Bakır kaplamalı karbon fiber alüminyum köpük sandviç panel performans özellikleri geleneksel alüminyum köpük sandviç panel ile karşılaştırılmıştır

Alüminyum köpük sandviç(AFS) panelleri, düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet, elverişli enerji emilimi, sönümleme kapasitesi ve elektromanyetik koruma gibi yapısal ve işlevsel özelliklerin bir kombinasyonuna sahiptir. Bu mükemmel özellikler, AFS'nin havacılık, ulaştırma ve denizcilik alanlarında büyük bir potansiyele sahip olmasını sağlar. Neredeyse metal olanlarla karşılaştırıldığındaKöpüks, AFS'nin dış metal plakaları köpüğü etkili bir şekilde kapatabilir ve çekme ve eğilme mukavemeti gibi kapsamlı mekanik özelliklerini iyileştirebilir. Genel olarak, AFS, alüminyum köpüğün epoksi reçine yapıştırıcısı kullanılarak katı metal panellere tutturulmasını içeren yapıştırıcı bağlama yöntemi ile üretilmiştir.

Yapıştırıcı bağlama yöntemi yapısal sönümlemeyi etkili bir şekilde artırsa da, geri dönüşümdeki zorluklar ve yüksek sıcaklık veya aşındırıcı koşullar altında delaminasyon arızasına yatkınlık gibi sınırlamalarla birlikte gelir. Bu sınırlamaları ele almak için, panel ile çekirdek katman arasında metalurjik bağlama elde etmeye yönelik kapsamlı araştırma çabaları adanmıştır.

Günümüzde, metalurjik bağlanmayı hedefleyen AFS için baskın hazırlama yöntemleri genellikle üç kategoriye ayrılır: kaynak, eriyik köpürtme ve paketleme haddeleme toz metalurjisi yöntemi. Bu yöntemler arasında, paketleme haddeleme toz metalurjisi yöntemi gözenek yapısını kontrol etmek ve düşük sıcaklıkta köpürtmeyi başarmak için üstün olarak kabul edilir. Önceki çalışmalarımız, endüstriyel uygulamalar için daha iyi genleşme özelliklerine ve hücresel yapıya sahip büyük boyutlu AFS üretmek için bu teknolojiyi kullandı.

Ancak köpük çekirdeğin nispeten düşük basınç mekanik özellikleri nedeniyle AFS'nin mekanik dayanımının iyileştirilmesi sınırlıdır, dolayısıyla köpük çekirdeğin dayanımının daha da iyileştirilmesi AFS için hayati önem taşımaktadır.

Bugüne kadar, basınçlı mekanik özellikleri iyileştirmek için bildirilen yaygın yöntemler;alüminyum köpükBunlar şunlardır: yüzey işlemi, ısıl işlem ve parçacıklar, lifler, alaşım elementleri vb. ekleyerek takviye. Bunlar arasında, düşük yoğunluklu, yüksek elastik modüllü ve büyük en boy oranına sahip kısa karbon lifleri, umut vadeden takviye malzemeleri olarak geniş ilgi görmüştür. Dahası, karbon liflerinin elektrokaplama veya bakır kaplama veya nikel kaplama gibi kimyasal kaplama ile yüzey metalizasyonu, karbon liflerinin alüminyum eriyiğinde ıslanabilirliğini daha da iyileştirir ve karbon lifleri ile alüminyum eriyiği arasında zararlı arayüz reaksiyonlarını önler. Kısa karbon lifi artık alüminyum matris kompozitlerini takviye etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bhav Singhetal. karıştırma döküm yöntemiyle bakır kaplı karbon fiber takviyeli alüminyum matris kompozitler hazırladı. Muetal. iki silindirli döküm yöntemi kullanılarak nikel kaplı karbon fiber takviyeli alüminyum matris kompozitler üretti. Sonuçlar, karbon fiberlerin eklenmesiyle kompozitlerin çekme dayanımında önemli bir artış olduğunu gösterdi. Ancak, bu konuda sınırlı araştırma yapılmıştır.alüminyum köpük takviyelibakır kaplamalı karbon liflerle. Caoetal. ilk olarak eritme köpürtme yöntemiyle bakır kaplamalı karbon liflerle güçlendirilmiş alüminyum köpük hazırladı. Sonuçlar, %0,35 hacim Cf'nin sıvı film kopmasını önleyerek alüminyum köpüğü stabilize edebileceğini ve köpüğe eklenen lif miktarı arttıkça daha kararlı olduğunu göstermektedir. Muetal. eritme köpürtme yöntemiyle hazırlanan alüminyum köpüğün sönümleme özelliklerinin Cf eklenmesiyle önemli ölçüde iyileştirildiğini gösterdi.

Buna göre, Cf ilavesinin, köpürme kararlılığını ve mekanik özelliklerini aynı anda iyileştirmek için etkili bir strateji olabileceği sonucuna varılabilir.alüminyum köpüklerAyrıca, toz metalurjisi yöntemiyle hazırlanan bakır kaplamalı karbon fiber takviyeli alüminyum köpük sandviç panellere ilişkin henüz bir çalışmaya rastlanmamış olması, araştırmacıları bu alanda daha derinlemesine çalışmalar yapmaya teşvik etmektedir.

Çekirdeklenme mekanizması ve kararlılığı üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır.alüminyum köpüklertakviye fazlarının eklenmesiyle. Gözenek sayısı ve gözenek morfolojisindeki farklılıklar,

Boyut, dağılım ve şekil gibi özellikler genellikle çekirdeklenme mekanizmalarına ve kararlılığa atfedilir. Toz metalurjisi sisteminde heterojen çekirdeklenme etkileri ve oksit ağı stabilizasyon mekanizmaları ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Bu makalede kullanılan Al–Si–Mg–Cu'dan oluşan dördüncül alaşım tozları, 507 ◦C'lik bir solidus sıcaklığı ve 596 ◦C'lik bir liquidus sıcaklığı ile olağanüstü genleşme oranları ve düşük köpürme sıcaklıkları sergilemiştir. Bununla birlikte, özellikle Cf'yi dahil ettiklerinde, bu özel alaşım bileşimini içeren toz kompaktlarının çekirdeklenme mekanizması, kararlılığı ve basınçlı mekanik özellikleri ile ilgili araştırma eksikliği vardır. Önceki çalışmalarda, çekirdeklenme ve stabilizasyon mekanizmalarının araştırmaları öncelikle köpürme kesintisi sonrasında hızla soğutulan numunelerin tomografik analizini içeren yerinde olmayan yöntemlerle yürütülmüştür. Ne yazık ki, alt mikron kabarcık çekirdeklenmesi esas olarak öncül ısıtma sırasında meydana gelir ve 100 ms ile 1 saniye arasında değişen zaman aralıklarında hızla genişler ve sıklıkla gerçek zamanlı gözlem için zorluklar sunar. Modern senkrotron radyasyon X-ışını görüntüleme tekniği yüksek enerji ve uzaysal-zamansal çözünürlüğe sahiptir ve yüksek sıcaklıklarda alüminyum köpüklerin çekirdeklenme ve büyüme sürecinin gerçek zamanlı, yerinde gözlemlenmesine olanak tanır. Şu anda, yalnızca sınırlı sayıda araştırmacı senkrotron radyasyonu ile Al-Si-Mg alaşım tozunun köpürme kinetiğini araştırmıştır. Örneğin, García-Morenoetal. çekirdeklenme ve büyüme, kabarcık yeniden düzenlenmesi, sıvı geri çekilmesi, aglomerasyon ve film kopması dahil olmak üzere sıvı alüminyum köpüğünde önemli dinamik fenomenler bildirmiştir. Kamm ve diğerleri, senkrotron radyasyonu ile AlSi8Mg4 alüminyum köpüğünün çekirdeklenme ve büyüme sürecini incelemiştir. Bulguları, metal tozunun yüzeyindeki adsorbatların ayrışmasıyla oluşan hidrojenin başka bir önemli çekirdeklenme mekanizmasını temsil ettiğini göstermiştir. Yine de, öncül bileşenler arasındaki etkileşim karmaşıktır ve köpürmenin dinamikleri bileşimlerinden etkilenebilir. Hem Al–Si–Cu–Mg toz sistemi hem de Cf eklenmiş Al–Si–Cu–Mg toz sistemi için, metal köpüğün başlatılması ve büyümesinin anlaşılması ve araştırılması, köpüğün uygulamalar için özelliklerini iyileştirmek üzere daha fazla yapısal gelişimi için çok önemlidir.

Bu çalışmada, metalurjik arayüz bağlamalı Cf/AFS ve AFS, paketleme haddeleme toz metalurjisi yöntemi ile hazırlanmıştır. Cf/AFS ve AFS'nin kabarcık evrimi, Cf'nin kabarcık çekirdeklenmesi, büyümesi ve birleşmesi ve kararlılığı üzerindeki mekanizmasını ortaya çıkarmak için senkrotron radyasyonu ile yerinde gözlemlenmiştir. Ek olarak, Cf/AFS ve AFS, bir oda fırında 15 dakika boyunca 620 ◦C'de köpürtülmüştür. Daha sonra, köpürtülmüş numunelerin gözenek boyutu dağılımı, gözenek mikro yapısı ve basınç mekanik özellikleri karakterize edilmiş ve test edilmiştir. Yukarıda belirtilen çalışmalara dayanarak, Cf/AFS ve AFS'nin yapısı ve basınç dayanımı sistematik olarak değerlendirilmiştir.

2.Malzemes ve yöntemler

2.1. Hammaddeler

AFS ve Cf/AFS'yi hazırlamak için altı hammadde kullanıldı: Al tozu (ortalama boyut: 45 μm, saflık >%99,70), Si tozu (ortalama boyut: 38 μm, saflık >%99,50), Cu tozu (ortalama boyut: 38 μm, saflık >%99,90), Mg tozu (ortalama boyut: 75 μm, saflık >%99,70), TiH2 tozu (ortalama boyut: 45 μm, saflık >%99,70) ve bakır kaplı karbon fiber (ortalama boyut: 1～2 mm, bakır kaplı kalınlık: 1,4 μm).

2.2. Cf/AFS Üretimi

Paketleme haddeleme toz metalurjisi yönteminin şeması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:Şekil 1. Karıştırma aşamasında, sırasıyla %86 ağırlık, %6 ağırlık, %4 ağırlık ve %4 ağırlık oranlarında Al, Si, Cu ve Mg tozları ile dördüncül alaşım AlSi6Mg4Cu4 tozu hazırlandı. Eriyik sıcaklığında hızla H2 salan ve eriyiği genişleten bir üfleme maddesi olarak %1 ağırlık oranında oksitlenmiş TiH2 tozu (470 ◦C'de 1,5 saat boyunca havada ısıl işlem) eklendi. Ek olarak, takviye fazları olarak %0,5 ağırlık oranında karbon elyafı dahil edildi. Özellikle, ıslanabilirliği artırmak ve köpürme sırasında elyaf-alüminyum eriyik arayüzünde Al4C3 gibi zararlı reaksiyonları önlemek için karbon elyafları elektrokaplama yoluyla bakır kaplandı. Elektrokaplama işlemi Refs'te açıklanmıştır.Şekil 2elektroless kaplama işlemiyle elde edilen bakır kaplamalı karbon liflerini gösterir. Kaplama, lif yüzeyinin düzgün ve sürekli bir şekilde kaplanmasına sahiptir(Şekil 2(a)–(b)). Daha sonra, bu çalışmada kullanılan farklı alaşım bileşimleri, yukarıda belirtilen tozların üç boyutlu bir karıştırıcıda 3 saat boyunca Cf ile ve Cf olmadan iyice karıştırılmasıyla hazırlandı. Eşit şekilde karıştırılan toz, kapalı bir boşlukta kapsüllenir, ardından soğuk ve sıcak haddeleme prosedürleri uygulanır.

Soğuk haddeleme aşaması, bir dizi çoklu geçiş ve küçük çöküntüler yoluyla boşlukların ve parçacıklar arasındaki boşlukların içindeki havayı etkili bir şekilde tahliye eder. Sıcak haddeleme aşaması, öncünün panelin ve tozun eş deformasyonu yoluyla %98'i aşan bir bağıl yoğunluğa ulaşmasını sağlar ve bu da sonraki köpürme sürecini kolaylaştırır. Ayrıntılı haddeleme işlemi parametreleri Refs'te açıklanmıştır. AFS ve Cf/AFS köpürtülebilir öncüller yukarıda belirtilen işlemle elde edilir. Sonuç olarak, her iki köpürtülebilir öncül, gözenek boyutu analizi, mikro yapısal karakterizasyon ve basınçlı mekanik özellik testleri için kullanılan Cf/AFS ve AFS numunelerini üretmek için 15 dakika boyunca 620 ◦C'de ısıtıldı.

2.3. Karakterizasyon ve test yöntemleri

2.3.1. Mikroyapısal karakterizasyon

Cf/AFS ve AFS'nin mikro yapı morfolojisi, alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (SEM, Zeiss Ultra Plus) ile araştırıldı. Enerji dağılımlı spektroskopi (EDS), köpüklü numunelerin hücre duvarlarındaki çeşitli fazların bileşimini tanımlamak için kullanıldı. Numunelerin uzunlamasına kesitleri, köpüklü numunelerin elektro-deşarj makinesi (EDM, DK7745) kullanılarak kesilmesiyle elde edildi. Bunu takiben, numunelerin uzunlamasına kesitleri boya ile kaplandı ve ardından sırasıyla 800 grit ve 1500 grit zımpara kağıdı kullanılarak zımparalandı ve parlatıldı. Sonuç olarak, cilalı numune kesitinin eşdeğer hücre çapları (Dortalama), Image Pro Plus 6.0 görüntü analiz yazılımı kullanılarak belirlendi.

Şekil 1.Paketleme haddeleme toz metalurjisi yönteminin şeması.

Şekil 2.(a) bakır kaplı karbon liflerin SEM görüntüleri ve (b) (a)'da kırmızı kare ile işaretlenen bölgenin büyütülmüş bir görünümünü göstermektedir. (c) ve (d) görüntüleri (b)'deki A noktasının EDS sonuçlarıdır.

Şekil 3.Senkrotron radyasyon deney düzeneğinin şematik diyagramı.

2.3.2. Senkrotron radyasyonu ile yerinde köpüklenme gözlemleri

Senkrotron radyasyon deneyi kurulumunun şematik diyagramı aşağıdaki şekilde çizilmiştir:Şekil 3. Deneyler Pekin Senkrotron Radyasyon Tesisi'nin (BSRF, Pekin Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Çin) 4W1A ışın hattında gerçekleştirildi. Geleneksel emilim-kontrast görüntülemenin aksine, bu makale Senkrotron Radyasyon Işık Kaynağı ile faz-kontrast görüntülemeyi kullanır. Bu yaklaşım, zayıf emici maddeleri görselleştirmede etkisiz olan geleneksel emilim görüntülemenin sınırlamalarını ele alır. Numunelerin köpürtme işlemi, X-ışını huzmesi yönüne dik konumlandırılmış 15 mm x 15 mm kare pencereye sahip özel olarak tasarlanmış bir köpürtme fırınında gerçekleştirildi. Şekil 3'te gösterildiği gibi numune boyutu 15 mm × 15 mm × 2 mm'dir. Numune, belirli sayıda seramik levhadan oluşan bir köpürtme kalıbına yerleştirilir. Köpürtme işlemi boyunca, X ışınları numuneden geçebilir ve bir yük-bağlantılı cihaz (CCD) kamerası tarafından yakalanır. Seçilen X-ışını kaynağı 20 Kev yoğunluğunda çalıştırıldı ve tüm köpürme sürecinin kapsamlı bir şekilde gözlemlenebilmesi için 7,4 mm × 7,4 mm'lik maksimum görüntüleme boyutu kullanıldı.

Gözlemlenen numunelerin hem haddeleme yönüne hem de teğetsel yöne dik bir şekilde konumlandırıldığını belirtmekte fayda var. Hem %0,5 ağırlıkça Cf içeren hem de %0,5 ağırlıkça Cf içermeyen öncüllerin her iki numunenin yan panelleri EDM kullanılarak numunelerin her iki tarafından çıkarıldı. Cf'nin alüminyum köpüğün köpürme özellikleri üzerindeki etkisi araştırıldı. Ayrıca, farklı bileşimlere sahip öncüller aynı ısıtma fırınında 620 ◦C'lik önceden ayarlanmış bir sıcaklıkta köpürtüldü.

2.3.3. Sıkıştırma mekanik özellikleri testi

Basınç numuneleri EDM ile 23 mm yüksekliğinde ve 20 mm çapında silindirik numunelere kesildi ve boyut etkisinden kaçınmak için her yönün en az 10 tam gözenek içermesi sağlandı. Yarı-statik basınç testleri, maksimum 100 KN yük kapasiteli bir AG-XPLUS elektron üniversal malzeme test makinesi kullanılarak ISO13314–2011 ve GB/T31930–2015 standartlarına göre gerçekleştirildi. Her grup için üç numune test edildi ve bu makaledeki basınç gerilme-şekil değiştirme eğrileri, test edilen üç numuneden elde edilen ortalama sonuçları temsil etmektedir. Tüm testler, oda sıcaklığında sabit 2 mm/dak'lık bir çapraz kafa hızı (10− 3 s− 1'lik bir başlangıç ​​şekil değiştirme hızına karşılık gelir) korunarak yer değiştirme kontrolü altında gerçekleştirildi.

Şekil 4.Cf/AFS köpürme sürecinin zamanla evrimleşmiş senkrotron radyasyon görüntüleri: (a) t0 anında 380 ◦C'de köpürmemiş öncül; (b)–(c) öncül erimesi sırasında elementel bakırın çözünmesi ve tip II çekirdeklenmesi; (d)–(g) kabarcıkların heterojen çekirdeklenmesi ve büyüme süreçleri; ve (h)–(i) kabarcıkların birleşmesi ve kopması.

3. Sonuçlar ve tartışma

3.1. Senkrotron radyasyonu altında yerinde köpürme davranışı

3.1.1. Cf/AFS'nin köpük evrimi

Şekil 4Cf/AFS'nin köpürme sürecini tasvir eden bir dizi senkrotron radyasyon görüntüsü görüntüler. Cf/AFS'nin orijinal görüntüleri(Şekil 4 (a))matris 380 ◦C'de katı haldeyken yakalandı ve bu süre t0 olarak ayarlandı. Öncüldeki diğer bileşenlerle karşılaştırıldığında, Cf baskın olarak gri alüminyum açısından zengin matris içinde siyah görünür. Bu, gösterildiği gibi, elyaf yüzeyindeki yüksek bakır içeriğine atfedilebilirŞekil 2(c)–(d), öncülünün diğer bileşenlerine kıyasla en büyük bağıl atom kütlesine sahip olan. Dahası, Cf'nin çoğunluğunun, kümelenmiş olmaktan ziyade dağılmış ve ayrı olduğu gözlemlenmiştir, sergilendiği gibiŞekil 4(a)Bu, %0,5 ağırlık oranında Cf ilavesiyle, 3 saatlik bir karıştırma işleminin istenen dispersiyon durumuna etkili bir şekilde ulaşabileceği anlamına gelir.

t0+194s'de (görüldüğü gibi)Şekil 4(b)), gri alüminyum matriste (kırmızı okla işaretlenmiştir) 90 μm ile 180 μm arasında değişen çaplarda önemli sayıda beyaz, neredeyse küresel kabarcık gözlemlenebilir. Kabarcık sayısı, gösterildiği gibi 46 saniye içinde artmaya devam etti.Şekil 4(c). Ek olarak, matriste meydana gelen bir diğer dikkate değer değişiklik, Cu çözünmelerinin başlamasıyla (kırmızı noktalı kutuyla işaretlenmiştir) Cf yüzeyinde bazı küçük kabarcıkların oluşma eğiliminde olmasıdır. Bu fenomen muhtemelen bakır içeren toz kompaktında meydana gelen tip II çekirdeklenmeye atfedilir. Cu ilavesinin alaşımların erime sıcaklığını önemli ölçüde düşürdüğü yaygın olarak kabul edilmektedir. Bu, ısıtma işlemi sırasında bakır tozu içeren toz öncülündeki bireysel toz parçacıkları etrafında yerel erimeye neden olur ve daha düşük sıcaklıklarda önemli miktarda Al-Si-Mg-Cu kuaterner ötektik eriyik üretir. Kuaterner ötektik eriyik havuzu alaşımda zayıf bir bölge olma eğilimindedir ve çekirdeklenmeye daha yatkındır. Sonuç olarak, kabarcıkların çekirdeklenme ve lif yüzeyindeki bakır kaplı bölgenin yakınında büyüme olasılığı daha yüksektir. Ayrıca, bu anda matristeki düşük sıvı fraksiyonu, TiH2'nin ayrışmasından kaynaklanan gazların alüminyum matriste kolayca birikmesine neden olur. Tip II nükleasyon, birikmiş gazın düşük sıvı fraksiyonlu matrisi parçalayarak çatlaklar oluşturmasını ve bunun sonucunda hidrojen miktarında ciddi kayıplara yol açmasını etkili bir şekilde önleyebilir.

Şekil 4(d)kabarcıkların başlangıçta çekirdekleştiğini ve matris tamamen eridiğinde Cf bölgesinde büyüdüğünü ve kabarcık konumlarının kaybolan bakır kaplı tabakaya (kırmızı noktalı kutuyla işaretli) karşılık geldiğini gösterir. İkincil fazların eklenmesinin heterojen çekirdeklenme alanlarının sayısını artırdığı ve böylece alaşım eriyiği içinde yeni kabarcıkların oluşumu için enerji bariyerini azalttığı iyi bilinmektedir. Bu arada, çekirdeklenme hızı birim hacim başına toplam heterojen çekirdeklenme alanıyla ilişkilidir. Sonuç olarak, kabarcıkların başlangıçta karbon fiberlerin bulunduğu yerlerde çekirdeklendiği ve karbon fiberin uzunluğu boyunca genişlediği gözlemlenebilir. Erime fraksiyonunda daha fazla artışla, çok sayıda yeni kabarcık ortaya çıkmaya devam ederŞekil 4(e)–4(g)Ancak, baloncukların lokalize birleşme ve kopma hızı yavaştır, bu da baloncukların yüksek stabiliteye sahip olduğunu gösterir. t0+426s'de, baloncuk sayısı önemli ölçüde artar ve

öncül hacim büyük bir genişleme sergiliyor(Şekil 4(h))Ayrıca, Ostwald olgunlaşması nedeniyle küçük kabarcıkların daha büyük kabarcıklar tarafından emildiği bazı kabarcık birleşmelerinin (kırmızı okla işaretlenmiştir) meydana gelmesi, metalik köpüklerin evrimi sırasında kaçınılmaz bir süreçtir [40]. Bu olgunlaşma olgusu ayrıca az sayıda büyük ve düzensiz kabarcıkların (kırmızı okla işaretlenmiştir) ortaya çıkmasıyla da sonuçlanırŞekil 4(i)).

Şekil 5.AFS'nin farklı aşamalardaki köpürme sürecinin zamana bağlı görüntüleri: (a) t0 anında 380 ◦C'de erimemiş öncül madde; (b) öncül maddenin erimesi sırasında elementel bakırın çözünmesi ve tip II çekirdeklenme; (c) kabarcıkların çekirdeklenme ve büyüme süreçleri; ve (d)–(f) kabarcıkların birleşmesi ve kopması.

3.1.2. AFS'nin köpük evrimi

Şekil 5, AFS'nin köpürme sürecini gösteren bir dizi senkrotron radyasyon görüntüsünü göstermektedir. Cf/AFS'ye benzer şekilde, senkrotron radyasyon dizisi için ilk görüntü, AFS 380 ◦C'de katı fazdayken yakalandı (bkz.Şekil 5(a)). Matris solidus sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, küçük beyaz kabarcıklar görünür hale gelir.Şekil 5(b) ve (c), TiH2'nin ayrışması ve Cu açısından zengin bölgede tip II nükleasyonun meydana gelmesi sonucu oluşur. Ancak, oluşan kabarcık sayısı ve bunların dağılım yoğunluğuŞekil 5(c)ile karşılaştırıldığında belirgin şekilde daha düşüktürŞekil 4(c)Bu, Cf/AFS'nin çekirdeklenme sırasında erken gaz salınımı için daha fazla kanal sağladığını ve düşük sıvı fraksiyonlu alüminyum matriste aşırı çatlak oluşumunu önlediğini göstermektedir.

Cf/AFS ile karşılaştırıldığında daha az sayıda AFS çekirdeklenme alanı ve anormal kabarcık büyüme olasılığının daha yüksek olduğu gözlemlenebilir.Şekil 5(d)–(f). AFS kabarcıklarının evrimi düzensizdir ve boyutları hem mikron boyutundaki kabarcıkların hem de anormal derecede milimetre boyutundaki büyük kabarcıkların (kırmızı okla işaretlenmiştir) bir arada bulunması nedeniyle geniş dalgalanmalar gösterir. Dahası, erken çekirdeklenme sürecindeki bu kararsızlık ve homojensizlik, AFS ve Cf/AFS arasındaki nihai gözenek yapısı ve mekanik özelliklerde önemli farklılıklara neden olabilir.

3.2. Makro yapı analizi

AFS ve Cf/AFS arasındaki makroskobik gözenek morfolojisi ve gözenek çapı farklılıklarını araştırmak için, 15 dakika boyunca 620 ◦C'lik bir köpük sıcaklığında laboratuvar koşullarında iki sandviç yapı hazırlandı. AFS ve Cf/AFS'nin makro yapıları ve hücre boyutu dağılımıŞekil 6İki sandviç yapı örneğinin dikey kesitlerinin karşılaştırılması, Cf/AFS köpüklerinin daha ince hücrelere ve hücre kopması veya birleşmesi gibi daha az kusura sahip olduğunu ortaya koymaktadır (bkz.Şekil 6 (b)). Aksine, gösterildiği gibiŞekil 6(a), AFS, anormal derecede büyük gözeneklerin varlığıyla zayıf gözenek homojenliği sergiler. Bu arada, AFS ve Cf/AFS için eşdeğer gözenek çapı sırasıyla 2,9 ± 0,2 mm ve 1,9 ± 0,1 mm idi, bu da gözenek çapının Cf eklenmesiyle daha da rafine edildiğini göstermektedir (bkz.Şekil 6(c) ve (d)).

Gözenek yapısının evrimi iki rekabetçi mekanizmadan etkilenir: TiH2'nin ayrışması ve köpüğün birleşmesi ve kopması. TiH2'nin ayrışması çekirdeklenme sayısının, gözenekliliğin ve genleşme hızının artmasına katkıda bulunurken, kabarcıkların birleşmesi ve kopması gözenek sayısını azaltır ve gözeneklerin çapını artırır. Kabarcıkların birleşmesi ve kopması olaylarının azaltılması daha iyi bir hücresel yapı elde edilmesine katkıda bulunur. Dolayısıyla, köpürme işlemi sırasında gözenek yapısının homojenliğini korumak için köpüğün yüksek kararlılığı gereklidir. Cf/AFS için, Cf ilavesi, elyafların alüminyum eriyiği ile ıslanabilirliğini büyük ölçüde artırır. Eriyik köpürtme yöntemi ile hazırlanan bildirilen Cf takviyeli alüminyum köpüğe [44] benzer şekilde, Cf ilavesi hücre duvarı kopmasını önleyerek ve aglomerasyonu azaltarak alüminyum köpüğü stabilize eder. Bu arada Cf, hücre duvarında ayırma kuvveti oluşturan ve kabarcıkların patlamasını önleyen ağ benzeri bir yapı oluşturabilir, böylece hücre yapısı, köpük stabilitesi ve gözenek dağılımının düzgünlüğü iyileştirilebilir.

3.3. Mikroyapısal karakterizasyon

Şekil 7(a)AFS ile köpürtüldükten sonra hücre duvarının mikro yapısını gösterir. AlSi6Cu4Mg4 alaşım köpükleri için bildirildiği gibi, ötektik Al–Si, Mg2Si, Al2Cu ve Al5Cu2Mg8Si6 alaşımda mevcuttur ve bu, EDS analizinden elde edilen bulgularla uyumludur.Şekil 7(b). Bu kırılgan fazlar, gözenek duvarını zayıflatarak veya deformasyon sırasında çatlak kaynağı olarak hareket ederek alüminyum köpüğün mekanik özelliklerini azaltır. Bu nedenle, takviye edici fazların eklenmesiyle gözenek duvarının mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi uygulanabilir ve etkili bir stratejidir.

Cf/AFS için şu şekilde gözlemlenebilir:Şekil 7(c) ve (d)Cf'nin hücre duvarı içinde veya hücre duvarının kenarında dağıtıldığı, Cf'nin alüminyum eriyiğiyle mükemmel ıslanabilirliğe sahip olduğunu gösterir. Ayrıca, fark edilir (bkz.Şekil 7(d)) çökelmiş faz Al2Cu'nun az miktarda bir miktarının lifler ve alüminyum eriyiği arasındaki arayüzde oluştuğu. Bu olgu, lifler ve matris arasında güçlü bir bağ elde edilmesine katkıda bulunur. Bu difüzyon reaksiyonunun ilerlemesi sezgisel olarak şu şekilde gözlemlenebilir:Şekil 4(a)–(c). Çökelmiş fazın karbon liflerini tamamen çevrelemediğini ve bu dağılımın durumu ve miktarının Cf/AFS için yararlı olduğunu unutmayın. Lv ve diğerlerinin Cf takviyeli alüminyum matris kompozit malzemeler üzerindeki çalışmasına dayanarak, uygun miktarda çökelmiş fazın arayüz bağ mukavemetini etkileyebileceği ve düzenleyebileceği gösterilmiştir.

Şekil 6.Temsili örnek (a) AFS ve (b) Cf/AFS'nin dikey kesitleri. (a) ve (b)'ye karşılık gelen eşdeğer çap ve alan kesri çizimleri sırasıyla (c) ve (d)'de gösterilmiştir. (c) ve (d)'deki kesintisiz çizgi log-normal uyumu temsil eder. Regresyon (R2) uyumun iyiliğini temsil eder.

Şekil 7.SEM görüntüleri (a) ve (b), karşılık gelen mikro yapıları göstermektedirŞekil 6(a) AFS veŞekil 6(b) Ayrıca sırasıyla Cf/AFS,Şekil 7(b) ve (d) yerelleştirilmiş büyütmeleri gösterirŞekil 7(a) ve (c) sırasıyla.

3.4. Al–Si–Mg–Cu köpüğünü stabilize eden Cf mekanizması

Yukarıda belirtilen analize dayanarak, Cf/AFS ve AFS için köpürme mekanizmasının şematik bir gösterimi aşağıdaki şekilde özetlenmiştir:Şekil 8. Çekirdeklenme aşaması, kabarcık büyümesi ve birleşme aşaması ile kademeli katılaşma aşamasında Cf/AFS ve AFS arasındaki önemli farklar, Şekil 2'de gösterildiği gibiŞekil 8(a) ve (b).

Şekil 8.Cf/AFS ve AFS köpürme davranışının şematik diyagramı: (a) Cf/AFS; ve (b) AFS.

AlSi6Cu4Mg4 alaşım köpüklerinin çekirdeklenme aşamasında, kabarcıklar TiH2 parçacıklarının bulunduğu yerde çekirdeklenmek yerine, bakır parçacıklarını çevreleyen sıvı kuaterner ötektik içinde çekirdeklenme eğilimindedir. Öncülün en zayıf bölgesindeki bu tür çekirdeklenme (tip II çekirdeklenme), TiH2 ayrışmasıyla salınan gazlar için daha fazla kaçış kanalı sağlayarak, gazların birikmesini ve alüminyum eriyiğinde çatlakların yayılmasına neden olmasını önler. Bakır kaplı karbon fiberlerin eklenmesi, görünüşe göre H2'yi serbest bırakmak için daha fazla kanal oluşturur. Ancak, alüminyum eriyiğinin bu aşamada yeterli sıvı fraksiyonu olmadığından, bu kadar küçük kabarcıkların büyümeye devam etmek için yeterli bir H2 kaynağına sahip olması zordur. Sonuç olarak, bu küçük kabarcıklar sıcaklık arttıkça eriyik içinde patlar. Öncül tamamen eridiğinde, TiH2'nin şiddetli dehidrojenasyon reaksiyonundan salınan H2, çekirdeklenme noktasına bağlı olarak hızla çekirdeklenecek ve büyüyecektir. Cf, kabarcıkların oluşumu için çok sayıda heterojen çekirdeklenme alanı sağlar ve bu da çekirdeklenme oranlarını büyük ölçüde artırır. Aynı zamanda, Cf'nin varlığı birincil kabarcıkların temasını ve birleşmesini etkili bir şekilde engeller ve anormal derecede büyük kabarcıkların oluşumunu önler.

Kabarcıkların büyüme ve birleşme aşamasında, Cf eklenmesi köpük kararlılığını önemli ölçüde iyileştirir. Bunun nedeni, Cf ve alüminyum eriyiğinin iyi ıslanabilirliğe sahip olması ve liflerin iki gaz-sıvı arayüzü arasında kolayca sıkışarak bir ağ yapısı oluşturabilmesidir (şekilde gösterildiği gibi)Şekil 7(c)). Sıvı filmi incelirken, lifler plato sınırından gelen emmeye direnmek için bir ayırma basıncı üretebilir ve böylece sıvı filminin kopması önlenebilir. Bu nedenle Cf/AFS, köpüğün evrimi sırasında gözenek yapısının düzgünlüğünü koruyabilen daha yüksek stabilite ile AFS'ye kıyasla daha uzun köpürme süresine ihtiyaç duyar.

Yavaş katılaşma aşamasında, Cf/AFS'deki kabarcıklar artık büyümez ve lifler hücre duvarının içine gömülür (kırmızı noktalı kutuyla işaretlenmiştir). Liflerin bu şekilde tutulması, Ostwald olgunlaşmasında görüldüğü gibi küçük kabarcıkların daha büyük olanlar tarafından emilmesini önler ve katılaşma genişlemesi nedeniyle hücre duvarı kopmasını engeller. Sonuç olarak, Cf/AFS, AFS'ye kıyasla daha homojen bir gözenek yapısı ve daha az gözenek kusuru sergiler.

3.5. Mekanik özellikler

Hemen hemen aynı gözenekliliğe sahip (sırasıyla %83,2 ve %81,4) Cf/AFS ve AFS için basınç gerilme-şekil değiştirme eğrileri aşağıda sunulmuştur.Şekil 9(a). Basınçlı gerilim-gerinim eğrisi, doğrusal elastik bölge, plato bölgesi ve yoğunlaştırma bölgesini içeren belirgin bir üç aşamalı özellik gösterir. AFS ve Cf/AFS'nin basınç akma dayanımı sırasıyla 8,44 MPa ve 11,87 MPa idi. Cf/AFS'nin basınç akma dayanımı, AFS'ye kıyasla %40,6 oranında artmıştır. Bu arada, Cf/AFS'nin enerji emilim kapasitesi, aynı gerinimdeki AFS'den daha iyidir, gösterildiği gibiŞekil 9(b). AFS ve Cf/AFS'nin enerji emilim kapasiteleri sırasıyla yaklaşık 3,3 MJ/m3 ve 6,1 MJ/m3'tür. Cf/AFS'nin enerji emilim kapasitesi AFS ile karşılaştırıldığında %84,8 oranında iyileştirilmiştir.

Şekil 9.Cf/AFS ve AFS'nin basınç gerilim-tren eğrileri ve enerji emilim kapasitesi eğrileri: (a) basınç gerilim-tren eğrileri; (b) enerji emilim kapasitesi eğrileri.

Cf'nin dahil edilmesi köpük çekirdeğin mekanik özelliklerini önemli ölçüde artırdı. Cf'nin mekanik özelliklerinin iyi bilindiğialüminyum köpükgözenek yapısı ve destek mekanik özellikleriyle yakından ilişkilidir. Makroyapısal analiz, Cf'nin eklenmesinin gözenek boyutunu iyileştirdiğini, gözenek dağılımını iyileştirdiğini ve gözenek kusurlarını azalttığını gösterdi. Sasikumar ve ark. ve Yangetal'in bulgularına benzer şekilde, küçük gözenek çapı ve dar gözenek dağılımı, basınç dayanımını ve enerji emilim verimliliğini artırmak için daha faydalıdır. Dahası, mikro yapının köpüğün mekanik özellikleri üzerindeki etkisi esas olarak Cf'nin köpüğün gözenek duvarlarına gömülmesinden kaynaklanmaktadır. Alüminyum matristeki bakır kaplı karbon fiberlerin difüzyonu ve çözünmesi, lifler ve alüminyum matris arasında yük transferine katkıda bulunan daha sıkı bir arayüz bağı elde edebilir. Gözenek duvarına zımbalanmış yüksek modüllü karbon fiber, basınç yükü altında gözenek duvarının deformasyonunu sınırlayabilir ve yük taşıma kapasitesini artırabilir. Tüm bu faktörler, Cf/AFS'nin AFS'ye kıyasla daha yüksek akma dayanımı ve enerji emilim kapasitesi elde etmesini destekler.

4. Sonuçlar

Bu çalışmada Cf/AFS ve AFS, paketleme haddeleme toz metalurjisi yöntemi ile hazırlandı. Cf/AFS ve AFS'nin köpürme davranışı, senkrotron radyasyonu yoluyla dinamik olarak gözlemlendi.

Cf'nin kabarcık çekirdeklenmesi ve büyümesi üzerindeki etkisini araştırın. Ek olarak, alüminyum köpüklerin gözenek morfolojisi, gözenek dağılımı ve sıkıştırma özellikleri üzerindeki Cf kapsamlı bir şekilde analiz edildi. Ana sonuçlar şunlardır:

(1) Yerinde yapılan senkrotron radyasyonu gözlemleri, hem Cf/AFS hem de AFS köpürme süreçlerinin üç farklı aşamaya sahip olduğunu ortaya koymaktadır: kabarcık çekirdeklenmesi, kabarcık büyümesi ve birleşmesi ve katılaşma.

AFS ile karşılaştırıldığında, Cf/AFS'nin köpürme süreci daha yüksek kararlılık ve kabarcık düzgünlüğü göstermektedir. AFS, gözenek evrim süreci sırasında anormal derecede büyük ve kaba gözenekler oluşturmaya daha yatkındır. Ek olarak, bu farklılık, kabarcık duvarının kırılmasını önleyen ve birleşmeyi azaltırken çekirdeklenme oranını artıran Cf'nin heterojen çekirdeklenme etkisine atfedilmektedir.

(2) %0,5 ağırlıkça Cf eklenmesi eşdeğer gözenek çapını 2,9 ± 0,2 mm'den 1,9 ± 0,1 mm'ye düşürerek kaba gözenek kusurlarını önemli ölçüde azaltır. Aynı zamanda mikro yapı, gözenek duvarı ve gaz-katı arayüzü boyunca dağıtılan Cf'nin iyi ıslanabilirliğini ortaya koyar ve böylece köpük kararlılığını artırır.

(3) AFS ile karşılaştırıldığında, Cf/AFS'nin basınç akma dayanımı ve enerji emme kapasitesi sırasıyla yaklaşık %40,6 ve %84,8 oranında artmıştır. Bu çalışmanın bulguları, otomotiv ve havacılık endüstrileri alanında mühendislik uygulamaları için potansiyele sahip metalurjik bağlama arayüzlerine sahip alüminyum köpük sandviç panellerin güçlendirilmesi için fikirler sağlayabilir.

Journal of Materials Research and Technology'den makale