性材料具有最高的阻尼损耗因子，但弹性模量过低不能单独做结构材料 的缺点，又克服了阻尼合金具有良好的力学特性，但阻尼损耗因子比粘弹性材料低得多，不 适合在商阻尼场合应用的缺点。但关于泡沫金属基复合材料的文献较少，报到不全，该类 材料有待进一步开发。 1 3 泡沫金属的研究现状 1 3 1 泡沫金属的国外发展现状 泡沫金属全称多孑l 泡沫金属材料，是指内部有大量气孔( 一般孔隙率0 o 4 ) 的金属。 这是一种集结构性能一体化的新型功能材料，从结构上可分为闭孔和通孔泡沫金属两 种，前者含有大量独立存在的气孔，而后者则是连续贯通的三维多孔结构 1 7 1 9 1 0 泡沫金 属材料的开发研究始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 4 8 年，美国的s o n i k 提出了汞在熔融铝中气 化发泡制取泡沫铝的方法，随后e l l i o t 于1 9 5 1 年成功地生产出泡沫铝，这标志着泡沫金 属研制的开始。从此国际上兴起了金属泡沫材料的研究和开发的热潮拈卸，美国、德国、 加拿大、日本等国相继开发出各种大规模生产泡沫铝的工艺技术，6 0 年代美国乙烷公司 ( e t h y l 公司) 成立了研制泡沫铝的中心日本九州工业金属研究所于1 9 9 1 年开发出泡 沫铝工业化生产的工业路线，目前已能用金属发泡法和渗流法生产大型和小型部件1 9 9 0 年以来，美国、日本、德国相继推出了制备高性能泡沫铝的方法并提出了许多专利，如 u s p s 3 0 8 7 8 0 7 和德国不莱梅市的夫雷霍夫实用材料研究所的金属氢化物发泡法，德国出 现的连续喷吹气体制备泡沫铝的技术( d f a l 3 9 0 2 0 ) ，日本立日造船技术研究所的发泡法 等。在欧洲、美国、日本等发达国家已涌现出一批泡沫金属产品的公司( 如s h i n k o - w i r e ， c y m a t ，a l u l i g y ，s c h u n k ，k a m a n ，n e u m a n - a l u f o a m 等) 。 西安理工大擘硕士学位论文 1 3 2 泡沫金属的国内发展现状 我国对泡沫金属的研究史于8 0 年代后期，自1 9 8 0 年以来，国内的中科院固体物理研 究所、东南大学、哈尔滨工业大学、昆明理工大学、合肥工业大学、东北大学、太原重型 机械学院等都在从事相关研究2 7 1 。其中开展较早的是东南大学材料系 2 l i p 该校在完善 渗流法制备工艺及对泡沫金属材料的结构和性能的认识等方面都做出了创造性的贡献，还 采用熔融金属发泡法，以r n h 2 为发泡剂，c a 为增粘剂，得到了气孔率大于8 0 的泡沫铝 产品，并且在泡沫金属材料的性能测试方面也作了大量工作，对泡沫金属热、声、阻尼性 能的研究已具备了一定水平，并进行了泡沫铝的产业化尝试，但总的来说，尚未取得突破 性成就，还未应用于生产，泡沫金属的研究、开发和应用仍处于起步阶段，在其制造方法、 成形机理和结构性能等方面有许多问题尚需探讨，其在各领域内的广泛应用还有待进一步 的研究和推动。 1 。4 泡沫金属的制备方法 泡沫金属的制备方法很多，大体分为三类，即固态金属烧结法( 粉末冶金法) 、液态 金属凝固法或称铸造法( 主要为熔体发泡法和渗流铸造法) 和原子离子态金属沉积法( 镀 覆金属法、及喷溅沉积法等) 。国内有关泡沫金属材料的制备研究较多，主要集中在发泡 法、渗流铸造法和电镀法的研究方面。 1 4 1 固态金属烧结法 将金属粉末与发泡剂( 啊h 2 ) 混合，发泡剂的含量通常不超过总量的l ，经过冷压或 热压成型后，还可以作进一步加工，诸如轧制、模锻或挤压，以使其成为半成品，然后将 此种可发泡的半成品加热到接近或高于混合物熔点的温度。在加热过程中，发泡剂受热分 解，释放出大量气体( 氢气) ，迫使致密的压实材料膨胀，从而形成多孔隙的泡沫材料1 2 8 1 它具有两大优点，其一是可用于比其它方法更为广泛的合金成份，由此而控制泡沫金属的 机械性能，其二是可以直接制造三维尺寸、形状复杂的部件，已经制造出了泡沫铝芯三明 治零件，以及泡沫铝填充的涡轮机结构件也可以用造孔剂取代发泡剂，在烧结过程中使 其挥发或分解，或者在烧结后将其去除，这种造孔剂可以是颗粒状的碳、萘、尿素、锯末 纤维、塑料等。它的缺点是工艺成本较高。成品质量还待于提高。通常采用的粉末冶金法 有以下几种2 ： ( 1 ) 粉浆法粉浆法是用金属粉、发泡剂和有机载体组成悬浮液，将其搅拌成含有泡沫 的状态，然后将其置入模具中进行加热焙烧，而得到固态的具有多孔结构的金属的方法。 这种方法最初用于制作发泡b e 、f e 、c u 和不锈钢材料，后来也用于生成泡沫铝，但产品 强度很低。 ( 2 ) 散粉烧结法这个方法的原理是细小的颗粒在相互接触的情况下，通过表面张力作 用可相互黏结，从而形成多孔的烧结体，这种方法被称为散粉烧结用此方法生产铜过滤 4 第1 章前言 器，孔隙度一般在4 0 6 0 。 ( 3 ) 浸浆海绵烧结法海绵状的材料也可作为生成高孔隙率、均匀的发泡金属材料的暂 时性支持结构。将海绵状的有机物质切成所需形状，然后用含有待加工的金属粉末的浆液 渗透( 悬浮液的载体是水和有机液体) 。将浸后的海绵状有机物干燥以除去溶剂，然后加热 使有机物体分解，最后在更高的温度下进一步加热烧结，冷却后即得到高孔隙率的三维结 构的发泡金属。 ( 4 ) 纤维冶金法用通过机械拉拔或其它方法得到的有色和黑色金属丝，通过粉浆浇注 或机械制毡圈的方法将金属丝制成毡圈，然后进行烧结，使之达到所需强度和孔隙率。所 得到的金属丝粉末有机多孔材料具有如下优点：可获得比粉末烧结更高的孔隙率，气孔全 部为相互贯通的连通孔，多孔材料即使在高孔隙率的情况下，也很容易进行弯曲加工，具 有良好的透过性。 ( 5 ) 添加造孔剂法在金属粉末中，添加一定比例的造孔剂，混合均匀后，通过压力加 工方法( 模压、挤压或轧制) 获得具有一定密度、强度并含有造孔剂的预制件，将此预制件 烧结，造孔剂在烧结过程中或在烧结后去除，可以获得高孔隙率( 3 0 9 0 ) 的通孔金属泡 沫。甲基纤维素等有机造孔剂可在烧结过程中去除，n a c i 等无机造孔剂可在烧结过程后 去除，孔结构可以通过造孔剂的大小和数量进行控制。 1 4 2 液态金属凝固法 a 熔体发泡法 熔融金属发泡法o ”将发泡剂加入熔融金属之中，利用析出的气体产生气泡，冷却后 即可得泡沫金属，这种方法主要用于低熔点金属( 如a l 、s n ) 的泡沫制备上，如制备泡沫 铝时，可把金属氢化物n h 2 或z r h 2 鼓入灿液中，加热混合物，此时放出h 2 ，气体膨胀 导致熔体发泡，冷却后即为泡沫铝，为了克服不均匀现象，可以进行高速搅拌以使发泡剂 弥散于整个熔体，同时也可以加入其他高熔点固体增加粘度，以避免气泡逸出。 b 渗流铸造法 这种方法盱“加是将可移去颗粒( 如n a c l ) 堆积在铸模中压制成坯，经预热后浇铸金 属，然后将颗粒去除，制备出孔洞相互连接的通孔泡沫结构。要求这些填料颗粒必须耐热， 并且能够在溶液中溶解。由于大多数金属( 特别是铝) 的表面张力较大，使熔融金属向颗粒 间隙的填充困难，通过向熔融金属施加压力以促进其向填料粒子中渗流。渗流法制造工艺 的中心问题仍然是孔结构的控制，选择适当尺寸的填料颗粒，合理选择模具、填料粒子的 预热温度和金属的浇注温度等措施可以很好地控制孔结构。采用渗流法制备泡沫金属的成 本不高，其局限性在于所获得泡沫金属的孔隙率只限制于比较窄的范围。 c 气体注入发泡法 该法与熔体发泡剂发泡法相类似，是目前生产泡沫金属最廉价的方法，该方法4 1 是 向熔融的金属熔体内直接吹入气体而使金属熔体发泡。发泡用的气体可以是氧气、氩气、 空气、水蒸气、二氧化碳等。和熔体发泡剂发泡法一样存在着孔洞的大小及其在金属基体 西安理工大学硕士擘位论文 中的分布难以控制等问题，其关键技术是使得熔体金属具有合适的粘度，一般采取添加钙 和碳化硅粉增粘剂等措旌来增加金属熔体的粘度，金属的成分应保证足够宽的发泡温度区 间，使所形成的泡沫孔具有足够的均匀性和稳定性，以保证泡沫在随后的收集与成型的过 程中不破碎。此法最大的优点是造价低且易于工业化大批量生产 d 熔模铸造法 熔模铸造法h 卯是用易于去除的材料填充海绵状泡沫塑料的孔隙，然后使之硬化，再 把它们一起加热，使塑料成分挥发出来，从而生产出具有海绵状孔隙的模子将金属倒入 模内，使其冷却和凝固，去掉里面易于去除的材料后，便获得与原来海绵状塑料模具具有 相同结构的泡沫金属，用此法可制备低熔点的多孔泡沫金属如泡沫铜、铝、铅、锡等。 1 4 3 金属沉积法 就是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在易分解的有机物上，有 电沉积和气相沉积两种。电沉积是用电化学的方法，它主要由四个步骤组成4 7 ：( 1 ) 以泡沫有机物为基体，由于它不导电，故须在酸性条件下用强氧化剂对有机物进行腐蚀， 使其表面变得易于被水润湿并产生微痕，常用的氧化剂为h 2 c r 2 0 t h 2 s o d h 3 p 0 4 的混合 物，这一步骤常称为粗化。( 2 ) 粗化后用p d c l 2 溶液中的p d 2 + 对表面进行催化，称为活化 ( 3 ) 放入镀液进行化学镀得到均匀地附着于与有机物表面导电的金属层，镀液中含有金 属离子和还原剂。( 4 ) 经过化学镀处理的有机物最后进行电镀得到所需要种类的金属和厚 度。必要时可把有机物在高温下进行处理使其分解。气相沉积有化学分解和物理沉积，以 泡沫镍的制备为例，把c o - n i ( c o ) 4 混合气体导入反应器内，使其通过经过表面特殊处理 的高分子泡沫体，在一定波长的红外光照射下，可使c o - n i ( c 0 ) 4 分解为金属n i 和c o ， n i 沉积在泡沫体表面上即为所要制备的产物。真空气相沉积则是用物理的方法实现泡沫 金属的制备，它同样是采用泡沫有机物作为基体，在真空设备中使金属镍挥发沉积到泡沫 有机物上面，作为加热手段的有电子束或直流电弧。由金属沉积法所获得的多孔泡沫金属 的主要特点是孔连通，孔隙率高( 均在8 0 以上) ，具有三维网络结构，这类多孔金属材 料是一种性能优异的功能结构材料，但其强度性能受到一定的限制。 1 5 泡沫金属的性能特点 1 5 1 力学性能 8 0 年代以来，g i b n 和a s h b y l l 8 , 1 9 1 等人，从二维蜂窝材料出发，系统地研究了多 种多孔材料的力学行为。从目前国内外的报道来看，对泡沫铝力学性能的研究多集中于其 单轴抗压行为的实验研究，尤其是国内在该领域的研究只是单轴压缩应力一应变曲线的测 试及对其的分析。而且好多报道不尽相同，如t h o r n t o n 等人的研究表明泡沫铝抗压强度 随密度下降满足平方律关系；而g i b s 和a s h b y 等的研究表明泡沫铝的强度随孔隙率 的增大而成指数函数下降。 6 第1 章前言 1 5 2 阻尼性能 目前的研究测试了多孔泡沫金属的压缩应力应变曲线，此曲线中包含一个很长的平 稳段，得出结论：多孔泡沫金属是一种具有能量吸收特性的轻质高阻尼材料i l l , 1 2 。并且 已有研究通过实验寻求出了孔隙率增大使多孔泡沫金属的内耗值增加，多孔泡沫金属的内 耗值基本上不随应力及应变频率而变化，然而当应变幅值增大时，内耗值增大。这种非线 性内耗特征可用于制造能量吸收器，特别适用于若干高新技术领域。关于泡沫铝阻尼性能 的研究已相当广泛、深入。但是由于测试方法、孔隙结构、基体成分的差别造成许多测试 结果不尽相同，如余兴泉、何德坪等测得密度为0 8 5 9 c m 、孔径为2 m m 、孔隙率为6 8 6 的泡沫铝的内耗值高达2 5 x l o 2 ，而b a n h a r t 等用相同参数的泡沫铝所测结果仅为2 0 x1 0 。另外，对泡沫铝阻尼机理的分析也不尽相同，只是一些定性的推论，有关的证据 却很少。 1 5 3 吸声性能 具有通孔结构的泡沫金属材料，当有声波或机械振动波进入时，可以通过泡沫材料内 轻微的振动将之转化为热能而散发掉。孔隙率越高，孔直径越小，消声减震性越好。研究 发现声波射入多孔泡沫金属表面漫反射而干涉消音，进入多孔泡沫金属空隙内，使骨架振 动释放热量而消耗声能，通过孔隙而膨胀消音。而且研究发现们声吸收性能随孔隙率、 开孔率、通孔率的增大而增大。如泡沫铝具有良好的声音吸收能力，按g b j 4 7 及g b j 8 8 测定平均吸声系数q 跏6 0 ( 1 2 5 - 4 0 0 0 h z 频率范围内测定) ，降噪系数n r c 0 6 4 ( 2 5 0 2 0 0 0 h z 频率范围内测定) 。 1 5 4 其他性能 由于泡沫金属特殊的孔洞结构，使其还具有很高的吸收冲击功的能力、耐高温、防火 性能强、抗腐蚀、导热率低、电磁屏蔽性高、电阻大、有过滤能力与毛细管现象、易加工、 可进行涂装表面处理、耐候性强等特性，但这些性能的变化与材料制造方法、工艺参数控 制等有很大关系1 2 0 1 9 须进一步进行深入研究。 1 6 本课题的主要目的及研究内容 1 6 1 本课题的目的 随着世界各国对振动和噪音污染的日益重视，不断开发高阻尼性能的材料具有越来越 重要的意义。从应用的发展和需求来看，泡沫金属基体与粘弹性材料的复合，是制备这种 材料的很好方法。国内在泡沫锌和泡沫锌铝合金的制备鲜有报道( 刘荣佩等人曾制备过泡 沫锌) ，并且其阻尼性能的研究仅局限于泡沫铝合金和泡沫z a 2 7 合金。研究表明1 泡 沫金属的阻尼性能虽不如粘弹性材料，但却明显高于阻尼合金，在此基础上浸入粘弹性材 料，利用不同材料的优势，走不同材料的复合之路。本课题的目的是通过设计工艺，先制 7 西安理工大擘硕士擘位论文 备出通孔泡沫锌合金，再用复合浸渗方法向其内渗入无毒、价格便宜的粘弹性高分子、高 阻尼有机材料，制备出聚合物泡沫金属新型复合材料一泡沫锌合金复合材料，最后研究 它们的机械阻尼性能，与泡沫锌合金及常见的阻尼合金和泡沫铝合金的阻尼性能进行比 较，为获得高阻尼性能的减震降噪材料提供参考。 1 8 2 本课题的研究内容 本课题的研究内容主要有： ( 1 ) 选用负压吸铸法，探索制备不同孔径、不同孔隙率的通孔泡沫锌铝合金试样的 工艺参数； ( 2 ) 采用复合浸渗方法，将石蜡、松香等粘弹性高分子、高阻尼有机材料渗入泡沫 锌合金，制备泡沫锌合金复合材料； ( 3 ) 研究孔径、孔隙率、合金成分对泡沫锌铝合金及其复合材料压缩性能的影响； ( 4 ) 研究基体材料、孔径、孔隙率、浸渗材料、合金成分对泡沫锌铝合金及其复合 材料阻尼性能的影响； ( 5 ) 采用负压吸铸法制备稀土泡沫锌铝合金，研究稀土元素的添加量和种类对泡沫 锌铝合金组织和机械阻尼性能的影响。 8 第2 章实验方法及内容 2 实验方法及内容 2 1 实验原材料及设备 2 1 1 实验原材料 工业纯铝，工业纯锌，食盐，氧化锆涂料，石蜡，松香，稀土铈( c e ) 和镧( 【矗) 。 2 1 2 实验设备 ( 1 ) 自制负压渗流设备 ( 2 ) 筛网 ( 3 ) 自行改装的模具预热装置 ( 4 ) s k l 2 0 0 k 清洗仪( u l t r a s o n i cc l e a n i n gi n s t r u m e n t ) ( 5 ) 井式电阻炉 ( 6 ) 抛光机与水磨机 ( 7 ) 润湿角g b x 测试仪 ( 8 ) x 儿一d 2 型立式金相显微镜 ( 9 ) w e 一1 0 a 液压万能材料试验机 ( 1 0 ) s c a d a s i i 激光位移传感器 2 2 实验方法 2 2 1 合金的选择 锌铝合金具有以下优点1 5 1 1 , 良好的铸造工艺和加工性能；较高的强度和硬度：良好 的耐磨性和抗腐蚀性；较高的阻尼性能等。圈2 1 是锌铝合金相图，综合考虑材料的力学 性能和阻尼性能我们选择了三种合金成分分别是：z n - 5 a 1 ：共晶点，具有很好的耐腐蚀 性：z n - 2 2 a 1 ：共析点，典型的超塑性阻尼合金；z n - 2 7 a 1 ：抗拉强度最高，综合力学 性能最好。 1 02 0 3 0 4 0 5 06 0 7 0 8 0 9 01 0 0 z ac o m e r t t w l 图2 - 1 锌铝二元相图 f i g 2 - 1 t h eb i n a r yz n - a ip h a s ed i a g r a m 9 笛lv酲罄鬻卜 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 真空渗流原理 本课题采用负压渗流铸造法制备泡沫锌铝合金，其原理如图2 - 2 所示：在装有填料颗 粒的铸型上端接一真空泵，下端插入到锌铝合金液中，在渗流时打开真空泵，金属液在负 压下被吸进装有填料颗粒的铸型型腔中，凝固后便形成填料颗粒和金属复合体，去除填料 颗粒就得到三维连通的通孔泡沫金属。 盘压 图2 - 2 负压渗流法原理 f i g 2 - 2n e g a t i v ep r e s s u r ei n f i l t r a t i o n 2 2 3 泡沫锌铝合金基体的制备 图2 - 3 是自行设计的负压渗流设备装置示意图，将真空泵打开，对真空罐抽真空，通 过阀和真空压力表来控制真空罐的真空度，达到我们要的真空度后，将模具通过真空管连 接到真空罐，模具上装满填料颗粒的一端在恒定的负压下插入金属液中开始渗流。具体步 骤为： l o 图2 - 3 负压渗流装置 f i g 2 - 3n e g a t i v ep r e s s u r ei n f i l t r a t i o ne q u i p m e n t 第2 章实验方法及内容 ( 1 ) 熔化合金 配制3 种成分的合金，分别为z n 2 7 灿，z n - 2 2 a i ，z n - 5 a i 。 ( 2 ) 制作填料颗粒 将选定目数的食盐颗粒放入模具，并对食盐颗粒进行一定的紧实。填料颗粒的紧实度 对最终产品的质量有着极为重要的影响，对填料颗粒进行压制时，如果压力过大，颗粒易 碎，填料颗粒密度过大，颗粒之间的孔隙变小，造成部分孔隙不连通，金属液难以渗流， 无法得到符合要求的泡沫金属，如果压力过小，颗粒之间接触面积过小，有可能造成填料 颗粒被金属包围，无法形成通孔。我们通过储压罐里的负压来控制对模具中食盐的紧实力， 实验证明，对填料颗粒的紧实力一般在l 5 m p a 为宜。 ( 3 ) 预热填料颗粒和模具 将填料颗粒放入模具中后，为了提高合金液在模具中的流动性，必须对填料颗粒和模 具进行预热，如果模具和填料颗粒不预热，其中含有的水分将会在金属液渗入时发生急剧 膨胀，产生爆炸和飞溅，并且由于温差过大，热交换强烈，包覆粒子的金属液很快降温， 形成凝固壳，并不断加厚，使粒子间隙中未凝固的金属液被封闭，从而阻塞了流动通道， 导致渗流长度减小。但预热的温度不能太高，如果太高，食盐颗粒回烧结，则在吸入合金 液时，合金液就不能在渗入到填料颗粒的孔隙中。预热装置如图2 - 4 所示。 图2 4 预热装置 f i g 2 - 4p r e h e a te q u i p m e n t ( 4 ) 渗流 将模具插入到合金溶液中，在真空泵所形成的负压下将合金液吸入到模具型腔中，完 成渗流。渗流温度高对渗流铸造是有利的，金属液在与粒子进行热交换过程中，在过热消 失前一直可以向粒子层渗透。从传热学角度分析，渗流铸造试样长度由两部分组成：一是 过热存在条件下的流动长度：二是过热消失后靠结晶潜热维持流动的长度。如果温度过高 将造成部分粒子熔解，从而被金属液包围成孤立的个体，使泡沫状结构变成不连通结构或 局部大孔，一般过热度取5 0 1 0 0 。 西安理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 冷却( 凝固) 和取样 将完成渗流的模具放在空气中冷却，直到2 0 0 左右后将试样取出。 ( 6 ) 溶出食盐颗粒 将锌铝合金食盐复合体放入清水中浸泡，浸泡时间不少于2 4 小时，为了得到更好的 试样，可以将锌铝合金食盐复合体水煮去除食盐 2 - 2 4 泡沫锌铝合金基体制备流程图 图2 - 5 泡沫锌铝合金制备流程图 f i g 2 - 5p r o c e s sc h a r o f e x p e d m e m 2 2 5 填料颗粒的研制 a 填料颗粒在泡沫金属制备过程中的作用 填料颗粒主要是起网络骨架作用1 5 2 | ) 内部有相互连接的三维孔隙，应具有一定的强 度和耐火度，在金属液渗入其内部时不容易破裂、坍塌，并且在金属液凝固后，可用机械 或化学方法除去。因此，填料颗粒在泡沫金属的制备过程中起着非常关键的作用，如果填 料颗粒达不到要求，那么就无法生产出具有网络结构的泡沫金属材料。 b 实验对填料颗粒的要求 由于填料颗粒在泡沫金属的制作中起网络骨架作用，因此对它的抗压强度，耐火度， 可去除性，以及原料的来源和价格，对环境的污染程度、成型性等均有一定的要求，应当 严格地把握，具体要求如下5 3 , - 5 5 1 ： ( 1 ) 有一定的强度当注入金属液时填料颗粒要承受得起金属液的自重压力及外界形成 的附加压力的作用，要求其不坍塌、不破裂。 ( 2 ) 有高的耐火度( 耐热性) 由于在泡沫金属的制备过程中需要将使用的模具和填料 颗粒型芯预热到较高的温度，以缩小熔融金属液和预制体之间的温度差，达到延缓金属液 第2 章实验方法及内容 的冷却时间，延长液体充型的时间和渗流的长度。 ( 3 ) 可去除性在渗流结束后，得到的金属和填料颗粒的复合体待去除填料颗粒后才能 得到想要的连续网状的泡沫金属。填料颗粒可以用水溶解并辅助于机械振动的方式来去 除。 ( 4 ) 无污染性考虑到现在对环境保护的要求，为了减少对外界环境的污染，要充分地 考虑到选用的材料不会对环境造成污染。 ( 5 ) 原料的成本选用的耐火骨架要求来源广且成本低，以降低整个制备的成本，有推 广的可能性； ( 6 ) 填料颗粒孔隙的尺寸制作出的预制体要求其内部的孔隙尺寸均匀，以利于金属液 的渗流进入，保证泡沫金属的网络互连，即成型性要好。 c 食盐填料颗粒的特性 食盐是常见的化工原料，其化学成分是氯化钠( n a c l ) ，食盐是一种白色颗粒状结 晶体，其密度为2 1 6 9 c m 3 ，熔点为8 0 4 ，沸点为1 4 1 3 ，易溶于水。 d 食盐填料颗粒的预处理 使用食盐作为填料颗粒前必须进行去除结晶水处理，因为把金属液吸入n a c i 颗粒孔 隙之前，需要将粒子加热到一定温度，尺寸大的n a c l 颗粒会爆裂成尺寸小的颗粒，充塞 颗粒间的孔隙，阻碍金属液渗入。由于n a c l 颗粒尺寸大小不均匀，所以，在使用前必须 对食盐进行预处理，再对预处理后的n a a 颗粒进行筛分，从而获得尺寸稳定、干燥的n a c l 颗粒，并将其存放于干燥容器中以供在制备泡沫金属时使用。 ( 1 ) 食盐的脱水处理 把准备的食盐( 日常食用盐) 放入坩埚，在电阻炉内进行加热熔化，将熔化后的食盐 液浇到准备好的模具中，冷却，等食盐凝固后即可得无结晶水的食盐； ( 2 ) 食盐颗粒的破碎 食盐经脱水处理以后，凝固在一起成块状，将块状食盐敲碎，得到颗粒状的食盐，以 进行筛分处理； ( 3 ) 食盐颗粒的筛分 把经过破碎后的食盐按尺寸大小分开，以备在制备泡沫锌铝合金实验中选取使用。将 食盐筛分为1 4 0 目( o 1 r a m ) 、4 0 目( o 5 m m ) 、2 6 目( 1 0 r a m ) 三个等级； ( 4 ) 食盐颗粒的保存 把筛分好的食盐颗