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Abstract
Metallschäume sind interessante Materialien sowohl aus einem grundlegenden Verständnis und die praktische Anwendung der Sicht. Verwendungen vorgeschlagen worden, und in vielen Fällen experimentell validiert, für leichte oder aufprallenergieabsorbierende Struktur, wie hoher Oberfläche Wärmetauschern oder Elektroden, als Implantate für den Körper, und viele mehr. Obwohl große Fortschritte im Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen gemacht worden, die große Anzahl unterschiedlicher Verarbeitungstechniken, die jeweils erzeugende Material mit unterschiedlichen Eigenschaften und Struktur, bedeutet, dass das Verständnis der einzelnen Auswirkungen aller Aspekte der Struktur ist nicht vollständig. Der Replikationsprozess, wo geschmolzenes Metall zwischen den Körnern eines entfernbaren Vorform infiltriert, ermöglicht eine deutlich hohen Grad an Kontrolle und hat eine gute Wirkung verwendet worden, um einige dieser Beziehungen aufzuklären. Dennoch hat der Prozess viele Schritte, die Abhängigkeit von einzelnen "Know-how" sind, undDieses Papier zielt darauf ab, eine detaillierte Beschreibung aller Phasen der eine Ausführungsform dieser Verarbeitungsverfahren zu schaffen, mit Materialien und Geräten, die relativ einfach in einer Forschungsumgebung zu setzen wären. Das Ziel dieses Protokoll und seine Varianten ist es, Metallschäume in eine effektive und einfache Art und Weise zu produzieren, so dass die Möglichkeit, die Ergebnisse der Proben, indem Sie bestimmte Schritte innerhalb des Prozesses anpassen. Durch Anschluss an diese, können offenzellige Aluminiumschäume mit Porengrößen von 1 bis 2,36 mm Durchmesser und 61% bis 77% Porosität erzielt werden.
Introduction
Metallschäume haben eine große Menge an Interesse und die Forschungsanstrengungen in den letzten Jahren angezogen, wie durch die große Menge an Arbeit in weit reichende Überprüfung Artikel wie Banhart 1 zitiert gezeigt, Conde et al. 2 oder in jüngerer Zeit Goodall und Mortensen 3. Unter den für die Herstellung des Materials verwendeten Verfahren wird die Replikation durch die experimentelle Einfachheit und der Grad der Kontrolle über die endgültige Schaumstruktur, die angeboten werden können, unterschieden. Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl in der Literatur Solche Materialien werden häufig als Schäume beschrieben (und sind hier), da sie nicht durch Gasblasen erzeugt werden, innerhalb einer Flüssigkeit sie passender genannte poröse Metalle oder mikrozellularen Metalle werden.
Der erste Bericht über den Replikationsprozess war in den frühen 1960er Jahren 4, und es hat sich weiter in verschiedenen Stadien seitdem entwickelt worden, mit bemerkenswerten Fortschritte, die der Arbeitsgruppe von Mortensen an der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in der Schweiz.
Das Verfahren beruht auf dem Gießen des Metalls um eine Vorform von Teilchen, die die Form der Porosität im fertigen Materials definiert 2, 5. Nach dem Abkühlen des Vorformlings kann durch Lösungsmittel Auslaugen oder Pyrolyse entfernt werden kann, die Oxidation führt. Eine beliebte Anwendung dieser Technik nutzt NaCl als Abstandshalter auf Aluminium oder Aluminiumlegierung 5-10 11-14 Schäume herzustellen. NaCl hat mehrere Vorteile, wie leicht zugänglich, nicht toxisch und können aus dem Schaum, der durch Auflösen in Wasser entfernt werden. Durch einen Schmelzpunkt von 801 ° C, kann es mit Metallen, die einen Schmelzpunkt niedriger ist als dieser Wert, üblicherweise Aluminium angewendet werden, aber Beispiele existieren auch für die Verwendung mit Materialien wie metallischen Gläsern, durch Befeuchten einer Mischung aus Flüssigkeit Palladiumbasis Groß metallischem Glas Legierung und NaCl-Granulat 15. Substitution des NaCl mit höherem Schmelzpunkt Materialien erlaubt auch die produktion von Schäumen aus höheren Schmelzpunkt Metalle 16. Dies kann andere wasserlösliche Materialien oder unlösliche einschließlich verschiedener Arten von Sand umfassen. In dieser Form wird der Prozess mehr wie herkömmliche Sandguss, um die Sand, Hochdruckwasserstrahlen 17, 18 oder verschiedene Formen der Wasch 19 oder Rühren 20 erforderlich sind, zu entfernen.
Der grundlegende Prozess 21 schreitet indem Körner NaCl und sie in eine Form 4, 22, 23. Das Grundverfahren wurde verwendet, um Aluminium und Aluminiumlegierungen Schäume 24-26 für eine Vielzahl von Schaumverhalten Untersuchungen zu machen. Es wurden weitere Schritte eingeleitet, um die Dichte weiter zu kontrollieren und die Interkonnektivität der Poren zu erhöhen; diese umfassen die Verdichtung der Vorform. Den Vorformling zu verdichten, wurde das Sintern verwendet worden 27, 28 und ist seit dem 13. in verschiedenen Experimenten verwendet wurde, mit dem SinterverhaltenNaCl bezogen auf die Temperatur, Korngröße und Dichte von Goodall et al. 29 beschrieben. Eine weitere für diesen Zweck verwendete Verfahren ist isostatisches Kaltpressen (CIP), 5, 30; Dies ist ein schnelleres Verfahren, das ein größeres Spektrum von vergleichbaren Dichten erreichen können. Das Verfahren kann auch im festen Zustand mit Metallpulver und NaCl Körner durchgeführt werden, und wird dann manchmal das Sintern und Lösungsprozess 31.
Eine vollständige Übersicht über die Verwendung des Replikationstechnik bisher und Vergleich mit anderen Techniken ist Goodall und Mortensen 3 angegeben.
In dieser Arbeit im Detail Anlagen berichten wir und experimentelle Protokolle, die für die Verarbeitung von Metallschäumen von der Replikationsmethode verwendet wurden, und die sich relativ leicht in einem Forschungslabor Einstellung zu implementieren. Es ist wichtig zu erkennen, dass auch andere Versionen der Geräte, mit unterschiedlichen Fähigkeiten in anderen Forschungs g existierenruppen, und dass, während das hier vorgestellte Gerät ist geeignet, um das Material zu verarbeiten, ist es nicht die einzige Version oder Protokoll, das gemacht ist, um zu arbeiten. In jedem Fall ist ein gründliches Verständnis der ein bestimmtes Verfahren die für experimentelle Erfolg.
Die genauen verwendeten Protokolle sind unten aufgeführt. Die Protokollvarianten (A, B, C und D) haben kleine Veränderungen zwischen ihnen, vor allem dazu bestimmt, um die Dichte der hergestellten Schaumstoffe verändern. Die Porosität wurde aus Messungen der Schüttgewicht der Proben, deren Volumen und der Dichte von Aluminium berechnet wurde (2,7 g / cm 3). Bei der Entwicklung der für Aluminiumschaumerzeugung durch Replikation beschriebenen Verfahren, wurden Versuche unternommen, um die Menge von moderner Ausrüstung auf das kleinstmögliche Maß zu reduzieren, so dass das Verfahren so einfach wie möglich durchzuführen. Andere Varianten, die in unterschiedlichen Phasen verwendet werden können, werden später diskutiert.
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Protocol
HINWEIS: Die folgenden Anweisungen beziehen sich auf Protokoll A (Abbildung 1). Änderungen zum Protokoll B, C, und D sind ebenfalls aufgelistet.
1. Aluminium Bar Vorbereitung
- Stellen Sie ein großes Stück (500 g - 1 kg) von handelsüblicher Reinheit Aluminiumbarren in einen Schmelztiegel.
- Den Tiegel in einen Ofen bei 800 ° C für etwa 1 Stunde, bis es geschmolzen ist.
- Nehmen der Tiegel aus dem Ofen und Gießen des geschmolzenen Aluminiums in eine zylindrische Form, die 50 mm im Durchmesser, der etwas kleiner ist als der endgültige Durchmesser der Kammer, um die Infiltration (51 mm), was einen Spalt von ca. ½ mm verwendet wird.
- Warten Sie 1 Stunde für die Bar abkühlen.
- Entfernen Sie die Bar aus der Form.
- Unter Verwendung einer Bandsäge, schneiden Sie es in 4 gleich große Stücke.
- Sand die Kanten von jedem Stück, um eine gute Passform in der Infiltrationsform zu gewährleisten.
2. Furnace Vorbereitung
- Programmieren Sie den Ofen zu erreichen, eine 740 & #176; C Plateau für mindestens 2 Std.
- Die Heizungsrate des Ofens auf 20 ° C / min.
3. Preform Vorbereitung
HINWEIS: In Abhängigkeit von der Höhe des Schaums angestrebt, variiert die Menge an NaCl für Infiltration zwischen 100 g und 300 g verwendet.
- Wähle die Infiltration NaCl zu bedienen, mit einem Durchmesser entsprechend dem Porengrößenbereich erforderlich ist (beispielsweise ein Bereich zwischen 1,4 mm und 1,7 mm). Das Material kann aus Chemikalien Lieferanten in hoher Reinheit erhalten werden, oder Supermarkt gekauft Speisesalz verwendet werden (wie Material Zusatzstoffe wie Jod und Antibackmittel haben, die aber nicht in der Praxis beeinflussen den Prozess zu einem erheblichen Teil).
- Wählen Siebe eines geeigneten Größenbereich und Stack auf einem Grundbehälter mit dem kleineren Öffnungsgröße an der Unterseite.
- Von den Lieferanten Tüte NaCl, nehmen rund 500 g und gießen Sie sie in den gestapelten Sieben.
- Man schüttelt die SiebeEntweder manuell oder mit Hilfe einer Siebmaschine, 1 min.
- Entsorgen Sie die NaCl in der größeren Maschenweite Sieb und den unteren Behälter links, links die NaCl in kleinere Blende Sieb zur Infiltration verwendet.
- Wiegen Sie die Menge der Infiltration NaCl erhalten.
- Wenn die Menge nicht ausreicht, wiederholen Sie die Schritte 3,4-3,7.
HINWEIS: Für Protokolle B, C oder D, erhalten 100 g feine NaCl (<500 um). Dies schafft einen zusätzlichen Raum in der Form für die Luft in den Vorformling während der Infiltration bei der Luft in den Vorformling hat die Kammer nicht entweichen ausreichend eingeschlossen.
4. Mold Vorbereitung
- Mit Schleifpapier und Laborpapierrolle, sauber die Form Zylinder (Abbildung 2), unter besonderer Berücksichtigung sowohl für die oberen und unteren Kanten, und frei von spürbaren Verunreinigungen von vorherigen Nutzung halten die Form.
- Sprühen Sie die Innenseite der Form Zylinder mit Bornitrid Aerosol-Spray, wodurch eine dünne Schicht Deckdie Innenseite der Form.
ANMERKUNG: Dies wird erreicht, wenn die ursprüngliche Farbe der Form wird durch eine weiße Schicht von der Spritz ersetzt; es ist nicht erforderlich, ihre spezifische Konzentration zu messen. - Lassen Sie die Formzylindertrocken für mindestens 5 min bei RT (Erwärmen auf etwa 100 ° C für bis zu 1 Stunde kann zur weiteren Trocknung angewandt werden, falls gewünscht).
- Mit feinem Sandpapier, entfernen Sie alle Rückstände aus Bornitrid von den Rändern der Form Zylinder, um die Dichtung zwischen dem Formzylinder und der Formbasis zu verbessern.
HINWEIS: Die nächsten 3 Schritte sind für die Protokolle A und B; Protokolle für C und D schneiden nur ein Dichtungsring für den Deckel. - Schneiden Sie 2 Dichtringe aus 1 mm dicken Graphitfolie (OD = 60 mm, ID = 51 mm), eine für die Verbindung zwischen dem oberen Rand der Form Zylinder und dem Formdeckel im Vorfeld der Ventilsystem, das andere für die Gewerkschaft zwischen dem unteren Rand der Formzylinder und der Formbasis.
- Legen Sie eine der Dichtungen in der Formbasis Nut.
- Stellen Sie das bottom der Formzylinder in die Nut mit der Dichtung.
- Tippen leicht mit einem Hammer auf die Oberseite des Formzylinders, um den Boden an der Basisrille zu sichern.
HINWEIS: Das Protokoll B, C oder D, fügen Sie den folgenden Schritt.- Gießen Sie die 100 g feine NaCl (<500 um) in die Form Zylinder und glätten die Oberseite mit einer ungeschnittenen Aluminiumleiste Antippen der Spitze davon leicht mit dem Holzhammer, um sicherzustellen, das feine NaCl wird zu einer hohen Dichte gepackt.
HINWEIS: Protokoll D den folgenden Schritt hinzuzufügen. - Schneiden Sie zwei Kreise aus weichem 2 mm dicke Keramik Kaowool Decke die Größe der Form Durchmesser (51 mm) und legen Sie sie auf der Oberseite des feinen NaCl, verwenden Sie die ungeschnittene Aluminiumleiste und der Holzhammer, um sie gegen den feinen NaCl drücken.
- Gießen Sie die 100 g feine NaCl (<500 um) in die Form Zylinder und glätten die Oberseite mit einer ungeschnittenen Aluminiumleiste Antippen der Spitze davon leicht mit dem Holzhammer, um sicherzustellen, das feine NaCl wird zu einer hohen Dichte gepackt.
- Gießen Sie die NaCl in den Formzylinder infiltriert werden.
HINWEIS: Protokoll D den folgenden Schritt hinzuzufügen.- Befestigen Sie die Form und die Basis auf einen Vibrationstisch, machen, dass die Formzylinder nicht von der Basisrille zu bewegen. Vibrieren1 min bei 50 Hz mit einer 0,01 m-Amplitude.
- Halten Sie das obere Ende des Zylinders an Ort und Stelle, nehmen Sie den Boden und leicht schütteln, bis die NaCl in der Form bildet eine ebene Fläche an der Spitze.
- Legen Sie die vorbereiteten Aluminiumleiste oben auf der NaCl Vorform.
- Legen Sie eine Graphitdichtung in die Nut der Formdeckel.
- Von Hand schrauben Sie die 4 Stahlbolzen rost an der Basis und sichern Sie diese mit 4 Sätzen aus Edelstahl Muttern und Unterlegscheiben auf der Oberseite der Basis mit einem Schraubenschlüssel und legen Sie die Formdeckel auf der Oberseite des Formzylinders durch die Stollen.
- Mit einem Drehmomentschlüssel auf 16 Nm eingestellt ist, schrauben Sie die vier Sätze von Stahlschrauben und Unterlegscheiben an den 4 Gewindestangen in die Basis eingeschraubt ist und sich nach oben durch den Deckel, wenn die Muttern fest angezogen sind, um die Form Deckel zu verriegeln.
- Befestigen Sie die Oberseite des Deckels mit dem Ventilsystem mit der Dichtung, Klemme, Schraube und Flügelmutter.
- Schließen Sie alle Ventile des Systems.
- Öffnen Sie das Ventil, die zu T-er Vakuumpumpe und die Form (Ventil 3).
- Schalten Sie die Vakuumpumpe, bis die Messuhr des Ventilsystems gibt den niedrigsten Druck möglich.
- Schalten Sie die Vakuumpumpe.
- Wenn der Verlust des Vakuums in dem System niedriger als ein Satz von 50 Torr / sec für den ersten 10 s nach dem Abschalten der Vakuumpumpe die Dichtung ausreichend gut für die Infiltration.
- Lassen Sie den Deckel offen Ventil (Ventil 3), um das System bei Umgebungsdruck der Vakuumpumpe (Ventil 1) zu halten und zu schließen.
- Ohne Lösen der Ventilsystem, legen Sie die Form in den vorgeheizten Ofen und warten Sie 1 Stunde.
5. Infiltration
- Schließen aller Ventile des Systems (3).
- Öffnen Sie das Ventil, die zum Argon-Gasflasche (Ventil 2).
- Öffnen Sie das Hauptventil an der Argongastank und setzen Sie die Infiltrationsdruck mit dem Regelventil (für einen Bereich von 1,4 mm bis 1,7 mm NaCl Partikelgröße, mit einem Druck von 3,5 bar).
HINWEIS: Für Protokoll B wird ein Infiltrationsdruck von 3 bar verwendet. Verwenden Sie einen Druck von 1 bar für Protokolle C und D. - In Ein geschickter Weise den Deckel öffnen (Ventil 3).
- Nach 1 min, entfernen Sie die Form aus dem Ofen und platzieren Sie es auf einer Kühlfläche (in diesem Fall ein Kupferblock).
HINWEIS: Während des Abkühlens wird der Druck im System zu ändern. Für den ersten 5 Minuten des Prozesses, achten Sie genau auf den Druck von der Regulierungsbehörde angezeigt und bei Bedarf wieder auf die Infiltration Druck einzustellen.
6. Probenextraktion
- Nach 30 Minuten, wenn die Form kühl genug, um mit Licht hitzebeständige Handschuhe behandeln, nehmen Sie den Ventil-System und legen Sie die Formbasis auf einer Werkbank Schraubstock. Deckel aufdrehen aus dem oberen Ende des Zylinders.
- Mit dem Deckel aus, leicht auf die Oberseite der Form Zylinder mit einem Hammer in senkrechter Richtung zu den Schraubstock Griff, um den Formzylinder von der Basis Nut zu lösen.
- Mit dem Holzhammer tippen Sie auf den verbleibenden Aluminium oben auf der Probe, um sie aus der Form Zylinder schieben.
- Verwendung einer Bandsäge, schneiden den unteren Teil der Schaumstoffprobe, das Entfernen der überschüssigen Aluminium.
- Je nach der Höhe des Schaums erforderlich ist, reduziert werden, wo es erwünscht ist, in der Nähe der Oberseite der Probe.
- Legen Sie die infiltriert Schaum in einen Becher mit Wasser und einem Magnetrührstab auf einer Heizplatte unter Rühren, um das NaCl Vorform aufzulösen.
- Stellen Sie die Temperatur der heißen Platte auf 60 ° C. Das Wasser alle 10 min, bis kein NaCl links im Schaum.
HINWEIS: Um sicherzustellen, dass kein NaCl links im Schaum, das Wasser wechseln etwa 10-fach. Es ist auch möglich, regelmäßige Überprüfungen des Probengewichts nach einer kurzen Trocknungsphase zu machen. Wenn diese nicht mehr signifikant mit weiterer Eint ändern, muss das NaCl vollständig entfernt werden. - Schließlich mit Hilfe eines elektrischenLufttrockner entfernen das gesamte Wasser im Schaum verbleibt. Die Schaumprobe bereit.
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Representative Results
In Abbildung 4 ist die Morphologie der NaCl Körner zu sehen (Winkel- und kugelförmig), ausschließlich der Veranschaulichung. Die mit dem Protokoll A erhaltenen Schaumstoffe wurden mit eckigen Körnern und der Rest wurde mit den sphärischen Körnern. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung der unterschiedlichen Form NaCl Körner zeigte keine Auswirkungen auf die in den Proben erhalten Porosität.
Aus den Ergebnissen können wir feststellen, dass die Proben a, b und c (mit Protokoll A hergestellt), sind im Durchschnitt 63% porösen (Abbildung 5), von ihren Groß Gewicht und Volumen bestimmt. Durch Änderungen der Technik, beispielsweise auch die Tasche feinen NaCl an der Unterseite, kann das Verfahren zur Herstellung von Schäumen 5% poröser herzustellen und ermöglicht es dem Infiltrationsdruck gesenkt werden (von 3,5 bis 3 bar), das sind die Proben D, e und f mit Protokoll B hergestellt (Abbildung 6). Der einzige Unterschied zwischen Protokollen A und B ist die Zugabe des feinen NaCl am unterender Vorform.
Durch Entfernen der Bodendichtung der Infiltrationsform, wie in Protokoll C (Figur 7) durchgeführt wird, kann die erforderliche Infiltrationsdruck weiter reduziert werden (3-1 bar). Mit dieser Methode Proben g, h und i produziert wurden, auch eine um 5% höhere Porosität zeigen. In Protokoll C der Grund für die Verwendung von 3 verschiedenen Größen der NaCl-Teilchen, um eine Wirkung auf die Porosität zu untersuchen und zeigen, dass auch bei dieser Veränderung bleibt die in den Schäumen erhaltenen Porosität sehr ähnlich sind und die Änderung der Teilchengröße eine geringe bis gar keine Wirkung auf Schaumporosität bei Einwirkung des verwendeten Protokolls verglichen. Die mit dem Protokoll C hergestellten Schäume sind drei getrennte Proben, die jeweils mit einem anderen Partikelgröße hergestellt. Der endgültige Satz von Proben, j, k und l wurden unter Verwendung von Protokoll D (Figur 8), durch das Vibrieren der NaCl infiltriert werden soll, die Erhöhung der Dichte des Vorformlings, so dass ein großer Sprung von 8% in der Porosität der Schäume. Gelegentliche Beobachtungen einer nicht erfolgreichen Infiltration sind, dass ein bestimmter Bereich oder die Bereiche des Vorformlings nicht korrekt infiltriert; über Infiltration könnte ebenso auftreten wie Kapselung mehrerer NaCl Teilchen durch das Metall, die insbesondere durch einen hohen Infiltrationsdrucks, verhindert das Wasser auf die NaCl auszulaugen; dies ist sehr offensichtlich, wenn es einen großen Abfall in der scheinbaren Porosität (über 5%) in einer Probe, die unter Verwendung eines bestimmten Protokolls, wenn dies ein sehr seltenes Ereignis. 9 zeigt eine nicht-infiltrierten Probe auf der linken Seite, ein korrekt infiltriert Probe in der Mitte und ein über infiltrierten Probe auf der rechten Seite. In Figur 10 ist die Veränderung der Porosität durch Modifizieren des Infiltrationsdrucks zu sehen. Wenn eine höhere Infiltrationsdruck angelegt wird, wird mehr Aluminium zwischen NaCI Kugeln gezwungen (der höhere Druck kann die Oberflächenspannung bis zu einem größeren Grad zu überwinden, wodurch schmalere Lückenmit Metall gefüllt werden), so dass die verbleibenden freien Speicherplatz ab, die Verringerung der Porosität. Um den Ausgang einer korrekt infiltriert Probe durch dieses Verfahren zu steuern ist schwieriger im Vergleich zur Verwendung eines anderen Protokolls, da bei höheren Drücken die Gefahr von blockierten Poren im Schaum stark zunimmt.
Um zu beurteilen, das Ergebnis eines Produktions führen Sie den ersten Indikator für richtig infiltriert Schäume ist ihre Dichte, ein anderer würde die Außenseite der Probe zu beobachten; ein vollständig infiltrierter Schaum einheitlich in seiner Struktur, wenn es Fehler gibt, sind sie recht bemerkbar (überwiegend Poren blockiert oder nicht infiltrierten Zone); sie kann in 11 gesehen werden. Die endgültigen Ergebnisse dieses Verfahrens sind in Tabelle 1 angegeben.
Abbildung 1. Foam Replication General Protokoll Treppe.
Abbildung 2. Design Schaltpläne der Schaum Infiltration Mold und montierte Bild (metrische Skala). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 3: Schematische Darstellung der Labor Foam Infiltration Rig.
Abbildung 4. Morphologie der NaCl-Körner (links: Winkel 2-2,36 mm; rechts: Sphärische 1,4-1,7 mm).
Abbildung 5. Protokoll A Proben a, b und c werden von offenporigen 99,95% Aluminium-Schaum mit einer Porengröße im Bereich von 1,4 mm bis 1,7 mm, eine durchschnittliche Porosität von 63% hergestellt, Messung 51 mm im Durchmesser und 25,4 mm in der Höhe ( Metric Scale). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 6. Protokoll B Proben D, E und F sind von offenporigen 99,95% Aluminium-Schaum mit einer Porengröße im Bereich von 1,4 mm bis 1,7 mm, einer durchschnittlichen Porosität von 66% hergestellt, Messung 51 mm im Durchmesser und 25,4 mm in der Höhe ( Metric Scale). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Figur 7. Protokoll C Proben g, h und i werden von offenporigen 99,95% Aluminiumschaum mit einem Porengrößenbereich von 1 mm bis 1,18 mm, 1,4 mm bis 1,7 mm und 2 mm bis 2,36 mm liegen, kann eine durchschnittliche Porosität von 70 %, Mess 51 mm Durchmesser und 25,4 mm in der Höhe (metrische Skala). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 8. Protokoll D Proben J, K ein dl sind offenporiger 99,95% Aluminiumschaum mit einem Porengrößenbereich von 1,4 mm bis 1,7 mm, einer durchschnittlichen Porosität von 76% hergestellt, Mess 51 mm Durchmesser und 25,4 mm in der Höhe (metrische Skala). Bitte klicken Sie hier, um einen Blick Größere Version der Abbildung.
Abbildung 9: Einfluss der Infiltration Druck auf die Schäume (Links: Nicht-Infiltration; Mitte: Richtig Infiltration; Rechts: Über Infiltration). (Metrische Skala) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
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Abbildung 10. replizierten Schaumporosität Variation durch Infiltration Druckänderung nur mit Protocol A.
Abbildung 11. Auffällig Fehler in Schäume Produziert von dieser Methode (links: Quer Bild; rechts: Seitenbild) (metrische Skala). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
| Protokoll | Beispiel | Partikelgröße (mm) | Porosität (%) |
| A | ein | 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 | ich | 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 |
Tabelle 1. Replizierte Schaumprobe Eigenschaften, Porositäten erhalten und Preform-Größe verwendet.
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Discussion
Die hier beschriebene grundlegende Verfahren wurde in verschiedenen Formen von anderen Forschern benutzt worden. Einige der Hauptvarianten, die Schäume verschiedener Typen geschaffen werden kann diskutiert. Bei der Beschreibung diese Schäume haben wir die Porosität gemessen wird, da dies eine schnelle und einfache Beurteilung zu machen, aber Charakterisierung anderer struktureller Eigenschaften, wie Porengröße, spezifische Oberfläche oder Strebendicke erforderlich sein, um ein umfassendes Verständnis der Schaumeigenschaften zu erhalten für verschiedene Anwendungen. In der Praxis wird für die Herstellung von Schäumen durch Replikation, ist die Porengröße von der Korngröße des verwendeten NaCl gut kontrolliert, und die Verbindungen zwischen diesen, durchgeführt werden kann die Dichte und die anderen strukturellen Eigenschaften.
Verdichteten Vorformen
In der vorliegenden Beitrag haben wir eine NaCl-Vorform, die durch Kippen NaCl Körner in eine Kammer genommen wird. Während, wie erwähnt, ein gewisses Maß an Kontrolle über die density kann durch Vibrieren der Probe erreicht werden, die zugänglich bleibt Bereich eher beschränkt, aufgrund der begrenzten Anzahl von Packungsanteile des NaCl, das erreicht werden kann. Um Schäume höherer Porosität, die Dichte des Vorformlings durch Kompaktieren mechanisch (beispielsweise in kaltes isostatisches Pressen zu isotrope Struktur zu erhalten) oder durch Sintern, wo die Verdichtung wird durch Verringerung der Oberfläche angetrieben erhöht werden. Beide dieser Verfahren würde erwartet effektiver für kleinere NaCl Teilchengröße (Submillimeter), da kleinere Körner weniger anfällig für Risse und haben eine größere Oberfläche im Verhältnis zum Volumen ist. Da die Porengröße in den hier beschriebenen Experimenten verwendet wird, ist größer, und entweder Prozess würde zusätzliche Ausrüstung, mit dem Fokus auf eine einfache und leicht einzurichtende Verfahren, haben sie nicht genutzt.
Förmigen Vorformlinge
In Goodall und Mortensen 14 eine Methode eingeführtKontrolle der Porengröße und weiter zu formen, als dies mit einzelnen NaCl Körner. Bei diesem Verfahren wird fein NaCl Pulver wird mit einem Bindemittel gemischt (der Einfachheit halber, Mehl und Wasser verwendet werden), dann in die gewünschte Form gebracht, bevor eine Wärmebehandlung zur thermischen Entfernen des Bindemittels geformt. Obwohl experimentell nicht komplex, hat sich dieses Verfahren nicht in unseren Versuchen verwendet worden, wie es nicht wesentlich ist, um einen Schaum zu erzeugen und benötigt etwas genauere Drucksteuerung, um den Feinskala Porosität in der Vorform selbst nicht infiltriert gewährleisten.
Alternative Vorformlinge NaCl
Obwohl NaCl zeigt viele wünschenswerte Eigenschaften als ein Vorformmaterial (einschließlich relativ hoher Schmelztemperatur, hohe Löslichkeit in Wasser und eine geringe Toxizität und die Kosten), ist es nicht immer geeignet. Ein besonderer Fall ist, wenn höher schmelzenden Metallen sind, zu verarbeiten ist, und in dieser Situation kann es mit anderen Materialien, wie Natrium alumin Fassungaß 16. Diese Materialien verbessern die Temperaturbeständigkeit, sind jedoch im Allgemeinen teuer und schwierig zu lösen, und sind nicht erforderlich, um Schäume von relativ niedrig schmelzenden Metallen, wie Aluminium, die häufigste Metall, aus dem Schäumen werden verarbeiten.
Kalte Wand / Teil kalten Wand Druckkammern
Um Metall zu feineren Partikelgröße Vorformlinge zu infiltrieren, um kleinere Porengröße Schäumen, werden höhere Drücke erforderlich sein. Die in dieser Arbeit beschriebenen Prüfstand ist für den Einsatz bis zu 6 atm Druck, aber der Druck von der Dichtungen erhöht die Wahrscheinlichkeit von Leckagen steigt. Dies kann durch alternative Ausführungen von Druckkammer, in der die versiegelten Bereiche sind aus der beheizten Zone, in der Regel mit Kühlwasser geschützt getrennt gelöst werden. Während die Fähigkeit solcher Geräte über erhöhte, das hier beschrieben ist, ist die Konstruktion und Herstellung wesentlich aufwendiger, und so war nicht implemin dieser Version tierten.
Merkmale dieser Ausführungsform des Verfahrens
Während das Gießen des schmelzflüssigen Aluminiums in der Bar Form wird eine Rohr Defekt an der Spitze zu bilden, aufgrund der Erstarrungsschrumpfung. Die besten Ergebnisse werden mit voll feste Barren erhalten, so dass dieser Teil muss entsorgt oder recycelt werden.
Es wurde festgestellt, dass damit der Prozess funktioniert, die Dichtung zwischen dem geschmolzenen Metall und der Formwand muss gut sein (sonst Argon wird das Metall zu umgehen und keine Infiltration auftreten). Aus diesem Grund wird bei der Anwendung der Infiltrationsdruck von 3 bar oder höher ist, werden die besten Ergebnisse mit einer großen Menge an Aluminium, die ausreicht, um die Form zu füllen, erhalten, auch wenn das Ziel ist der Erhalt kurzer Schäume, wie dies erhöht den Druck des flüssigen Metalls um die Form an der Spitze der Vorform und verbessert die Abdichtung. Ein kleiner Zwischenraum von einem halben Zentimeter wurde gefunden, daß die ideale Höhe zwischen der Aluminium pIECE und der Formdeckel für den aktuellen Geräten. Zur Infiltration Drücke von 2,5 bar oder weniger von der Größe des Spaltes, ist irrelevant, ist die einzige Aluminiummenge benötigt die ausreichend, um die Vorform vollständig füllen.
Beim Anziehen der Muttern auf die Bolzen mit einem Stern-Muster (Anzugs gegenüberliegenden Paaren stufenweise), um sicherzustellen, dass der Druck auf der Dichtung selbst und eine Dichtung erhalten wird. Um eine Beschädigung der Ventile beim Schließen zu vermeiden, wird diese immer manuell durchgeführt.
Gelegentlich kann es Mängel oder Regionen schlechte Infiltration sein. Diese können vor allem an der Unterseite, wo das geschmolzene Metall am weitesten Spielraum oder an der Spitze, in der Nähe der Grenzfläche mit der dichten Metall zu bilden. Deshalb ist die beständigste Teil der Probe ist in der Mitte der Region durch die NaCl Vorform besetzt. Die oberen und unteren Teile des Schaum weggeschnitten und verworfen werden. Immer, wenn es erforderlich ist, um den Schaum geschnitten, um eine Probe zu erzeugen, ist es am besten, so zu tun with die NaCl noch vorhanden ist in ihm. Wenn die Schnitte nach dem Auslaugen gebildet, wo der Schnitt durchgeführt wird, wird es beschädigt ist und dessen Struktur des Schaums. Wo Schneiden der Probe nach dem Auslaugen erforderlich ist, ist eine erfolgreiche Methode, um eine nicht-Ladetechnik, wie Metallbearbeitung (EDM, auch als Funkenerosion) zu verwenden.
Es gibt viele Variablen, die in dem Prozess, der für unterschiedliche Wirkung verändert werden kann, um jedoch die Porosität ändern sich die am besten geeignete Steuervariablen entweder die Vorform Dichte oder der Infiltrationsdruck.
Der Zweck der Verwendung von verschiedenen Protokollen (A, B, C und D) ist, um Schäume mit unterschiedlichen Porositäten von 61% bis 77% zu erzeugen. Anwendung des Protokolls A wird Proben mit 63% Porosität im Durchschnitt produzieren; Protokoll B produziert Proben mit 66% Porosität; Protokoll C produziert Proben mit 70% Porosität und Protokoll D produziert Proben mit 76% Porosität. Durch die Zugabe des feinen NaCl am Boden der Form in ProtocolsB, C und D schafft ein Refugium für Luft in den Vorformling während der Infiltration gefangen, wenn die Evakuierung der Kammer ist nicht perfekt. Das NaCl wird viel feiner wird die Infiltration durch das Aluminium zu widerstehen, bis höhere Drücke erreicht werden, so dass die Vorform vollständig infiltriert. Ohne diese keine Luft vorhanden, werden komprimiert, nicht beseitigt und unerwünschte zusätzliche Porosität wird anwesend, wahrscheinlich als nicht infiltrierten Regionen. Protokolle C und D wurden entwickelt, um die Infiltration mit viel niedrigeren Drücken erreicht werden. Für die in Figur 6 eine andere Teilchengröße Vorform verwendet wurde dargestellt Proben kann angemerkt, dass diese Änderung keinen signifikanten Effekt im Vergleich zu dem verwendeten Protokoll werden.
Durch den Verzicht auf die untere Dichtung in Protocols C und D einen kleinen Fluss von Gas durch den Boden der Form möglich ist, so dass eingefangene Gas aus dem Vorformling ohne auf höhere Drücke komprimiert werden evakuiert werden. WennDieses wurde ohne die feinen NaCl dann Aluminium gemacht kann auch gezwungen werden, sondern als diese Schicht wider durch das flüssige Aluminium in dem Druck Penetration angewandt wird Aluminium Flucht zu verhindern.
In Protokoll D, durch Vibrieren der Vorform kann eine höhere Porosität Schaum erreicht werden; etwa 9-10% poröser im Vergleich zu Protokoll C Dies geschieht, da die NaCl-Körner in der Vorform näher zusammen, so dass weniger Platz auf der Aluminium gefüllt werden. Die Keramikschicht wird in Protokoll D hinzugefügt, um die feinen NaCl mit der Infiltration NaCl während der Vibration zu mischen zu vermeiden, wurde keine signifikante Wirkung in den Endprodukten gefunden beim Hinzufügen des Keramikplatte zu Protokoll C
Die Hauptbeschränkung für die beschriebenen Schaumverarbeitungstechnik ist die Porosität der Schäume; die niedrigste bisher mit der Anlage und die hier beschriebenen Protokolle erzielt rund 61% und die höchste in der Nähe von 77%. Es ist jedoch eine billige und einfach zu Technik verwenden im Vergleich zukomplizierter und teurer Methoden wie Feinguss, Sintern oder additive Fertigung. Eine weitere Einschränkung ist, die Metalle, die verwendet werden können; jedes Metall mit einem Schmelzpunkt zu nahe oder oberhalb der NaCl Schmelzpunkt (801 ° C) kann mit dieser Vorform infiltriert werden. Aluminium, Magnesium und Zinn sind mit dieser Technik verarbeitet wurden.
Geräte und mehrere erfolgreiche Protokolle für die Herstellung von Aluminiumschäumen sind im Detail dargestellt. Mit dieser Methode ist es möglich, Aluminium offenzellige Schäume mit Porositäten von 61-77% (entsprechend Dichte im Bereich von 1,053 bis 621 kg / m 3) und mit einer Porengröße im Bereich von mm Durchmesser 1-2,36 erstellen. Weiterhin ist es bekannt, dass bei Schwankungen der Bedingungen verwendet werden, von denen einige relativ klein ist, kann diese Bereiche signifikant verlängert werden, und anderen Variablen, wie beispielsweise Porenform geändert werden kann. Die Replikationstechnik eignet sich hervorragend für Forschungslaborgeräte für michtal Schaumproduktion.
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Acknowledgments
Die entsprechende Autor möchte Nationalrat für Wissenschaft und Technologie CONACYT der mexikanischen Regierung für die Bereitstellung eines Stipendiums zu bestätigen.
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
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Physik Ausgabe 94 Metallschaum NaCl Porosität Aluminium Infiltration AuswaschungErratum
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:
