吹氣法制備泡沫鋁的性能

范雪柳，陳 祥,，劉興男，李言祥,

(1. 清華大學 機械工程系，北京 100084；2. 清華大學 教育部先進成形制造重點實驗室，北京100084)

吹氣法制備泡沫鋁的性能

范雪柳1，陳 祥1,2，劉興男1，李言祥1,2

(1. 清華大學 機械工程系，北京 100084；2. 清華大學 教育部先進成形制造重點實驗室，北京100084)

基于吹氣法制備A356基泡沫鋁工藝，采用高速攪拌并分批連續加入粉末的方式，避免熔體中顆粒分布不均勻的問題；采用靜置吹氣頭通入壓縮空氣發泡，通過設計和控制氣路，制備出不同孔徑、不同壁厚、穩定的泡沫鋁。結果表明：A356基泡沫鋁是一種典型的塑性泡沫材料，泡孔呈十四面體形狀，泡壁較薄，厚度小于150 μm，可控的泡孔平均直徑范圍很寬，為10～25 mm；泡沫鋁在致密化階段的塑性變形量可達70%以上；不作任何預處理的泡沫鋁在高頻率聲波下的吸聲系數可達0.9以上；在泡沫樣品后設置0～70 mm空腔，其在低頻率聲波下的吸聲性能顯著提高；所制備的泡沫鋁具有較好的聲學性能和力學性能。

泡沫鋁；吹氣法；力學性能；聲學性能

近些年來，泡沫金屬材料作為一種新型結構和功能材料，越來越多地被人們所關注。以鋁及鋁合金為基體的泡沫材料，因其特殊的胞狀多孔結構，具有優良的物理性能和力學性能，如密度小、比強度高、比剛度高、吸收沖擊能量、吸聲減振、電磁屏蔽、隔熱和阻燃等[1]。

目前國際上制備泡沫鋁的方法很多[2]，最常見的方法有吹氣發泡法[3?4]、熔體發泡法[5?6]、粉末壓實熔化法和滲流法等，如日本Shinko Wire公司以熔體發泡法、加拿大 Cymat[7]公司和澳大利亞 Hütte Klein-Reichenbach[8]公司以吹氣法、奧地利Alulight[9]公司以粉末冶金法制備出了大體積泡沫鋁。在吹氣法工藝方面，Hütte Klein-Reichenbac公司的靜態吹氣法工藝制備出的泡沫鋁孔結構均勻且可控程度高。然而，目前只有采用熔體發泡法制備大塊體板材泡沫鋁的研究報道[10?12]，國內關于吹氣法制備泡沫鋁的研究多數停留在實驗室研究階段[13?14]。

本文作者以 A356鋁合金為基體，用吹氣法制備出不同孔徑、不同壁厚、穩定的泡沫鋁，研究了攪拌工藝和發泡工藝，考察了該工藝下泡沫鋁的聲學性能及力學性能。

1 實驗

實驗中所用的基體材料主要為純鋁和 A356鋁合金，其中A356鋁合金化學成分如表1所列；陶瓷顆粒選用 SiO2和 Al2O3，尺寸均為 9 μm，加入量為10%(體積分數)；發泡氣體為空氣。

表1 A356鋁合金化學成分Table 1 Chemical composition of A356 alloy (mass fraction,%)

首先將純鋁或鋁合金放入電阻坩堝爐中熔化，并稱取適量粒徑9 μm 陶瓷顆粒放入烘干爐，在400 ℃干燥1 h左右。待鋁熔體加熱熔化至710 ℃左右時，將粉末分批加入合金熔體中，用機械攪拌槳進行高速攪拌，使粉末分布盡量均勻。攪拌時間必須適宜，過長會導致鋁熔體過度氧化，產生的氧化物將增加熔體的黏度，影響發泡效果；攪拌時間過短則粉末團聚現象嚴重，從而影響泡沫的穩定性。待顆粒均勻分散于熔體中，將含有顆粒的熔體轉移至發泡坩堝準備吹氣發泡。

在吹氣法發泡過程中，熔體的溫度由熱電偶及時準確地監控，以保證制備好的熔體溫度保持在670 ℃左右。開通氣體后，先調節減壓閥以達到所需氣壓并穩定氣壓，再用流量控制器監控并調節氣流量，用針閥控制氣體流動，使氣體平穩均勻地通過透氣塞進行發泡。通過調節不同氣體流量和壓力參數，可產生不同孔徑大小的氣泡。待泡沫充填入收集裝置并凝固后即可得到均勻一致的泡沫鋁。氣體流量的調節范圍為10～100 L/h，透氣塞出氣口前壓力范圍保持在10～200 kPa。

所制備的泡沫鋁樣品均采用線切割加工，以保證上下端面的平整以及端面與試樣軸線的垂直度。氣孔的平均孔徑由劃線法測得。先實測得到平均弦長，再用公式 D=t/0.616[15]計算出泡孔大小。實驗中采用Neophot 32光學顯微鏡觀察泡沫鋁的微觀組織。

泡沫鋁的吸聲性能由駐波管法測試得到。當聲波垂直入射到泡沫鋁表面，入射波與反射波傳播方向相反，相互疊加后形成駐波，測量駐波的聲壓極大值pmax和極小值 pmin，就可以算出垂直入射吸聲系數 α，如式(1)所示，實驗測試的聲頻范圍為200～1 600 Hz。

泡沫鋁的壓縮性能是在WDW?100微機控制電子萬能試驗機上進行測試的。測試時，壓頭以5 mm/min的速率進行單向壓縮，加載量和壓縮位移通過傳感器及電阻應變儀，輸入到 X—Y函數記錄儀，自動記錄加載力—位移曲線，處理后得到壓縮應力—應變曲線。

2 結果與討論

2.1 吹氣法制備的泡沫鋁的形貌特征

影響吹氣法制備泡沫鋁工藝的因素有很多，如陶瓷顆粒的粒度和加入量、攪拌時間和方式、氣流量、氣體壓力、透氣塞孔徑及材料等，這些因素都可直接改變泡沫鋁的孔徑及壁厚，從而影響到泡沫鋁的性能。然而，采用吹氣法制備的泡沫鋁結構及形貌與采用其它方法制備的泡沫鋁有很大差別，主要體現在以下幾個方面：1) 泡孔呈十四面體形狀；2) 泡壁較薄，厚度小于 150 μm；3) 可控的泡孔平均直徑范圍很寬，為10～25 mm。

圖1所示為吹氣法制備的泡沫鋁的宏觀及微觀形貌。從圖1(a)和(b)中可以看到：泡孔并不是規則的球形，泡壁表面有一些微孔和裂紋。當陶瓷顆粒分布不均勻時，顆粒團聚處泡壁厚度遠大于周圍顆粒分布較少處的泡壁(見圖1(c))；而顆粒分布均勻時，泡壁厚度較均勻(見圖(d))。泡壁厚度突變處容易在凝固時破裂，不利于泡沫的穩定。

2.2 陶瓷顆粒及基體材料對吹氣發泡工藝的影響

圖1 吹氣法制備泡沫鋁的宏觀和微觀結構Fig.1 Macro and micro structures of aluminum foams prepared by gas injection method: (a) Profile of foam; (b) Cross section of foam; (c) Cross section of cell wall with inhomogeneous particle dispersion; (d) Cross section of cell wall with homogeneous particle dispersion

對于泡沫金屬的制備，關鍵問題之一是如何選擇材料以獲得穩定的泡沫材料。目前，制備泡沫鋁常用的陶瓷顆粒為SiC、SiO2和Al2O3，基體材料為純鋁及鋁合金，采用不同的顆粒作為增強穩定性材料是為了檢驗氣泡吸附顆粒的能力以及不同顆粒對氣泡的穩定作用。

通過加入不同陶瓷顆粒實驗的對比可以發現，SiC顆粒粉末很難均勻地分散于熔體中，卷入熔體中的粉末經過1 min靜置后上浮于熔體表面。SiO2和Al2O3顆粒較容易分散在鋁熔體中。圖 2所示為加入 SiO2和 Al2O3陶瓷顆粒發泡后的泡壁橫截面的金相照片。由于鋁和氧的親合力非常大，當加入SiO2時可發生如下化學反應：

從圖2(a)中可以看出：基體中共晶Si的數量增加。對比加入不同顆粒的發泡實驗現象，加入SiO2顆粒發泡時，泡沫在上浮及凝固過程中容易坍塌破裂，SiO2顆粒沒有很好地促進泡沫的穩定性，因此，選用Al2O3作為吹氣法制備泡沫鋁的穩定顆粒是最優的選擇。

為了排除不同組織如共晶硅對顆粒位置分布的影響，實驗中采用純鋁和 A356鋁合金作為基體材料進行對比。從圖2(b)和(c)可以看到，相比以A356為基體的泡沫鋁泡壁，以純鋁為基體的泡沫橫截面上顆粒含量非常少，顆粒隨機地分布在液膜中，實際發泡效果也遠不及以A356為原料的發泡效果。

2.3 機械攪拌工藝對顆粒分散性的影響

為了制備均勻一致的泡沫鋁，需要使氧化鋁顆粒在熔體中均勻分布。采用槳葉傾角為 45°的機械攪拌槳進行攪拌，可使熔體產生軸向流動和徑向流場，并產生較高的剪切力，使 Al2O3顆粒盡可能地分散；同時，沿攪拌軸方向可以產生巨大軸向壓力，從而抑制顆粒的上浮。

圖2 加入SiO2和Al2O3陶瓷顆粒發泡后泡壁橫截面的金相照片Fig.2 Optical micrographs of aluminum foam cell walls by adding SiO2 and Al2O3 particles: (a) A356 alloy with SiO2 particles; (b) A356 alloy with Al2O3 particles; (c) Pure aluminum with Al2O3 particles

Al2O3顆粒的添加方式也會對其分散效果有影響。當將Al2O3包成團直接加入熔體中時，Al2O3顆粒容易集中并沉底，很難分散開；而分批次加入 Al2O3粉末后，分散效果比較好。攪拌槳的轉速也是制備的關鍵點。通過不同轉速的攪拌效果對比，攪拌槳轉速越高，熔體流動越劇烈，顆粒分散效果越好。實驗結果表明：在900～1 800 r/min的轉速下，顆粒分散效果比較好。攪拌工藝共分為如下4種：1) 顆粒與鋁錠同時加入，攪拌30 min；2) 將顆粒粉末分成兩團一次性加入后高速攪拌，攪拌30 min；3) 顆粒分2批用錫紙包成團加入，每次加入后高速攪拌，先加入一次攪拌10 min，最后再攪拌10 min；4) 分4批連續加入，每次散完后高速攪拌，每加入一次攪拌5 min，分4次，最后再攪拌10 min。實驗中通過對比，多批加入陶瓷顆粒并高速攪拌后顆粒分散效果最好，并且沒有出現顆粒粉末上浮現象。

圖3所示為添加Al2O3顆粒后分別采用工藝1、2、4、5攪拌后熔體中顆粒分散的金相照片。將顆粒隨鋁錠一同加入并高速攪拌后，熔體中顆粒團聚現象很嚴重，顆粒分散也不均勻(見圖3(a))；而將顆粒分2批加入后，團聚現象有所減少，然而顆粒分布仍然不均勻，部分區域顆粒很少(見圖 3(b))。顆粒團聚使得其有效利用率降低，同時也不利于氣泡上升及泡沫凝固過程中的穩定性。因此，增加加入次數，并減小每次的加入量，在相同時間內，分批次越多，顆粒分散性才能越好，但過多的分批次加入沒有必要。分4次和分8次加入陶瓷顆粒并高速攪拌后，陶瓷顆粒分散效果均比較好(見圖3(c)和3(d))。

2.4 氣路及吹氣裝置設計對氣泡大小的影響

密度及氣孔大小等因素直接影響泡沫鋁的性能。為了控制氣孔大小、得到均勻一致的泡沫材料，發泡過程中參數的設置尤為重要。有學者通過水系實驗考察了流量與氣泡大小的關系，證明流量、氣室體積、出氣嘴口徑與生成的氣泡大小存在緊密的聯系[16?19]。

在吹氣法制備泡沫鋁工藝中，氣體流量嚴重地影響著泡沫鋁的孔徑大小。圖4所示為在不同流量下用單孔透氣塞制備泡沫鋁時氣體流量與氣泡直徑的關系。

從圖4可以看到，氣體流量越大則孔徑越大。然而當流量增大到一定值，生成的氣泡大小不一，孔徑增大趨勢不明顯。同時，透氣塞的孔徑越大，生成的氣泡脫離氣嘴時的直徑越大，因此，產生的泡沫鋁孔徑也越大。在氣體流量一定的情況下，透氣塞的結構和材料直接影響著泡沫孔徑的大小。TADAKI和MAEDA[19]指出，當氣室體積足夠小或足夠大的時候，氣室體積并不影響氣泡大小，氣室壓力直接影響氣泡的生成及脫離過程。

表2所列為不同氣室體積及氣室壓力對孔徑大小的影響。從表2可以看出，當氣室體積小于13 cm3、壓力小于0.3 MPa時，氣室體積對孔徑大小沒有顯著的影響。在實際工業生產中，透氣塞使用的是多孔結構，因此有效氣室體積比較小。當透氣塞與鋁合金熔體浸潤時，泡沫鋁的孔徑較小；不浸潤時孔徑較大。因此，選用與鋁合金熔體浸潤的耐熱不銹鋼作為透氣塞的材料。總之，對一定結構參數的透氣塞，通過控制流量和氣室壓力，可以得到不同孔徑大小的泡沫鋁。圖5所示為不同孔徑大小的泡沫樣品圖。可見孔徑越大，泡孔形狀越不規則，泡孔表面出現宏觀裂紋。

圖3 不同攪拌速度下添加Al2O3顆粒后顆粒分散的金相照片Fig.3 Optical micrographs showing Al2O3 particle dispersion under different stirring processes: (a) Adding particles and aluminum together at high stirring speed; (b) Dividing particles into 2 packs and adding them into aluminum melt at high stirring speed;(c) Dividing particles into 4 packs and adding them into aluminum melt at high stirring speed; (d) Dividing particles into 8 packs and adding them into aluminum melt at high stirring speed

圖4 氣體流量對孔徑大小的影響Fig.4 Effect of gas flow on pore size of foams

表2 不同氣室體積及氣室壓力對孔徑大小的影響Table 2 Effect of gas chamber volume and pressure on pore size of foams

圖5 不同孔徑大小的泡沫鋁樣品Fig.5 Photos of aluminum foams with different pore sizes: (a) 14.4 mm; (b) 16.0 mm; (c) 18.0 mm; (d) 21.3 mm

2.5 泡沫鋁的吸聲及壓縮性能

2.5.1 吸聲性能

圖6所示為吹氣法制備的泡沫鋁的吸聲性能。不同平均孔徑的泡沫鋁吸聲性能如圖 6(a)所示。隨著氣泡孔徑的增加，吸聲系數上升，同時共振頻率向高頻移動，泡沫鋁在高頻時的吸聲性能更好，吸聲系數接近 1。從圖 6(b)可以看到，對于同一孔徑和孔隙率的泡沫鋁，增加泡沫鋁樣品的厚度可以使共振頻率向低頻移動，然而厚度的增加對吸聲系數峰值的影響較小，因此，在實際工程應用中，增加泡沫鋁樣品的厚度并不能顯著改善吸聲性能。然而，在泡沫鋁背后設置空腔可以顯著改善泡沫鋁的吸聲性能。從圖6(c)和(d)可以看到，當泡沫鋁背后的空腔厚度由 0逐漸增加至70 mm時，共振頻率向低頻移動，并且中低頻吸聲系數顯著增高。

2.5.2 壓縮性能

圖7所示為泡沫鋁壓縮變形特性曲線。壓縮開始時，試樣最薄弱的地方(如泡孔壓縮區或骨架破裂區)首先開始變形，并逐漸將變形傳遞給其它部分。由圖7可以看出，泡沫在壓縮過程中經歷了彈性變形、塑性變形及致密化3個階段。從所得到的應力—應變曲線來看，泡沫屈服應力小于0.2 MPa，屈服平臺很長，孔隙率為96.2%和95.8%的試樣在應變0.7～0.8以及孔隙率為92.2%的試樣在0.6～0.7時進入致密化階段。

泡沫密度越小，孔隙率越小，屈服應力越小。與熔體發泡法制備的泡沫鋁壓縮力學性能[20]對比，吹氣法制備的泡沫鋁塑性屈服應力小，變形量大，壓縮過程中沒有碎屑產生。根據式(3)，泡沫金屬的壓縮吸能性大小可用單位體積的泡沫材料被壓縮到致密段的過程中所吸收的能量W來表示，即

能量吸收效率指在相同的應變時，實際泡沫金屬能量吸收與理想泡沫金屬能量吸收的比值。因此，對于實驗所測結果，盡管屈服平臺很長，屈服應力較小，導致能量吸收W較小。因此，有必要進行進一步研究以提高泡沫鋁的屈服強度。

圖6 泡沫鋁的吸聲性能Fig.6 Sound absorption coefficient of aluminum foams: (a) Foam with different diameters, porosity of 97.6% and thickness of 20 mm; (b) Foam with different thicknesses, porosity of 95.2% and diameter of 14.0 mm; (c) Foam with different back cavities, porosity of 95.5%, diameter of 10.4 mm and thickness of 20 mm; (d) Foam with different back cavities, porosity of 97.6%, diameter of 14.4mm and thickness of 20 mm

圖7 泡沫鋁壓縮過程應力—應變曲線Fig.7 Stress—strain curves of aluminum foams under compression test

3 結論

1) 在吹氣法制備泡沫鋁工藝中，基體材料和陶瓷顆粒的不同選擇直接影響了吹氣發泡效果。以純鋁為基體材料或以SiO2為陶瓷顆粒時，發泡效果較差。分批加入陶瓷顆粒并高速機械攪拌可以使顆粒分散均勻，從而得到均勻一致的泡沫鋁樣品。

2) 用特定參數的吹氣裝置，通過調節氣體壓力及流量，可以控制泡沫鋁平均孔徑大小：標準狀態下氣體流量越大，則孔徑越大。同時，增大透氣塞的孔徑也可以使泡沫鋁平均孔徑增大。當透氣塞氣室體積小于13 cm3時，氣室體積對對孔徑的影響不大。

3) 吹氣法制備的泡沫鋁的結構形貌與用其它方法制備的泡沫鋁不同：A356基泡沫鋁是一種典型的塑性泡沫材料，到致密化階段其塑性變形量可達到70%以上。

4) 在吸聲性能方面，不作任何預處理的泡沫鋁在高頻率聲波下的吸聲系數可達到0.9以上；泡沫鋁平均孔徑的增加可使吸聲系數上升，同時使共振頻率向高頻移動，在高頻聲波下能夠吸收更多的聲能。同時，在泡沫鋁背后設置空腔，而不是增加泡沫鋁的厚度，可以顯著改善泡沫鋁的吸聲性能。

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Properties of aluminum foam prepared by gas injection method

FAN Xue-liu1, CHEN Xiang1,2, LIU Xing-nan1, LI Yan-xiang1,2
(1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education,Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The A356 alloy foams were fabricated by gas injection method. The high-speed stirring and continuous addition of Al2O3particles were used to solve the problems of non-uniform distribution of Al2O3particles. The static orifices were designed to blow the compressed air into the aluminum melt by controlling the gas circuit. The stable aluminum foams with different cell sizes and thicknesses were obtained. The compression test results reveal that the A356 alloy foams have typical plastic deformation characters. The pores of aluminum foams are tetrakaidecahedron with thin walls (＜150 μm) and the foams with pore sizes of 10?25 mm can be produced. The strain of the plastic deformation of the aluminum foams can reach more than 70% under compression test. The sound absorption coefficient of aluminum foam without any pretreatment at the high frequency of the sound wave can reach 0.9. After setting up the cavity back of the foams, the absorption coefficient can be improved obviously under low frequency waves.

aluminum foam; gas injection method; mechanical property; acoustic property

TG146.2

A

1004-0609(2011)06-1320-08

浙江省科技計劃資助項目(2009C31049)

2010-06-22；

2010-08-04

陳 祥，副教授，博士；E-mail: xchen@tsinghua.edu.cn

(編輯 龍懷中)