ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Metall skum är intressanta material från både en grundläggande förståelse och praktisk tillämpningar synvinkel. Användningar har föreslagits, och i många fall valideras experimentellt, för lätt vikt eller stötenergiabsorberande strukturer, som med stor ytarea värmeväxlare eller elektroder, som implantat till kroppen, och många fler. Även stora framsteg har gjorts för att förstå deras struktur-egenskaper relationer, det stora antalet olika bearbetningstekniker, varje producerande material med olika egenskaper och struktur, gör att förståelsen för de individuella effekterna av alla aspekter av strukturen är inte fullständig. Replikeringsprocessen, där smält metall infiltreras mellan korn av en borttagbar förform material, medger en markant hög grad av kontroll och har använts med god effekt för att belysa några av dessa förhållanden. Ändå har processen många steg som är beroende av enskilda "know-how", ochdetta papper syftar till att ge en detaljerad beskrivning av alla stadier av ett utförande av denna bearbetningsmetod, med hjälp av material och utrustning som skulle vara relativt lätt att ställa upp i en forskningsmiljö. Målet med detta protokoll och dess varianter är att producera metallskum på ett effektivt och enkelt sätt, vilket ger möjlighet att skräddarsy resultatet av proverna genom att ändra vissa steg i processen. Genom att följa denna, kan öppna celler aluminium skum med porstorlek av 1-2,36 mm diameter och 61% till 77% porositet erhållas.
Introduction
Metall skum har lockat ett stort intresse och forskningsinsatser under senare år vilket framgår av den omfattande arbete citeras i omfattande översiktsartiklar såsom Banhart 1, Conde et al., 2 eller senare Goodall och Mortensen 3. Bland de metoder som används för framställning av materialet, är replikeringsprocessen kännetecknas av dess experimentella enkelhet och graden av kontroll över den slutliga skumstrukturen som kan erbjudas. Det bör noteras att även i litteraturen sådana material beskrivs ofta som skum (och är här) eftersom de inte produceras av bubblor av gas inom en vätska de mer lämpligt kallas porösa metaller eller mikrocellulära metaller.
Den första rapporten om replikeringsprocessen var i början av 1960-talet 4, och det har utvecklats ytterligare i olika skeden sedan dess, med noter förskott av forskargruppen för Mortensen vid Ecole Polytechnique Federale de Lausanne i Schweiz.
Processen förlitar sig på gjutning av metallen runt en förform av partiklar som definierar formen av porositet i det slutliga materialet 2, 5. Efter kylning av förformen kan avlägsnas genom lösningsmedels urlakning eller pyrolys som orsakar oxidation. En populär användning av denna teknik använder NaCl som ett utrymme innehavaren att producera aluminium 5-10 eller aluminiumlegering skum 11-14. NaCl har flera fördelar såsom att vara lättillgänglig, giftfri och kan tas bort från skummet genom upplösning i vatten. Genom att ha en smältpunkt av 801 ° C, kan den användas med metaller som har en smältpunkt som är lägre än detta värde, vanligast aluminium, men exempel finns också av användning tillsammans med material, såsom bulk metalliskt glas, genom fuktning av en blandning av flytande palladium-baserade bulk metalliskt glas legering och NaCl granulat 15. Substitution av NaCl med högre smältpunkt material tillåter även produktion av skum från högre smältpunkt metaller 16. Detta kan inkludera andra vattenlösliga material eller olösliga inklusive olika typer av sand. I denna form processen blir mer som konventionella sandgjutning som att ta bort sand, högtrycksvattenstrålar 17, 18 eller olika former av tvätt 19 eller omskakning 20 krävs.
Den väsentliga processen 21 vinning genom att ta korn av NaCl och placera dem i en form 4, 22, 23. Den grundläggande metoden har använts för att göra aluminium och aluminiumlegering skum 24-26 för ett brett spektrum av undersökningar skum beteende. Ytterligare steg har införts för att ytterligare kontrollera tätheten och öka sammankoppling av porerna; dessa inkluderar förtätning av förformen. För att förtäta förformen har sintring använts 27, 28 och har använts i olika experiment sedan 13, med sintringsbeteendeNaCl baserat på temperatur, kornstorlek och densitet beskrivs av Goodall et al. 29. En annan metod som används för detta ändamål är kall isostatisk pressning (CIP) 5, 30; detta är en snabbare teknik som kan uppnå en större spektrum av jämförbara densiteter. Förfarandet kan även utföras i det fasta tillståndet med metallpulver och NaCl korn, och kallas då ibland Sintring och upplösningsprocessen 31.
En fullständig undersökning av användningen av replikationstekniken hittills och jämförelse med andra teknikerna ges i Goodall och Mortensen 3.
I detta arbete rapporterar vi i detalj utrustning och experimentella protokoll som har använts för bearbetning av metallskum genom replikeringsmetoden, och som är relativt lätt att införa i ett forskningslaboratorium inställning. Det är viktigt att erkänna att andra versioner av utrustningen, med före olika kapacitet i andra forsknings groups, och att medan utrustningen som presenteras här är lämplig att bearbeta materialet, är det inte den enda versionen eller protokoll som kan fås att fungera. I varje fall är en förutsättning för experimentell framgång en grundlig förståelse av någon speciell metod.
De exakta protokoll som används beskrivs nedan. De protokollvariationer (A, B, C och D) har små förändringar mellan dem, som främst är avsett att ändra densiteten hos skummen framställda. Porositeten har beräknats från mätningar av bulkvikt av proven, deras volym och täthet av aluminium (2,7 g / cm 3). Vid utvecklingen av de metoder som beskrivs för aluminium skum produktion genom replikering, har försök gjorts för att minska mängden av avancerad utrustning för att i minsta möjliga utsträckning, så att metoden är så enkelt som möjligt att genomföra. Andra varianter som kan användas i olika skeden diskuteras senare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OBS: Instruktionerna nedan gäller protokoll A (Figur 1). Modifikationer för protokoll B, C och D är listade också.
1. Aluminium Bar Förberedelse
- Placera en stor bit (500 g - 1 kg) av kommersiell renhet aluminium göt i en degel.
- Placera degeln i en ugn vid 800 ° C under ca 1 h till dess smält.
- Ta degeln ut ur ugnen och häll det smälta aluminiumet i en cylindrisk form som är 50 mm i diameter, något mindre än den slutliga diametern av kammaren som skall användas för infiltrering (51 mm), vilket gav en spalt av ca ½ mm.
- Vänta 1 timme för bar svalna.
- Avlägsna stången från formen.
- Med hjälp av en bandsåg, skär den i fyra lika stora bitar.
- Sand kanterna på varje del för att säkerställa en bra passform i infiltrationen mögel.
2. Furnace Framställning
- Programmering av ugnen att nå en 740 & #176; C platå under minst 2 h.
- Ställ in uppvärmningshastighet av ugnen till 20 ° C / min.
3. Förform Framställning
OBS: Beroende på höjden av skummet eftersträvas, variera mängden NaCl att använda för infiltration mellan 100 g och 300 g.
- Välj infiltrationen NaCI att använda, med en diameter som motsvarar porstorleken intervallet som krävs (till exempel ett område mellan 1,4 mm och 1,7 mm). Materialet kan erhållas från kemiska leverantörer i hög renhet, eller stormarknad köpte bordssalt kan användas (sådant material kommer att ha tillsatser såsom jod och klumpförebyggande medel, men dessa inte i praktiken påverkar processen i betydande omfattning).
- Välj såll av lämplig storlek och stack på en bas behållare med den mindre öppningsstorlek i botten.
- Från leverantörernas påse med NaCl, ta ca 500 g och häll det i de staplade siktar.
- Skaka sållen, Antingen manuellt eller med hjälp av en siktskakanordning, under 1 min.
- Kassera NaCl kvar i större bländarstorleken sikt och den undre behållaren, NaCl kvar i mindre bländare sikten används till infiltration.
- Väg mängden infiltration NaCl erhållits.
- Om beloppet är otillräckligt, upprepa steg 3,4-3,7.
NOTERA: För protokollen B, C eller D, erhålla 100 g fint NaCl (<500 ^ m). Detta skapar ett extra utrymme i formen för luft instängd i förformen under infiltreringen ifall luften i förformen inte undgår kammaren adekvat.
4. Mögel Framställning
- Använda sandpapper och laboratorie pappersrulle, rent formcylindern (Figur 2), med särskild hänsyn till både de övre och undre kanter, och hålla formen utan några märkbara föroreningar från tidigare användning.
- Spraya insidan av formcylindern med bornitrid aerosolspray, skapar ett tunt lager beläggninginsidan av formen.
NOTERA: Detta uppnås när den ursprungliga färgen av formen ersätts av ett vitt skikt av sprut; det är inte nödvändigt att mäta dess specifika koncentrationen. - Låt formen cylinder torka i minst 5 min vid RT (upphettning till ca 100 ° C i upp till 1 timme kan sökas ytterligare torkning om så önskas).
- Använda fint sandpapper, avlägsna alla rester av bornitrid från kanterna av formcylindern, för att förbättra tätningen mellan formcylindern och formbasen.
OBS: De nästa 3 steg är för protokollen A och B; för Protokoll C och D skär endast en tätningsring för locket. - Klipp 2 packningsringar från 1 mm tjockt grafitblad (OD = 60 mm, ID = 51 mm), en för unionen mellan den övre kanten av formcylindern och formlocket som leder upp till ventilsystemet, den andra för facket mellan den nedre kanten av formcylindern och formbasen.
- Placera en av packningarna i formbasen spåret.
- Placera BottOm av formcylindern in i spåret med packningen.
- Knacka lätt med en klubba på toppen av formcylindern för att fästa bottnen till basen spåret.
OBS: För protokoll B, C eller D, lägg till följande steg.- Häll 100 g fin NaCl (<500 | im) in i formcylindern och platta toppen med en oklippt aluminiumskena knacka toppen av den lätt med den klubba för att säkerställa den fina NaCl är packad till en hög densitet.
OBS: För protokoll D lägga till följande steg. - Klipp 2 cirklar av mjukt 2 mm tjock keramisk Kaowool filt storleken av form diameter (51 mm) och placera dem ovanpå den fina NaCl, använd den oklippta aluminiumstången och klubba för att trycka dem mot den fina NaCl.
- Häll 100 g fin NaCl (<500 | im) in i formcylindern och platta toppen med en oklippt aluminiumskena knacka toppen av den lätt med den klubba för att säkerställa den fina NaCl är packad till en hög densitet.
- Häll NaCl för att infiltreras in i formcylindern.
OBS: För protokoll D lägga till följande steg.- Fäst formen och botten på ett skakbord och se formcylindern inte rör sig från basen spåret. Vibreraunder 1 min vid 50 Hz med en 0,01 m amplitud.
- Håll i toppen av cylindern på plats, plocka upp basen och skaka lätt tills NaCl inuti formen bildar en plan yta på toppen.
- Placera den förberedda aluminiumstång ovanpå NaCl förformen.
- Placera en grafitpackning i spåret av lock mögel.
- För hand skruva fyra dubbar rostfritt stål till basen och fäst dem med fyra uppsättningar av muttrar och brickor av rostfritt stål på toppen av basen med hjälp av en skiftnyckel och placera formen locket ovanpå formens cylindern genom reglarna.
- Med en momentnyckel inställd på 16 Nm, skruva fyra uppsättningar av muttrar och brickor av stål på de fyra gängstänger skruvade in i basen och sträcker sig upp genom locket, där muttrarna dras åt för att låsa locket mögel på plats.
- Fäst toppen av locket till ventilsystemet med packningen, klämma, skruv och vingmutter.
- Stäng alla ventiler i systemet.
- Öppna ventilen som leder till than vakuumpump och formen (ventil 3).
- Slå på vakuumpumpen tills mätklockan av ventilsystemet indikerar lägsta möjliga tryck.
- Stäng av vakuumpumpen.
- Om förlust av vakuum i systemet är lägre än en hastighet av 50 Torr / sek för den första 10 sek efter frånkopplingen av vakuumpumpen tätningen är tillräckligt god för infiltrering.
- Låt locket ventilen öppen (ventil 3) för att hålla systemet vid omgivningstryck och stänger vakuumpumpen (ventil 1).
- Utan att lösgöra ventilsystemet, placera formen i förvärmd ugn och vänta en timme.
5. Infiltration
- Stäng alla ventiler i systemet (Figur 3).
- Öppna ventilen som leder till argongas cylindern (ventil 2).
- Öppna huvudventilen på argongastanken och ställa infiltrationen tryck med regulatorventilen (till ett intervall av 1,4 mm till 1,7 mm NaCl-partikelstorlek, använd ett tryck av 3,5 bar).
NOTERA: För protokoll B, är en infiltrationstryck av 3 bar används. Använd ett tryck av 1 bar för protokollen C och D. - På ett snabbt sätt, öppna locket (ventil 3).
- Efter 1 minut, ta bort mögel från ugnen och placera den på toppen av en kylyta (i detta fall en kopparblock).
OBS: Under kylning, kommer trycket i systemet förändras. För första 5 min av denna process, ägna stor uppmärksamhet åt det tryck som anges av regulatorn och justera tillbaka till infiltration trycket vid behov.
6. Prov Extraktion
- Efter 30 minuter, när formen är tillräckligt svalt för att hantera med ljus värmebeständiga handskar, lossa ventilsystemet och placera formen bas på en arbetsbänk skruvstäd. Skruva av locket från toppen av cylindern.
- Med locket bort, lätt knacka toppen av formcylindern med en klubba i en vinkelrät riktning till skruvstäd grepp för att lossa formcylindern från basen spåret.
- Med klubba knacka resterande aluminium på toppen av provet för att trycka ut den ur formen cylindern.
- Med användning av en bandsåg, skär den nedre delen av skumprovet, avlägsnande av överskott av aluminium.
- Beroende på höjden av skum krävs, skär där så önskas, nära toppen av provet.
- Placera den infiltrerade skummet i en bägare med vatten och en magnetisk omrörarstav på en omrörning varm platta för upplösning av NaCl förformen.
- Ställ in temperaturen hos den heta plattan till 60 ° C. Byt vatten varje 10 min tills det inte finns någon NaCl kvar i skummet.
OBS: För att säkerställa att det inte finns någon NaCl kvar i skummet, byta vatten ungefär 10 gånger. Det är också möjligt att göra regelbundna kontroller av provets vikt efter en kort torkningssteg. När detta upphör att förändras avsevärt med ytterligare nedsänkning måste NaCl tas bort helt. - Slutligen använder en elektrisklufttork avlägsna allt vatten kvar i skummet. Provet skummet är färdig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I fig 4 morfologin hos NaCl kornen kan ses (kantig och sfärisk), för illustrativa ändamål. De skum som erhölls med protokoll A gjordes med hjälp av vinkelformade korn och resten gjordes med de sfäriska korn. Det visade sig att användningen av olika form NaCl korn hade ingen observerad effekt på porositet erhölls i proverna.
Från resultaten kan vi bestämma att prover a, b och c (gjord med protokoll A), är i genomsnitt 63% porösa (Figur 5), bestäms utifrån deras bulk vikt och volym. Genom att göra förändringar till tekniken, exempelvis inbegripet fickan av fina NaCl vid bottnen, gör det möjligt för processen att framställa skum 5% mer porösa och tillåter infiltration trycket att sänkas (3,5-3 bar), dessa är proverna D, e och f görs med protokoll B (Figur 6). Den enda skillnaden mellan protokollen A och B är tillägget av den fina NaCl i bottenav preformen.
Genom att ta bort den nedre packningen av infiltration mögel, vilket görs i protokoll C (Figur 7), kan det krävas infiltration trycket reduceras ytterligare (3-1 bar). Med denna metod, prover g, h och i producerades, som också visar en ökning av porositet 5%. I protokoll C anledningen till att tre olika storlekar av NaCl-partiklar är att undersöka någon effekt på porositet och visa att även med denna förändring, porositet erhållits i skum är dock mycket lika och förändringen i partikelstorleken har liten eller ingen effekt på skum porositet jämfört med effekten av protokoll som används. Skummen som framställts med protokoll C är tre separata prover, vardera en gjord med olika partikelstorlek. Den slutliga uppsättningen av prover, j, k och l gjordes med användning av Protokoll D (figur 8), genom att vibrera NaCl för att infiltreras, öka densiteten av förformen, vilket ger en stor hopp på 8% i porositeten hos skummen. Enstaka observationer av ett misslyckat infiltration är att en viss region eller regioner förformens inte riktigt är infiltrerade; över infiltration kan uppstå också, t.ex. inkapsling av flera NaCl partiklar genom metallen, orsakas främst av ett högt infiltration tryck, förhindrar vattnet att läcka NaCl ut; Detta är mycket tydligt när det finns en stor nedgång i den sken porositet (större än 5%) i ett prov producerats med en viss protokoll, om detta är en mycket sällsynt händelse. Figur 9 visar en icke-infiltrerade prov till vänster, en ordentligt infiltrerat prov i mitten och en över infiltrerat prov på höger. I figur 10 kan ses förändringen i porositet genom modifiering av infiltrationstryck. Om ett högre infiltration tryck appliceras, är mer aluminium tvingas mellan NaCl sfärer (det högre trycket gör att ytspänningen övervinnas för att i högre grad, medger smalare luckor tillfyllas med metall), alltså det fria utrymmet återstående minskar, minskar porositet. För att styra utfallet av ett korrekt infiltrerad prov genom denna metod är svårare när jämfört med att använda ett annat protokoll, eftersom vid högre tryck risken för blockerade porer i skummet ökar i hög grad.
För att bedöma resultatet av en produktions köra den första indikatorn på rätt sätt infiltrerat skum är deras täthet, en annan skulle observera utsidan av provet; en helt infiltrerade skum är lika i alla dess struktur, om det finns fel, de är ganska märk (mestadels blockerade porer eller icke-infiltrerade zoner); De kan ses i figur 11. De slutliga resultaten av detta förfarande anges i tabell 1.
Figur 1. Skum Replication GeneRAL Protocol Steps.
Figur 2. Design Schema för Foam Infiltration Mögel och Monterade Image (Metric Scale). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Laboratorie Schema för Foam Infiltration Rig.
Figur 4. Morfologi av NaCl Korn (Vänster: Vinkel 2-2,36 mm, Höger: Sfärisk 1,4-1,7 mm).
Figur 5. Protokoll A prov a, b och c är gjorda av öppen porös 99,95% aluminiumskum med ett porstorleksområde från 1,4 mm till 1,7 mm, en genomsnittlig porositet av 63%, som mäter 51 mm i diameter och 25,4 mm i höjd ( Metric Scale). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Protokoll B-proven d, e och f är tillverkade av öppen porös 99,95% aluminiumskum med ett porstorleksområde från 1,4 mm till 1,7 mm, en genomsnittlig porositet av 66%, som mäter 51 mm i diameter och 25,4 mm i höjd ( Metric Scale). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Protokoll C prover g, h och i är tillverkade av öppen porös 99,95% aluminium skum med en porstorlek mellan 1 mm till 1,18 mm, 1,4 mm till 1,7 mm och 2 mm till 2,36 mm respektive en genomsnittlig porositet av 70 %, mäter 51 mm i diameter och 25,4 mm i höjd (Metric Scale). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Protokoll D prover j, k en dl är tillverkade av öppen porös 99,95% aluminium skum med en porstorlek intervallet 1,4 mm till 1,7 mm, en genomsnittlig porositet av 76%, som mäter 51 mm i diameter och 25,4 mm i höjd (Metric Scale). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Effekt av Infiltration Trycket på de Skum (Vänster: Icke-Infiltration, Mellanöstern: Korrekt Infiltration; Höger: Over Infiltration). (Metric Scale) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
700px "/>
Figur 10. replikerad Foam Porositet Variation av Infiltration Tryck Förändring med enbart protokoll A.
Figur 11. Märk Fel i Skum Producerad av denna metod (Vänster: Tvärgående Bild; höger: Sidobild) (Metric Scale). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Protokoll | Prov | Partikelstorlek (mm) | Porositet (%) |
| EN | en | 1,4-1,7 | 63,45 |
| EN | b | 10,4-1,7 | 62,98 |
| EN | 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 | Jag | 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 |
Tabell 1. Replikeskumprov egenskaper, porositet erhållits och förformen storlek som används.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den grundläggande metod som beskrivs här har använts i olika former av andra forskare. Några av de viktigaste varianterna som gör skum av olika typer som ska skapas diskuteras. I karakterisera dessa skum har vi mätte porositet, eftersom detta är en snabb och enkel bedömning att göra, men karakterisering av andra strukturella egenskaper, som porstorlek, specifik yta eller strut tjocklek kan behövas för att få en full förståelse av skumegenskaper för olika tillämpningar. I praktiken, för framställning av skum genom replikation, är porstorleken välkontrollerad av partikelstorleken i NaCl användes, och kontakter mellan detta kan göras densiteten och de andra strukturella egenskaper.
Förtätade förformer
I denna nuvarande bidrag har vi beskrivit en NaCl preform som görs genom att tippa NaCl korn in i en kammare. Medan, som diskuterats, en viss grad av kontroll över Density kan åstadkommas genom vibrering av provet, de åtkomliga resterna avstånds ganska begränsad, beroende på det begränsade utbudet av förpacknings fraktionerna av NaCl som kan uppnås. För att framställa skum med högre porositet, kan ökas densiteten av förformen genom kompakte det mekaniskt (till exempel i kall isostatisk pressning för att bevara isotrop struktur), eller genom sintring där densifiering drivs genom reduktion ytarea. Båda dessa metoder skulle förväntas vara mer effektiva för mindre NaCl partikelstorlek (sub millimeter), eftersom mindre korn är mindre benägna att spricka och ha en större yta i förhållande till volymen. Som porstorlek användes i experimenten som beskrivs i detta dokument är större, och antingen process skulle kräva ytterligare utrustning, med fokus på ett enkelt och lätt genomfört processen, har de inte använts.
Formade förformar
I Goodall och Mortensen 14 en metod introduceras tillstyra porstorlek och form längre än vad som är möjligt med enkla NaCl korn. I denna metod fina NaCl Pulvret blandas med ett bindemedel (för enkelhets skull, mjöl och vatten kan användas), formas sedan till den önskade formen innan en värmebehandling används för att termiskt avlägsna bindemedlet. Även om det inte experimentellt komplex, har denna metod inte använts i våra experiment eftersom det inte är nödvändig för att producera ett skum och kräver något mer exakt tryckkontroll för att säkerställa den finskaliga porositeten i förformen sig inte infiltreras.
Alternativa förformer till NaCl
Även NaCl uppvisar många önskvärda egenskaper som en förform material (inklusive relativt hög smälttemperatur, hög löslighet i vatten och låg toxicitet och kostnad), är det inte alltid lämpligt. Ett särskilt fall är när högre smältpunkt metaller som skall bearbetas, och i denna situation kan ersättas med andra material, såsom natrium aluminåt 16. Dessa material förbättrar förmågan temperatur, men är i allmänhet dyrare och utmanande att lösa upp, och krävs inte för att behandla skummen från relativt låg smältpunkt metaller, såsom aluminium, den vanligaste metallen från vilken skum görs.
Kall vägg / partiella kall vägg tryckkammare
För att infiltrera metall i finare partikelstorlek förformar, för att producera mindre porstorlek skum, kommer högre tryck krävas. Testriggen som beskrivs i detta arbete är lämplig för användning upp till 6 atm tryck, men när trycket ökas sannolikheten för läckage från tätningarna går upp. Detta kan lösas genom alternativa utformningar av tryckkammaren, där de förseglade områdena är separerade från den uppvärmda zonen, skyddas vanligtvis av kylvatten. Medan förmågan hos sådan utrustning ökas över det som beskrivits här, är betydligt mer komplex konstruktion och tillverkning, och så har inte varit implemterade i denna version.
Kännetecken för denna utföringsform av förfarandet
Medan gjutning av den smälta aluminiumet in i baren formen, kommer ett rör defekt bildas på toppen, på grund av stel krympning. De bästa resultaten erhålls med fullt solida tackor, så denna del ska kasseras eller återvinnas.
Det har visat sig att för att processen ska fungera måste förseglingen mellan den smälta metallen och formväggen vara bra (annars argon kommer att kringgå metallen och ingen infiltration kommer att inträffa). Av denna anledning vid tillämpning infiltrationstryck på 3 bar eller högre, är det bästa resultat med en stor mängd aluminium, tillräckligt för att fylla formen, även om syftet är att få korta skum, eftersom detta ökar trycket på den flytande metallen runt formen på toppen av preformen och förbättrar tätningen. Ett litet mellanrum av en halv centimeter har befunnits vara den idealiska höjd mellan aluminium pIECE och locket formen för den aktuella utrustningen. För infiltrationstryck på 2,5 bar eller mindre storleken på gapet är irrelevant, det enda mängden aluminium behövs nog för att helt fylla förformen.
Vid åtdragning av muttrarna på bultarna använder ett stjärnmönster (skärpning motsatta par i en stegvis) för att se till att trycket runt packningen är jämn och en tätning erhålls. För att undvika skador på ventilerna på stängning, detta alltid sker manuellt.
Ibland kan det finnas defekter eller regioner av dålig infiltration. Dessa är mest sannolikt för att bilda vid botten, där den smälta metallen har längst färd, eller vid toppen, nära gränsytan med tät metall. Därför den mest konsekventa del av provet är i centrum av regionen som upptas av NaCl förformen. De övre och nedre delarna av skummet kan skäras bort och kastas. Närhelst det är nödvändigt att skära skummet för att producera ett prov, är det bäst att göra det with NaCl kvar i den. Om snitten görs efter urlakning, varhelst snittet görs, kommer det att skada och blockera strukturen av skummet. Där skär provet efter urlakningen krävs, är en framgångsrik metod för att använda en icke-laddningsteknik såsom gnistbearbetning (EDM, även kallad elektroerosion).
Det finns många variabler i processen som kan modifieras för olika effekt, men i syfte att ändra porositeten de mest lämpliga styrvariablerna är antingen förformen täthet eller infiltration tryck som används.
Syftet med att använda olika protokoll (A, B, C och D) är att producera skum med olika porositet, från 61% till 77%. Tillämpa Protokoll A kommer att producera prover med 63% porositet i genomsnitt; Protokoll B producerar prover med 66% porositet; Protokoll C producerar prover med 70% porositet och protokoll D producerar prover med 76% porositet. Genom att tillsätta den fina NaCl vid botten av formen i protokollenB, C och D det skapar en tillflykt för luft instängd i förformen under infiltreringen om evakueringen av kammaren inte är perfekt. NaCl är mycket finare motstår infiltration av aluminium tills högre tryck uppnås, se till att förformen helt infiltreras. Utan detta eventuell luft närvarande kommer att komprimeras, inte elimineras och oönskad extra porositet kommer att vara närvarande, troligen som oinfiltrerad regioner. Protokoll C och D har utvecklats för att tillåta infiltrering som skall uppnås med mycket lägre tryck. För de prover som representerade i figur 6 en annan partikelstorlek förform användes, kan det noteras att denna förändring inte har någon betydande effekt i jämförelse med det protokoll som används.
Genom att inte använda den nedre packningen i protokollen C och D ett litet flöde av gas genom botten av formen är möjlig, vilket innebär att sluten gas från förformen kan evakueras utan att komprimeras till högre tryck. OmDetta gjordes utan den fina NaCl då aluminium kan också tvingas ut, men eftersom detta skikt förhindrar genomträngning av flytande aluminium vid de tryck tillämpade det kommer att förhindra aluminium flykt.
I Protokoll D, genom att vibrera förformen, kan uppnås en högre porositet skum; ungefär 9-10% mer poröst jämfört med protokoll C. Detta händer eftersom NaCl korn i förformen är närmare varandra, vilket lämnar mindre utrymme att fyllas av aluminium. Keramplattan läggs i protokoll D för att förhindra den fina NaCl att blanda med infiltration NaCl under vibration, ingen signifikant effekt hittas i slutprodukterna när du lägger keramplattan till protokoll C.
Den huvudsakliga begränsningen för skumbearbetnings beskrivna tekniken är porositeten hos skummen; lägsta hittills uppnåtts med riggen och protokoll som beskrivs här är runt 61% och den högsta nära 77%. Men det är en billig och lätt att använda teknik jämfört medmer komplicerade och dyra metoder såsom investeringar gjutning, sintring eller additiv tillverkning. En annan begränsning är de metaller som kan användas; någon metall med en smältpunkt för nära eller ovanför NaCl smältpunkt (801 ° C) kan inte infiltreras med denna förform. Aluminium, magnesium och tenn har bearbetats med hjälp av denna teknik.
Utrustning och flera framgångsrika protokoll för produktion av aluminiumskum presenteras i detalj. Med användning av denna metod är det möjligt att skapa aluminium öppencelliga skum med porositeter av 61-77% (motsvarande densitet i intervallet 1053 till 621 kg / m 3) och med porstorlekar i området 1 till 2,36 mm diameter. Vidare är det känt att med variationer i de villkor som används, vissa av dem relativt liten, kan dessa intervall utökas betydligt, och andra variabler, såsom porer form kan ändras. Replikeringstekniken är mycket lämplig för forskningslaboratorium användning för migtal skumproduktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Motsvarande Författaren vill tacka för den mexikanska regeringens nationella rådet för vetenskap och teknik CONACYT för tillhandahållande av ett 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
Fysik metallskum NaCl porositet aluminium infiltration urlakningErratum
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:
