ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Metalskum er interessante materialer fra både en grundlæggende forståelse og praktisk anvendelse synspunkt. Er blevet foreslået anvendelser, og i mange tilfælde valideret eksperimentelt, for let eller slagenergi absorberende strukturer, som stort overfladeareal varmevekslere eller elektroder, som implantater til kroppen, og mange flere. Selv om der er gjort store fremskridt med at forstå deres struktur-egenskaber relationer, det store antal forskellige behandlingsteknikker, der hver producerer materiale med forskellige egenskaber og struktur betyder, at forståelsen af de individuelle virkninger af alle aspekter af strukturen er ikke komplet. Replikationsprocessen, hvor smeltet metal infiltreret mellem korn af en aftagelig præform materiale, tillader en markant høj grad af kontrol og er blevet anvendt med god virkning at belyse nogle af disse relationer. Processen har dog mange trin, der er afhængige af individuel "know-how", ogdette papir til formål at give en detaljeret beskrivelse af alle faser af en udformning af denne behandling metode, ved hjælp af materialer og udstyr, der ville være relativt let at sætte op i et forskningsmiljø. Målet med denne protokol og dens varianter er at producere metal skum på en effektiv og enkel måde, der giver mulighed for at skræddersy resultaterne af prøverne ved at modificere visse trin i processen. Ved at følge denne kan der opnås åbencellet aluminium skum med porestørrelser på 1-2,36 mm diameter og 61% til 77% porøsitet.
Introduction
Metal skum har tiltrukket en stor mængde af interesse og forskningsindsats i de seneste år som det fremgår af den store mængde arbejde citeret i omfattende oversigtsartikler som Banhart 1, Conde et al. 2 eller senere Goodall og Mortensen 3. Blandt de metoder, der anvendes til fremstilling af materialet, er replikationsprocessen kendetegnet ved sin eksperimentelle enkelhed og graden af kontrol over det endelige skum struktur, der kan tilbydes. Det skal bemærkes, at selv om der i litteraturen sådanne materialer er ofte beskrevet som skum (og her), da de ikke er fremstillet af bobler af gas i en væske, de er mere passende kaldes porøse metaller eller mikrocellulære metaller.
Den første rapport af replikering proces var i begyndelsen af 1960'erne 4, og det er blevet videreudviklet på forskellige stadier siden da, med bemærkelsesværdige fremskridt ved forskningsgruppen for Mortensen ved École Polytechnique Federale de Lausanne i Schweiz.
Fremgangsmåden bygger på støbning af metal rundt om en præform af partikler, der definerer formen af porøsitet i det endelige materiale 2, 5. Efter afkøling præformen kan fjernes ved opløsningsmiddel udvaskning eller pyrolyse, der forårsager oxidation. En populær brug af denne teknik anvender NaCl som et rum til at producere aluminium 5-10 eller aluminiumlegeringer skum 11-14. NaCl har flere fordele, såsom at være let tilgængelige, ikke-toksisk og kan fjernes fra skummet ved opløsning i vand. Ved at have et smeltepunkt på 801 ° C, kan det anvendes med metaller, der har et smeltepunkt lavere end denne værdi, mest almindeligt aluminium, men eksempler findes også i anvendelse med materialer såsom metalglasser ved befugtning af en blanding af flydende palladium-baserede bulk-metallisk glas legering og NaCl granulat 15. Substitution af NaCl med højere smeltepunkt materialer tillader også produktion af skum fra højere smeltepunkt metaller 16. Dette kan omfatte andre vandopløselige materialer eller uopløselige, herunder forskellige typer af sand. I denne form for proces bliver mere som konventionel sandstøbning at fjerne sand, højt tryk vandstråler 17, 18 eller forskellige former for vask 19 eller omrystning 20 er påkrævet.
Den væsentlige proces 21 foregår ved at tage kerner af NaCl og anbringe dem i en støbeform 4, 22, 23. Den grundlæggende fremgangsmåde er blevet anvendt til at gøre aluminium og aluminiumlegeringer skum 24-26 for en bred vifte af skum adfærd undersøgelser. Der er indført yderligere skridt til yderligere at kontrollere tæthed og øge sammenkobling af porerne; disse omfatter fortætning af præformen. At fortætte præformen, er sintring blevet anvendt 27, 28 og har været anvendt i forskellige eksperimenter siden 13 med sintring adfærdNaCl baseret på temperatur, kornstørrelse og massefylde af Goodall et al. 29. En anden metode, der anvendes til dette formål er kold isostatisk presning (CIP) 5, 30; dette er en hurtigere teknik, der kan opnå et større spektrum af sammenlignelige tætheder. Proceduren kan også udføres i fast form med metal pulver og NaCl korn, og derefter nogle gange kaldet sintringen og opløsningsprocessen 31.
En fuld undersøgelse af anvendelsen af replikation teknik til dato og sammenligning med andre teknikker er givet i Goodall og Mortensen 3.
I dette arbejde rapporterer vi detaljeret udstyr og eksperimentelle protokoller, der har været anvendt til behandling af metalskum ved replikation metoden, og som er relativt let at gennemføre i en laboratorium indstilling. Det er vigtigt at erkende, at andre versioner af udstyret, med der findes forskellige evner i anden forskning groups, og at mens udstyret præsenteres her, er egnet til at bearbejde materialet, er det ikke den eneste version eller protokol, der kan bringes til at fungere. Under alle omstændigheder er afgørende for eksperimentel succes en grundig forståelse af en bestemt metode.
De præcise protokoller, der anvendes, er beskrevet nedenfor. Protokollen variationer (A, B, C og D) har små ændringer mellem dem, der hovedsagelig er beregnet til at ændre densiteten af skum produceret. Porøsiteten er beregnet ud fra målinger af bulk vægt af prøverne, deres volumen og massefylde af aluminium (2,7 g / cm3). Ved udviklingen af metoder, der er beskrevet for aluminium skum ved replikation er der gjort forsøg på at reducere mængden af avanceret udstyr til den mindst mulige udstrækning, således at fremgangsmåden er lige så let at gennemføre som muligt. Andre variationer, der kan anvendes på forskellige stadier diskuteres senere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
BEMÆRK: Instruktionerne nedenfor er for protokol A (figur 1). Ændringer til protokol B, C og D er angivet samt.
1. Aluminum Bar Forberedelse
- Læg et stort stykke (500 g - 1 kg) af kommerciel renhed aluminum barren i en smeltedigel.
- Digelen anbringes i en ovn ved 800 ° C i ca. 1 time, indtil smeltet.
- Tag diglen ud af ovnen og hæld det smeltede aluminium i en cylindrisk støbeform, der er 50 mm i diameter, lidt mindre end den endelige diameter af kammeret, der skal anvendes for infiltration (51 mm) med en afstand på ca. ½ mm.
- Vent 1 time til baren for at køle af.
- Tag bar fra formen.
- Ved hjælp af en båndsav, skær den i 4 samme stykker på størrelse.
- Sand kanterne af hvert stykke for at sikre en god pasform i infiltration formen.
2. Furnace Forberedelse
- Programmere ovnen til at nå frem til en 740 & #176; C plateau i mindst 2 timer.
- Indstil opvarmningshastighed på ovnen til 20 ° C / min.
3. Præform Forberedelse
BEMÆRK: Afhængigt af højden af skummet rettet til, varierer mængden af NaCl at bruge for infiltration mellem 100 g og 300 g.
- Vælg infiltration NaCl at bruge, med en diameter svarende til porestørrelsen område, der kræves (for eksempel et interval mellem 1,4 mm og 1,7 mm). Materialet kan fås fra kemiske leverandører i høj renhed, eller kan bruges supermarked købte bordsalt (et sådant materiale vil have tilsætningsstoffer som jod og antiklumpningsmidler, men disse ikke i praksis påvirke processen betydeligt omfang).
- Vælg Sigter af en passende størrelse rækkevidde og stable på en base beholder med den mindre porestørrelse i bunden.
- Fra leverandørernes pose NaCl, tage ca. 500 g og hæld det i de stablede sigter.
- Ryst soldeneEnten manuelt eller ved hjælp af en sigte shaker for 1 min.
- Kassér NaCl tilbage i større blænde størrelse sigte, og den nederste beholder, det NaCl tilbage i mindre blændeåbning sigten bruges til infiltration.
- Mængden af infiltration NaCl opnået afvejes.
- Hvis beløbet ikke er tilstrækkelig, skal du gentage trin 3,4-3,7.
BEMÆRK: Protokoller B, C eller D, få 100 g fine NaCl (<500 um). Dette skaber en ekstra plads i formen for luft fanget i præformen under infiltration i tilfælde luften i præformen ikke undslippe kammeret tilstrækkeligt.
4. Mold Forberedelse
- Brug sandpapir og laboratorium papirrulle, ren formen cylinder (Figur 2), under særlig hensyntagen til både de øverste og nederste kant, og holde formen fri for synlige urenheder fra tidligere anvendelse.
- Spray indersiden af formen cylinder med bornitrid aerosolspray skabe et tyndt lag dækkerindersiden af formen.
Bemærk: dette er opnået, når den oprindelige farve af støbeformen erstattes af et hvidt lag af spray; det er ikke nødvendigt at måle den specifikke koncentration. - Lad tørre formen cylinder mindst 5 minutter ved stuetemperatur (opvarmning til omkring 100 ° C i op til 1 time, kan anvendes til yderligere tørring, hvis det ønskes).
- Med fint sandpapir, fjerne enhver rest af bornitrid fra kanterne af støbeformen cylinder, for at forbedre forseglingen mellem formen cylinder og formen base.
BEMÆRK: De næste 3 trin er for protokoller A og B; for protokoller C og D skære kun én pakning ring til låget. - Skær 2 pakning ringe fra 1 mm tykt grafit ark (OD = 60 mm, ID = 51 mm), en for foreningen mellem den øverste kant af formen cylinder og formen låg op til ventilsystem, den anden for Unionen mellem den nederste kant af formen cylinderen og formen base.
- Placer en af pakningerne i formen basen rille.
- Placer Bottom formens cylinder ind i rillen med pakningen.
- Tryk let med en hammer på toppen af formen cylinder at fastgøre bunden til basen rillen.
BEMÆRK: protokol B, C eller D, skal du tilføje følgende trin.- Hæld 100 g fint NaCl (<500 um) i formen cylinder og flade top med en uslebne aluminium bar trykke på toppen af det let med hammer til at sikre den fine NaCl er pakket til en høj densitet.
BEMÆRK: protokol D tilføje følgende trin. - Klip 2 cirkler af soft 2 mm tyk keramisk Kaowool tæppe størrelsen af formen diameter (51 mm) og placere dem oven på den fine NaCl bruge uslebne aluminium bar og en kølle til at presse dem mod den fine NaCl.
- Hæld 100 g fint NaCl (<500 um) i formen cylinder og flade top med en uslebne aluminium bar trykke på toppen af det let med hammer til at sikre den fine NaCl er pakket til en høj densitet.
- Hæld NaCl skal infiltreres i formen cylinder.
BEMÆRK: protokol D tilføje følgende trin.- Fastgør formen og base på et vibrationsbord, og sørg formen cylinder ikke bevæger sig fra basen rille. Vibreri 1 min ved 50 Hz med en 0,01 m amplitude.
- Hold toppen af cylinderen på plads, afhente basen og ryst forsigtigt indtil NaCl inde i formen danner en flad overflade på toppen.
- Placer forberedt aluminium bar på toppen af NaCl præformen.
- Placer en grafit pakning i rillen af formen låget.
- Ved håndskrue de 4 rustfrit stål pigge til basen og fastgør dem med 4 sæt af rustfrit stål møtrikker og skiver på toppen af basen ved hjælp af en skruenøgle og placere formen låg på toppen af formen cylinderen gennem studs.
- Med en momentnøgle indstillet til 16 N · m, skrue de 4 sæt af stål møtrikker og skiver på de 4 gevindstænger skruet ind i basen og går op gennem låget, hvor møtrikkerne strammes at låse formen låg på plads.
- Fastgør toppen af låget til ventilsystem med pakningen, klemme, bolt og møtrik sommerfugl.
- Luk alle ventiler i systemet.
- Åbn ventilen fører til than vakuumpumpe og formen (ventil 3).
- Tænd vakuumpumpen indtil måleuret af ventilsystem angiver det lavest mulige tryk.
- Sluk vakuumpumpen.
- Hvis tabet af vakuum i systemet er lavere end en sats på 50 Torr / sek for de første 10 sekunder efter nedlukning vakuumpumpen forseglingen er tilstrækkeligt godt for infiltration.
- Lad låget åben ventil (ventil 3) at holde systemet ved omgivende tryk og lukke vakuumpumpe ventil (ventil 1).
- Uden afmontering af ventilsystem, placer formen i den forvarmede ovn og vente i 1 time.
5. Infiltration
- Luk alle ventiler i systemet (figur 3).
- Åbn ventilen fører til argongas cylinder (ventil 2).
- Åbn hovedventilen på argon gas tank og indstil infiltration tryk med reguleringsventilen (for en række 1,4 mm til 1,7 mm NaCl partikelstørrelse anvende et tryk på 3,5 bar).
BEMÆRK: protokol B, er en infiltration tryk på 3 bar anvendes. Brug et tryk på 1 bar for protokoller C og D. - På en hurtig måde, åbnes låget ventil (ventil 3).
- Efter 1 min, fjerne formen fra ovnen og placere den på toppen af en køleflade (i dette tilfælde en kobber blok).
BEMÆRK: Under afkøling, vil trykket i systemet ændres. For første 5 minutter af denne proces, være meget opmærksomme på det tryk, angivet af tilsynsmyndigheden, og juster tilbage til infiltration tryk, hvis det er nødvendigt.
6. prøveekstraktion
- Efter 30 minutter, når formen er kold nok til at håndtere med lys varmebestandige handsker, frigøre ventilsystemet og placere formen base på et arbejdsbord skruestik. Skru låget fra toppen af cylinderen.
- Med låget, let at trykke på toppen af formen cylinder med en hammer i en retning vinkelret på skruestikken greb at løsne formen cylinder fra basen rillen.
- Med kølle trykke den resterende aluminium oven på prøven for at skubbe det ud af formen cylinder.
- Ved hjælp af en båndsav, skæres den nederste del af skumprøven, fjerne overskydende aluminium.
- Afhængigt af højden af skum kræves, skæres hvor ønsket, tæt på toppen af prøven.
- Placer infiltrerede skum i et bæger med vand og en magnetisk omrører på en omrøring varmeplade at opløse NaCl præformen.
- Indstil temperaturen af varmepladen til 60 ° C. Skift vandet hver 10 min, indtil der ikke NaCl tilbage i skummet.
BEMÆRK: For at sikre, at der ikke er nogen NaCl tilbage i skummet, skifte vand ca. 10 gange. Det er også muligt at foretage periodisk kontrol af prøvens vægt efter en kort tørringstrin. Når denne ophører med at ændre sig væsentligt med yderligere nedsænkning skal NaCl fjernes fuldstændigt. - Endelig ved hjælp af en elektrisklufttørrer fjerne alt vandet tilbage i skummet. Skumprøven er klar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I figur 4 ses (kantet og sfærisk) morfologien af NaCI korn, til illustrative formål. De skum opnået med protokol A blev fremstillet under anvendelse kantede formede korn og resten blev foretaget med de sfæriske kerner. Det blev konstateret, at anvendelsen af forskellige former NaCl korn havde nogen observerede effekt på porøsitet opnået i prøverne.
Ud fra resultaterne kan vi bestemme, at prøver a, b og c (lavet med protokol A), er i gennemsnit 63% porøs (figur 5), bestemt ud fra deres bulk-vægt og volumen. Ved at foretage ændringer i teknikken, for eksempel herunder lomme af fine NaCI ved bunden, gør det muligt for processen at producere skum 5% mere porøse og tillader infiltration tryk sænkes (fra 3,5 til 3 bar), er disse prøver D, e og f lavet med protokol B (figur 6). Den eneste forskel mellem protokollerne A og B er tilføjelsen af bøden NaCl nederstaf præformen.
Ved at fjerne bundpakning på infiltrationen formen, som det sker i protokol C (figur 7), kan det krævede infiltration tryk reduceres yderligere (3-1 bar). Ved hjælp af denne metode, prøver g, H og I blev fremstillet, også viser en stigning i porøsitet 5%. I protokol C årsagen til at 3 forskellige størrelser af NaCl partikler er at undersøge effekt på porøsitet, og vise, at selv med denne ændring, porøsiteten fremstillet i skum er meget ens, og ændringen i partikelstørrelse har lidt at ingen effekt på skum porøsitet i forhold til effekten af den anvendte protokol. De producerede med protokol C skum er tre separate prøver, som hver fremstillet med en forskellig partikelstørrelse. Det endelige sæt af prøver, j, k og l blev fremstillet under anvendelse af protokol D (figur 8), ved at vibrere NaCI til infiltreres, øge tætheden af præformen, hvilket giver en stor spring på 8% i porøsitet skummene. Lejlighedsvis observationer af et mislykket infiltration er, at en bestemt eller flere områder i præformen ikke korrekt infiltreret; i infiltration kan forekomme såvel, såsom indkapsling af flere NaCI partiklerne ved metal, hovedsageligt som følge af en høj infiltration tryk, forhindrer vand udvaskes NaCI ud; dette er meget tydeligt, når der er et stort fald i tilsyneladende porøsitet (større end 5%) i en prøve fremstillet ved hjælp af en bestemt protokol, selv om dette er en meget sjælden hændelse. Figur 9 viser et ikke-infiltreret prøve til venstre, en korrekt infiltreret prøve i midten og en over infiltreret prøve til højre. I figur 10 ses ændringen i porøsitet ved at modificere infiltration tryk. Hvis en højere infiltration påføres tryk, bliver mere aluminium tvinges mellem NaCI kugler (det højere tryk tillader overfladespændingen overvindes for at en højere grad tillader snævrere huller tilvære fyldt med metal), således det frie rum resterende falder, faldende porøsitet. For at styre udfaldet af en korrekt infiltreret prøve ved denne metode er mere vanskelig, når sammenlignet med anvendelse af en anden protokol, eftersom ved højere tryk risikoen for blokerede porer i skummet stiger betydeligt.
For at vurdere udfaldet af en produktion køre første indikator for korrekt infiltreret skum er deres tæthed, en anden ville være at observere ydersiden af prøven; en helt infiltreret skum er ens i alle dens struktur, hvis der er fejl, de er ganske mærkbar (hovedsagelig blokerede porer eller ikke-infiltrerede zoner); de kan ses i figur 11. De endelige resultater af denne procedure er angivet i tabel 1.
Figur 1. Skum Replication GeneRAL protokol.
Figur 2. Design Skematisk af skummet Infiltration Mold og samlet billede (Metric Scale). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 3. Laboratorie Skematisk af skummet Infiltration Rig.
Figur 4. morfologi NaCl Korn (Venstre: Kantet 2-2,36 mm højre: Sfæriske 1,4-1,7 mm).
Figur 5. protokol A prøver a, b og c er lavet af åben porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse fra 1,4 mm til 1,7 mm, en gennemsnitlig porøsitet på 63%, måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i højden ( Metric Scale). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 6. protokol B prøver d, e og f er lavet af åben porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse fra 1,4 mm til 1,7 mm, en gennemsnitlig porøsitet på 66%, måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i højden ( Metric Scale). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 7. protokol C prøver g, h og i er lavet af åben porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse fra 1 mm til 1,18 mm, 1,4 mm til 1,7 mm og 2 mm til 2,36 mm henholdsvis en gennemsnitlig porøsitet på 70 %, måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i højden (Metric Scale). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 8. Protokol D prøver j, k en dl er lavet af åbne porøse 99,95% aluminium skum med en porestørrelse på 1,4 mm til 1,7 mm, en gennemsnitlig porøsitet på 76%, måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i højden (Metric Scale). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9. Virkning af Infiltration Pres på Skum (Venstre: Ikke-infiltration, Middle: Korrekt Infiltration, Højre: Over Infiltration). (Metric Scale) Klik her for at se en større udgave af dette tal.
700px "/>
Figur 10. REPL Foam Porøsitet Variation af Infiltration trykændring kun bruger protokol A.
Figur 11. Mærkbare Fejl i skum Produceret af denne metode (Venstre: Tværgående Billede, Højre: Side Image) (Metric Scale). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
| Protokol | Prøve | Partikelstørrelse (mm) | Porøsitet (%) |
| A | en | 1,4-1,7 | 63,45 |
| A | b | 10,4-1,7 | 62,98 |
| A | c | 1,4-1,7 | 63.09 |
| B | d | 1,4-1,7 | 66,33 |
| B | e | 1,4-1,7 | 66,21 |
| B | f | 1,4-1,7 | 66,08 |
| C | g | 1-1,18 | 69,96 |
| C | h | 1,4-1,7 | 70.03 |
| C | Jeg | 2-2,36 | 70,75 |
| D | j | 1,4-1,7 | 76,20 |
| D | k | 1,4-1,7 | 75,69 |
| D | l | 1,4-1,7 | 76,56 |
Tabel 1. Replikerede skumprøve egenskaber porøsiteter opnået, og præformen størrelse anvendes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den grundlæggende metode beskrevet her har været anvendt i forskellige former af andre forskere. Nogle af de vigtigste varianter, der tillader skum af forskellige typer, der skal oprettes diskuteres. Ved karakteriseringen disse skum har vi målt porøsitet, da dette er en hurtig og nem vurdering at gøre, men karakterisering af andre strukturelle karakteristika, såsom porestørrelse, specifikt overfladeareal eller spankulere tykkelsen kan være nødvendigt for at opnå en fuld forståelse af skum egenskaber til forskellige anvendelser. I praksis for fremstilling af skum ved replikation, porestørrelsen er godt styret af partikelstørrelse NaCl anvendt og forbindelser mellem dette kan gøres densiteten og andre strukturelle karakteristika.
Komprimerede præforme
I nærværende bidrag har vi beskrevet en NaCl præform, der er fremstillet ved at vippe NaCl korn ind i et kammer. Mens, som diskuteret, en vis grad af kontrol over DensiTy kan opnås ved at vibrere prøven intervallet tilgængelige rester snarere begrænset på grund af den begrænsede rækkevidde af pakning fraktioner af NaCl, der kan opnås. For at fremstille skum med højere porøsitet, kan tætheden af præformen øges ved sammenpresning mekanisk (for eksempel i kolde isostatisk presning at bevare isotrop struktur) eller ved sintring, hvor fortætning drives ved reduktion overfladeareal. Begge disse metoder ville forventes at være mere effektiv for mindre NaCl partikelstørrelse (sub millimeter), da mindre korn er mindre tilbøjelige til at revne og har et større overfladeareal og volumen-forhold. Da porestørrelsen anvendt i forsøgene beskrevet i dette papir er større, og enten proces ville kræve ekstra udstyr, med fokus på en enkel og let gennemført proces, har de ikke været brugt.
Formet præforme
I Goodall og Mortensen 14 en fremgangsmåde indføreskontrollere porestørrelse og form længere end det er muligt med et enkelt NaCl korn. Ved denne metode fine NaCl pulver blandet med et bindemiddel (for enkelhed, mel og vand kan benyttes), og derefter formes til den ønskede form før en varmebehandling anvendes til termisk at fjerne bindemidlet. Selvom det ikke er eksperimentelt kompleks, har denne metode ikke været brugt i vores forsøg, da det ikke er nødvendigt at fremstille et skum og kræver noget mere præcis trykregulering for at sikre den fine skala porøsitet i præformen sig selv er ikke infiltreret.
Alternative præforme til NaCl
Selv NaCl viser mange ønskelige træk som en præform materiale (herunder relativt høj smeltetemperatur, høj grad af opløselighed i vand og lav toksicitet og omkostninger), er det ikke altid egnet. Et særligt tilfælde er, når højere smeltepunkt metaller skal forarbejdes, og i denne situation kan erstattes med andre materialer, såsom natrium aluminumspiste 16. Disse materialer forbedrer temperatur kapacitet, men er generelt dyrere og udfordrende at opløse, og som ikke er nødvendigt for at bearbejde skum fra relativt lave smeltepunkt metaller, såsom aluminium, den mest almindelige metal, hvorfra skum er lavet.
Kold væg / partielle kold væg trykkamre
At infiltrere metal i finere partikelstørrelse præforme til fremstilling af mindre porestørrelse skum, vil højere tryk kræves. Ved testen beskrevet i dette arbejde er egnet til brug op til 6 atm tryk, men når trykket øges sandsynligheden for lækager fra tætningerne går op. Dette kan løses ved alternative udformninger af trykkammeret, hvor de forseglede områder er adskilt fra den opvarmede zone, normalt beskyttet af kølevand. Mens evnen af sådant udstyr er øget over det her beskrevne design og fabrikation er betydeligt mere kompleks, og det har ikke været implemteret i denne version.
Karakteristika for denne udførelsesform for fremgangsmåden
Mens støbning af smeltet aluminium i bar formen, vil et rør defekt dannes ved toppen, på grund af størkning svind. De bedste resultater opnås med fuldstændigt faste blokke, så denne del skal kasseres eller genanvendes.
Det har vist sig, at for at processen skal fungere, skal tætningen mellem det smeltede metal og formvæggen være godt (ellers argon vil omgå metal og ingen infiltration vil forekomme). Af denne grund, når de anvender infiltration tryk på 3 bar eller højere, er de bedste resultater opnås med en stor mængde af aluminium, tilstrækkelig til at fylde formen, selv hvis målet er at opnå korte skum, da dette forøger trykket af det flydende metal omkring formen ved toppen af præformen og forbedrer tætningen. Et lille hul på en halv centimeter har vist sig at være det ideelle højden mellem aluminium pIECE og formen låg for den aktuelle udstyr. For infiltration tryk på 2,5 bar eller mindre størrelse af mellemrummet, er irrelevant, den eneste mængde aluminium brug for, er nok til helt at fylde præformen.
Når spænde møtrikkerne på knopperne bruge en stjerne mønster (stramning modsatte par i en trinvis måde) for at sikre, at trykket omkring pakningen er jævn og en forsegling er opnået. For at undgå skader på ventilerne på lukning, dette altid gøres manuelt.
Indimellem kan der være fejl eller regioner af dårlig infiltration. Disse er mest tilbøjelige til at dannes ved bunden, hvor det smeltede metal har længst rejse eller på toppen, nær grænsefladen med den tætte metal. Derfor mest konsekvente del af prøven er i centrum området besat af NaCl præformen. De øverste og nederste dele af skummet kan skæres væk og kasseres. Når det er nødvendigt at skære skummet til at producere en prøve, er det bedst at gøre det with NaCl stadig er til stede i det. Såfremt udskæringer foretages efter udvaskning, hvor snittet er foretaget, vil det skade og blokere strukturen af skummet. Hvor skære prøve efter udvaskning er påkrævet, en succesfuld metode er at bruge en ikke-loading teknik, såsom Metalforarbejdninger (EDM, også kaldet gnist erosion).
Der er mange variabler i processen, som kan modificeres til anden virkning, men for at ændre porøsiteten de bedst egnede bekæmpelsesmetoder variabler er enten præformen densitet eller infiltration anvendte tryk.
Formålet med at anvende forskellige protokoller (A, B, C og D) er at fremstille skum med forskellige porøsiteter, fra 61% til 77%. Anvendelse protokol A vil producere prøver med 63% porøsitet i gennemsnit; Protokol B producerer prøver med 66% porøsitet; Protokol C producerer prøver med 70% porøsitet og protokol D producerer prøver med 76% porøsitet. Ved at tilføje den fine NaCI ved bunden af formen i protokollerneB, C og D det skaber et tilflugtssted for luft fanget i præformen under infiltration hvis evakueringen af kammeret ikke er perfekt. Den NaCl er meget finere vil modstå infiltration af aluminium indtil højere tryk er nået, der sikrer, at præformen helt infiltreret. Uden dette nogen luft til stede, vil blive komprimeret, ikke elimineret og uønsket ekstra porøsitet vil være til stede, sandsynligvis som ikke-infiltrerede regioner. Protokoller C og D blev udviklet til at tillade infiltration opnås med meget lavere tryk. For de i figur 6 en anden partikelstørrelse præform blev anvendt prøver, kan det bemærkes, at denne ændring ikke har en signifikant effekt sammenlignet med den anvendte protokol.
Ved ikke at bruge bundpakning i protokol C og D en lille strøm af gas gennem bunden af formen er muligt, hvilket betyder, at indespærret gas fra præformen kan evakueres, uden at komprimeres til højere tryk. Hvisdette blev gjort uden den fine NaCl derefter aluminium kan også blive tvunget ud, men da dette lag modstår gennemtrængning af den flydende aluminium på det pres anvendt det vil forhindre aluminium flugt.
I protokol D, ved at vibrere præformen, en højere porøsitet skum kan opnås; groft 9-10% mere porøs i forhold til protokol C. Det sker da NaCl korn i præformen er tættere sammen, efterlader mindre plads, der skal besættes af aluminium. Den keramiske plade tilsættes i protokol D at forhindre fine NaCl blandes med infiltrationen NaCl under vibration, blev ingen signifikant effekt findes i de endelige produkter ved tilsætning af keramiske plader til protokol C.
Den væsentligste begrænsning for skummet teknik beskrives porøsitet skum; den laveste hidtil er opnået med riggen og protokoller, der beskrives her, er omkring 61% og den højeste tæt på 77%. Men det er en billig og let at bruge teknik i forhold tilmere komplicerede og dyre metoder såsom investeringer støbning, sintring eller tilsætningsstof fremstillingsindustrien. En anden begrænsning er de metaller, der kan anvendes; metal med et smeltepunkt for tæt på eller over NaCl smeltepunkt (801 ° C) kan ikke infiltreret med denne præform. Aluminium, magnesium og tin er blevet behandlet ved hjælp af denne teknik.
Udstyr og flere succesfulde protokoller til produktion af aluminium skum præsenteres i detaljer. Ved hjælp af denne metode er det muligt at skabe aluminium åbne celler skum med porøsiteter på 61-77% (svarende til densitet i intervallet 1.053 til 621 kg / m 3) og med porestørrelser i området diameter 1-2,36 mm. Endvidere er det kendt, at med variationer i de anvendte betingelser, nogle af dem relativt mindre, kan disse områder udvides betydeligt, og de andre variabler, såsom pore form kan ændres. Den replikation teknik er særdeles velegnet til forskningslaboratorium brug for migtal skum produktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Den tilsvarende Forfatteren vil gerne anerkende den mexicanske regerings nationale råd for Videnskab og Teknologi CONACYT for levering af et stipendium.
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
Physics metalskum NaCl porøsitet aluminium infiltration udvaskningErratum
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:
