ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Металлические пены интересные материалы, поступившие из фундаментального понимания и практического применения точки зрения. Использование были предложены, и во многих случаях подтверждено экспериментально, легкий вес и ударной энергии поглощающей структуры, как с большой площадью поверхности теплообменников или электродов, в качестве имплантатов в организме, и многие другие. Хотя значительный прогресс был достигнут в понимании их структура-свойства отношений, большое количество различных методов обработки, каждая из которых производит материал с различными характеристиками и структурой, означает, что понимание отдельных эффектов всех аспектов структуры не является полным. Процесс репликации, где расплавленный металл проник между зернами съемной заготовки материала, что позволяет заметно высокую степень контроля и была использована для хорошего эффекта, чтобы выяснить некоторые из этих отношений. Тем не менее, процесс имеет много шагов, которые зависят от индивидуального "ноу-хау", аЭта статья призвана обеспечить подробное описание всех этапов одного варианта осуществления этого способа обработки, использованием материалов и оборудования, которое будет относительно легко установить в исследовательской среды. Цель этого протокола и его вариантов является создание металлические пены в эффективной и простой способ, давая возможность адаптировать результаты проб, изменив некоторые шаги в этом процессе. Следуя этому, с открытыми порами алюминиевые пены с размерами пор 1-2.36 мм в диаметре и 61% до 77% пористости может быть получено.
Introduction
Металлические пены привлекли большое количество интересных и научно-исследовательской работы в последние годы, как показано на большом теле цитируемой работе в широком диапазоне обзорные статьи, такие как Banhart 1, Конде и др. 2 или более недавно Гудолл и Мортенсен 3. Среди методов, используемых для производства материала, процесс репликации отличается экспериментальной простотой и степени контроля над окончательной структуры пены, которые могут быть предложены. Следует отметить, что, хотя в литературе такие материалы часто называют пены (и здесь), поскольку они не получают пузырьками газа внутри жидкости они более уместно назвать пористые металлы или металлы микропористых.
Первый доклад процессе репликации было в начале 1960-х годов 4, и это было дальнейшее развитие на разных этапах с тех пор, с заметными достижениями по исследовательской группы Мортенсен в Школе Polytechnique Federale Лозанны в Швейцарии.
Способ основан на литье металла вокруг заготовки частиц, который определяет форму пористости в конечном материале 2, 5. После охлаждения заготовки могут быть удалены путем промывки растворителем или пиролиза, что приводит к окислению. Популярное использование этой техники использует NaCl в качестве владельца пространство к выпуску алюминиевых 5-10 или алюминиевого сплава пены 11-14. NaCl имеет несколько преимуществ, таких как легко доступен, нетоксичным и может быть удален из пены путем растворения в воде. По имеющий температуру плавления 801 ° С, его можно использовать с металлами, которые имеют температуру плавления более низкую, чем эта величина, наиболее часто алюминия, но также существуют примеры использования с материалами, такими как масса металлических стекол, увлажнением смесь жидкость на основе палладия основная металлическое стекло сплав и NaCl гранулы 15. Замещение NaCl с точечными материалов выше плавления позволяет также рroduction пен из точечных металлов выше плавления 16. Это может включать в себя другие растворимые в воде материалы, нерастворимые или те, в том числе различных видов песка. В этой форме процесс становится более как обычных литье в песчаные формы, чтобы удалить песок, струи воды высокого давления 17, 18 или различных форм мытья 19 или агитацию 20 не требуется.
Основной процесс 21 продолжается, принимая зерна NaCl и размещение их в форме 4, 22, 23. Основной метод был использован, чтобы сделать из алюминия и алюминиевых сплавов пены 24-26 для широкого круга поведения пена исследований. Дополнительные меры были введены для дополнительного контроля плотности и увеличение взаимной связи между порами; они включают уплотнение заготовки. Для уплотнения заготовки, спекание был использован 27, 28 и была использована в различных экспериментах, так как 13, с поведением спеканияNaCl в зависимости от температуры, размера гранул и плотности, описываемой Goodall с соавт. 29. Другой способ, используемый для этой цели является холодное изостатическое прессование (CIP) 5, 30; это быстрее, метод, который может достичь большего спектр сопоставимых плотностей. Эта процедура также может быть выполнена в твердом состоянии с металлического порошка и зерна NaCl, а затем иногда называют спекание и растворение процесса 31.
Полный обзор использования техники репликации на сегодняшний день и по сравнению с другими методами приводится в Гудолл и Мортенсен 3.
В этой работе мы сообщаем в деталях оборудования и экспериментальных протоколов, которые были использованы для обработки металлических пен методом репликации, и которые относительно легко реализовать в условиях научно-исследовательской лаборатории. Важно признать, что другие версии оборудования, с существуют различные возможности в других исследовательских гroups, и что в то время как оборудование, представленные здесь, пригодны для обработки материала, это не единственный вариант или протокол, который может быть сделано, чтобы работать. В любом случае, глубокое понимание какого-либо конкретного метода является необходимым для экспериментального успеха.
