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Engineering

Coulée protocoles pour la production de cellules ouvertes aluminium Mousses par la technique de réplication et l'effet sur la porosité

Published: December 11, 2014 doi: 10.3791/52268
Automatic Translation
1, 2, 2, 1
1Department of Materials Science and Engineering, The University of Sheffield, 2Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield

ERRATUM NOTICE

Abstract

Les mousses métalliques sont des matériaux intéressants à la fois une compréhension fondamentale et les applications pratiques point de vue. Utilisations ont été proposées, et dans de nombreux cas validé expérimentalement, pour plus de légèreté ou de l'impact d'absorption d'énergie des structures, comme échangeurs ou des électrodes thermiques de zone de haute surface, que les implants au corps, et beaucoup plus. Bien que de grands progrès ont été réalisés dans la compréhension de leurs relations structure-propriétés, le grand nombre de différentes techniques de traitement, chaque matériau produire avec des caractéristiques différentes et la structure, signifie que la compréhension des effets individuels de tous les aspects de la structure ne est pas complète. Le processus de réplication, où le métal en fusion est infiltré entre les grains d'un matériau de préforme amovible, permet un degré nettement élevé de contrôle et a été utilisé à bon escient pour élucider certaines de ces relations. Néanmoins, le processus comporte de nombreuses étapes qui dépendent de personne "savoir-faire", etce document vise à fournir une description détaillée de toutes les étapes d'une réalisation de ce procédé de traitement, en utilisant des matériaux et des équipements qui serait relativement facile à mettre en place dans un environnement de recherche. L'objectif de ce protocole et de ses variantes est de produire des mousses métalliques d'une manière simple et efficace, donnant la possibilité d'adapter les résultats des échantillons en modifiant certaines étapes du processus. En suivant ce, les mousses d'aluminium ouvert de cellules avec des tailles de pores de 1 à 2,36 mm de diamètre et de 61% à 77% de porosité peuvent être obtenus.

Introduction

Les mousses métalliques ont attiré une grande quantité d'intérêt et les efforts de recherche au cours des dernières années, comme indiqué par le grand corps de travail cité dans vaste examen des articles tels que Banhart 1, Conde et al. 2 ou plus récemment Goodall et Mortensen 3. Parmi les méthodes utilisées pour la production de la matière, le processus de réplication se distingue par sa simplicité expérimentale et le degré de contrôle sur la structure finale de la mousse qui peut être offert. Il convient de noter que, bien que dans la littérature tels matériaux sont souvent décrits comme des mousses (et sont ici) car ils ne sont pas produites par les bulles de gaz dans un liquide, ils sont appelés de façon plus appropriée de métaux ou de métaux poreux microcellulaires.

Le premier rapport du processus de réplication était dans le début des années 1960 4, et il a été développé en outre à différentes étapes depuis lors, avec les progrès notables par le groupe de Mortensen de recherche à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse.

Le procédé repose sur la coulée du métal autour d'une préforme de particules qui définit la forme de la porosité dans le matériau final 2, 5. Après refroidissement de la préforme peut être éliminée par lessivage ou de la pyrolyse solvant qui provoque l'oxydation. Une utilisation populaire de cette technique utilise NaCl en tant que titulaire d'espace pour produire de l'aluminium 5-10 ou en alliage d'aluminium de 11 à 14 mousses. NaCl a plusieurs avantages tels que d'être facilement accessible, non toxique et peut être retiré de la mousse par dissolution dans l'eau. En ayant un point de 801 ° C température de fusion, il peut être utilisé avec des métaux ayant un point inférieur à cette valeur, le plus souvent en aluminium fonte, mais des exemples existent également à l'utilisation avec des matériaux tels que des verres métalliques massifs, par humidification d'un mélange de alliage liquide de verre en vrac métallique à base de palladium et de NaCl 15 granules. La substitution du NaCl avec des matériaux à point de fusion plus élevé permet également au production de mousses de fusion supérieurs métaux à point 16. Il peut se agir d'autres matériaux solubles dans l'eau ou insolubles, y compris les différents types de sable. Dans cette forme, le processus devient plus comme le moulage au sable classique, comme pour enlever le sable, jets d'eau à haute pression 17, 18 ou différentes formes de lavage 19 ou 20 d'agitation sont obligatoires.

Le processus essentiel 21 produit en prenant grains de NaCl et de les placer dans un moule 4, 22, 23. La méthode de base a été utilisé pour fabriquer l'aluminium et alliage d'aluminium de 24 à 26 mousses pour un large éventail d'enquêtes de comportement de la mousse. Des mesures supplémentaires ont été prises pour contrôler davantage la densité et d'accroître l'interconnectivité des pores; il se agit notamment de la densification de la préforme. Pour densifier la préforme, le frittage a été employée 27, 28 et a été utilisé dans des expériences différentes depuis 13, avec le comportement de frittageNaCl fonction de la température, granulométrie et la densité décrite par Goodall et al. 29. Une autre méthode utilisée à cette fin est pressage isostatique à froid (CIP) 5, 30; ce est une technique rapide qui peut atteindre un plus grand éventail de densités comparables. La procédure peut également être effectuée à l'état solide avec la poudre métallique et des grains de NaCl, puis il est parfois appelé le procédé de frittage et de 31 dissolution.

Une enquête complète de l'utilisation de la technique de réplication à ce jour et la comparaison avec d'autres techniques est donné dans Goodall et Mortensen 3.

Dans ce travail, nous rapportons dans les équipements de détail et de protocoles expérimentaux qui ont été utilisés pour le traitement des mousses métalliques par la méthode de réplication, et qui sont relativement faciles à mettre en œuvre dans un cadre de laboratoire de recherche. Il est important de reconnaître que d'autres versions de l'équipement, avec des capacités différentes existent dans la recherche d'autres groupes, et que, si le matériel présenté ici est adapté pour traiter le matériau, il ne est pas la seule version ou le protocole qui peut être faite à fonctionner. Dans tous les cas, une connaissance approfondie d'une méthode particulière est essentielle pour le succès expérimental.

Les protocoles précis utilisés sont détaillés ci-dessous. Les variations de protocole (A, B, C et D) ont de petits changements entre eux, principalement pour but de modifier la densité des mousses produites. La porosité a été calculée à partir de mesures de la masse volumique apparente des échantillons, le volume et la densité de l'aluminium (2,7 g / cm 3). Dans l'élaboration des procédés décrits pour la production de mousse d'aluminium par réplication, des tentatives ont été faites pour réduire la quantité d'équipements de pointe à la plus petite mesure du possible, de telle sorte que le procédé est aussi facile à mettre en oeuvre que possible. D'autres variantes qui peuvent être utilisées à différents stades sont décrits plus loin.

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Protocol

REMARQUE: Les instructions ci-dessous sont pour le protocole A (Figure 1). Modifications pour Protocole B, C, et D sont énumérés ainsi.

1. Bar aluminium Préparation

  1. Placer un morceau (500 g - 1 kg) de pureté commerciale lingot d'aluminium dans un creuset.
  2. Placer le creuset dans un four à 800 ° C pendant environ 1 heure, jusqu'à fusion.
  3. Prendre le creuset du four et verser l'aluminium fondu dans un moule cylindrique de 50 mm de diamètre, légèrement plus petit que le diamètre final de la chambre d'être utilisées pour infiltration (51 mm), donnant un écart d'environ ½ mm.
  4. Attendre 1 h pour la barre refroidir.
  5. Retirez la barre du moule.
  6. En utilisant une scie à ruban, le couper en quatre morceaux de même taille.
  7. Sable les bords de chaque pièce afin d'assurer un bon ajustement dans le moule d'infiltration.

2. Préparation Furnace

  1. Programmer le four pour atteindre un & # 740176; C plateau pendant au moins 2 h.
  2. Régler la vitesse de chauffage du four à 20 ° C / min.

3. Préparation préformes

NOTE: En fonction de la hauteur de la mousse pour but, varier la quantité de NaCl à utiliser pour l'infiltration entre 100 g et 300 g.

  1. Choisir l'infiltration de NaCl à utiliser, avec un diamètre correspondant à la gamme de taille de pores requise (par exemple une plage comprise entre 1,4 mm et 1,7 mm). Le matériau peut être obtenu à partir de fournisseurs de produits chimiques de haute pureté, ou au supermarché acheté le sel de table peut être utilisé (tel matériau aura des additifs tels que l'iode et anti-agglomérant des agents, mais ils ne le font pas dans la pratique influencer le processus dans une large mesure).
  2. Sélectionner une gamme de tamis de taille appropriée et les empiler sur un conteneur de base de la taille de l'ouverture plus petite au fond.
  3. Du sac de NaCl des fournisseurs, de prendre environ 500 g et versez-le dans les tamis empilés.
  4. Agiter les tamis, Soit manuellement, soit en utilisant un agitateur de tamis, pendant 1 min.
  5. Jeter le NaCl laissé dans la plus grande taille d'ouverture tamis et le fond du récipient, le NaCl laissé dans le tamis d'ouverture plus petit est utilisé pour l'infiltration.
  6. Peser la quantité d'infiltration NaCl obtenu.
  7. Si le montant est insuffisant, répétez les étapes 03.04 à 03.07.
    NOTE: Pour les protocoles B, C ou D, obtenir 100 g de fines NaCl (<500 um). Cela crée un espace supplémentaire dans le moule pour l'air emprisonné dans la préforme pendant l'infiltration dans le cas où l'air dans la préforme ne se échappe pas de la chambre de manière adéquate.

4. Préparation Mold

  1. Utilisation de papier de verre et rouleau de papier de laboratoire, propre cylindre de moule (Figure 2), en prenant une attention particulière pour les deux bords supérieur et inférieur, et de garder le moule libre de toutes les impuretés notables de l'utilisation précédente.
  2. Vaporiser l'intérieur du cylindre de moulage avec le nitrure de bore aérosol, la création d'un revêtement en couche mincel'intérieur du moule.
    NOTE: Ce résultat est obtenu lorsque la couleur d'origine du moule est remplacé par une couche blanche de la pulvérisation; il ne est pas nécessaire de mesurer sa concentration spécifique.
  3. Laissez le cylindre de moule sec pendant au moins 5 min à température ambiante (chauffage à environ 100 ° C pendant 1 h peut être appliqué pour un séchage supplémentaire, si désiré).
  4. Utilisation de papier de verre fin, retirer tout résidu de nitrure de bore à partir des bords du cylindre de moule, pour améliorer l'étanchéité entre le cylindre de moule et le fond de moule.
    NOTE: Les trois étapes suivantes sont pour les protocoles A et B; pour les protocoles C et D couper une seule bague d'étanchéité pour le couvercle.
  5. Couper deux joints toriques de 1 mm feuille de graphite épais (OD = 60 mm, ID = 51 mm), un pour l'union entre le bord supérieur du cylindre de moule et le couvercle du moule menant au système de soupape, l'autre pour l'union entre le bord inférieur du cylindre de moule et le fond de moule.
  6. Placer l'un des joints d'étanchéité dans la gorge de fond de moule.
  7. Placez le Bottom du cylindre porte-moule dans la rainure avec le joint.
  8. Taper légèrement avec un maillet sur le dessus du cylindre porte-moule pour fixer le fond de la gorge de base.
    NOTE: Pour Protocole B, C ou D, ajouter l'étape suivante.
    1. Verser 100 g de fines NaCl (<500 um) dans le cylindre de moule et aplatir le dessus avec une barre en aluminium uncut appuyant sur le haut de légèrement avec le maillet pour assurer l'amende NaCl est emballé à une haute densité.
      NOTE: Pour Protocole D Ajouter l'étape suivante.
    2. Coupez deux cercles de 2 mm d'épaisseur douce Kaowool céramique enveloppera la taille du diamètre du moule (51 mm) et placez-les sur le dessus de l'amende NaCl, utilisez la barre d'aluminium en version intégrale et le maillet de les presser contre l'amende de NaCl.
  9. Verser le NaCl à infiltrer dans le cylindre de moulage.
    NOTE: Pour Protocole D Ajouter l'étape suivante.
    1. Fixez le moule et la base à une table vibrante, en se assurant le cylindre de moule ne se déplace pas de la gorge de base. Vibrerpendant 1 min à 50 Hz avec une amplitude de 0,01 m.
  10. Tenant le haut du cylindre en place, ramasser la base et secouer légèrement jusqu'à ce que le NaCl dans le moule forme une surface plane au sommet.
  11. Placez la barre d'aluminium préparé sur le dessus de la préforme NaCl.
  12. Placer un joint de graphite dans la rainure du couvercle de moule.
  13. À la main visser les goujons en acier inoxydable 4 à la base et les fixer avec quatre ensembles de noix et de rondelles en acier inoxydable sur le dessus de la base en utilisant une clé et placez le couvercle du moule sur le dessus du cylindre de moule à travers les goujons.
  14. Avec une clé dynamométrique réglée à 16 N · m, visser les quatre ensembles de écrous et rondelles en acier sur les quatre tiges filetées vissées dans la base et se étendant à travers le couvercle, où les écrous sont serrés pour verrouiller le couvercle du moule en place.
  15. Fixer le dessus du couvercle pour le système de soupape avec le joint, une pince, un boulon et un écrou papillon.
  16. Fermer toutes les vannes du système.
  17. Ouvrez la vanne menant à til pompe à vide et le moule (3 soupape).
  18. Mettre la pompe à vide jusqu'à ce que le comparateur du système de soupape indique la pression la plus basse possible.
  19. Éteignez la pompe à vide.
  20. Si la perte de vide dans le système est inférieure à un taux de 50 Torr / sec pour les 10 premières secondes après l'arrêt du pompe à vide le joint est suffisamment bonne pour l'infiltration.
  21. Laisser la vanne de couvercle ouvert (vanne 3) pour maintenir le système à la pression ambiante et fermer le robinet de la pompe à vide (valve 1).
  22. Sans débrancher le système de soupape, placer le moule dans le four préchauffé et attendre pendant 1 heure.

5. Infiltration

  1. Fermer toutes les vannes du système (figure 3).
  2. Ouvrir la vanne menant à la bouteille de gaz argon (valve 2).
  3. Ouvrir la soupape principale sur le réservoir de gaz d'argon et régler la pression d'infiltration de la vanne de régulation (pour une gamme de 1,4 mm à 1,7 mm de taille de particules de NaCl, utiliser une pression de 3,5 bars).
    NOTE: Pour Protocole B, une pression d'infiltration de 3 bars est utilisé. Utilisez une pression de 1 bar pour les protocoles C et D.
  4. D'une manière rapide, ouvrir la vanne du couvercle (vanne 3).
  5. Après 1 min, retirer le moule du four et placez-le sur une surface de refroidissement (dans ce cas un bloc de cuivre).
    REMARQUE: Pendant le refroidissement, la pression dans le système va changer. Pour les 5 premières minutes de ce processus, une attention particulière à la pression indiquée par le régulateur et ajuster revenir à la pression d'infiltration si nécessaire.

6. Extraction de l'échantillon

  1. Après 30 minutes, lorsque le moule est assez cool à manipuler avec des gants résistant à la chaleur la lumière, détacher le système de valve et placer la base de moule sur un étau d'établi. Dévisser le couvercle de la partie supérieure du cylindre.
  2. Avec le couvercle, tapoter sur le haut du cylindre de moule avec un maillet dans une direction perpendiculaire à l'emprise de l'étau à desserrer le cylindre de moule de la gorge de base.
  3. Avec le maillet appuyez sur l'aluminium restant sur le dessus de l'échantillon pour le pousser hors du cylindre de moule.
  4. L'utilisation d'une scie à ruban, couper la partie inférieure de l'échantillon de mousse, de retirer le surplus d'aluminium.
  5. En fonction de la hauteur de mousse nécessaire, réduire lorsque cela est désiré, à proximité de la partie supérieure de l'échantillon.
  6. Placez la mousse infiltré dans un bécher avec de l'eau et une barre d'agitation magnétique sur une plaque chauffante agitation pour dissoudre la préforme NaCl.
  7. Régler la température de la plaque chauffante à 60 ° C. Changez l'eau toutes les 10 min jusqu'à ce que il n'y a pas de NaCl dans la mousse.
    REMARQUE: Pour se assurer qu'il n'y a pas de NaCl dans la mousse, changer l'eau d'environ 10 fois. Il est également possible d'effectuer des contrôles périodiques du poids de l'échantillon après une brève phase de séchage. Lorsque cela cesse de changer de façon significative avec plus d'immersion, le NaCl doit être complètement enlevé.
  8. Enfin utilisant un moteur électriqueair plus sec enlever toute l'eau laissée dans la mousse. L'échantillon de mousse est prêt.

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Representative Results

Sur la figure 4, la morphologie des grains de NaCl peut être vu (sphérique et angulaire), à des fins d'illustration. Les mousses obtenues au protocole A ont été faites en utilisant des grains de forme angulaire et le reste ont été faites avec les grains sphériques. Il a été trouvé que l'utilisation de différentes formes de NaCl grains ne avait aucun effet observable sur la porosité obtenue dans les échantillons.

A partir des résultats on peut déterminer que les échantillons a, b, et c (réalisées avec le protocole A), sont en moyenne de 63% poreuse (figure 5), déterminée à partir de leur poids et de volume en vrac. En apportant des modifications à la technique, par exemple, y compris la poche de l'amende NaCl au fond, permet le processus pour produire des mousses 5% de plus poreux et permet à la pression d'infiltration d'être abaissée (de 3,5 à 3 bar), ce sont des échantillons D, e et f faite avec Protocole B (figure 6). La seule différence entre les protocoles A et B est le plus de l'amende de NaCl au fondde la préforme.

En supprimant le joint fond du moule d'infiltration, comme cela se fait dans le protocole C (figure 7), la pression d'infiltration requise peut être réduite davantage (de 3 à 1 bar). En utilisant cette méthode, des échantillons g, h et i ont été produites, montrant également une augmentation de 5% de la porosité. Dans le protocole C la raison d'utiliser trois tailles différentes de particules de NaCl est d'enquêter sur un quelconque effet sur la porosité, et de démontrer que, même avec ce changement, la porosité obtenue dans les mousses reste très similaire et le changement de taille de particules a peu d'effet sur la porosité de la mousse par rapport à l'effet du protocole utilisé. Les mousses produites avec le protocole C sont trois échantillons distincts, chacun réalisé avec une taille de particules différente. La dernière série d'échantillons, j, k et l ont été faites en utilisant le protocole D (figure 8), en faisant vibrer le NaCl à imprégner, ce qui augmente la densité de la préforme, ce qui donne un grand saut de 8% dans la porosité des mousses. Observations occasionnelles d'une infiltration échec sont qu'une certaine région ou des régions de la préforme ne sont pas correctement infiltrés; sur l'infiltration pourrait se produire ainsi, comme l'encapsulation de plusieurs particules de NaCl par le métal, causée principalement par une pression d'infiltration élevé, empêchant l'eau de se infiltrer sur le NaCl; ce est bien évident quand il ya une chute importante de la porosité (supérieure à 5%) dans un échantillon produit en utilisant un certain protocole, si ce ne est un événement très rare. La figure 9 représente un échantillon non infiltrée à gauche, un bien infiltré échantillon dans le milieu et un échantillon plus infiltré sur la droite. Sur la figure 10 l'évolution de la porosité en modifiant la pression d'infiltration peut être vu. Si une pression d'infiltration élevée est appliquée, plus d'aluminium est forcé entre les sphères de NaCl (la pression plus élevée permet à la tension superficielle qu'il faut surmonter à un degré plus élevé, ce qui permet à des écarts moinsêtre rempli de métal), ainsi l'espace libre restant diminue, ce qui diminue la porosité. Pour contrôler le résultat d'un échantillon bien infiltré par cette méthode est plus difficile par rapport à l'aide d'un protocole différent, puisque les pressions à la hausse le risque de pores bloqués dans la mousse augmente fortement.

Pour évaluer les résultats d'une campagne de production, le premier indicateur de mousses bien infiltrés est leur densité, un autre serait observent l'extérieur de l'échantillon; une mousse complètement infiltrée est uniforme dans toute sa structure, se il ya des erreurs, ils sont tout à fait remarquables (pores essentiellement bloqués ou des zones non infiltrées); ils peuvent être vus sur la figure 11. Les résultats finaux de cette procédure sont indiqués dans le Tableau 1.

Figure 1
Figure 1. Mousse de réplication GeneRAL étapes Protocole.

Figure 2
Figure 2. Schéma de conception du moule mousse infiltration et image assemblée (à l'échelle métrique). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Schémas laboratoire du Rig mousse infiltration.

Figure 4
Figure 4. Morphologie du NaCl Grains (Gauche: angulaire de 2 à 2,36 mm; droite: 1.4 à 1.7 mm sphériques).

Figure 5
Figure 5. échantillons protocole A a, b et c sont réalisées en ouvert mousse poreuse d'aluminium 99,95% avec une gamme de tailles de pores de 1,4 mm à 1,7 mm, une porosité moyenne de 63%, la mesure de 51 mm de diamètre et 25,4 mm de hauteur ( échelle métrique). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Échantillons Figure 6. Protocole B d, e et f sont réalisés en ouvert mousse d'aluminium 99,95% poreuse avec une plage de taille de pore de 1,4 mm à 1,7 mm, une porosité moyenne de 66%, mesurant 51 mm de diamètre et 25,4 mm de hauteur ( échelle métrique). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. Protocole C échantillons g, h et i sont faites de l'open mousse d'aluminium de 99,95% poreux avec une gamme de taille de pores de 1 mm à 1,18 mm, 1,4 mm à 1,7 mm et 2 mm à 2,36 mm, respectivement, une porosité moyenne de 70 %, mesure 51 mm de diamètre et de 25,4 mm de hauteur (échelle métrique). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. échantillons Protocole D j, k une dl sont en open mousse poreuse en aluminium de 99,95% avec une gamme de taille de pores de 1,4 mm à 1,7 mm, une porosité moyenne de 76%, mesure 51 mm de diamètre et de 25,4 mm de hauteur (échelle métrique). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

Figure 9
Figure 9. effet de la pression d'infiltration sur les mousses (à gauche: Non-infiltration; Moyen: Correct Infiltration; droite: Au cours d'infiltration). (Échelle métrique) Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 10. répliqué mousse Porosité Variation par infiltration pression Change en utilisant uniquement le protocole A.

Figure 11
Figure 11. erreurs notables dans les mousses produites par ce procédé (Gauche: Transversal image; droite: Image Side) (échelle métrique). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Protocole Échantillon Taille des particules (mm) Porosité (%)
Un une 01/04 au 01/07 63,45
Un b 10,4 à 1,7 62,98
Un c 01/04 au 01/07 63,09
B ré 01/04 au 01/07 66,33
B e 01/04 au 01/07 66.21
B fa 01/04 au 01/07 66,08
C g 1 à 1,18 69,96
C h 01/04 au 01/07 70,03
C Je 2 à 2,36 70,75
Ré j 01/04 au 01/07 76,20
Ré k 01/04 au 01/07 75,69
Ré l 01/04 au 01/07 76,56

Tableau 1. caractéristiques de l'échantillon de mousse répliquées porosités obtenu et la taille de la préforme utilisée.

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Discussion

Le procédé de base décrit ici a été utilisé sous différentes formes par d'autres chercheurs. Certaines des variantes clés qui permettent mousses de différents types à créer sont discutés. En qualifiant ces mousses nous avons mesuré la porosité, car ce est une évaluation rapide et facile à faire, mais la caractérisation des autres caractéristiques structurelles, telles que la taille des pores, surface spécifique ou entretoise épaisseur pourrait être nécessaire pour obtenir une compréhension complète des caractéristiques de la mousse pour différentes applications. Dans la pratique, pour la production de mousses de réplication, la taille des pores est bien contrôlée par la taille de particule du NaCl utilisé, et les liens entre ce, la densité et les autres caractéristiques structurelles peuvent être faites.

Préformes densifiées

Dans la présente contribution, nous avons décrit une préforme NaCl qui est faite par basculement grains de NaCl dans une chambre. Alors que, comme nous le verrons, un certain degré de contrôle sur la densificationté peut être réalisé en faisant vibrer l'échantillon, la plage reste accessible et non limitée, en raison du nombre limité de fractions de l'emballage NaCl qui peut être atteint. Afin de produire des mousses de porosité plus élevée, la densité de la préforme peut être augmentée en comprimant mécaniquement (par exemple en compression isostatique à froid pour préserver structure isotrope), ou densification par frittage, où est entraîné par la réduction de la surface. Ces deux méthodes seraient censés être plus efficace pour une plus petite taille de particules de NaCl (millimètre sous), que des grains plus petits sont moins susceptible de se fissurer et avoir une plus grande surface par rapport au volume. Comme la taille des pores utilisé dans les expériences décrites dans le présent document est plus grand, et soit processus exigerait des équipements supplémentaires, mettant l'accent sur un processus simple et facilement mis en œuvre, ils ne ont pas été utilisés.

Préformes en forme

Dans Goodall et Mortensen 14 une méthode est introduitcontrôler la taille et la forme des pores est plus loin que possible en utilisant des grains de NaCl simples. Dans ce procédé, la poudre fine de NaCl est mélangé avec un liant (pour la simplicité, de la farine et de l'eau peut être utilisée), puis façonnée en la forme souhaitée avant un traitement thermique est utilisé pour éliminer le liant thermiquement. Bien que pas expérimentalement complexe, cette méthode n'a pas été utilisée dans nos expériences car il ne est pas indispensable pour produire une mousse et nécessite un contrôle de pression un peu plus précise pour assurer la porosité de fine échelle dans la préforme se est pas infiltré.

Préformes alternatifs à NaCl

Bien que NaCl affiche plusieurs caractéristiques souhaitables en tant que matériau d'ébauche de coupe (y compris la température de fusion relativement élevé, le degré élevé de solubilité dans l'eau et une faible toxicité et le coût), il ne est pas toujours approprié. Un cas particulier est quand plus élevés des métaux à point de fusion doivent être traitées, et dans cette situation, il peut être remplacé par d'autres matériaux, tels que Alumin de sodiummangé 16. Ces matériaux améliorent la capacité de la température, mais ils sont généralement plus coûteux et difficile à dissoudre, et ne sont pas requis pour le traitement de mousses relativement faibles de métaux à point de fusion tels que l'aluminium, le métal le plus commun à partir duquel sont faits de mousses.

Paroi froide / chambres partielles de pression de paroi froide

À infiltrer le métal en fines préformes de taille de particules, pour produire des mousses de plus petites tailles de pores, des pressions plus élevées seront nécessaires. Le banc d'essai décrit dans ce travail est adapté pour une utilisation jusqu'à une pression de 6 atm, mais que la pression augmente la probabilité de fuites des joints monte. Ceci peut être résolu par d'autres conceptions de chambre de pression, où les régions scellées sont séparées de la zone chauffée, généralement protégé par de l'eau de refroidissement. Bien que la capacité d'un tel équipement est augmentée par rapport à celle décrite ici, la conception et la fabrication est nettement plus complexe, et donc n'a pas été implemented dans cette version.

Les caractéristiques de ce mode de réalisation du procédé

Tout en jetant l'aluminium fondu dans le moule de bar, un défaut du tube formera en haut, en raison de retrait de solidification. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des lingots entièrement solides, donc cette partie doivent être jetés ou recyclés.

Il a été trouvé que, pour que le procédé fonctionne, le joint d'étanchéité entre le métal fondu et la paroi du moule doit être bonne (autrement argon contournera le métal et pas d'infiltration se produit). Pour cette raison, lors de l'application des pressions d'infiltration de 3 bars ou plus, les meilleurs résultats sont obtenus avec une grande quantité d'aluminium, suffisante pour remplir le moule, même si le but est d'obtenir des mousses de courte durée, car cela augmente la pression du métal liquide autour de le moule dans la partie supérieure de la préforme et améliore l'étanchéité. Un petit espace d'un demi-centimètre se est avérée être la hauteur idéale entre l'aluminium pIECE et le couvercle du moule pour l'équipement actuel. Pour des pressions d'infiltration de 2,5 bars ou moins la taille de l'écart est sans importance, la seule quantité d'aluminium nécessaire est suffisant pour la remplir complètement la préforme.

Lors du serrage des écrous sur les goujons utiliser un motif en étoile (serrage des paires opposées dans un mode pas à pas) pour se assurer que la pression dans le joint d'étanchéité est un joint d'étanchéité même et est obtenu. Pour éviter d'endommager les soupapes de fermeture, ce est toujours fait manuellement.

Parfois, il peut y avoir des défauts ou des régions de mauvaise infiltration. Ce sont le plus susceptibles de se former à la base, dans lequel le métal fondu a Voyage le plus loin ou dans la partie supérieure, près de l'interface avec le métal dense. Par conséquent, la partie la plus sûre de l'échantillon se trouve au centre de la région occupée par la préforme de NaCl. Les parties supérieure et inférieure de la mousse peuvent être découpés et éliminés. Chaque fois qu'il est nécessaire de couper la mousse pour produire un échantillon, il est préférable de le faire savoirh NaCl toujours présente en elle. Si les coupes sont faites après lixiviation, où la coupe est faite, il va endommager et de bloquer la structure de la mousse. Où couper l'échantillon après lessivage est nécessaire, une méthode efficace consiste à utiliser une technique non-chargement, tel électro-érosion Usinage (EDM, également appelée électro-érosion).

Il existe de nombreuses variables du procédé qui peuvent être modifiées pour effet différent, mais dans le but de modifier la porosité variables de contrôle les plus appropriés sont soit la densité de la préforme ou de la pression d'infiltration utilisée.

Le but d'utiliser des protocoles différents (A, B, C et D) est de produire des mousses avec des porosités différentes, de 61% à 77%. Application Protocole A va produire des échantillons avec 63% de porosité moyenne; Protocole B produit des échantillons avec 66% de porosité; Protocole C produit des échantillons avec 70% de porosité et le Protocole D produit des échantillons avec 76% de porosité. En ajoutant du NaCl à la fin inférieure du moule dans les protocolesB, C et D, il crée un refuge pour l'air emprisonné dans la préforme lors de l'infiltration si l'évacuation de la chambre ne est pas parfait. Le NaCl est beaucoup plus fine résiste à l'infiltration par de l'aluminium jusqu'à ce que des pressions plus élevées sont atteintes, veillant à ce que la préforme est totalement infiltré. Sans cette toute air présent sera compressé, pas éliminé et indésirable une porosité supplémentaire sera présent, plus susceptibles que les régions non infiltrée. Protocoles C et D ont été développées pour permettre l'infiltration à être réalisé avec des pressions beaucoup plus faibles. Pour les échantillons représentés sur la figure 6 une autre taille de particules préforme a été utilisé, il peut être noté que cette modification ne possède pas un effet significatif par rapport au protocole utilisé.

En ne utilisant pas le joint d'étanchéité inférieur dans les protocoles C et D d'un petit écoulement de gaz à travers le fond du moule est possible, ce qui signifie que le gaz emprisonné dans la préforme peut être évacué sans être comprimé à des pressions plus élevées. Sicela a été fait sans l'amende NaCl puis l'aluminium peuvent aussi être forcés de quitter, mais comme cette couche résiste à la pénétration par l'aluminium liquide à des pressions appliquées elle permet d'éviter l'aluminium évasion.

Dans le protocole D, en faisant vibrer la préforme, d'une mousse à porosité élevée peut être obtenue; environ 9-10% plus poreux par rapport au protocole n ° C. Ceci se produit étant donné que les grains de NaCl dans la préforme sont plus rapprochés, ce qui laisse moins d'espace pour être rempli par l'aluminium. La feuille céramique est ajouté au protocole D pour éviter l'amende NaCl à mélanger avec l'infiltration de NaCl pendant la vibration, aucun effet significatif n'a été trouvée dans les produits finaux lors de l'ajout de la feuille de céramique au protocole C.

La principale limitation de la technique de traitement de mousse est décrit la porosité des mousses; le plus bas atteint à ce jour avec l'installation et les protocoles décrits ici sont environ 61% et le plus haut près de 77%. Cependant, il est un pas cher et facile à utiliser la technique par rapport àdes méthodes plus complexes et coûteux tels que la fonderie de précision, frittage ou la fabrication additive. Une autre limitation est que les métaux peuvent être utilisés; ne importe quel métal ayant un point trop près ou au-dessus du point de fusion de NaCl (801 ° C) la fusion ne peut être infiltré par cette préforme. L'aluminium, le magnésium et l'étain ont été traitées en utilisant cette technique.

Matériel et plusieurs protocoles efficaces pour la production de mousses d'aluminium sont présentés en détail. En utilisant cette méthode, il est possible de créer des mousses à alvéoles ouvertes aluminium avec des porosités de 61 à 77% (correspondant à une densité dans la plage de 1053 à 621 kg / m 3) et avec des tailles de pores de diamètre de mm entre 1 et 2.36. En outre, il est connu que des variations dans les conditions utilisées, certains d'entre eux relativement mineure, ces gammes peuvent être étendus de manière significative, et d'autres variables, telles que la forme des pores peuvent être modifiées. La technique de réplication est très approprié pour une utilisation en laboratoire de recherche pour moital production de mousse.

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Acknowledgments

L'auteur correspondant aimerait remercier Conseil national des sciences et de la technologie CONACYT du gouvernement mexicain pour la fourniture d'une bourse.

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

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Tags

Physique Numéro 94 mousse de métal de NaCl la porosité l'aluminium l'infiltration la lixiviation

Erratum

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:

  1. 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).

to:

  1. 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).
  2. Seliger, H., & Deuther, U. Die Herstellung von Schaum- und Zellaluminium. Feiburger Forschungshefte. 103–129 (1965).

Coulée protocoles pour la production de cellules ouvertes aluminium Mousses par la technique de réplication et l&#39;effet sur la porosité
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Elizondo Luna, E. M., Barari, F.,… More

Elizondo Luna, E. M., Barari, F., Woolley, R., Goodall, R. Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity. J. Vis. Exp. (94), e52268, doi:10.3791/52268 (2014).

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