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Engineering

気孔率に複製技術とエフェクトでオープンセルアルミフォームの製造のためのプロトコルのキャスト

doi: 10.3791/52268 Published: December 11, 2014

ERRATUM NOTICE

Abstract

金属フォームは、ビューの基本的な理解と実践的なアプリケーションポイントの両方から興味深い材料である。用途が提案され、多くの場合、身体にインプラントとして、高表面積の熱交換器または電極として、軽量または構造衝突エネルギー吸収のために、実験的に検証され、および多くされている。大きな進歩は、それらの構造 - 特性の関係を理解し​​てなされたものであるが、異なる処理技術の大多数は、異なる特性および構造をそれぞれ生成する材料は、構造のすべての側面の個々の効果の理解が完全でないことを意味する。溶融金属は、取り外し可能なプリフォーム材の粒子間に浸透さ複製プロセスは、制御著しく高度を可能にし、これらの関係の一部を解明するために良い効果に使用されてきた。それにもかかわらず、プロセスは、個々の「ノウハウ」に依存している多くのステップがあり、そしてこの論文は、研究環境で設定することが比較的容易であろう材料及び装置を用いて、この処理方法の一実施形態のすべての段階の詳細な説明を提供することを目的とする。このプロトコルおよびその変異体の目的は、プロセス内の特定のステップを変更することにより、サンプルの結果を調整する可能性を与え、効果的かつ簡単な方法で、金属発泡体を製造することである。これに従うことによって、1〜2.36ミリメートルの直径と77%の気孔率の61%の細孔径を有する気泡アルミニウム発泡体を得ることができる。

Introduction

広いなどBanhart 1とレビュー記事を至るまでに引用された作品の大きな体で示したように、金属発泡体は、近年関心と研究努力を大量に集めて、コンデ 2以上最近グドールとモーテンセン3。材料の製造に用いる方法のうち、複製プロセスは、その実験的単純さと提供することができる最終的な発泡体構造の制御の程度によって区別される。それは彼らが、彼らがより適切に、多孔質金属またはマイクロセルラー金属と呼ばれる液体内のガスの気泡によって生産されていないとして文献にそのような材料は、多くの場合、発泡体として記述(とここにいる)しているがあることに留意されたい。

複製プロセスの最初の報告書は、1960年代初頭4にあった、それはエコールポリテックでモーテンセンの研究グループによる顕著な進歩と、それ以来、様々な段階でさらに開発されましたスイスhniqueルガノローザンヌ。

プロセスは、プリフォームは、酸化を起こす溶媒浸出又は熱分解によって除去することができる冷却した後、最終的な材料2,5に多孔性の形状を規定する粒子のプリフォームの周りの金属の鋳造に依存している。この技術の一般的な使用は、アルミニウム5-10またはアルミニウム合金発泡体11-14を産生するためのスペースホルダーとしてNaClを用いる。 NaClのような、非毒性の、容易にアクセス可能で、水に溶解することによって発泡体から除去することができるなど、いくつかの利点を有する。 801℃の融点を有することによって、アルミニウム、最も一般的に、この値よりも低い融点を有する金属を用いることができるが、実施例はまた、ミックスを加湿することにより、そのようなバルク金属ガラスのような材料との使用に存在する液体パラジウム系バルク金属ガラス合金及びNaClが15の顆粒。高融点材料と、NaClの置換はまた、ページを許可高融点金属16から発泡体のroduction。これは、他の水溶性材料、または砂の異なるタイプを含む不溶性のものを挙げることができる。この形態では、プロセスはより砂、高圧水ジェット17、18、または異なる洗浄液19の形態又は20が必要とされる攪拌を除去するように、従来の砂型鋳造のようになる。

本質的なプロセスのNaCl粒子を取り、金型内に配置することによって21に進み、4、22、23。基本的な方法は、発泡挙動調査広範囲のアルミニウム及びアルミニウム合金発泡体24-26を作るために使用されてきた。追加のステップは、さらに密度を制御するために、孔の相互接続性を高めるために導入されている。これらは、プリフォームの緻密化を含む。プリフォームを緻密化するために、焼結が27採用されている、28の焼結挙動と、13が異なる実験で使用されているNaClがグドールによって記載さ温度、顆粒のサイズおよび密度に基づく。29。この目的のために使用される別の方法は、冷間静水圧プレス(CIP)5、30である。これは、同程度の密度の大きいスペクトルを達成することができます速い手法である。手順は、金属粉末およびNaCl粒子と固体状態で行うことができ、その後、時には焼及び溶解プロセス31と呼ばれている。

日付および他の技術との比較の複製技術の使用の完全な調査はグドールとモーテンセン3に示されている。

本研究では、詳細な機器および複製法により、金属発泡体の処理のために使用されている実験プロトコルに報告し、研究室設定で実施するのが比較的容易である。別の機能が他の研究グラムに存在するとそれは、機器の他のバージョンを認識することが重要ですroups、そしてここで提示装置は、材料を処理するのに適している、それが唯一のバージョンまたは動作させることが可能なプロトコルではないこと。いずれの場合においても、任意の特定の方法の完全な理解は、実験の成功に不可欠である。

使用される正確なプロトコルは、以下に詳述する。プロトコルのバリエーション(A、B、CおよびD)は、主に製造されたフォームの密度を変化させることを意図し、それらの間に小さな変化を有する。気孔率は、バルク試料の重量、その体積及びアルミニウム(2.7グラム/ cm 3)での密度の測定値から計算された。複製によってアルミニウムフォームの製造について記載した方法を開発する試みは、方法は、可能な限り実現するのに簡単であるように、最小の可能な限り高度な機器の量を低減する試みがなされている。異なる段階で使用することができる他の変形例は後述される。

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Protocol

注:以下の手順は、プロトコールA( 図1)のためのものです。プロトコールB、C、Dのための変更も同様に記載されています。

1.アルミバーの準備

  1. 坩堝に商用純度アルミインゴットの - 大部分(1キロ500グラム)を配置します。
  2. 溶融するまで、約1時間800℃で炉内のるつぼを配置します。
  3. 炉から坩堝を取り、約1/2程度の隙間を与える浸透に使用されるチャンバの最終的な直径よりも僅かに小さい直径50mm、(51 mm)である円筒状の金型内に溶融アルミニウムを注ぐ。
  4. バーが冷却するために1時間待ってください。
  5. 金型からバーを取り外します。
  6. バンドソーを用いて、4同じサイズのピースにカット。
  7. 砂各ピースのエッジは浸潤型で良好な適合性を確保する。

2.炉の準備

  1. プログラム740&#に到達するための炉176;少なくとも2時間のためのC高原。
  2. 20℃/分の加熱炉の加熱速度を設定する。

3.リフォームの準備

注:を目的の泡の高さに応じて、100グラムと300グラムとの間の浸透のために使用する塩化ナトリウムの量を変化させる。

  1. 直径が(1.4ミリメートルと1.7ミリメートルの間の範囲など)に必要な細孔径範囲に対応して、NaClを使用するための浸潤を選択する。材料は、高純度化学薬品供給業者から入手することができる、またはスーパーマーケット(このような材料は、例えばヨウ素及び固化防止剤等の添加剤を有することになるが、これらは実際にはかなりの程度まで、プロセスに影響を与えない)食卓塩を使用することができる購入した。
  2. 適切なサイズ範囲のふるいを選択し、下部の小さい開口サイズを有するベース容器にスタック。
  3. のNaClのサプライヤーの袋から、約500グラムを取ると、積み重ねられたふるいでそれを注ぐ。
  4. ふるいを攪拌手動または1分間、ふるい振とう機を用いて。
  5. より大きな開口サイズのふるいと下部容器に残っのNaClを捨て、NaClが浸透するために使用される小さい開口のふるいに残っ。
  6. 得られた浸潤のNaClの量を秤量する。
  7. 量が不十分であれば、繰り返しは3.7に3.4を繰り返します。
    注:プロトコルB、​​CまたはDの場合は、罰金のNaCl(<500ミクロン)の100グラムを得る。これはプリフォーム内の​​空気が十分室をエスケープしていない場合には、浸潤の間にプリフォームに閉じ込められた空気のために金型内の余分なスペースを作成します。

4.モールドの準備

  1. サンドペーパーや実験ロール紙を使用して、金型シリンダ( 図2)を清掃し、上端と下端の両方に特別の配慮を考慮し、以前の使用からの顕著な不純物を含まない金型を保持する。
  2. 薄いコート被覆を作成する、窒化ホウ素エアゾールスプレー金型シリンダの内部にスプレー金型の内側。
    注:金型の元の色がスプレーの白色層で置き換えられるときに達成される。それは、その特定の濃度を測定する必要はない。
  3. (必要に応じてさら​​に乾燥するために適用されるまでの1時間、約100℃に加熱)、室温で少なくとも5分間モールドシリンダー乾燥させる。
  4. 細かいサンドペーパーを用いて、金型シリンダとモールドベースとの間のシールを改善するために、金型シリンダの端部から窒化ホウ素の残留物を除去する。
    注:次の3つのステップは、プロトコルAとBのためのものです。プロトコルCとDのために蓋のための唯一の1ガスケットリングをカット。
  5. 労働組合のために他の1ミリメートルの厚さのグラファイトシートから2ガスケットリング(OD = 60ミリメートル、ID = 51ミリメートル)、金型シリンダーの上端とバルブシステムに至るまでの金型の蓋の間に労働組合のための1つを、カット金型シリンダの下端とモールドベースの間である。
  6. モールドベースの溝にガスケットの1を置きます。
  7. ボットを配置ガスケット溝に金型シリンダのオム。
  8. ベース溝にボトムを固定するための金型シリンダーの上に木槌で軽くタップします。
    注:プロトコルB、​​C、またはDの場合には、以下のステップを追加します。
    1. 金型シリンダーに罰金のNaCl(<500ミクロン)の100グラムを注ぎ、細かいNaClを高密度にパックされていることを確認するために木槌で軽く、その上をタップしてアンカットアルミ棒でトップを平らに。
      注:プロトコルDの場合は、次の工程を追加します。
    2. 細かいNaClに対してそれらを押してアンカットアルミバーと木槌を使用し、金型の直径(51ミリメートル)のサイズを覆い、ファインのNaClの上にそれらを配置ソフト2mm厚のセラミックカオウールの2円をカットします。
  9. 金型のシリンダーに浸透されるNaClを注ぐ。
    注:プロトコルDの場合は、次の工程を追加します。
    1. ベース溝から移動しないことを確認し、金型シリンダーを作る、振動台に金型とベースを取り付けます。振動する0.01メートルの振幅で50 Hzで1分間。
  10. 所定の位置にシリンダーの上部を持ち、ベースをピックアップし、金型内部のNaClを一番上に平らな表面を形成するまで軽く振る。
  11. NaClのプリフォームの上に準備されたアルミニウム棒を置きます。
  12. 金型の蓋の溝にグラファイトガスケットを置きます。
  13. 手でベースに4ステンレス鋼スタッドをネジとレンチを使用してベースの上にステンレス製のナットとワッシャーの4セットでそれらを確保し、スタッドを通じて金型シリンダーの上に金型の蓋を置く。
  14. トルクレンチは16 N·mとに設定すると、4スレッドのロッドベースにねじ込まとナットが所定の位置に金型の蓋をロックするために締められる蓋、通って延長上のスチールナットとワッシャーの4セットネジ。
  15. ガスケット、クランプ、ボルトと蝶ナットとバルブシステムへの蓋の上部に取り付けます。
  16. システムのすべてのバルブを閉じます。
  17. トンにつながるバルブを開け彼真空ポンプとモールド(バルブ3)。
  18. バルブシステムのダイヤルゲージが可能な最低圧力を示すまで真空ポンプの電源をオンにします。
  19. 真空ポンプの電源を切ります。
  20. システム内の真空の損失は、シール、真空ポンプを停止した後の最初の10秒間、50トル/秒の速度よりも低い場合浸潤のために十分に良好である。
  21. 周囲圧力でシステムを維持し、真空ポンプバルブ(バルブ1)を閉じるための蓋開放弁(バルブ3)を残す。
  22. バルブシステムを取り外すことなく、予熱した炉内に金型を配置し、1時間待つ。

5.浸透

  1. システム( 図3)のすべてのバルブを閉じます。
  2. アルゴンガスシリンダー(バルブ2)に通じるバルブを開きます。
  3. アルゴンガスタンクのメインバルブを開き、調整弁と浸透圧を設定(NaClの粒径の1.7ミリメートルまで1.4ミリメートルの範囲のために、3.5バールの圧力を使用してください)。
    注:プロトコルBは、3バールの浸透圧が使用されている。プロトコルCとDの1バールの圧力を使用してください
  4. SWIFTようにして、蓋バルブ(バルブ3)を開きます。
  5. 1分後、炉から鋳型を除去し、(この場合は銅ブロック)の冷却面の上に置く。
    注:冷却しながら、システム内の圧力が変化します。このプロセスの最初の5分間、レギュレータ示す圧力に細心の注意を払い、必要に応じて、浸透圧に戻って調整する。

6.サンプル抽出

  1. 金型は光耐熱手袋で処理するのに十分クールだ30分後、バルブシステムを切り離し、作業台の万力でモールドベースを置く。シリンダーの上部から蓋を外します。
  2. 蓋をオフにして、軽くベース溝から金型のシリンダーを緩め万力のグリップに垂直な方向のマレットでの金型シリンダーの上部をタップします。
  3. マレットでは金型のシリンダーの外にそれをプッシュするために、サンプルの上に残ったアルミニウムをタップします。
  4. 帯鋸を使用して、余剰のアルミニウムを除去すること、フォーム試料の底部を切断する。
  5. 必要な泡の高さに応じて、サンプルの上に近く、どこに目的のカット。
  6. 水を入れたビーカー及びNaClのリフォームを溶解させる撹拌しながらホットプレート上で磁気攪拌棒に浸潤泡を置きます。
  7. 60℃にホットプレートの温度を設定します。フォームに残ってないのNaClがなくなるまで水に10分ごとに変更します。
    注:NaClをフォームに残ってないが、約10倍の水を変更がないことを確認する。これは、短い乾燥工程後の試料の重量を周期的にチェックすることも可能である。これはさらに、浸漬によって大きく変更することなくなったときは、NaClを完全に除去しなければならない。
  8. 最後に電気を使用して空気が乾燥フォームに残ってすべての水を除去。フォームサンプルは準備ができています。

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Representative Results

図4中のNaCl粒子の形態は、例示の目的のために、(角度 ​​および球状)を見ることができる。プロトコルAで得られた発泡体は、角形状の粒子を使用して作製された、残りは球状粒子を用いて作製した。これは、異なる形状のNaCl粒子の使用は、試料で得られた多孔性に何ら観察された効果がなかったことが分かった。

結果から、我々は、サンプルが(プロトコルAで作られた)、a、b及びc、嵩重量および体積から求めた平均63%の多孔性( 図5)にあると判断することができる。技術に変更を加えることによって、底部に微細な、NaClのポケットを含む、例えば、5%以上の多孔質発泡体を製造するためのプロセスを可能にし、これらのサンプルは、dがある(3.5〜3バール)浸透圧が低下することができ、 eおよびfプロトコールBで作られた( 図6)。プロトコルAとBとの間の唯一の違いは、底部に微細なNaClの添加であるリフォームの。

プロトコルC( 図7)で行われるように、浸透型の底部ガスケットを除去することにより、必要な浸透圧は、(3から1バール)をさらに低減することができる。この方法を使用して、サンプルgは、hおよびiはまた、気孔率が5%の増加を示し、製造した。プロトコルC中のNaCl粒子の3つの異なるサイズを使用する理由は、多孔性に影響を調査し、さらに、この変化に、それを実証することで、発泡体で得られた多孔性は、非常に類似したままであり、粒径の変化は全く効果がほとんどない発泡体の多孔性に使用されるプロトコルの効果と比較した場合。プロトコルCで製造されたフォームは、異なる粒子サイズで作らそれぞれ3つの別々のサンプルである。サンプルを、jは、kおよびlの最終セットは、発泡体の空隙率は8%の大きなジャンプを与え、プリフォームの密度を増加させる、浸潤するNaClを振動させることにより、プロトコルD( 図8)を用いて行った。 失敗した浸潤の臨時の観測は、プリフォームの特定の領域または領域が適切に浸透していないことである。浸潤を介してこのような金属によるいくつかのNaCl粒子のカプセルとして、同様に発生する可能性があり、塩化ナトリウムを浸出水を防止する、高浸透圧によって主に引き起こされる。これは非常に稀であるが、サンプル中の見掛け気孔率(5%超)の大きな低下は、特定のプロトコルを使用して製造さがある場合に、これは非常に明白である。 図9は、左側の非浸潤サンプルを示しあり、a適切にミドルと右のオーバー浸透させ、試料中のサンプルに潜入。 図10に浸透圧を変更することにより、気孔率の変化を見ることができる。高い浸透圧が印加されると、より多くのアルミニウムがNaClの球の間に強制される(より高い圧力がに狭いギャップを許容する、表面張力が大きい程度に克服することができ残りの空き領域が多孔性を低下させる、減少させるため、)金属で充填される。より高い圧力に大きく発泡増加ブロックさ細孔の危険性があるので、異なるプロトコルを使用して比較した場合、この方法により適切に浸潤したサンプルの結果を制御することはより困難である。

生産の結果が適切に浸透させた発泡体の第一の指標を実行する評価するためには、それらの密度であり、もう一つは、サンプルの外側を観察することになる。完全に浸透された発泡体は、エラーがある場合、それらは(ほとんどがブロックされ、細孔または非浸潤ゾーン)極めて顕著であり、そのすべての構造において均一である。これらは図11に見ることができる。この手順の最終結果は、 表1に示す。

図1
図1.フォームレプリケーションジーンRALプロトコル手順。

図2
図泡浸透型と組み立ての画像(メートルスケール)の2。設計回路図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図泡浸透リグの3研究所回路図。

図4
図4. NaClの粒(左の形態:角2〜2.36ミリメートル;右:球面1.4〜1.7ミリメートル)。

図5
図5.プロトコルAサンプルは、b、cは(直径51ミリメートル、高さ25.4 mmの、1.4ミリメートルから1.7ミリメートル、63%の平均気孔率、細孔径範囲に開放多孔99.95%のアルミニウム発泡体で形成されているメトリックスケール)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
図6.プロトコルBサンプルeおよびfは、(直径51ミリメートル、高さ25.4 mmの、1.4ミリメートルから1.7ミリメートル、66%の平均気孔率、細孔径範囲の開孔99.95%のアルミニウム発泡体で作られ、dはメトリックスケール)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図7
図7のプロトコルCサンプルgは、hおよびiは1.18ミリメートル1mmの細孔径範囲の開孔99.95%のアルミニウム発泡体で作られ、1.7ミリメートル、1.4 mmでそれぞれ2ミリメートル2.36ミリメートル、70の平均気孔率%、直径51ミリメートル、高さ(メートルスケール)で25.4ミリメートルを測定する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図8
図8.プロトコルDサンプルjは、k個のAN DLは、直径51ミリメートル、高さ(メートルスケール)で25.4ミリメートルを測定し、1.7ミリメートル、76%の平均気孔率に1.4ミリメートルの細孔サイズ範囲で開いた多孔99.95%のアルミニウム発泡体で作られています。 表示するには、こちらをクリックしてくださいこの図の拡大版。

図9
図発泡上の浸透圧の9.効果(左:非浸潤、中東:正しい浸透右:浸透オーバー)。(メートルスケール) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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唯一のプロトコルAを使用して複製泡気孔率変動浸透圧変化による図10.

図11
図この方法により製造された発泡11.目立つエラー(左:トランスバーサル画像右:側のイメージ)(メートルスケール)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

プロトコル サンプル 粒子サイズ(mm) 空隙率(%)
A A 1.4から1.7 63.45
A B 10.4から1.7 62.98
A 1.4から1.7 63.09
B D 1.4から1.7 66.33
B 電子 1.4から1.7 66.21
B F 1.4から1.7 66.08
グラム 1から1.18 69.96
H 1.4から1.7 70.03
2から2.36 70.75
D J 1.4から1.7 76.20
D K 1.4から1.7 75.69
D L 1.4から1.7 76.56

表1。 複製フォーム試料特性、気孔率を得るプリフォームのサイズが使用される。

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Discussion

ここで説明する基本的な方法は、他の研究者によって様々な形態で使用されてきた。異なるタイプの発泡体を作成することを可能にする重要な変異体のいくつかは、議論されている。これらの発泡体の特性を、我々はこのような細孔サイズ、比表面積や厚さは、発泡体の特性の完全な理解を得るために必要とされるかもしれない支柱のような他の構造特性を迅速かつ簡単にできるように、評価が、特徴付けのように、気孔率を測定した異なるアプリケーションのために。実際には、複製によるフォームの製造のための、孔のサイズは、使用のNaCl粒子サイズにより良好に制御されており、この間のリンクは、密度および他の構造的特徴を作ることができる。

緻密化されたプリフォーム

この現在の貢献では、チャンバ内にNaClの粒を傾けることによって行われるNaClのプリフォームを記載している。説明したように、一方、高密度化の制御のある程度tyが原因達成することができるのNaCl充填画分の限られた範囲に、アクセス可能な範囲が残るのではなく限定サンプルを振動させることにより達成することができる。高い気孔率の発泡体を製造するためには、プリフォームの密度は(等方性構造を維持するために押すと冷間静水圧でなど)、または高密度化は、表面積の減少によって駆動される焼結することによって機械的に圧縮することによって増加させることができる。これらの方法の両方は、より小さな粒子が割れにくくており、体積比に大きな表面積を有するように、小さいのNaCl粒子サイズ(サブミリメートル)のためのより効果的であることが予想される。簡単かつ容易に実施されるプロセスに焦点を当て、この論文に記載される実験で使用される細孔の大きさが大きくなり、いずれかのプロセスは、追加の機器を必要とするように、それらが使用されていない。

形のプリフォーム

グドールとモーテンセン14において、本方法は、に導入され、細孔サイズを制御し、単一のNaCl粒を用いて可能であるよりもさらに形作る。この方法では、微細なNaClの粉末は、熱処理が、熱バインダーを除去するために使用される前に、所望の形状に成形バインダー(簡略化のために、小麦粉と水を使用することができる)と混合される。実験的に複雑ではないが、それは、泡を生成するために必須ではなく、それ自体が浸透されていないプリフォームの微細スケールの多孔性を確保するためにいくらかより正確な圧力制御を必要とするため、この方法は、実験で使用されていない。

NaClの代替プリフォーム

NaClを(比較的高い溶融温度、水及び低毒性及びコストへの溶解性の高い程度を含む)、プリフォーム材として多くの望ましい特徴を表示するが、それは必ずしも適切ではない。高融点金属が処理されるときにある特定の場合であり、このような状況では、ナトリウムALUMINなどの他の材料で置き換えることができる16を食べた。これらの材料は、高温性能を改善するが、一般的に溶解するのに高価で挑戦的であり、例えば、アルミニウム、発泡体が作られる最も一般的な金属のような比較的低融点金属から発泡体を処理するために必要とされない。

コールドウォール/部分冷壁圧力室

より小さい孔径のフォームを製造するために、より細かい粒度リフォームに金属を浸透させるために、より高い圧力が必要となる。この研究に記載された試験リグは、6気圧までの使用に適しているが、圧力がシールからの漏れの可能性が増加するにつれて上昇する。これは、密封された領域は、通常、水を冷却することにより保護された加熱ゾーンから分離されている圧力室の代替設計によって解決することができる。これらの装置の能力は、ここで記載されたものより増加されているが、設計および製造は、かなり複雑であり、従ってimplemされていないこのバージョンでは取得済み。

方法のこの実施形態の特徴

バー型内に溶融アルミニウムを鋳造しながら、パイプ欠陥が原因凝固収縮に、上部に形成される。最良の結果が完全に固体のインゴットを用いて得られるので、この部分は、廃棄またはリサイクルする必要があります。

これは、(そうでなければ、アルゴン金属をバイパスし、全く浸透が発生しない)プロセスが機能するためには、溶融金属と鋳型壁との間のシールが良好でなければならないことが判明した。 3バールまたはそれ以上の浸透圧を適用するこのような理由から、最良の結果は、これが周囲の液体金属の圧力を増加させるような目的は、ショートフォームを取得している場合であっても、金型を充填するのに十分なアルミニウムを大量に得られるプリフォームの上部にある金型およびシールを改善します。半センチメートルの小さなギャップは、アルミニウムpとの間の理想的な高さであることが見出されているIECEと現在の機器のための金型の蓋。 2.5バールのギャップの大きさは無関係である以下の浸透圧のために、必要とされるアルミニウムの量のみが完全にプリフォームを満たすのに十分である。

スタッドのナットを締めるときにガスケットの周りの圧力が偶数であるとシールが得られることを保証するために(段階的に反対のペアを締める)スターパターンを使用する。閉鎖バルブ上への損傷を避けるために、これは常に手動で行われている。

時折、貧しい浸潤の欠陥や領域が存在することができます。これらは、溶融金属が密な金属との界面付近に、遠い旅行を持って、または上部の下部にある形成する可能性が最も高い。そのため、サンプルの最も一貫した部分をNaClプリフォームが占める領域の中心にある。発泡体の頂部および底部部分が切り取られ、廃棄されてもよい。それはサンプルを作製した泡をカットするために必要とされるときはいつでも、それはとてもウィットを行うことをお勧めしますその中にまだ存在するH NaClを。カットが浸出した後に行われた場合、カットが行われた場所、それが損傷し、フォームの構造をブロックします。浸出後のサンプルを切断が必要な場合、成功した方法は、電気放電加工(EDMとも呼ばれる放電加工)などの無負荷技術を使用することである。

そこに別の効果を修正することができるプロセスには多くの変数があるが、多孔性を変化させるために最適な制御変数は、プリフォームの密度または使用される浸透圧のいずれかである。

異なるプロトコル(A、B、CおよびD)を使用する目的は、61%から77%に、異なる気孔率で発泡体を製造することである。プロトコールAは平均で63%の気孔率を有するサンプルを生成します適用すること;プロトコルBは66%の気孔率を有するサンプルを生成します。プロトコルCは70%の気孔率を有するサンプルを生成し、プロトコルDは、76%の気孔率でサンプルを生成する。プロトコルにおけるモールドの底部に微細なNaClを添加することによりBは、CおよびDは、チャンバの排気が完全でない場合には浸透中にプリフォーム内に閉じ込められた空気のための避難所を作成する。高い圧力はリフォームが完全に浸透していることを確実にする、到達するまでのNaClというはるかに微細なアルミニウムによる浸潤に抵抗する。このすべての存在する空気が圧縮されずに、排除され、不要な追加の気孔率はuninfiltrated領域として最も可能性が高い、存在することになるではない。プロトコルCおよびDは浸潤が非常に低い圧力で達成することができるように開発された。異なる粒子サイズのプリフォームを使用した、図6に示された試料については、それが使用されるプロトコルと比較した場合、この変化は有意な効果を有さないことに留意されたい。

プロトコルC及びDに下部ガスケットを用いないことにより、金型の底部を通るガスの小さな流れが、プリフォームから閉じ込められたガスがより高い圧力に圧縮されることなく排気することができることを意味することが可能である。もしこの微細のNaClをアルミニウムなしで行われたにも押し出され、この層は、圧力で液体アルミニウムによる侵入に抵抗するように、アルミニウムのエスケープを防止する適用されてもよい。

プロトコルDに、プリフォームを振動させることにより、より高い気孔率の発泡体を達成することができる。議定書C.と比較した場合、プリフォーム中のNaCl粒がアルミによって満たされるように、より少ないスペースを残して、一緒に近いので、およそ九から十までパーセントより多孔性に起こります。セラミックシートが振動中に浸潤NaClで混合する細かいNaClを防ぐために、議定書Dに追加された議定書Cにセラミックシートを追加するときに、有意な影響は、最終的な製品には見られなかった

記載泡処理技術の主要な制限は、発泡体の空隙率である。最低のリグとここに記載されたプロトコルで、これまでに達成され、約61パーセントと77パーセントと最も接近している。しかしそれはに比べて安いとテクニックを使用して容易であるこのようなインベストメント鋳造、焼結または添加剤の製造のような、より複雑で高価な方法。別の制限は、使用することができる金属である。近すぎるまたはNaClの融点(801℃)より高い融点を有する任意の金属は、このプリフォームに浸透させることができない。アルミニウム、マグネシウム、錫、この技術を使用して処理されている。

アルミニウムフォームの製造のための装置およびいくつかの成功したプロトコルが詳細に示されている。この方法を使用すると、それは(1053 621キログラム/ m 3の範囲内の濃度に対応する)61から77パーセントの気孔率を有するアルミニウム連続気泡発泡体を作成して、2.36 mmの直径の範囲1の細孔サイズを有することが可能である。さらに、使用条件の変動は比較的マイナーなそれらのいくつかを、これらの範囲を大幅に拡張することができ、このような孔の形状のような他の変数は、変化することが知られている。複製技術は私のために研究室での使用に非常に適しているTALフォーム製造。

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Acknowledgments

対応する著者は、奨学金の提供のために科学技術CONACYTのメキシコ政府の国家評議会を承認したいと思います。

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
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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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References

  1. Banhart, J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science. 46, 559-632 (2000).
  2. 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).
  3. Goodall, R., Mortensen, A. Chapter 24. Porous Metals. Physical Metallurgy. Laughlin, D. E., Hono, K. 5th Ed, 2399-2595 (2014).
  4. Polonsky, L., Lipson, S., Markus, H. Lightweight Cellular Metal. Modern Castings. 39, 57-71 (1961).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Despois, J. F., Mortensen, A. Permeability of open-pore microcellular materials. Acta Materialia. 53, (5), 1381-1388 (2005).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Goodall, R., Weber, L., Mortensen, A. The electrical conductivity of microcellular metals. Journal of Applied Physics. 100, 044912 (2006).
  13. 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).
  14. Goodall, R., Mortensen, A. Microcellular aluminium. Child’s Play! Advanced Engineering Materials. 9, (11), 951-954 (2007).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Lu, T. J., Ong, J. M. Characterization of closed-celled cellular aluminum alloys. J. Mater. Sci. 36, 2773-2786 (2001).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Seliger, H., Deuther, U. Die Herstellung von Schaum- und Zellaluminium. Feiburger Forschungshefte. 103-129 (1965).
  23. Kuchek, H. A. Method of Making Porous Metallic Article. US patent. 3,236,706 (1966).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. San Marchi, C., Mortensen, A. Deformation of open-cell aluminium foam. Acta Materialia. 49, (19), 3959-3969 (2001).
  29. 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).
  30. Despois, J. F., Conde, Y., San Marchi, C., Mortensen, A. Tensile Behaviour of Replicated Aluminium Foams. Advanced Engineering Materials. 6, (6), 444-447 (2004).
  31. 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).

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).

気孔率に複製技術とエフェクトでオープンセルアルミフォームの製造のためのプロトコルのキャスト
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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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