Точные протоколы, используемые подробно описаны ниже. Вариации протокола (A, B, C и D) имеют небольшие изменения между ними, в основном предназначены для изменения плотности пен, полученных. Пористость была рассчитана из измерений объемной массы образцов их объем и плотность алюминия (2,7 г / см 3). При разработке методов, описанных для производства алюминия пены по репликации, были предприняты попытки уменьшить количество современного оборудования с наименьшей возможной степени, таким образом, что метод, как легко осуществить, насколько это возможно. Другие варианты, которые могут быть использованы на различных этапах будут рассмотрены далее.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ПРИМЕЧАНИЕ: Приведенные ниже инструкции предназначены для протокола A (рисунок 1). Модификации протокола B, C, и D указаны также.
1. Алюминиевый Бар Подготовка
- Место большой кусок (500 г - 1 кг) промышленных алюминиевых чистота слитка в тигель.
- Поместите тигель в печи при 800 ° С в течение приблизительно 1 ч, до расплавленного.
- Возьмем тигель из печи и разлить расплавленный алюминий в цилиндрическую пресс-форму, которая 50 мм в диаметре, немного меньше, чем конечного диаметра камеры, которые будут использоваться для проникновения (51 мм) с получением зазор около ½ мм.
- Подождите 1 час для бара, чтобы остыть.
- Снимите бар от плесени.
- Использование ленточную пилу, разрезать его на 4 же размера куски.
- Песок края каждой части, чтобы обеспечить хорошую пригонку в инфильтрации формы.
2. Печь Подготовка
- ПРОГРАММА печи для достижения 740 & #176; С плато в течение по меньшей мере 2 ч.
- Установка скорости нагрева печи до 20 ° С / мин.
3. Заготовка Подготовка
Примечание: в зависимости от высоты пены, направленных на, изменять количество NaCl, используемый для инфильтрации между 100 г и 300 г.
- Выбор проникновение NaCl для использования, с диаметром, соответствующим диапазоне размеров пор, необходимого (например, диапазон между 1,4 мм и 1,7 мм). Материал может быть получен из химических поставщиков с высокой степенью чистоты или супермаркет купил поваренной соли могут быть использованы (например материал будет иметь добавки, такие как йод и вещества, предотвращающие слипание, но они не на практике влияет на процесс в значительной степени).
- Выбор сита соответствующего диапазона размеров, и укладывают на базовую емкость с меньшим размером отверстия в нижней части.
- Из мешка поставщиков хлористого натрия, занимает примерно 500 г и залить его в сложенных сит.
- Агитировать ситаЛибо вручную, либо с помощью просеивающей машины, в течение 1 мин.
- Отбрасываем NaCl оставил в большем размере диафрагмы сито и нижнем контейнере, NaCl оставили в меньшем сито диафрагмы используется для инфильтрации.
- Взвесьте количество инфильтрации NaCl получены.
- Если количество недостаточно, повторите шаги от 3,4 до 3,7.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для протоколов B, C или D, получим 100 г тонкой NaCl (<500 мкм). Это создает дополнительное пространство в кристаллизаторе для воздуха, захваченного в процессе инфильтрации заготовки в случае воздух в заготовке не избежать камеру надлежащим образом.
4. Форма Подготовка
- Использование наждачной бумагой и лабораторных рулон бумаги, очистите формы цилиндра (рис 2), уделяя особое внимание как для верхних и нижних краев, и держать форму без каких-либо заметных примесей из предыдущего использования.
- Спрей внутри пресс-формы цилиндра с нитрид бора аэрозоля, создавая тонкий слой покрытиявнутри пресс-формы.
Примечание: Это достигается, когда исходный цвет из формы заменяется белом слое аэрозоля; не надо измерить его конкретные концентрации. - Пусть сухой формы цилиндра, по меньшей мере, 5 минут при комнатной температуре (нагрева до приблизительно 100 ° С в течение до 1 часа, при желании, может быть применен для дополнительной сушки).
- Использование тонкой наждачной бумагой, удалить все остатки из нитрида бора с краев пресс-формы цилиндра, чтобы улучшить уплотнение между литейной формы цилиндра и пресс-формы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие 3 шаги для протоколов A и B; Для протоколов С и D сократить только один уплотнительное кольцо для крышки. - Вырезать 2 Уплотнительные кольца от 1 мм толщиной графитового листа (OD = 60 мм, ID = 51 мм), один для союза между верхним краем пресс-формы цилиндра и крышки формы, ведущего к клапанной системы, другие для объединения между нижним краем пресс-формы цилиндра и пресс-формы.
- Разместите один из прокладок в пресс-форме канавки.
- Поместите Боттаом из пресс-формы цилиндра в паз с уплотнением.
- Нажмите слегка с молотком в верхней части пресс-формы цилиндра, чтобы обеспечить основание к базовой канавки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для протокола B, C, или D, добавить следующий шаг.- Налейте 100 г тонкой NaCl (<500 мкм) в пресс-форму цилиндра и выровнять верхнюю часть с режиссерский алюминия бар нажав на верхнюю часть, чтобы она слегка с молотком, чтобы обеспечить хорошо NaCl упакован с высокой плотностью.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для протокола D добавьте следующий шаг. - Вырезать 2 круга мягкая 2 мм толщиной керамической Kaowool одеяло размер диаметра формы (51 мм) и поместите их в верхней части тонкой NaCl, используйте режиссерский бар алюминия и молоток, чтобы надавить на тонкой NaCl.
- Налейте 100 г тонкой NaCl (<500 мкм) в пресс-форму цилиндра и выровнять верхнюю часть с режиссерский алюминия бар нажав на верхнюю часть, чтобы она слегка с молотком, чтобы обеспечить хорошо NaCl упакован с высокой плотностью.
- Налейте NaCl быть проникли в пресс-формы цилиндра.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для протокола D добавьте следующий шаг.- Прикрепите плесени и базу для вибрационного стола, убедившись, что формы цилиндр не двигается от базовой канавки. Вибрироватьв течение 1 мин при 50 Гц с амплитудой 0,01 м.
- Проведение в верхней части цилиндра в месте, подобрать базу и не трясти, слегка до NaCl внутри пресс-формы образует плоскую поверхность на верхней части.
- Поместите подготовленную бар алюминия в верхней части заготовки NaCl.
- Поместите прокладку графита в канавке крышки пресс-формы.
- По стороны ввернуть 4 шпильки из нержавеющей стали с основанием и закрепить их с 4 наборов гаек из нержавеющей стали и шайб на верхней части основания с использованием ключа и поместить крышку пресс-формы в верхней части кристаллизатора цилиндра через шпильки.
- С динамометрический ключ установлен на 16 Н · м, закрутите 4 комплекта стальных гаек и шайб на 4-резьбовых стержней с резьбой в основании и проходящих через крышку, где гайки были затянуты, чтобы зафиксировать крышку пресс-формы на месте.
- Прикрепите верхнюю часть крышки, чтобы клапанной системы с прокладкой, зажим, болт и гайка-барашек.
- Закройте все клапаны системы.
- Откройте клапан, ведущий к тОн вакуумный насос и формы (клапан 3).
- Включите вакуумный насос, пока стрелочный индикатор системы клапана указывает на минимально возможное давление.
- Выключите вакуумный насос.
- Если потеря вакуума в системе ниже, чем скорость 50 мм рт.ст. / сек для первых 10 сек после выключения вакуумного насоса уплотнения является достаточно хорошим для инфильтрации.
- Оставьте крышки клапана ОТКРЫТО (арматура 3), чтобы поддерживать систему при атмосферном давлении и закрыть вакуум-насос клапан (клапан 1).
- Без отключения системы клапана, поместите форму в нагретую печь и ждать в течение 1 часа.
5. Проникновение
- Закройте все клапаны системы (рис 3).
- Открыть кран, ведущий к аргона цилиндра (2) клапана.
- Откройте главный клапан на баке аргона и установить давление инфильтрации с регулировочным клапаном (для диапазона 1,4 мм до 1,7 мм NaCl размером частиц, используйте давление 3,5 бар),
ПРИМЕЧАНИЕ: Для протокола B, инфильтрация давление 3 бар используется. Используйте давление 1 бар для протоколов С и D. - В быстрым образом, открыть крышку клапана (клапан 3).
- После 1 мин, удалить плесень из печи и поместите его на самый верх охлаждающая поверхность (в данном случае медного блока).
Примечание: В то время как охлаждения, давление в системе будет меняться. За первые 5 мин этого процесса, обратить пристальное внимание на давлении, указанном регулятором и настроить обратно к давлению инфильтрации в случае необходимости.
6. Пример экстракции
- После 30 мин, когда плесень достаточно прохладно, чтобы обращаться с легким жаропрочных перчатки, снимите клапанную систему и разместить пресс-формы на верстаке тисками. Отвинтите крышку с верхней части цилиндра.
- С крышкой покинуть, слегка нажмите на верхнюю часть пресс-формы цилиндра с молотком в направлении, перпендикулярном к захвата зажимного к ослабить формы цилиндра от базовой канавки.
- С молотка нажмите оставшегося алюминия в верхней части образца, чтобы толкать его из формы цилиндра.
- Использование ленточную пилу, разрезать нижнюю часть образца пены, удаление излишков алюминия.
- В зависимости от высоты пены, необходимой, если желательно сократить, близко к верхней части образца.
- Поместите проникли пены в стакан с водой и магнитной мешалкой на горячей плите для перемешивания для растворения заготовки NaCl.
- Установка температуры горячей плите до 60 ° С. Изменение воды каждые 10 мин до тех пор, пока не NaCl не осталось в пене.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения нет NaCl в пене останется, менять воду примерно в 10 раз. Это также можно сделать периодические проверки веса образца после короткой стадии сушки. Когда это перестает существенно меняться при дальнейшем погружении, NaCl должны быть полностью удалены. - Наконец, используя электрическийосушитель воздуха удалить всю воду в пене останется. Образец пенопласта готов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 4 морфологии зерен NaCl можно увидеть (угловые и сферические), в иллюстративных целях. Полученные с протоколом А пены были сделаны с помощью угловых фасонных зерна и остальные были сделаны со сферическими зернами. Было обнаружено, что использование различной формы зерен NaCl не было наблюдаемый эффект на пористость, полученного в образцах.
Из результатов, мы можем определить, что образцы, B, и C (сделанный с протоколом А), в среднем на 63% пористого (рис 5), определяется из их объемной массы и объема. Путем внесения изменений в технике, включая, например кармане тонкой NaCl в нижней части, позволяет способ получения пены 5% больше, пористые и позволяет давления инфильтрация быть снижена (от 3,5 до 3 бар), это образцы D, д и е сделал с протоколом B (Рисунок 6). Единственное различие между протоколами A и B является добавление тонкой NaCl в нижнейзаготовки.
При удалении нижнюю прокладку инфильтрации форму, как это сделано в Протоколе C (фиг.7), требуемое давление инфильтрации может быть уменьшен (от 3 до 1 бар). Используя этот метод, образцы G, H и я были произведены, также демонстрируют рост пористости 5%. В Протокол С причина для использования 3 различных размеров частиц NaCl является изучение влияния на пористость, а также продемонстрировать, что даже с этим изменением, пористость, полученные в пен-прежнему очень похожи, и изменение размера частиц практически не имеет никакого эффекта на пены пористости по сравнению с эффектом от используемого протокола. Пенопласты, полученные с протоколом C три отдельных образцов, каждый из которых выполнен с различным размером частиц. Окончательный набор образцов, J, K и L были сделаны с использованием протокола D (рисунок 8), с помощью вибрации NaCl быть проникли, увеличивая плотность заготовки, давая большой скачок в размере 8% пористости пен. Случайные наблюдения неудачной инфильтрации, что определенная область или области заготовки должным образом не проникли; за инфильтрации может возникнуть, например, такие, как инкапсуляция нескольких частиц NaCl металлом, обусловлено в основном высоким давлением инфильтрации, предотвращая воду для выщелачивания NaCl из; это очень очевидным, когда имеется большое падение в видимой пористости (более 5%) в образце, полученной с использованием определенного протокола, хотя это является очень редким событием. 9 показан без проникли образец слева, правильно проникли образца в середине и по проникли образец справа. На фиг.10 изменение пористости путем изменения давления инфильтрации можно увидеть. Если более высокое давление инфильтрации применяется, более алюминиевые вынужден между сферами NaCl (более высокое давление дает поверхностное натяжение, которые необходимо преодолеть, чтобы в большей степени, что позволяет более узкие зазоры вбыть заполнен металлом), таким образом, свободного места уменьшается, уменьшение пористости. Для контроля исход правильно проникли образца этого метода является более трудным, когда по сравнению с использованием другого протокола, так как при более высоких давлениях риск заблокированных поры в пене значительно увеличивается.
Для оценки исход производственного цикла первый показатель правильно проникли пен их плотность, другой будет наблюдать снаружи образца; полностью проникли пена равномерно по всей своей структуре, если есть ошибки, они довольно заметные (в основном закупоренные поры или не проникли зоны); их можно увидеть на рисунке 11. Конечные результаты этой процедуры приведены в таблице 1.
Рисунок 1. Пена репликации геновRAL протокола шаги.
Рисунок 2. Дизайн Схемы пресс-формы пены инфильтрации и собраны изображения (метрической шкалой). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3. Лабораторные Схемы Риг Пена инфильтрации.
Рисунок 4. Морфология NaCl по зерну (слева: угловая 2-2.36 мм; Справа: сферические 1,4-1,7 мм).
Рисунок 5. Образцы протокол о, б и выполнены из открытой пористой 99,95% алюминия пены с размером пор от 1,4 мм до 1,7 мм, средней пористостью 63%, измерения 51 мм в диаметре и 25,4 мм в высоту ( Метрическая шкала). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Образцы Рисунок 6. Протокол B D, E и F изготовлены из открытой пористой 99,95% алюминия пены с размером пор от 1,4 мм до 1,7 мм, средней пористостью 66%, измерения 51 мм в диаметре и 25,4 мм в высоту ( Метрическая шкала). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 7. Протокол С Образцы G, H и I изготовлены из открытой пористой 99,95% алюминия пены с размером пор диапазоне от 1 мм до 1,18 мм, 1,4 мм до 1,7 мм и 2 мм до 2,36 мм, соответственно, средняя пористость 70 %, измеряя 51 мм в диаметре и 25,4 мм в высоту (метрической шкалой). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 8. Протокол D образцов J, K DL изготовлены из открытого пористого 99,95% алюминия пены с размером пор диапазоне 1,4 мм до 1,7 мм, средней пористостью 76%, измерения 51 мм в диаметре и 25,4 мм в высоту (метрической шкалой). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть Более крупная версия этой фигуры.
Рисунок 9. Влияние инфильтрации давление на Пены (слева: Non-инфильтрации; Средний: Правильное Проникновение; Справа: За инфильтрации). (Метрическая шкала) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
700px "/>
Рисунок 10. Replicated Пена пористость Изменение инфильтрацией изменение давления, используя только протокола А.
Рисунок 11. Заметные Ошибки в пенопластов, полученных с помощью этого метода (слева: Transversal изображение, справа: со стороны изображения) (метрической шкалой). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
| Протокол | Образец | Размер частиц (мм) | Пористость (%) |
| 1,4 - 1,7 | 63.45 | ||
| б | 10,4 - 1,7 | 62.98 | |
| с | 1,4 - 1,7 | 63.09 | |
| В | d | 1,4 - 1,7 | 66.33 |
| В | е | 1,4 - 1,7 | 66.21 |
| В | F | 1,4 - 1,7 | 66.08 |
| C | г | 1 - 1,18 | 69.96 |
| C | час | 1,4 - 1,7 | 70.03 |
| C | я | 2 - 2,36 | 70.75 |
| D | J | 1,4 - 1,7 | 76.20 |
| D | К | 1,4 - 1,7 | 75.69 |
| D | L | 1,4 - 1,7 | 76.56 |
Таблица 1. Реплицируемые характеристики образцов пены, пористость получается и размер заготовка используется.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Основной метод, описанный здесь, был использован в различных формах другими исследователями. Некоторые из ключевых вариантов, которые позволяют пены различных типов должны быть созданы обсуждаются. Характеризуя эти пенопласты мы измерили пористость, так как это быстро и легко оценить, чтобы сделать, но характеристика других структурных характеристик, таких как размер пор, удельной поверхности или стойки толщина может потребоваться, чтобы получить полное представление о характеристиках пены для различных приложений. На практике, для производства пенопластов по репликации, размер пор хорошо управляется размера частиц NaCl, используемого, и связь между этим, плотность и другие структурные характеристики могут быть сделаны.
Уплотненные заготовки
В настоящей вклад, который мы описали заготовки NaCl, что делается путем опрокидывания зерна NaCl в камеру. Хотя, как отмечалось, некоторая степень контроля над Densiти может быть достигнуто путем вибрации образца, доступные остатки диапазон, а ограничено, из-за ограниченного диапазона упаковки фракций NaCl, которые могут быть достигнуты. Для получения пенопластов высокой пористостью, плотность заготовки может быть увеличена путем уплотнения его механической (например, в холодное изостатическое прессование, чтобы сохранить изотропную структуру), или путем спекания, где уплотнение приводится в сокращении площади поверхности. Оба этих метода можно было бы ожидать, чтобы быть более эффективным для меньшего размера частиц NaCl (суб миллиметрового), а более мелкие зерна менее подвержены трещины и имеют большую площадь поверхности к объему. Как размер пор используется в экспериментах, описанных в данном документе, является большим, и либо процесс потребует дополнительного оборудования, с упором на простой и легко реализуемого способа, что они не были использованы.
Фасонные заготовки
В Гудолл и Мортенсен 14 метод вводится вконтролировать размер пор и формы дальше, чем это возможно при использовании единичные зерна NaCl. В этом методе штрафа NaCl порошок смешивают со связующим (для простоты, муки и воды могут быть использованы), а затем придают ей требуемую форму, прежде чем термообработка используется для термически удаления связующего. Хотя это и не экспериментально комплекс, этот метод не был использован в наших экспериментах, как это не является необходимым для получения пены и требует несколько более точный контроль давления, чтобы обеспечить пористость масштаба штрафа в заготовке сам по себе не проник.
Альтернативные брикетов NaCl
Хотя NaCl отображает множество желательные характеристики в заготовки материала (в том числе относительно высокой температурой плавления, высокой степенью растворимости в воде и низкой токсичности и стоимости), это не всегда пригодны. Один конкретный случай, когда более высокую температуру плавления металлов, подлежащих обработке, и в этой ситуации он может быть заменен другими материалами, такими как натрий ALUMINели 16. Эти материалы улучшить способность температуры, но, как правило, более дорогие и сложные, чтобы растворить, и не требуются для обработки пенопластов из относительно низкую температуру плавления металлов, таких как алюминий, наиболее распространенных металла, из которого изготовлены пенопласты.
Холодная стена / частичные барокамеры холодной стене
Проникнуть металла в тонких заготовок размеров частиц, чтобы произвести меньшие пены размером пор, более высокое давление будет необходимо. Испытательный стенд описано в данной работе является подходящим для использования до 6 атм, а также давление повышается вероятность утечек из уплотнений идет вверх. Это может быть решена с помощью альтернативных конструкций камеры давления, где закрытые участки отделены от зоны нагрева, как правило, защищенный от охлаждающей воды. В то время как способность такого оборудования увеличился за что описано здесь, проектирование и изготовление является значительно более сложным, и поэтому не было implemподарил в этой версии.
Характеристики этого варианта осуществления процесса
В то время как разливки расплавленного алюминия в бар формы, дефект трубы образуют в верхней части, в результате затвердевания усадки. Наилучшие результаты получены с полностью твердых слитков, так что эта часть должна быть выброшен или использован вновь.
Было обнаружено, что для того, чтобы процесс работы, уплотнение между расплавленным металлом и стенкой формы, должно быть хорошо (иначе аргона обойдет металл и не инфильтрации не происходит). По этой причине, когда применяющие инфильтрации давление 3 бара или выше, наилучшие результаты получены с большим количеством алюминия, достаточном, чтобы заполнить форму, даже если целью является получение коротких пены, так как это увеличивает давление жидкого металла вокруг формы в верхней части заготовки и улучшает уплотнение. Небольшой зазор половины сантиметра было обнаружено, что идеальная высота между алюминиевой рIECE и крышка формы для текущего оборудования. Для инфильтрации давлении 2,5 бар или меньше размер зазора не имеет значения, только количество алюминия необходимо, так это достаточно, чтобы полностью заполнить заготовки.
При затягивании гайки на шпильки использовать звезды рисунок (затяжку противоположных пар ступенчато), чтобы гарантировать, что давление вокруг прокладки даже и уплотнение получается. Во избежание повреждения клапанов на закрытии, это всегда делается вручную.
Иногда, может быть дефекты или регионы плохой инфильтрации. Это, скорее всего, образуется на дне, где расплавленный металл имеет дальний хода, либо вверху, вблизи границы с плотной металла. Поэтому наиболее последовательным часть образца находится в центре области, занятой заготовки NaCl. Верхние и нижние части пены могут быть срезаны и отбрасывают. Всякий раз, когда это необходимо, чтобы сократить пены для получения образца, то лучше сделать это остроумиеч NaCl еще присутствуют в нем. Если разрезы выполнены после выщелачивания, там, где надрез, это может привести к повреждению и блокировать структуру пены. Где резки образца после выщелачивания требуется, успешный метод заключается в использовании технику, не загрузки, такие как электроискровой обработкой (EDM, также называемый искровой эрозии).
Есть много переменных в процессе, которые могут быть модифицированы для различного эффекта, а для того, чтобы изменить пористость наиболее подходящие управляющие переменные являются либо плотность заготовка или давление инфильтрации используется.
Цель с использованием различных протоколов (A, B, C и D) является создание пенопластов с разной пористости, с 61% до 77%. Применение протокола будет производить образцы с 63% пористости в среднем; Протокол В производит образцы с 66% пористости; Протокол С производит образцы с 70% пористости и Протокол D производит образцы с 76% пористости. При добавлении мелкий NaCl в нижней части пресс-формы в протоколахB, C и D он создает приют для воздуха, захваченного в заготовке во время проникновения, если эвакуация камеры не является совершенным. NaCl быть гораздо тоньше будет сопротивляться проникновению в алюминии до более высоких давлений не будут достигнуты, гарантируя, что заготовка полностью проник. Без этого любая воздух, присутствующий будут сжаты, не устранены, и нежелательные дополнительные пористость будет присутствовать, скорее всего, как uninfiltrated регионах. Протоколы С и D были разработаны, чтобы позволить проникновение должно быть достигнуто с гораздо более низких давлениях. Для образцов, представленных на фиг.6 использовали разные размеры частиц заготовка, можно отметить, что это изменение не оказывает существенного эффекта по сравнению с используемым протоколом.
Не используя нижнюю прокладку в протоколы C и D небольшой поток газа через дно кристаллизатора можно, это означает, что в ловушке газа из заготовки можно откачивать без того, чтобы быть сжат до высоких давлений. Еслиэто было сделано без тонкой NaCl затем алюминиевой могут также быть вынуждены, но как этот слой устойчив к проникновению жидкости алюминия при давлениях применяется это будет препятствовать алюминия побег.
В протокол D, с помощью вибрации заготовки, более высокую пористость пены может быть достигнуто; примерно 9-10% более пористым по сравнению с Протоколом C. Это происходит, поскольку зерна NaCl в заготовке ближе друг к другу, в результате чего меньше места должны быть заполнены с алюминием. Керамический лист добавляется в Протоколе D, чтобы предотвратить мелкий NaCl смешать с инфильтрации NaCl при вибрации, никакого существенного эффекта не было обнаружено в конечные продукты при добавлении керамический лист протокола С
Основным ограничением для способа обработки, описанного пены является пористость пены; низкая достигнуто до сих пор с установки и протоколов, описанных здесь около 61%, а самый высокий близко к 77%. Однако это дешевый и простой в использовании метод по сравнению сболее сложные и дорогостоящие методы, такие как литье по выплавляемым моделям, спекания или присадок производства. Другим ограничением является металлы, которые могут быть использованы; любой металл, имеющий точку плавления слишком близко или выше температуры плавления NaCl (801 ° C) не может быть проникли с этой заготовки. Алюминий, магний и олово были обработаны с помощью этой техники.
Оборудование и несколько успешных протоколов для производства алюминия пен представлены в деталях. С помощью этого метода можно создать алюминиевых открытыми чейками пены с пористости 61-77% (что соответствует плотности в диапазоне от 1053 до 621 кг / м 3) и с размерами пор в интервале от 1 до 2,36 мм в диаметре. Кроме того, известно, что с изменением условий используется, некоторые из них относительно небольшие, эти диапазоны могут быть расширены значительно, и другие переменные, такие как формы пор может быть изменена. Техника репликации является весьма подходящей для исследования лаборатории для меняТаль пенообразование.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Соответствующий автор хотел бы признать Национальный совет по делам правительства Мексики науки и техники КОНАСИТ для обеспечения стипендии.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Salt | Hydrosoft | Granular Salt 25 kg 855754 | http://www.travisperkins.co.uk/p/hydrosoft-granular-salt-25kg/855754/3893446 |
| Aluminum | William Rowland | Aluminum Ingots 99.87% pure 25 kg drum | http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-1 |
| Crucible | Morgan Advance Materials | Syncarb Crucible | http://www.morganmms.com/crucibles-foundry-products/crucibles/syncarb/ |
| Furnace | Elite Thermal Systems | TLCF10/27-3216CP & 2116 O/T | http://www.elitefurnaces.com/eng/products/furnaces/1200%20Top%20Loading%20Furnaces.php |
| Bar Mold | The University of Sheffield | Custom Made | Stainless Steel 304, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter |
| Band Saw | Clarke | CBS45MD (6" x 4 1/2") 370W 060710025 | http://www.machinemart.co.uk/shop/product/details/cbs45md-41-2in-x-6in-metal-cutting-ban |
| Sandpaper | Wickes | Specialist wet & dry sandpaper 501885 | http://www.wickes.co.uk/Specialist-Wet+Dry-Sandpaper-PK4/p/501885 |
| Sieves | Fisher Scientific | Fisherbrand test sieves 200 mm diamater | http://www.fisher.co.uk/product/brand_listing.php/F/Fisherbrand/Sieve |
| Balance | Precisa | XB 6200C | http://www.precisa.co.uk/precision_balances.php |
| Boron Nitride | Kennametal | 500 ml spray can | http://www.kennametal.com/content/dam/kennametal/kennametal/common/Resources/Catalogs-Literature/Advanced%20Materials%20and%20Wear%20Components/B-13-03401_ceramic_powders _brochure_EN.pdf |
| Infiltration Mold, Base and Lid | The University of Sheffield | Custom Made | Stainless Steel 304, 15 cm height, 5.1 cm inner diameter, 6 cm outer diameter |
| Cylindrical Mold | The University of Sheffield | Custom Made | Low carbon steel 1020, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter |
| Graphite Gasket | Gee Graphite | Geegraf Stainless Steel Reinforced Graphite 1 mm thick | http://www.geegraphite.com/steel_reinforced.html |
| Mallet | Thor Hammer Co. Ltd. | Round Solid Super Plastic Mallet | http://www.thorhammer.com/Mallets/Round/ |
| Wrench | Kennedy Professional | 13 mm Ratchet Combination Wrench KEN5822166K | https://www.cromwell.co.uk/KEN5822166K |
| Nuts | Matlock | M8 Steel hex full nut galvanized | https://www.cromwell.co.uk/CTL6400068J |
| Washers | Matlock | M8 Form-A steel washer bzp | https://www.cromwell.co.uk/CTL6451208H |
| SS Nuts | Matlock | M8 A2 st/st hex full nut | https://www.cromwell.co.uk/CTL6423008F |
| SS Washers | Matlock | M8 A2 st/st Form-A washer | https://www.cromwell.co.uk/CTL6464008H |
| Stainless Steel Studding | Cromwell | M8 x 1 Mtr A2 Stainless Steel Studding QFT6397080K | https://www.cromwell.co.uk/QFT6397080K |
| Valves | Edwards | C33205000 SP16K, Nitrile Diaphragm | https://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=C33205000 |
| Fitting Cross | Edwards | C10512412 NW16 Cross Piece Aluminum | https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512412/View.aspx |
| Fitting T | Edwards | C10512411 NW16 T-Piece Aluminum | https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512411/View.aspx |
| Vacuum Pump | Edwards | A36310940 E2M18 200-230/380-415V, 3-ph, 50 Hz | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=A36310940 |
| Dial Gauge | Edwards | D35610000 CG16K, 0-1,040 mbar | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=D35610000 |
| Argon Gas | BOC | Pureshield Argon Gas | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/industrial-gases/inert-gases/pureshield-argon/pureshield-argon.html |
| Stainless Steel Hose | BOC | Stainless Steel Hose | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/hoses-and-pigtails/index.html |
| Regulator | BOC | HP 1500 Series Regulator | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/regulators/single-stage-regulators/hp1500-series/hp1500-series.html |
| Copper Block | William Rowland | Copper Ingot 25 kg | http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-18 |
| Vise | Record | T84-34 H/Duty Eng Vice 4 1/2" Jaws REC5658326K | https://www.cromwell.co.uk/REC5658326K |
| Beaker | Fisher Scientific | 11567402 - Beaker, squat form, with graduations and spout 800 ml | https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11567402&resultSet Position=0 |
| Stirring Hot Plate | Corning | Corning stirring hot plate Model 6798-420d | http://www.corning.com/lifesciences/us_canada/en/technical_resources/product_guid/shp/shp.aspx |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Stir Bar | Fisher Scientific | 11848862 - PTFE Stir bar + Ring 25x6 mm | https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11848862&resultSet Position=0 |
| Air dryer | V05 | V05 Max Air Turbo Dryer DR-120-GB | http://reviews.boots.com/2111-en_gb/1120627/v05-v05-max-air-turbo-hair-dryer-dr-120-gb-reviews/reviews.htm |
| Ceramic Sheet | Morgan Advance Materials | Kaowool Blanket 2 mm thick | http://www.morganthermalceramics.com/downloads/datasheets?f[0]=field_type%3A84 |
| Vibrating Table | Peveril Machinery | Pevco Vibrating Table 1.25 m x 0.625 m x 0.6 m | https://peverilmachinery.co.uk/equipment/vibrating-tables |
References
- Banhart, J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science. 46, 559-632 (2000).
- Conde, Y., Despois, J. -F., Goodall, R., Marmottant, A., Salvo, L., San Marchi, C., Mortensen, A. Replication processing of highly porous materials. Advanced Engineering Materials. 8 (9), 795-803 (2006).
- Goodall, R., Mortensen, A. Chapter 24. Porous Metals. Physical Metallurgy. Laughlin, D. E., Hono, K. , 5th Ed, 2399-2595 (2014).
- Polonsky, L., Lipson, S., Markus, H. Lightweight Cellular Metal. Modern Castings. 39, 57-71 (1961).
- San Marchi, C., Mortensen, A. Chapter 2.06. Infiltration and the Replication Process for Producing Metal Sponges. Handbook of Cellular Metals. Degischer, H. P., Kriszt, B. , Wiley-VCH. 44-56 (2002).
- Galliard, C., Despois, J. F., Mortensen, A. Processing of NaCl powders of controlled size and shape for the microstructural tailoring of aluminium foams. Materials Science and Engineering A. 374 (1-2), 250-262 (2004).
- Despois, J. F., Mortensen, A. Permeability of open-pore microcellular materials. Acta Materialia. 53 (5), 1381-1388 (2005).
- Goodall, R., Despois, J. F., Marmottant, A., Salvo, L., Mortensen, A. The effect of preform processing on replicated aluminium foam structure and mechanical properties. Scripta Materialia. 54, 2069-2073 (2006).
- Goodall, R., Marmottant, A., Salvo, L., Mortensen, A. Spherical pore replicated microcellular aluminium: Processing and influence on properties. Materials Science and Engineering A. 465 (1-2), 124-135 (2007).
- Despois, J. F., Marmottant, A., Salvo, L., Mortensen, A. Influence of the infiltration pressure on the structure and properties of replicated aluminium foams. Materials Science and Engineering A. 462, 68-75 (2007).
- San Marchi,, Despois, C., F, J., Mortensen, A. Uniaxial deformation of open-cell aluminium foam: the role of internal damage. Acta Materialia. 52 (10), 2895-2902 (2004).
- Goodall, R., Weber, L., Mortensen, A. The electrical conductivity of microcellular metals. Journal of Applied Physics. 100, 044912 (2006).
- Kadar, C., Chmelik, F., Kendvai, J., Voros, G., Rajkovits, Z. Acoustic emission of metal foams during tension. Materials Science and Engineering A. 462, 316-319 (2007).
- Goodall, R., Mortensen, A. Microcellular aluminium. Child’s Play! Advanced Engineering Materials. 9 (11), 951-954 (2007).
- Wada, T., Inoue, A. Fabrication, Thermal Stability and Mechanical Properties of Porous Bulk Glassy Pd-Cu-Ni-P Alloy. Materials Transactions. 44 (10), 2228-2231 (2003).
- DeFouw, J. D., Dunand, D. C. Processing and compressive creep of cast replicated IN792 Ni-base superalloy foams. Materials Science & Engineering A. 558, 129-133 (2012).
- Berchem, K., Mohr, U., Bleck, W. Controlling the Degree of Pore Opening of Metal Sponges, Prepared by the Infiltration Preparation Method. Materials Science and Engineering A. 323 (1-2), 52-57 (2002).
- Lu, T. J., Ong, J. M. Characterization of closed-celled cellular aluminum alloys. J. Mater. Sci. 36, 2773-2786 (2001).
- Chou, K. S., Song, M. A. A Novel Method for Making Open-cell Aluminum Foams with Soft Ceramic Balls. Scripta Materialia. 46 (5), 379-382 (2002).
- Dairon, J., Gaillard, Y., Tissier, J. C., Balloy, D., Degallaix, G. Parts Containing Open-Celled Metal Foam Manufactured by the Foundry Route: Processes, Performances and Applications. Advanced Engineering Materials. 13 (11), 1066-1071 (2011).
- LeMay, J. D., Hopper, R. W., Hrubesh, L. W., Pekala, R. W. Low-Density Microcellular Materials. Materials Research Society Bulletin. 15 (12), 19-20 (1990).
- Seliger, H., Deuther, U. Die Herstellung von Schaum- und Zellaluminium. Feiburger Forschungshefte. , 103-129 (1965).
- Kuchek, H. A. Method of Making Porous Metallic Article. US patent. , 3,236,706 (1966).
- Han, F., Cheng, H., Wang, J., Wang, Q. Effect of pore combination on the mechanical properties of an open cell aluminum foam. Scripta Materialia. 50 (1), 13-17 (2004).
- Cao, X. -q, Wang, Z. -h, Ma, H. -w, Zhao, L. -m, Yang, G. -t Effects of cell size on compressive properties of aluminum foam. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 16, 351-356 (2006).
- Abdulla, T., Yerokhin, A., Goodall, R. Effect of plasma electrolytic oxidation coating on the specific strength of open-cell aluminium foams. Materials & Design. 32, 3742-3749 (2011).
- San Marchi, C., Mortensen, A. Fabrication and Comprehensive Response of Open-cell Aluminum Foams with Sub-millimeter Pores. Euromat99. Clyne, T. W., Simancik, F. 5, DGM/Wiley-VCH. Munich, Germany. 34 (1999).
- San Marchi, C., Mortensen, A. Deformation of open-cell aluminium foam. Acta Materialia. 49 (19), 3959-3969 (2001).
- Goodall, R., Despois, J. F., Mortensen, A. Sintering of NaCl powder: Mechanisms and first stage kinetics. Journal of the European Ceramic Society. 26 (16), 3487-3497 (2006).
- Despois, J. F., Conde, Y., San Marchi, C., Mortensen, A. Tensile Behaviour of Replicated Aluminium Foams. Advanced Engineering Materials. 6 (6), 444-447 (2004).
- Zhao, Y. Y. Stochastic Modelling of Removability of NaCl in Sintering and Dissolution Process to Produce Al Foams. Journal of Porous Materials. 10 (2), 105-111 (2003).
Tags
Физика выпуск 94 металлической пены NaCl пористость алюминий инфильтрация выщелачиваниеErratum
Formal Correction: Erratum: Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity
Posted by JoVE Editors on 08/03/2015.
Citeable Link.
A journal reference was corrected in the publication of Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity. Reference 21 and 22 were originally merged together as one reference. They have been separated into references 21 and 22 in the article. The reference numbers have been updated in the article to reflect this additional reference citation. It has been updated from:
to:
