ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Metaalschuim zijn interessant materiaal zowel fundamenteel inzicht en praktische toepassingen oogpunt. Toepassingen zijn voorgesteld, en in veel gevallen experimenteel bevestigd, voor lichte of effect energieabsorberende structuren, grote oppervlakte warmtewisselaars of elektroden implantaten aan het lichaam, en veel meer. Hoewel grote vooruitgang geboekt in het begrijpen van de structuur-eigenschappen relaties, het grote aantal verschillende bewerkingstechnieken, elk producerend materiaal met verschillende eigenschappen en structuur betekent dat begrip van de individuele effecten van alle aspecten van de structuur niet voltooid. Het replicatieproces, waarbij gesmolten metaal geïnfiltreerd tussen korrels van een verwijderbaar voorvorm materiaal, kan een aanzienlijk hoge mate van controle en is gebruikt met goed resultaat een aantal van deze relaties helderen. Niettemin heeft het proces vele stappen die afhankelijk van individuele "kennis" zijn, enDit document beoogt een gedetailleerde beschrijving van alle fasen van een uitvoeringsvorm van deze verwerking werkwijze, gebruik van materialen en apparatuur die relatief eenvoudig in te stellen in een onderzoeksomgeving zijn. Het doel van dit protocol en de varianten is metaalschuim produceren op een efficiënte en eenvoudige wijze, waardoor de mogelijkheid om de resultaten van de monsters passen door het modificeren bepaalde stappen in het proces. Door het volgen van deze, kan open cel aluminium schuimen met poriegroottes van 1-2,36 mm diameter en 61% tot 77% porositeit worden verkregen.
Introduction
Metaalschuimen hebben een groot bedrag van de rente en onderzoeksinspanning aangetrokken in de afgelopen jaren, zoals blijkt uit het grote oeuvre aangehaald in brede evaluatie artikelen zoals Banhart 1, Conde et al. 2 of meer recent Goodall en Mortensen 3. Onder het gebruikt voor de productie van het materiaal methoden, wordt de replicatie proces onderscheidt zich door zijn experimentele eenvoud en de mate van controle over het uiteindelijke schuim structuur die kan worden aangeboden. Opgemerkt wordt dat hoewel in de literatuur dergelijke materialen worden vaak beschreven als schuimen (en hier) zoals ze niet worden geproduceerd door gasbellen in een vloeistof worden ze geschikter genoemd poreus metalen of microcellulaire metalen.
Het eerste verslag van de replicatie proces was in de vroege jaren 1960 4, en het is verder ontwikkeld in de verschillende stadia sindsdien, met een opmerkelijke vooruitgang door de onderzoeksgroep van Mortensen aan de Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Zwitserland.
Het steunt op het gieten van het metaal rondom een voorvorm van deeltjes die de vorm van de porositeit in het uiteindelijke materiaal definieert 2, 5. Na koelen van de voorvorm kan worden verwijderd door oplosmiddelextractie uitloging of pyrolyse die oxidatie veroorzaakt. Een populaire gebruik van deze techniek gebruik NaCl als een ruimte houder aluminium 10/05 of aluminiumlegering schuimen 11-14 produceren. NaCl heeft verschillende voordelen zoals het gemakkelijk toegankelijke, niet-toxisch en kan het schuim worden verwijderd door oplossing in water. Door een smeltpunt van 801 ° C kan worden gebruikt met metalen die een smeltpunt lager dan deze waarde, meestal aluminium, maar voorbeelden zijn ook van toepassing met materialen zoals metallieke glazen door bevochtigen een mix van vloeistof-palladium gebaseerde bulk metallic glas legering en NaCl korrels 15. Substitutie van de NaCl met hoger smeltpunt materialen maakt ook de production van schuim van hoger smeltpunt metalen 16. Dit kunnen andere in water oplosbare materialen of onoplosbare inbegrip van verschillende soorten zand. In deze vorm wordt het proces meer conventionele zandgieten als de zand, hoge druk waterstralen 17, 18 of andere vormen van was- 19 en schudden 20 vereist verwijderen.
Het essentieel proces 21 verloopt door middel korrels NaCl en ze in een vorm 4, 22, 23. De basismethode is gebruikt voor aluminium en aluminiumlegeringen schuimen 24-26 maken voor een breed scala van schuim gedrag onderzoeken. Aanvullende maatregelen zijn ingevoerd om verdere controle van de dichtheid en de interconnectiviteit van de poriën te verhogen; deze omvatten het verdichten van de voorvorm. Om de voorvorm te verdichten, is sinteren in dienst 27, 28 en is gebruikt in verschillende experimenten sinds 13, met het sintergedrag vanNaCl basis van temperatuur, korrelgrootte en dichtheid beschreven door Goodall et al. 29. Een andere methode hiervoor is koud isostatisch persen (CIP) 5, 30; Dit is een snellere techniek die een groter spectrum van vergelijkbare dichtheden kunnen bereiken. De procedure kan ook worden uitgevoerd in de vaste toestand met metaalpoeder en NaCl korrels, en wordt dan soms genoemd sinteren en oplossingsproces 31.
Een volledig overzicht van het gebruik van de replicatie techniek date en vergelijking met andere technieken worden in Goodall en Mortensen 3.
In dit werk rapporteren we gedetailleerd apparatuur en experimentele protocollen die zijn gebruikt voor het verwerken van metaalschuim door de replicatiemethode, en die relatief eenvoudig te implementeren in een laboratorium omgeving. Het is belangrijk te erkennen dat andere versies van de apparaten, met verschillende mogelijkheden bestaan in andere onderzoeken gde andere groepen, en dat terwijl de hier gepresenteerde materiaal is geschikt om het materiaal te verwerken, is niet de enige versie of protocol dat kan worden gemaakt om te werken. In elk geval, een grondig begrip van een bepaalde methode is essentieel voor experimentele succes.
De precieze protocollen die gebruikt worden hieronder beschreven. Het protocol varianten (A, B, C en D) hebben kleine veranderingen tussen hen voornamelijk bestemd zijn om de dichtheid van de geproduceerde schuimen wijzigen. De porositeit wordt berekend uit metingen van het stortgewicht van de monsters, de omvang en de dichtheid van aluminium (2,7 g / cm 3). Bij het ontwikkelen van de beschreven aluminiumschuim productie van replicatie werkwijzen zijn pogingen gedaan om de hoeveelheid geavanceerde apparatuur reduceren tot de kleinst mogelijke mate, dat de werkwijze zo eenvoudig mogelijk te implementeren. Andere variaties die kunnen worden gebruikt in verschillende stadia worden later besproken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OPMERKING: De onderstaande instructies zijn voor protocol A (figuur 1). Modificaties voor protocol B, C en D worden ook vermeld.
1. Aluminium Bar Voorbereiding
- Leg een groot stuk (500 g - 1 kg) van commerciële zuiver aluminium ingots in een smeltkroes.
- Plaats de kroes in een oven bij 800 ° C gedurende ongeveer 1 uur tot gesmolten.
- Neem de schaal uit de oven en giet het gesmolten aluminium in een cilindrische vorm die 50 mm in diameter iets kleiner is dan de einddiameter van de kamer moet worden gebruikt voor infiltratie (51 mm) met een tussenruimte van ongeveer ½ mm.
- Wacht 1 uur voor de bar om af te koelen.
- Verwijder de bar uit de mal.
- Met behulp van een lintzaag, snijd het in 4 gelijke stukken.
- Schuur de randen van elk stuk een goede pasvorm in de infiltratie matrijs waarborgen.
2. Furnace Voorbereiding
- Programmeren van de oven om een 740 & # bereiken176, C plateau ten minste 2 uur.
- Stel de opwarmsnelheid van de oven tot 20 ° C / min.
3. Preform Voorbereiding
OPMERKING: Afhankelijk van de hoogte van het schuim nagestreefd, varieert de hoeveelheid NaCl te gebruiken voor infiltratie tussen 100 g en 300 g.
- Kies de infiltratie NaCl te gebruiken, met een diameter die overeenkomt met de poriegrootte bereik vereist (bijvoorbeeld een bereik tussen 1,4 mm en 1,7 mm). Het materiaal kan worden verkregen uit chemische leveranciers hoogzuivere of supermarkt gekochte keukenzout kunnen worden gebruikt (zoals materiaal toevoegsels zoals jodium en antiklontermiddelen, maar die in de praktijk niet beïnvloeden het proces in belangrijke mate).
- Selecteer zeven van geschikte grootte bereik en stapel op een basis container met de kleinere opening afmeting onderaan.
- Uit de zak van NaCl de leveranciers ', neemt ongeveer 500 g en giet het in de gestapelde zeven.
- Schud de zevenHandmatig of middels een zeef shaker gedurende 1 min.
- Gooi de NaCl links in de grotere maaswijdte zeef en de onderste container, de NaCl links in de kleinere opening zeef wordt gebruikt voor infiltratie.
- Weeg de hoeveelheid infiltratie NaCl verkregen.
- Indien het bedrag ontoereikend is, herhaalt u de stappen 3,4-3,7.
OPMERKING: Protocollen B, C of D, verkregen 100 g fijn NaCl (<500 pm). Hierdoor ontstaat extra ruimte in de vorm van lucht in de voorvorm tijdens infiltratie in geval de lucht in de voorvorm niet voldoende ontsnappen aan de kamer.
4. Mold Voorbereiding
- Met behulp van schuurpapier en laboratorium papierrol, schoon de mal cilinder (figuur 2), waarbij speciale aandacht voor zowel de boven- en onderkant, en vrij van enige merkbare onzuiverheden uit eerder gebruik houden van de mal.
- Spuit de binnenkant van de mal cilinder met boornitride spuitbus, waardoor een dunne laag bedekkingde binnenkant van de mal.
LET OP: Dit is mogelijk wanneer de oorspronkelijke kleur van de mal wordt vervangen door een witte laag van de spray; Het is niet nodig om de specifieke concentratie te meten. - Laat de mal cilinder Droog gedurende 5 min bij kamertemperatuur (verhitting tot ongeveer 100 ° C gedurende 1 uur worden toegepast verder drogen indien gewenst).
- Met behulp van fijn schuurpapier, verwijder eventuele resten van borium nitride van de randen van de mal cilinder, om de afdichting tussen de mal cilinder en de matrijs te verbeteren.
OPMERKING: De volgende 3 stappen zijn voor de protocollen A en B; Protocollen voor C en D snijden slechts één pakking ring voor het deksel. - Snijd 2 pakking ringen van 1 mm dik grafietplaat (OD = 60 mm, ID = 51 mm), een voor de unie tussen de bovenste rand van de mal cilinder en de mal deksel in de aanloop naar het ventiel systeem, de andere voor de bond tussen de onderkant van de mal cilinder en de matrijs.
- Plaats een van de pakkingen in de vormbasis groef.
- Plaats de bottOM van de matrijs cilinder in de groef van de afdichting.
- Tik zachtjes met een hamer op de bovenkant van de mal cilinder naar beneden vast aan de basis groove.
LET OP: Voor protocol B, C of D, voeg de volgende stap.- Giet de 100 g fijne NaCl (<500 micrometer) in de mal cilinder en plat de top met een ongesneden aluminium balk boven aan het licht te tikken met de hamer om ervoor te zorgen de fijne NaCl wordt ingepakt op een hoge dichtheid.
LET OP: Voor Protocol D voeg de volgende stap. - Knip 2 cirkels van zacht 2 mm dik keramisch Kaowool deken van de grootte van de mal diameter (51 mm) en leg ze op de top van de boete NaCl, gebruik maken van de ongesneden aluminium balk en de hamer om ze te drukken tegen de boete NaCl.
- Giet de 100 g fijne NaCl (<500 micrometer) in de mal cilinder en plat de top met een ongesneden aluminium balk boven aan het licht te tikken met de hamer om ervoor te zorgen de fijne NaCl wordt ingepakt op een hoge dichtheid.
- Giet het NaCl te infiltreren in de matrijs cilinder.
LET OP: Voor Protocol D voeg de volgende stap.- Bevestig de mal en de basis op een triltafel, zorg ervoor dat de schimmel cilinder beweegt niet uit de basis groove. Trillengedurende 1 min bij 50 Hz met een amplitude van 0,01 m.
- Houd de bovenkant van de cilinder op zijn plaats, halen de basis en schud zachtjes tot de NaCl in de mal vormt een vlakke ondergrond aan de top.
- Plaats de voorbereide aluminium balk bovenop de NaCl voorvormen.
- Plaats een grafiet pakking in de groef van de matrijs deksel.
- Handmatig schroef de 4 RVS noppen aan de onderkant en zet ze 4 sets van roestvrij staal moeren en ringen bovenop de basis met een sleutel en plaats de mal deksel bovenop de mal cilinder via de noppen.
- Met een momentsleutel bedraagt 16 Nm Schroef de 4 sets stalen moeren en ringen op de 4 draadeinden geschroefd in de basis en zich uitstrekt door het deksel, waarbij de moeren aangedraaid tot de matrijs deksel vergrendelen.
- Bevestig de bovenkant van de deksel om het klepsysteem met de pakking, klem, bout en vleugelmoer.
- Sluit alle kleppen van het systeem.
- Open de klep leidt tot thij vacuümpomp en de mal (ventiel 3).
- Schakel de vacuümpomp tot de meetklok van het ventiel systeem geeft de laagst mogelijke druk.
- Schakel de vacuümpomp.
- Als het verlies van vacuüm in het systeem lager is dan een van 50 Torr / sec voor de eerste 10 seconden na het uitschakelen van de vacuümpomp de afdichting voldoende goed voor infiltratie.
- Laat het deksel open klep (klep 3) het systeem op omgevingsdruk te houden en sluit de vacuümpomp (klep 1).
- Zonder het losmaken van het ventiel systeem, plaatst u de schimmel in de voorverwarmde oven en wacht 1 uur.
5. Infiltratie
- Sluit alle kleppen van het systeem (figuur 3).
- Open de klep die naar de argongas cilinder (klep 2).
- Open de hoofdklep op de argongas tank en stel de infiltratie druk met de regelklep (een bereik van 1,4 mm tot 1,7 mm NaCl deeltjesgrootte gebruik een druk van 3,5 bar).
LET OP: Voor protocol B, is een infiltratie druk van 3 bar gebruikt. Gebruik een druk van 1 bar voor protocollen C en D. - Op een snelle manier, opent u het deksel aan (klep 3).
- Na 1 min, verwijder de mal uit de oven en leg het op de top van een koeloppervlak (in dit geval een koperen blok).
OPMERKING: Tijdens het koelen, zal de druk in het systeem te veranderen. Voor de eerste 5 min van dit proces, aandacht worden besteed aan het door de toezichthouder druk en pas terug naar de infiltratie druk indien nodig.
6. Monsteraftapkraan
- Na 30 min, wanneer de mal is koel genoeg om te behandelen met licht hittebestendige handschoenen, verwijder de klep systeem en leg de mal basis op een werkbank bankschroef. Schroef het deksel van de bovenkant van de cilinder.
- Met het deksel, tik dan bovenop de vorm cilinder met een hamer in een richting loodrecht op de greep van de spanschroef aan de mal cilinder van de basis groef los.
- Met de hamer tikt de overige aluminium bovenop het monster te duwen uit de vorm cilinder.
- Met behulp van een lintzaag, snijd het onderste deel van het schuim monster, het verwijderen van de overtollige aluminium.
- Afhankelijk van de hoogte van schuim gewenst snijden waar gewenst, nabij de bovenzijde van het monster.
- Plaats het geïnfiltreerde schuim in een bekerglas met water en een magnetische roerstaaf op een hete plaat onder roeren aan de NaCl voorvorm lossen.
- Stel de temperatuur van de hete plaat tot 60 ° C. Vervang het water elke 10 min tot er geen NaCl meer in het schuim.
OPMERKING: Om te zorgen dat er geen NaCl in het schuimrubber, ververs het water ongeveer 10 keer. Het is ook mogelijk om periodieke controles van de monstergewicht maken na een korte droogstap. Wanneer dit niet langer significant veranderen met verdere onderdompeling, moet NaCl volledig verwijderd. - Tenslotte behulp van een elektrischeluchtdroger verwijder al het water in het schuim. Het schuim monster is klaar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In figuur 4 de morfologie van de NaCl korrels zichtbaar (hoekig en sferische), voor illustratieve doeleinden. De verkregen Protocol A schuimen werden gemaakt met behulp hoekig gevormde korrels en de rest werd gemaakt met het bolvormige korrels. Gevonden werd dat het gebruik van verschillende vorm NaCl korrels had geen waarneembaar effect op de porositeit verkregen in de monsters.
Uit de resultaten kunnen we vaststellen dat monsters a, b en c (gemaakt Protocol A), gemiddeld 63% poreus (figuur 5), bepaald uit het soortelijk gewicht en volume. Door veranderingen in de techniek, bijvoorbeeld zoals de zak van fijne NaCl onderaan, zodat het proces schuimen 5% poreuzer produceren en kan de infiltratie druk verlaagd (3,5-3 bar), zijn voorbeelden d, e en f gemaakt protocol B (figuur 6). Het enige verschil tussen protocollen A en B de toevoeging van de fijne NaCl onderaanvan de voorvorm.
Door het verwijderen van de onderste afdichting van de infiltratie matrijs, zoals in Protocol C (figuur 7), kunnen de vereiste infiltratie druk verder verlaagd (3-1 bar). Met behulp van deze methode, monsters g, h en i werden geproduceerd, ook met een toename van 5% in porositeit. In Protocol C de reden om 3 verschillende maten NaCl deeltjes enige invloed op de poreusheid onderzoeken, en tonen aan dat, zelfs met deze verandering, de poreusheid verkregen in de schuimen blijft zeer vergelijkbaar en de verandering in deeltjesgrootte heeft weinig tot geen effect Op schuim porositeit in vergelijking met het effect van het gebruikte protocol. De geproduceerde Protocol C schuimen zijn drie verschillende monsters, elk gemaakt met verschillende deeltjesgrootte. De laatste set monsters, j, k en l zijn gemaakt met Protocol D (figuur 8), door trillen van het NaCl te infiltreren, waardoor de dichtheid van de voorvorm, waardoor een grote sprong van 8% in de porositeit van de schuimen. Incidentele waarnemingen van een mislukte infiltratie zijn dat een bepaalde regio of regio's van de voorvorm zijn niet goed geïnfiltreerd; dan infiltratie kan ook optreden, zoals inkapseling van verschillende NaCl deeltjes van het metaal, voornamelijk veroorzaakt door een hoge infiltratie druk, waardoor het water naar de NaCl uitloging; Dit is erg evident wanneer er een grote daling in de schijnbare porositeit (meer dan 5%) in een monster geproduceerd met een bepaald protocol, maar dit is een zeer zeldzame gebeurtenis. Figuur 9 toont een niet-geïnfiltreerde sample links, een correct geïnfiltreerd monster in het midden en een over geïnfiltreerd monster aan de rechterkant. In figuur 10 de verandering in porositeit door aanpassing van de infiltratie druk kan worden gezien. Als een hogere infiltratie druk wordt toegepast, is meer aluminium gedwongen tussen de NaCl bolletjes (de hogere druk kan de oppervlaktespanning worden overwonnen om een grotere mate, waardoor smaller lacunesgevuld met metalen), waardoor de resterende vrije ruimte afneemt, daalt de porositeit. Om het resultaat van een goed geïnfiltreerd monster van deze controlemethode moeilijker vergelijking met het gebruik van een ander protocol, aangezien bij hogere drukken risico van geblokkeerde poriën in het schuim sterk vergroot.
Ter beoordeling van de uitkomst van een productie-run de eerste indicator van de juiste geïnfiltreerd schuimen is hun dichtheid, een ander zou het observeren van de buitenkant van het monster; een volledig geïnfiltreerd schuim uniform in al zijn structuur, indien er fouten zijn zij opvallend (meestal geblokkeerde poriën of niet-geïnfiltreerd zones); ze kunnen worden gezien in figuur 11. De uiteindelijke resultaten van deze procedure zijn weergegeven in tabel 1.
Figuur 1. Schuim replicatiegenral Protocol Steps.
Figuur 2. Ontwerp Schema's van de Foam Infiltratie Schimmel en geassembleerd Image (Metric Scale). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Laboratorium Schema's van de Foam Infiltratie Rig.
Figuur 4. morfologie van de NaCl Grains (Links: Angular 2-2,36 mm; Rechts: Sferische 1,4-1,7 mm).
Figuur 5. Protocol A monsters a, b en c zijn gemaakt open poreuze 99.95% aluminium schuim met een poriegrootte bereik van 1.4 mm tot 1.7 mm, een gemiddelde porositeit van 63%, een 51 mm in diameter en 25,4 mm in hoogte ( metrische Scale). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6. B Protocol monsters d, e en f zijn gemaakt open poreuze 99.95% aluminium schuim met een poriegrootte bereik van 1.4 mm tot 1.7 mm, een gemiddelde porositeit van 66%, een 51 mm in diameter en 25,4 mm in hoogte ( metrische Scale). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7. Protocol C monsters g, h en i zijn gemaakt open poreuze 99.95% aluminium schuim met een poriegrootte bereik van 1 mm tot 1.18 mm, 1,4 mm tot 1,7 mm respectievelijk 2 mm tot 2,36 mm, een gemiddelde porositeit van 70 %, het meten van 51 mm in diameter en 25,4 mm in hoogte (Metric Scale). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 8. Protocol D monsters j, k een dl zijn gemaakt van een open poreuze 99,95% aluminium schuim met een poriegrootte van 1,4 mm tot 1,7 mm, een gemiddelde porositeit van 76%, het meten van 51 mm in diameter en 25,4 mm in hoogte (Metric Scale). Klik hier om een foto grotere versie van deze figuur.
Figuur 9. Effect van de Infiltratie De druk op het Schuim (Links: Non-infiltratie; Midden: Correcte Infiltratie; Rechts: Over infiltratie). (Metric Scale) Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
700px "/>
Figuur 10. gerepliceerde Foam poreusheid Variatie door Infiltratie Pressure Change met alleen Protocol A.
Figuur 11. Opvallend Fouten in Foams uit deze methode (Links: Transversale Image; Rechts: Side Image) (Metric Scale). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
| Protocol | Monster | Particle Size (mm) | Porositeit (%) |
| Een | een | 1,4-1,7 | 63,45 |
| Een | b | 10,4-1,7 | 62,98 |
| Een | 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 | ik | 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. Gerepliceerd schuim monster kenmerken, porositeit verkregen en voorvormen grootte gebruikt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De basismethode beschreven is gebruikt in verschillende vormen door andere onderzoekers. Enkele van de belangrijkste varianten waarmee schuimen van verschillende typen te creëren besproken. In karakteriseren deze schuimen hebben we de porositeit gemeten, omdat dit een snelle en eenvoudige beoordeling te maken, maar karakterisatie van andere structurele kenmerken, zoals poriegrootte, specifiek oppervlak of strut dikte wellicht noodzakelijk een volledig begrip van schuim eigenschappen worden verkregen voor verschillende toepassingen. In de praktijk, voor de productie van schuimen van replicatie, de poriegrootte staat gecontroleerd door de deeltjesgrootte van de gebruikte NaCl, en verbindingen tussen dit kan de dichtheid en de andere structurele kenmerken worden gemaakt.
Verdicht preforms
In deze huidige bijdrage hebben we een NaCl voorvormen die is gemaakt door het kantelen van NaCl korrels in een kamer beschreven. Terwijl, zoals besproken, een zekere mate van controle over de verbty kan door trillen van het monster, het bereik toegankelijk blijft vrij beperkt, vanwege de beperkte verpakkingsgroep fracties van NaCl die kan worden bereikt. Om schuimen hogere poreusheid, kan de dichtheid van de voorvorm worden verhoogd door samenpersing mechanisch (bijvoorbeeld • koud isostatisch persen om isotrope structuur behouden), of door sinteren indien verdichting wordt door oppervlak reductie. Beide methoden worden verwacht meer voor kleinere NaCl deeltjes (sub millimeter) te zijn kleinere korrels zijn minder onderhevig aan scheuren en hebben een groter oppervlak tot volume verhouding. Als de poriegrootte in de in dit document beschreven experimenten groter en beide processen zou extra apparatuur nodig, met de nadruk op een eenvoudige en gemakkelijk uitvoerbare proces, zijn ze niet gebruikt.
Vormige voorvormen
In Goodall en Mortensen 14 werkwijze wordt geïntroduceerdde controle van de poriegrootte en vorm verder dan mogelijk is met behulp van enkele NaCl granen. In deze werkwijze fijn NaCl poeder wordt gemengd met een bindmiddel (eenvoudigheidshalve meel en water worden gebruikt), vervolgens gevormd in de gewenste vorm voor een warmtebehandeling wordt gebruikt om thermisch verwijderen bindmiddel. Hoewel niet experimenteel complex, heeft deze methode niet gebruikt in onze experimenten is het niet essentieel om een schuim te produceren en vereist wat preciezere drukregeling aan de fijnschalige porositeit in de voorvorm zelf niet geïnfiltreerd garanderen.
Alternatief preforms NaCl
Hoewel NaCl vertoont vele gewenste eigenschappen als voorvorm materialen (inclusief relatief hoge smelttemperatuur, hoge oplosbaarheid in water en lage toxiciteit en kosten), is niet altijd geschikt. Een bijzonder geval is wanneer hoger smeltpunt metalen worden verwerkt en in deze situatie kan worden vervangen door andere materialen, zoals natrium aluminumat 16. Deze materialen verbeteren temperatuurvermogen, maar in het algemeen duurder en moeilijker te lossen, en behoeven niet te schuimen betrekkelijk laag smeltpunt metalen, zoals aluminium, de meest voorkomende metaal waaruit schuimen worden gemaakt verwerken.
Koude muur / partiële koude muur drukkamers
Om metalen infiltreren in fijnere deeltjesgrootte preforms, kleinere poriegrootte schuimen produceren, zullen hogere drukken vereist. De testopstelling in dit werk beschreven geschikt voor gebruik tot 6 atm druk, maar de druk wordt verhoogd de kans op lekkage van de afdichting omhoog gaat. Dit kan worden opgelost door alternatieve designs drukkamer, waar de afgedichte gebieden worden gescheiden van de verwarmde zone, meestal beschermd door koelwater. Terwijl het vermogen van dergelijk materiaal is toegenomen dat hier beschreven ontwerp en fabricage aanzienlijk ingewikkelder en dus niet implem geweestteerde in deze versie.
Kenmerken van deze uitvoeringsvorm van de werkwijze
Terwijl het gieten van het gesmolten aluminium in de bar mal, zal een buis defect aan de top te vormen, te wijten aan stollingskrimp. De beste resultaten worden verkregen met volledig massieve blokken, dus dit gedeelte zal worden weggegooid of gerecycled.
Gebleken is dat, om het proces te laten werken, de afdichting tussen het gesmolten metaal en de matrijswand goed moet zijn (anders argon de metalen omzeilen en geen infiltratie optreedt). Daarom bij de toepassing infiltratie druk van 3 bar of hoger, worden de beste resultaten verkregen met een grote hoeveelheid aluminium, voldoende om de mal te vullen, zelfs als het doel is het verkrijgen van korte schuimen, aangezien dit verhoogt de druk van het vloeibare metaal rondom de matrijs bovenaan de voorvorm en verbetert de afdichting. Een kleine opening van een halve centimeter is gevonden om de ideale hoogte tussen de aluminium pIECE en de mal deksel voor de huidige apparatuur. Voor infiltratie druk van 2,5 bar of minder van de grootte van de spleet is niet relevant, de enige hoeveelheid aluminium nodig is voldoende om de voorvorm volledig te vullen.
Wanneer de moeren op de bouten gebruiken stervormig (aanscherping tegengestelde paren stapsgewijs) ervoor zorgen dat de druk rond de pakking gelijkmatig en een afdichting wordt verkregen. Om beschadiging van de kleppen bij het sluiten te voorkomen, wordt dit altijd handmatig gedaan.
Af en toe kunnen er defecten of regio's van slechte infiltratie. Deze zijn het meest waarschijnlijk gevormd op de bodem, waar het gesmolten metaal heeft verste reis, of boven, nabij het grensvlak met de dichte metalen. Daarom is de meest consistente deel van het monster in het midden van het gebied bezet door de NaCl voorvorm. De bovenste en onderste delen van het schuim kan worden weggesneden en weggegooid. Wanneer het nodig is om het schuim gesneden om een monster te produceren, het beste zo wit doenh NaCl nog in het. Als de bezuinigingen zijn gemaakt na het uitlogen, waar de snede is gemaakt, zal het apparaat beschadigen en blokkeren de structuur van het schuim. Wanneer het snijden het monster na uitlogen wordt: een succesvolle methode is een niet-loading techniek zoals Electro-Discharge Machining (EDM, ook wel vonkerosie).
Er zijn veel variabelen in het proces dat kan worden aangepast voor verschillende effect, maar om de porositeit te wijzigen de meest geschikte controle variabelen worden de voorvorm dichtheid of infiltratie toegepaste druk.
Het doel van het gebruik van verschillende protocollen (A, B, C en D) om schuimen te produceren met verschillende porositeiten van 61% tot 77%. Toepassing Protocol A zal monsters met 63% porositeit gemiddeld produceren; Protocol B produceert monsters met 66% porositeit; Protocol C produceert monsters met 70% porositeit en Protocol D produceert monsters met 76% porositeit. Door toevoeging van de fijne NaCl onderaan de matrijs protocollenB, C en D het creëert een toevluchtsoord voor lucht in de voorvorm tijdens infiltratie als de evacuatie van de kamer is niet perfect. De NaCl dat veel fijner is tegen infiltratie door de aluminium tot hogere druk bereikt, zodat de voorvorm volledig geïnfiltreerd. Zonder dat dit enige aanwezige lucht wordt gecomprimeerd, niet geëlimineerd en ongewenste extra porositeit zal aanwezig zijn, waarschijnlijk als niet-geïnfiltreerde regio's. Protocollen C en D werden ontwikkeld om infiltratie te bereiken met een veel lagere drukken. Voor de monsters weergegeven in figuur 6 een andere deeltjesgrootte voorvorm werd gebruikt, kan worden opgemerkt dat deze wijziging een significant effect heeft in vergelijking met het gebruikte protocol.
Door niet met de onderste pakking protocollen C en D een kleine gasstroom door de bodem van de vorm mogelijk, waardoor opgesloten gas uit de voorvorm kan worden afgevoerd zonder te worden gecomprimeerd tot een hogere druk. IndienDit werd gedaan zonder de fijne NaCl dan aluminium kan ook worden gedwongen uit, maar als deze laag is bestand tegen doordringen van het vloeibaar aluminium in de toegepaste drukken zal het aluminium ontsnapping te voorkomen.
In Protocol D, door trillen de voorvorm, een hogere porositeit schuim kan worden bereikt; ongeveer 9-10% poreuzer vergelijking met Protocol C. Dit gebeurt omdat de NaCl korrels in de voorvorm dichter bij elkaar, waardoor minder ruimte te vullen door het aluminium. De keramische plaat wordt toegevoegd Protocol D te voorkomen dat de fijne NaCl te mengen met de infiltratie NaCl gedurende vibratie werd geen significant effect gevonden in de eindproducten bij het toevoegen van de keramische plaat te Protocol C.
De belangrijkste beperking voor de schuim verwerkingstechniek beschreven is de porositeit van de schuimen; de laagste tot nu toe bereikt met het tuig en protocollen die hier beschreven zijn ongeveer 61% en de hoogste dicht bij 77%. Het is echter een goedkoop en makkelijk te techniek te gebruiken in vergelijking metmeer ingewikkelde en dure methoden zoals investeringen gieten, sinteren of additive manufacturing. Een andere beperking is de metalen die kunnen worden gebruikt; elk metaal met een smeltpunt te dichtbij of boven het NaCl smeltpunt (801 ° C) niet worden geïnfiltreerd met deze voorvorm. Aluminium, magnesium en tin werden verwerkt met deze techniek.
Uitrusting en verscheidene succesvolle protocollen voor de productie van aluminium schuimen worden in detail. Met deze methode is het mogelijk om aluminium open cellen schuimen maken met porositeit van 61-77% (overeenkomend met dichtheid in het traject van 1,053 tot 621 kg / m3) en met poriegrootten in het gebied van 1-2,36 mm diameter. Bovendien is bekend dat bij variaties in de toegepaste, sommige relatief gering, deze bereiken aanzienlijk worden uitgebreid, en andere variabelen, zoals poriën vorm kan worden veranderd. De replicatie techniek is zeer geschikt voor onderzoek in het laboratorium voor mijTal schuim productie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
De overeenkomstige auteur wil graag Nationale Raad voor Wetenschap en Technologie CONACYT de Mexicaanse regering te erkennen voor het verstrekken van een beurs.
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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
Fysica Metal schuim NaCl porositeit aluminium infiltratie uitlogingErratum
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:
