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Casting protocolli per la produzione di cellule aperte alluminio Schiume dalla tecnica di replica e l'effetto sulla porosità

doi: 10.3791/52268 Published: December 11, 2014

ERRATUM NOTICE

Abstract

Schiume di metallo sono i materiali interessanti sia da una comprensione fondamentale e pratico punto di vista delle applicazioni. Usi sono stati proposti, ed in molti casi convalidato sperimentalmente, per il peso leggero o energia d'urto di assorbimento strutture, come scambiatori di calore o elettrodi elevata area superficiale, come protesi al corpo, e molti altri. Sebbene siano stati compiuti grandi progressi nella comprensione delle relazioni struttura-proprietà, il gran numero di diverse tecniche di lavorazione, ciascun materiale producendo con caratteristiche e la struttura differenti, significa che la comprensione degli effetti individuali di tutti gli aspetti della struttura non è completa. Il processo di replica, in cui il metallo fuso è infiltrato tra i granuli di materiale preforma amovibile, consente un marcatamente elevato grado di controllo ed è stato utilizzato con buoni risultati per chiarire alcuni di questi rapporti. Tuttavia, il processo ha molti passi che dipendono individuale "know-how", equesto documento si propone di fornire una descrizione dettagliata di tutte le fasi di una forma di realizzazione del presente metodo di lavorazione, utilizzando materiali e attrezzature che sarebbe relativamente facile da installare in un ambiente di ricerca. Lo scopo di questo protocollo e le sue varianti è quello di produrre schiume metalliche in modo efficace e semplice, dando la possibilità di adattare l'esito dei campioni modificando alcuni passaggi all'interno del processo. Seguendo questo, schiume di alluminio a celle aperte, con dimensione dei pori di 1-2,36 mm di diametro e 61% al 77% la porosità possono essere ottenuti.

Introduction

Schiume metalliche hanno attirato una grande quantità di interessi e di attività di ricerca in questi ultimi anni, come dimostra il grande corpo di lavoro citati in ampio respiro articoli di revisione, come Banhart 1, Conde et al. 2 o più recentemente Goodall e Mortensen 3. Tra i metodi utilizzati per la produzione del materiale, il processo di replica si distingue per la sua semplicità sperimentale e il grado di controllo sulla struttura finale di schiuma che può essere offerto. Occorre notare che, sebbene in letteratura tali materiali sono spesso descritti come schiume (e sono qui) in quanto non sono prodotte da bolle di gas all'interno di un liquido sono più appropriatamente chiamati metalli porosi o metalli microcellulari.

La prima relazione del processo di replica è stato nei primi anni del 1960 4, ed è stato ulteriormente sviluppato in diverse fasi da allora, con notevoli progressi da parte del gruppo di ricerca di Mortensen presso l'Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Svizzera.

Il processo si basa sulla colata del metallo intorno ad una preforma di particelle che definisce la forma della porosità nel materiale finale 2, 5. Dopo raffreddamento la preforma può essere rimosso mediante lisciviazione solvente o pirolisi che causa l'ossidazione. Un uso popolare di questa tecnica utilizza NaCl come supporto spazio per produrre alluminio o lega di alluminio 5-10 schiume 11-14. NaCl ha diversi vantaggi come essere facilmente accessibile, non tossico e può essere rimosso dalla schiuma per dissoluzione in acqua. Avendo un punto di fusione di 801 ° C, può essere usato con i metalli che hanno un punto di fusione inferiore a questo valore, più comunemente alluminio, ma esistono anche esempi di utilizzo con materiali come bicchieri bulk metalliche, da un mix di umidificazione lega di vetro massa metallica liquido a base di palladio e NaCl granuli 15. Sostituzione del NaCl con materiali punto di fusione più elevato consente anche la produzione di schiume di alto punto di fusione dei metalli 16. Questo può includere altri materiali idrosolubili, o quelli insolubili compresi diversi tipi di sabbia. In questa forma il processo diventa più simile a colata in sabbia convenzionale per rimuovere la sabbia, getti d'acqua ad alta pressione 17, 18 o forme diverse di lavaggio 19 o agitazione 20 sono obbligatori.

Il processo di base 21 procede prendendo grani di NaCl e metterli in uno stampo 4, 22, 23. Il metodo di base è stato utilizzato per rendere alluminio e leghe di alluminio schiume 24-26 per una vasta gamma di indagini comportamento schiuma. Sono state introdotte misure supplementari per controllare ulteriormente la densità e per aumentare l'interconnettività dei pori; questi includono la densificazione della preforma. Per densificare preforma, sinterizzazione è stato impiegato 27, 28 ed è stato utilizzato in esperimenti diversi dal 13, con il comportamento di sinterizzazioneNaCl in base alla temperatura, granulometria e densità descritto da Goodall et al. 29. Un altro metodo usato per questo scopo è isostatica a freddo (CIP) 5, 30; questa è una tecnica più veloce che può raggiungere un più ampio spettro di densità paragonabili. La procedura può anche essere eseguita allo stato solido con polvere di metallo e grani NaCl, e viene a volte chiamato sinterizzazione e Dissoluzione Processo 31.

Un'indagine completa dell'uso della tecnica replica finora e confronto con altre tecniche è dato in Goodall e Mortensen 3.

In questo lavoro si riportano in dettaglio equipaggiamento e protocolli sperimentali che sono stati utilizzati per la lavorazione di schiume metalliche con il metodo di replica, e che sono relativamente facili da implementare in un ambiente di laboratorio di ricerca. È importante riconoscere che altre varianti di un'attrezzatura, con esistono diverse capacità in altre ricerche gruppi, e che, mentre l'apparecchio qui presentato è adatto per elaborare il materiale, non è la sola versione o protocollo che può essere fatto funzionare. In ogni caso, una comprensione approfondita di un metodo particolare è essenziale per il successo sperimentale.

I protocolli precisi utilizzati sono di seguito dettagliati. Le variazioni di protocollo (A, B, C e D) hanno piccole modifiche tra loro, principalmente destinato ad alterare la densità delle schiume prodotte. La porosità è stata calcolata misurando la densità apparente dei campioni, il loro volume e la densità di alluminio (2,7 g / cm 3). Nello sviluppare i metodi descritti per la produzione di schiuma di alluminio dalla replica, sono stati fatti tentativi per ridurre la quantità di attrezzature avanzate al più piccolo quanto possibile, in modo tale che il metodo è facile da implementare possibile. Altre variazioni che possono essere utilizzati in diverse fasi sono discussi più avanti.

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Protocol

NOTA: Le istruzioni che seguono sono per Protocollo A (figura 1). Modifiche per il protocollo B, C, e D sono elencati pure.

1. Aluminum Bar Preparazione

  1. Posizionare un grande pezzo (500 g - 1 kg) di commerciale lingotto di alluminio di purezza in un crogiolo.
  2. Porre il crogiolo in un forno a 800 ° C per circa 1 ora, fino fusa.
  3. Prendere il crogiolo dal forno e versare l'alluminio fuso in uno stampo cilindrico di 50 mm di diametro, leggermente inferiore al diametro finale della camera da utilizzare per l'infiltrazione (51 mm) lasciando uno spazio di circa ½ mm.
  4. Attendere 1 ora per il bar si raffreddi.
  5. Rimuovere la barra dallo stampo.
  6. Utilizzando una sega a nastro, tagliare in 4 pezzi uguali dimensioni.
  7. Sand i bordi di ogni pezzo per garantire una buona misura nello stampo infiltrazioni.

2. Preparazione Furnace

  1. Programmare il forno per raggiungere un 740 & #176, plateau C per almeno 2 ore.
  2. Impostare la velocità di riscaldamento del forno a 20 ° C / min.

3. preforme Preparazione

NOTA: A seconda dell'altezza della schiuma auspicata, variare la quantità di NaCl da utilizzare per infiltrazioni tra 100 e 300 g.

  1. Scegliere l'infiltrazione NaCl da utilizzare, con un diametro corrispondente alla gamma di dimensioni dei pori richiesto (ad esempio un intervallo tra 1,4 mm e 1,7 mm). Il materiale può essere ottenuto da fornitori chimici in elevata purezza, o supermercato comprato sale da tavola può essere utilizzato (ad esempio materiale avrà additivi come iodio e antiagglomeranti, ma questi non fare in pratica influenza il processo in misura significativa).
  2. Selezionare setacci di un intervallo di dimensioni adeguate e impilare su un contenitore base con la dimensione più piccola apertura nella parte inferiore.
  3. Dal sacco di NaCl dei fornitori, richiede circa 500 g e versarlo nei setacci impilati.
  4. Agitare i setacci, Manualmente o mediante un setacciatore, per 1 min.
  5. Scartare il NaCl lasciato nel più ampio vaglio dimensione di apertura e il contenitore inferiore, il NaCl lasciato nel setaccio piccola apertura viene utilizzato per l'infiltrazione.
  6. Pesare la quantità di infiltrazione NaCl ottenuto.
  7. Se l'importo è insufficiente, ripetere i passaggi 3,4-3,7.
    NOTA: Per i protocolli B, C o D, ottenere 100 g di multa NaCl (<500 micron). Questo crea uno spazio aggiuntivo nello stampo per l'aria intrappolata nella preforma durante l'infiltrazione nel caso l'aria nella preforma non sfugge adeguatamente la camera.

4. Mold Preparazione

  1. Utilizzando carta vetrata e rotolo di carta da laboratorio, pulito il cilindro stampo (Figura 2), tenendo conto speciale per entrambi i bordi superiore e inferiore, e mantenendo lo stampo privo di impurità evidenti dalla precedente uso.
  2. Spruzzare l'interno del cilindro stampo con nitruro di boro spray aerosol, creando un rivestimento sottile stratoall'interno dello stampo.
    NOTA: Questo è ottenuto quando il colore originale dello stampo viene sostituito da uno strato bianco dello spray; non è necessario misurare la concentrazione specifica.
  3. Lasciate che il cilindro di stampo asciugare per almeno 5 minuti a temperatura ambiente (riscaldamento a circa 100 ° C per un massimo di 1 ora può essere applicato per ulteriori asciugatura se lo si desidera).
  4. Utilizzando carta vetrata fine, rimuovere qualsiasi residuo di nitruro di boro dai bordi del cilindro dello stampo, per migliorare la tenuta tra il cilindro stampo e lo stampo base.
    NOTA: I prossimi 3 passi sono per protocolli A e B; Protocolli per C e D tagliare un solo anello di guarnizione per il coperchio.
  5. Tagliare 2 anelli di guarnizione da 1 mm di spessore foglio di grafite (OD = 60 mm, ID = 51 mm), uno per l'unione tra il bordo superiore del cilindro stampo e il coperchio dello stampo porta al sistema di valvole, l'altra per l'unione tra il bordo inferiore del cilindro stampo e lo stampo base.
  6. Posizionare una delle guarnizioni nella scanalatura di base dello stampo.
  7. Posizionare il bottom del cilindro stampo nella scanalatura con la guarnizione.
  8. Premere leggermente con un martello sulla sommità del cilindro stampo per fissare il fondo alla scanalatura base.
    NOTA: Per il protocollo B, C, o D, aggiungere il seguente passo.
    1. Versare 100 g di multa NaCl (<500 micron) nel cilindro stampo e appiattire la parte superiore con una barra di alluminio tagliato toccando la cima leggermente con il martello per garantire la multa NaCl è imballato in una alta densità.
      NOTA: Per Protocollo D aggiungere il seguente passo.
    2. Tagliare 2 cerchi di Soft 2 mm di spessore Kaowool ceramica ricoprire le dimensioni del diametro dello stampo (51 mm) e metterli in cima alla multa NaCl, utilizzare la barra di alluminio tagliato e il martello per premerli contro la multa NaCl.
  9. Versare il NaCl da infiltrato nel cilindro stampo.
    NOTA: Per Protocollo D aggiungere il seguente passo.
    1. Attaccare lo stampo e la base di una tavola vibrante, assicurandosi cilindro stampo non si muove dalla scanalatura base. Vibrareper 1 min a 50 Hz con 0,01 m di ampiezza.
  10. Tenendo la parte superiore del cilindro in posizione, prendere la base e agitare leggermente finché la NaCl all'interno dello stampo forma una superficie piatta in alto.
  11. Posizionare la barra di alluminio preparato sopra della preforma NaCl.
  12. Inserire una guarnizione di grafite nella scanalatura del coperchio dello stampo.
  13. A mano avvitare i perni di acciaio inossidabile 4 alla base e fissarli con 4 serie di dadi in acciaio inox e rondelle sulla parte superiore della base con una chiave e posizionare il coperchio dello stampo sulla parte superiore del cilindro stampo attraverso le borchie.
  14. Con una chiave di coppia fissato a 16 N · m, avvitare le 4 set di dadi in acciaio e rondelle sulle 4 barre filettate avvitati nella base e che si estendono attraverso il coperchio, dove vengono serrati i dadi per bloccare il coperchio dello stampo in luogo.
  15. Fissare la parte superiore del coperchio per il sistema di valvola con la guarnizione, morsetto, bullone e dado a farfalla.
  16. Chiudere tutte le valvole del sistema.
  17. Aprire la valvola principale di tegli pompa a vuoto e lo stampo (valvola 3).
  18. Accendere la pompa a vuoto finché il comparatore del sistema valvolare indica la pressione più bassa possibile.
  19. Spegnere la pompa a vuoto.
  20. Se la perdita di vuoto nel sistema è inferiore a una velocità di 50 Torr / sec per il primo 10 sec dopo aver spento il vuoto pompare il sigillo è sufficientemente buona per l'infiltrazione.
  21. Lasciare la valvola coperchio aperto (valvola 3) per mantenere il sistema a pressione ambiente e chiudere la valvola di pompa a vuoto (valvola 1).
  22. Senza scollegare il sistema di valvola, posizionare lo stampo nel forno preriscaldato e attendere per 1 ora.

5. Infiltration

  1. Chiudere tutte le valvole del sistema (Figura 3).
  2. Aprire la valvola conduce alla bombola argon (valvola 2).
  3. Aprire la valvola principale sul serbatoio del gas argon e impostare la pressione di infiltrazione con la valvola di regolazione (per una gamma 1,4 mm a 1,7 mm di NaCl granulometria, utilizzare una pressione di 3,5 bar).
    NOTA: Per Protocollo B, viene usata una pressione di infiltrazione di 3 bar. Utilizzare una pressione di 1 bar per protocolli C e D.
  4. In modo rapido, aprire la valvola coperchio (valvola a 3).
  5. Dopo 1 minuto, togliere lo stampo dal forno e posizionarlo sopra di una superficie di raffreddamento (in questo caso un blocco di rame).
    NOTA: Durante il raffreddamento, la pressione nel sistema cambierà. Per i primi 5 minuti di questo processo, prestare attenzione alla pressione indicata dal regolatore e regolare torna alla pressione infiltrazioni se necessario.

Estrazione 6. Campione

  1. Dopo 30 minuti, quando lo stampo è abbastanza fresco da maneggiare con i guanti resistenti al calore della luce, staccare il sistema di valvole e posizionare la base stampo su una morsa banco di lavoro. Svitare il coperchio dalla parte superiore del cilindro.
  2. Con il coperchio leggermente toccare la parte superiore del cilindro stampo con un martello in una direzione perpendicolare alla presa della morsa per allentare il cilindro stampo dalla scanalatura base.
  3. Con il maglio toccare l'alluminio rimanente sopra del campione per spingerlo fuori dal cilindro stampo.
  4. Utilizzando una sega a nastro, tagliare la parte inferiore del campione di schiuma, eliminando l'alluminio avanzo.
  5. A seconda dell'altezza di schiuma desiderata, tagliare dove desiderato, vicino alla parte superiore del campione.
  6. Posizionare la schiuma infiltrata in un becher con acqua e una barra di agitazione magnetica su una piastra calda agitazione per sciogliere la preforma NaCl.
  7. Impostare la temperatura della piastra calda a 60 ° C. Cambiare l'acqua ogni 10 minuti fino a quando non vi è NaCl lasciato nella schiuma.
    NOTA: Per garantire non c'è NaCl lasciato nella schiuma, cambiare l'acqua di circa 10 volte. È anche possibile effettuare controlli periodici del peso campione dopo una breve fase di essiccazione. Quando questo cessa di cambiare significativamente con un'ulteriore immersione, il NaCl deve essere completamente rimosso.
  8. Infine con un elettricoaria più secca rimuovere tutta l'acqua rimasta nella schiuma. Il campione schiuma è pronta.

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Representative Results

In Figura 4 la morfologia dei grani NaCl può essere visto (angolare e sferica), per scopi illustrativi. Le schiume ottenute con protocollo A sono stati realizzati utilizzando grani di forma angolare e il resto sono stati realizzati con i grani sferici. È stato trovato che l'uso di forma diversa grani NaCl ha evidenziato alcun effetto della porosità ottenuta nei campioni.

Dai risultati si può determinare che i campioni a, b, e c (fornito con protocollo A), sono in media il 63% poroso (Figura 5), determinata dal loro peso massa e volume. Facendo modifiche alla tecnica, per esempio compresa la tasca di finissima NaCl in fondo, il processo permette di produrre schiume 5% più porose e permette la pressione infiltrazione essere abbassata (3,5-3 bar), questi sono campioni D, e ed f fornito con protocollo B (figura 6). L'unica differenza tra protocolli A e B è l'aggiunta dei fini NaCl in bassodella preforma.

Rimuovendo la guarnizione inferiore dello stampo infiltrazioni, come avviene nel protocollo C (figura 7), la pressione di infiltrazione richiesto può essere ulteriormente ridotto (da 3 a 1 ​​bar). Utilizzando questo metodo, campioni g, H e I sono state prodotte, che mostra anche un aumento del 5% della porosità. Nel protocollo C il motivo per l'utilizzo di 3 diverse dimensioni delle particelle di NaCl è quello di indagare alcun effetto sulla porosità, e dimostrare che, anche con questo cambiamento, la porosità ottenuto nelle schiume rimane molto simile e il cambiamento di dimensione delle particelle ha poco o nessun effetto sulla schiuma porosità rispetto all'effetto del protocollo utilizzato. Le schiume prodotte con protocollo C sono tre campioni separati, ciascuno realizzato con granulometria differente. L'insieme finale di campioni, j, k e l sono state effettuate utilizzando il protocollo D (Figura 8), facendo vibrare il NaCl da infiltrato, aumentando la densità della preforma, dando un grande salto dell'8% nelle porosità delle schiume. Osservazioni occasionali di un'infiltrazione senza successo sono che una certa regione o nelle regioni della preforma non sono adeguatamente infiltrati; sopra potrebbero verificarsi così come incapsulamento di diverse particelle di NaCl nel metallo infiltrazioni, causata principalmente da un'alta pressione di infiltrazione, impedendo all'acqua di filtrare l'NaCl out; questo è molto evidente quando c'è una grande goccia nel porosità apparente (superiore al 5%) in un campione di prodotti utilizzando una certa protocollo, anche se questo è un evento molto raro. Figura 9 mostra un campione non infiltrato a sinistra, un correttamente infiltrato campione nel mezzo e un campione sopra infiltrato sulla destra. Nella figura 10 la variazione della porosità modificando la pressione di infiltrazione può essere visto. Se viene applicata una pressione più elevata di infiltrazione, più alluminio viene forzato tra le sfere NaCl (la pressione più elevata permette la tensione superficiale da superare in misura maggiore, permettendo a lacune stretteessere riempito di metallo), in tal modo lo spazio rimanente diminuisce, diminuendo la porosità. Per controllare il risultato di un campione opportunamente infiltrato con questo metodo è più difficile rispetto a utilizza un protocollo diverso, dal momento che le pressioni a maggiore è il rischio di pori ostruiti nella schiuma aumenta notevolmente.

Per valutare il risultato di una produzione eseguire il primo indicatore di schiume correttamente infiltrati è la loro densità, un'altra sarebbe osservando l'esterno del campione; una schiuma completamente infiltrati è uniforme in tutta la sua struttura, se vi sono errori, sono molto evidenti (pori prevalentemente bloccati o zone non infiltrate); possono essere visti in Figura 11. I risultati finali di questa procedura sono riportati in Tabella 1.

Figura 1
Figura 1. Schiuma replica GeneRAL protocollo Steps.

Figura 2
Figura 2. Schema di progettazione dello stampo e schiuma Infiltration Immagine assemblato (scala metrica). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Schemi di laboratorio del Rig Foam Infiltration.

Figura 4
Figura 4. Morfologia del NaCl cereali (Sinistra: angolare 2-2,36 mm; Destra: sferici 1,4-1,7 mm).

Figura 5
Figura 5. I campioni protocollo A a, b, c sono realizzati in schiuma di alluminio 99,95% porosa aperto con un intervallo di dimensioni dei pori da 1,4 millimetri a 1,7 mm una porosità media di 63%, misura 51 millimetri di diametro 25,4 mm di altezza ( scala metrica). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Campioni Figura 6. protocollo B d, e ed f sono realizzati aperta poroso schiuma di alluminio 99,95% con un intervallo di dimensioni dei pori da 1,4 millimetri a 1,7 mm una porosità media del 66%, misura 51 millimetri di diametro 25,4 mm di altezza ( Scale Metric). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7. Protocollo C campioni g, H e I sono realizzati aperta poroso schiuma di alluminio 99,95% con un intervallo di dimensioni dei pori di 1 mm a 1,18 mm e 1,4 millimetri a 1,7 o 2 mm a 2,36 mm rispettivamente una porosità media di 70 %, misura 51 millimetri di diametro e 25,4 millimetri di altezza (scala metrica). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8. Protocollo D campioni j, k un dl sono realizzati in schiuma di alluminio 99,95% porosa aperto con una gamma di dimensioni dei pori di 1,4 mm a 1,7 millimetri, una porosità media del 76%, misura 51 millimetri di diametro e 25,4 millimetri di altezza (scala metrica). Cliccate qui per visualizzare un grande versione di questa figura.

Figura 9
Figura 9. effetto della pressione Infiltrazione delle schiume (Sinistra: Non-infiltrazione; Middle: Infiltrazione corretta; Destra: Sopra Infiltration). (Scala metrica) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 10. Replica Foam porosità Variation da infiltrazione Pressure Change utilizzando solo il protocollo A.

Figura 11
Figura 11. Errori evidente nelle varianti prodotte con questo metodo (A sinistra: trasversale immagine; a destra: immagine a lato) (scala metrica). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Protocollo Campione Dimensione delle particelle (mm) Porosità (%)
La un 1,4-1,7 63.45
La b 10,4-1,7 62.98
La 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 Io 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

Tabella 1. replicati caratteristiche del campione di schiuma, porosità ottenuto e dimensioni preforme utilizzate.

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Discussion

Il metodo di base qui descritto è stato usato in diverse forme di altri ricercatori. Alcune delle varianti chiave che permettono schiume di tipo diverso da creare sono discussi. Nel caratterizzare queste schiume abbiamo misurato la porosità, in quanto si tratta di una valutazione veloce e facile da fare, ma la caratterizzazione di altre caratteristiche strutturali, come la dimensione dei pori, superficie specifica o puntone spessore potrebbe essere richiesto per ottenere una piena comprensione delle caratteristiche di schiuma per diverse applicazioni. In pratica, per la produzione di schiume di replica, la dimensione dei pori è ben controllata dalla grandezza delle particelle di NaCl utilizzato, e collegamenti tra questa, la densità e le altre caratteristiche strutturali può essere fatto.

Preforme addensato

In questo presente contributo abbiamo descritto una preforma NaCl che è fatta da ribaltamento grani NaCl in una camera. Mentre, come discusso, un certo grado di controllo sulla density può essere ottenuto facendo vibrare il campione, i resti accessibili gamma piuttosto limitato, a causa del numero limitato di imballaggio frazioni di NaCl che può essere raggiunto. Per produrre schiume di elevata porosità, la densità della preforma può essere aumentata tramite compattazione meccanicamente (ad esempio in Cold Isostatic Pressing di preservare la struttura isotropa), o per sinterizzazione in cui densificazione è guidato dalla riduzione dell'area superficiale. Entrambi questi metodi ci si aspetterebbe di essere più efficace per le piccole dimensioni delle particelle di NaCl (sub millimetrica), come grani più piccoli sono meno suscettibili di crack e avere una superficie più ampia in rapporto al volume. Poiché la dimensione dei pori utilizzato negli esperimenti descritti in questo documento è più grande, e sia processo richiederebbe apparecchiature aggiuntive, con la messa a fuoco su un processo semplice e facile da implementare, non sono stati utilizzati.

Preforme sagomati

In Goodall e Mortensen 14 un metodo viene introdottocontrollare la dimensione dei pori e la forma oltre che è possibile utilizzando singoli grani NaCl. In questo metodo polvere fine NaCl viene miscelata con un legante (per semplicità, farina e acqua può essere utilizzato), poi modellato nella forma desiderata prima di un trattamento termico viene utilizzato per rimuovere termicamente legante. Sebbene non sia sperimentalmente complesso, questo metodo non è stato utilizzato in esperimenti in quanto non è essenziale per produrre una schiuma e richiede un controllo più preciso alquanto pressione per garantire la porosità scala fine nella preforma sé non è infiltrato.

Preforme alternativi per NaCl

Sebbene NaCl mostra molte caratteristiche desiderabili come materiale preforma (tra cui la temperatura di fusione relativamente alta, elevata solubilità in acqua e la bassa tossicità e costo), non è sempre adatto. Un caso particolare è quando superiori metalli punto di fusione devono essere trattati, e in questa situazione può essere sostituito con altri materiali, come alumin sodiomangiato 16. Questi materiali migliorano la capacità di temperatura, ma sono generalmente più costosi e difficili da sciogliere, e non sono necessari per elaborare schiume da metalli relativamente basso punto di fusione, come l'alluminio, il metallo più comune da cui sono fatti schiume.

Muro freddo / camere di pressione parete fredda parziali

Per infiltrarsi metallo in preforme dimensione delle particelle più fini, per produrre schiume dimensione dei pori più piccoli, saranno necessarie pressioni superiori. Il dispositivo di prova descritto in questo lavoro è adatto per l'uso fino a 6 atm di pressione, ma la pressione viene aumentata la probabilità di perdite dalle guarnizioni sale. Questo può essere risolto da disegni alternativi di camera di pressione, in cui le regioni sigillati sono separati dalla zona riscaldata, normalmente protetta da acqua di raffreddamento. Mentre la capacità di questo materiale superiore a quella qui descritta, la progettazione e la fabbricazione è molto più complessa, e quindi non è stato implemENTED in questa versione.

Caratteristiche di questa forma di realizzazione del processo di

Mentre colata dell'alluminio fuso nello stampo bar, un difetto tubo formerà in alto, a causa di solidificazione ritiro. I migliori risultati si ottengono con lingotti completamente solidi, quindi questa parte devono essere eliminate o riciclati.

Si è trovato che, affinché il processo funzioni, la tenuta tra il metallo fuso e la parete dello stampo deve essere buona (altrimenti argon ignorerà il metallo e si verificherà alcuna infiltrazione). Per questa ragione quando si applica pressione infiltrazione di 3 bar o superiore, i migliori risultati si ottengono con una grande quantità di alluminio, sufficiente per riempire lo stampo, anche se lo scopo è ottenere brevi schiume, in quanto questo aumenta la pressione del metallo liquido intorno lo stampo nella parte superiore della preforma e migliora la tenuta. Un piccolo spazio di mezzo centimetro è stato trovato per essere l'altezza ideale tra la p alluminioIECE e il coperchio dello stampo per l'attrezzatura corrente. Per pressioni infiltrazione di 2,5 bar o meno la dimensione del gap è irrilevante, la sola quantità di alluminio è necessaria la sufficiente a riempire completamente la preforma.

Per serrare i dadi dei perni utilizzare un modello di stella (serraggio coppie contrapposte in modo graduale) per assicurare che la pressione intorno la guarnizione è pari e una guarnizione viene ottenuta. Per evitare danni alle valvole di chiusura, questa viene sempre eseguita manualmente.

Di tanto in tanto, ci possono essere difetti o regioni di scarsa infiltrazione. Questi hanno più probabilità di formare sul fondo, in cui il metallo fuso deve viaggiare lontano, o in alto, in prossimità dell'interfaccia con il metallo denso. Pertanto la parte più consistente del campione è al centro della regione occupata dalla preforma NaCl. Le parti superiore e inferiore della schiuma possono essere asportate ed scartati. Quando occorre tagliare la schiuma per produrre un campione, è meglio farlo ingegnoh NaCl ancora presenti in essa. Se i tagli vengono effettuati dopo lisciviazione, ove si esegue il taglio, danneggerà e bloccare la struttura della schiuma. Dove taglio del campione dopo è necessaria lisciviazione, un metodo efficace è quello di utilizzare una tecnica non carico, come elettroerosione (EDM, chiamato anche elettroerosione).

Ci sono molte variabili del processo che possono essere modificati per effetto diverso, ma al fine di modificare la porosità variabili di controllo più adatti sono sia la densità preforma o la pressione infiltrazioni utilizzato.

Lo scopo di utilizzare diversi protocolli (A, B, C e D) è quello di produrre schiume con diverse porosità, dal 61% al 77%. Applicazione Protocollo Un produce campioni con il 63% di porosità in media; Protocollo B produce campioni con il 66% di porosità; Protocollo C produce campioni con il 70% di porosità e protocollo D produce campioni con il 76% di porosità. Aggiungendo fini NaCl sul fondo dello stampo in protocolliB, C e D crea un rifugio per l'aria intrappolata nella preforma durante l'infiltrazione se l'evacuazione della camera non è perfetta. Il NaCl essendo molto più fine resisterà infiltrazione di alluminio fino a raggiungere pressioni elevate, assicurando che la preforma è completamente infiltrato. Senza questo l'aria presente viene compressa, non eliminati e indesiderati porosità aggiuntivo sarà presente, molto probabilmente come regioni uninfiltrated. Protocolli C e D sono stati sviluppati per consentire l'infiltrazione da raggiungere con pressioni molto basse. Per i campioni rappresentati in figura 6 una diversa granulometria preforma è stato usato, si può notare che questo cambiamento non ha un effetto significativo rispetto al protocollo usato.

Non utilizzando la guarnizione inferiore in protocolli C e D un piccolo flusso di gas attraverso la parte inferiore dello stampo è possibile, il che significa che il gas intrappolato dalla preforma può essere evacuato senza dover essere compresso a pressioni più elevate. Sequesto è stato fatto senza fini NaCl poi alluminio possono anche essere costretti fuori, ma questo strato resiste alla penetrazione di dell'alluminio liquido a pressioni applicate eviterà fuga alluminio.

Nel protocollo D, facendo vibrare la preforma, una schiuma porosità superiore può essere raggiunto; circa 9-10% più poroso rispetto al protocollo C. Questo accade poiché i grani di NaCl nella preforma sono più vicini, lasciando meno spazio per essere riempito da alluminio. La lastra ceramica viene aggiunto nel protocollo D per prevenire fini NaCl da mescolare infiltrazioni NaCl durante la vibrazione, nessun effetto significativo è stato trovato in prodotti finali quando si aggiunge il foglio ceramica protocollo C.

La limitazione principale per la tecnica di lavorazione schiuma descritta è la porosità delle schiume; il più basso finora raggiunto con l'impianto di perforazione e protocolli descritti sono circa il 61% e il più alto vicino al 77%. Tuttavia è un economico e facile da usare la tecnica rispetto ametodi più complessi e costosi come microfusione, sinterizzazione o additivo fabbricazione. Un'altra limitazione è metalli che possono essere utilizzate; qualsiasi metallo avente un punto di fusione troppo vicino o superiore al punto di fusione NaCl (801 ° C) non può essere infiltrati di questo preforma. Alluminio, magnesio e stagno sono stati elaborati usando questa tecnica.

Attrezzature e diversi protocolli di successo per la produzione di schiume di alluminio sono presentati in dettaglio. Usando questo metodo è possibile creare alluminio aperte schiume unicellulari con porosità di 61-77% (corrispondenti alla densità nell'intervallo 1.053 a 621 kg / m 3) e con dimensione dei pori nella gamma di diametro 1-2,36 mm. Inoltre, è noto che con variazioni nelle condizioni utilizzate, alcuni di loro relativamente minore, questi intervalli possono essere estesi in modo significativo, e altre variabili, come la forma dei pori possono essere cambiati. La tecnica di replica è molto adatto per l'uso in laboratorio di ricerca per meproduzione di schiuma tal.

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Acknowledgments

L'autore corrispondente ringrazia Consiglio nazionale del governo messicano di Scienze e Tecnologie CONACYT per la fornitura di una borsa di studio.

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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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).

Casting protocolli per la produzione di cellule aperte alluminio Schiume dalla tecnica di replica e l&#39;effetto sulla porosità
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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).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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