Progrès de la recherche d'un nouveau matériau fonctionnel en mousse d'aluminium

1. Introduction

La mousse d'aluminium est un nouveau type de matériau fonctionnel, qui est un matériau métallique ultraléger -ressemblant à de la mousse avec de nombreuses bulles dispersées dans la matrice d'aluminium métallique, et la porosité générale est de 40 % à 98 %. En 1948, Sonik a proposé une méthode de préparation de mousse d'aluminium en vaporisant et en moussant du mercure dans l'aluminium, puis Elliot a préparé avec succès de la mousse d'aluminium en 1951. Dans les années 1960, American Ethyl Company est devenue une base de centre de recherche scientifique pour le développement de la mousse d'aluminium. En 1991, le Kyushu Institute of Industrial Metals du Japon a développé une voie de processus pour l'industrialisation de l'aluminium expansé, et maintenant de grandes et petites pièces peuvent être produites par des méthodes de moussage et de percolation de métal. Jusqu'à aujourd'hui, les États-Unis, le Japon, le Royaume-Uni, la France, le Canada et d'autres pays ont successivement développé un certain nombre de brevets techniques. Dans mon pays, des travaux exploratoires ont également été menés sur la recherche fondamentale sur le procédé de préparation de la mousse d'aluminium, et certains progrès ont été réalisés.

La mousse d'aluminium possède de nombreuses propriétés excellentes en raison de sa structure unique. Il possède non seulement les propriétés légères des matériaux poreux, mais également d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques, électriques et autres propriétés physiques des métaux, telles que la pénétration, l'amortissement, l'absorption d'énergie, la surface spécifique élevée, le blindage électromagnétique et d'autres propriétés. Aujourd'hui, les principales applications de l'aluminium expansé sont : les panneaux ignifuges et insonorisants-, les matériaux absorbant l'énergie d'impact, les panneaux de construction, les plaques de diffusion de gaz à semi-conducteurs, les échangeurs de chaleur, le blindage électromagnétique, etc. Il peut être utilisé dans les domaines de la métallurgie, de l'industrie chimique, de l'aérospatiale, de la construction navale, de l'électronique, de la fabrication et de la construction automobiles, et le champ d'application est en constante expansion.

2. Méthode de préparation de la mousse d'aluminium

2.1 Méthode de moulage

La méthode de coulée est largement utilisée dans la fabrication de mousse d'aluminium et la méthode de préparation est relativement mature. Plusieurs méthodes connexes sont présentées ci-dessous.

2.1.1 Méthode de coulée par infiltration

La méthode de coulée par percolation consiste à infiltrer de l'aluminium métallique liquide à haute -température dans les vides des particules de charge sous une certaine pression, et à éliminer les particules solubles enfermées dans l'alliage d'aluminium après solidification, c'est-à-dire à obtenir de l'aluminium expansé avec une structure cellulaire connectée. Cette méthode peut être subdivisée en méthode de coulée par infiltration à haute pression et méthode de coulée par infiltration à pression négative. La méthode de moulage par sulfuration à haute pression est un matériau d'électrode avec une résistance, une conductivité élevée, un excellent transfert de chaleur et une excellente résistance au fluage par rapport à la méthode de moulage par infiltration à pression négative.

(3) La durée de vie moyenne des électrodes en cuivre renforcées par dispersion Al2O3-pour le soudage de plaques d'acier aluminisé de 1,5 mm d'épaisseur est de 7 200 points, ce qui peut bien répondre aux besoins du soudage par courroie antidéflagrante CPT-.

Il présente les avantages d'un fonctionnement simple, d'une vitesse de préchauffage rapide, d'une productivité et d'un rendement élevés, d'un facteur de sécurité important, d'un faible investissement en équipement et d'une production mécanisée facile. Parmi eux, la sélection et le traitement des particules de charge sont très critiques, qui présentent les caractéristiques suivantes : résistance à la chaleur suffisante, ne fondant pas à la température de coulée ; résistance et rigidité suffisantes, non cassées et déformées sous l'action de la pression d'infiltration; bonne élimination Les particules de charge dans les pores tri-dimensionnels peuvent être complètement éliminées avec un solvant ou une solution aqueuse après la solidification du liquide d'aluminium ; stabilité chimique, ne réagit pas avec l'aluminium liquide. Cette méthode est simple à utiliser et la porosité moyenne peut atteindre 70 %, ce qui est pratique pour une production à grande-échelle. À l'heure actuelle, la méthode de percolation n'est pas seulement utilisée dans la fabrication de mousse d'aluminium, mais également dans la production de matériaux en mousse tels que le zinc, le magnésium, le plomb, l'étain et le fer, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des pièces aux formes complexes.

2.1.2 Ajouter la méthode de balle

La méthode d'ajout de billes consiste à ajouter des particules ou des sphères creuses à l'alliage d'aluminium liquide, à renforcer l'agitation et à couler le liquide d'aluminium qui est toujours en flux relatif pour obtenir un alliage d'aluminium et un composite de particules, puis à dissoudre et à retirer la matrice d'alliage d'aluminium. . Des particules solubles et une mousse d'aluminium à cellules connectées- ont été obtenues.

2.1.3 Méthode de moulage à la cire perdue

Tout d'abord, un matériau d'éponge en mousse continue tridimensionnel-avec une certaine porosité est utilisé comme matériau de base, puis un matériau réfractaire facile-à-enlever est rincé dans l'éponge{{ 3}}comme de la mousse, séchée et durcie pour former une forme préfabriquée, puis cuite pour durcir le matériau réfractaire et le fabriquer L'éponge en mousse est vaporisée et décomposée, puis la préforme est placée dans un moule métallique, coulée dans du métal fondu, et une certaine pression lui est appliquée ou une coulée sous vide est effectuée pour remplir les pores du moule avec du métal fondu, et il est retiré après refroidissement. Le bloc de matériau réfractaire peut être obtenu en réseau tridimensionnel-par le biais de-mousse d'aluminium cellulaire. La mousse d'aluminium produite par ce processus de préparation de moulage de précision a une bonne pénétration tridimensionnelle-, et le processus a une large gamme d'applications et est non-corrosif, et a une bonne perspective dans la fabrication de fluide -produits perméables.

2.1.4 Méthode de moussage

Il existe deux types de méthode de moussage de gaz et de méthode de moussage de liquide métallique. La méthode de moussage au gaz consiste à insuffler du gaz dans le métal en fusion pour faire mousser le métal en fusion. Le gaz utilisé pour le moussage peut être l'oxygène, l'argon, l'air, la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, etc. La clé technique est que la masse fondue doit avoir une viscosité appropriée, la composition du métal doit assurer une plage de température de moussage suffisamment large et la mousse formée doit avoir une stabilité suffisante pour garantir que la mousse ne se brise pas pendant le processus de collecte et de moulage ultérieur. La méthode de moussage au gaz est actuellement la méthode la moins chère pour produire de la mousse métallique. La taille de la mousse est très grande et la porosité des produits en aluminium expansé peut atteindre 97 %. La méthode de moussage de métal liquide était largement utilisée au début, ajoutant principalement TiH2, ZrH2, CaH2 et d'autres agents moussants à l'alliage d'aluminium liquide, puis chauffant pour décomposer l'agent moussant pour libérer le gaz, et l'expansion du gaz fait l'alliage d'aluminium en une mousse, puis refroidi C'est-à-dire que le produit en aluminium expansé est obtenu. La mousse d'aluminium préparée par cette méthode appartient à la mousse d'aluminium à cellules fermées-. La structure et la porosité des pores sont liées à la viscosité du métal en fusion et au temps de moussage. Le contrôle de la viscosité du métal fondu et du temps de moussage pendant le processus de fusion peut contrôler la porosité. Cependant, les pores sont indépendants les uns des autres, leur taille et leur répartition sont inégales et le contrôle est compliqué.

2.1.5 Méthode de solidification eutectique

Le gaz a une certaine solubilité dans le métal fondu, et elle augmente avec l'augmentation de la pression et de la température. Lorsque la solubilité du gaz dans le métal atteint une valeur prédéterminée, le métal et la phase gazeuse subissent une solidification eutectique pour obtenir la mousse d'aluminium souhaitée. , en contrôlant précisément les conditions de refroidissement (pression, vitesse de refroidissement, sens de dissipation de la chaleur), des mousses d'aluminium isotropes et anisotropes à haute-porosité avec différentes formes de pores peuvent être obtenues [18].

2.2 Méthode de dépôt

2.2.1 Méthode de dépôt par pulvérisation cathodique

La méthode de dépôt par pulvérisation consiste à utiliser la technologie de pulvérisation pour pulvériser uniformément la poudre avec un gaz inerte sur le métal d'alliage d'aluminium et la chauffer au point de fusion du métal, de sorte que le gaz ajouté dans la matrice métallique se dilate dans les trous, et après refroidissement, c'est Un aluminium expansé avec une structure expansée est obtenu. La fraction volumique des pores du produit obtenu par cette méthode peut être contrôlée en contrôlant la pression partielle du gaz inerte dans le dépôt, et la fraction massique du gaz d'inclusion peut varier dans la plage de {{0} }.015 pour cent à 0.23 pour cent .

2.2.2 Dépôt par évaporation de vapeur

Dans une atmosphère inerte à pression relativement élevée (102~103Pa), l'aluminium métallique s'évapore lentement et les atomes de métal évaporés subissent une série de collisions et de diffusion avec le gaz inerte en cours d'avancement et perdent rapidement l'énergie cinétique, se condensant ainsi partiellement pour former des fumées métalliques, Les fumées métalliques se déposent sous l'action de leur propre gravité et transportées par le flux de gaz inerte, et continuent à se refroidir pendant le processus de descente, et atteignent finalement la base. En raison de sa basse température, il est difficile pour les atomes de migrer ou de se diffuser, de sorte que les particules de fumées métalliques ne s'empilent que de manière lâche pour former une structure de mousse cellulaire. La mousse d'aluminium produite par cette technique est différente de la mousse d'aluminium à structure macroscopique. Il est composé d'un grand nombre de particules métalliques et de micropores à l'échelle sub-micron-, et sa densité est d'environ 1 % de la densité de l'aluminium, le métal de base, et le minimum est de 0,15 %.

2.2.3 Dépôt électrolytique

Cette méthode consiste à recouvrir le plastique en mousse de plusieurs étapes telles que le traitement de rugosité, le traitement de sensibilisation et d'activation, le pré-placage chimique et le placage chimique, etc., puis à chauffer le plastique en mousse pour qu'il se décompose afin d'obtenir de l'aluminium en mousse. Parmi eux, les deux processus de sensibilisation et de traitement d'activation jouent un rôle très important. Le traitement de sensibilisation consiste à faire en sorte que la surface de la pièce rendue rugueuse adsorbe les ions réducteurs, de sorte que lors du traitement d'activation ionique, la surface de la pièce forme une couche aux propriétés catalytiques. Le rôle de la couche de métal précieux, afin que le placage autocatalytique puisse être réalisé spontanément, de sorte que la mousse devienne un semi-conducteur, ce qui favorise à son tour le succès du placage électrolytique de l'aluminium. La mousse d'aluminium préparée par ce procédé a une bonne connectivité des pores, une distribution uniforme et une grande porosité, mais l'épaisseur du produit est limitée et le coût est élevé.

2.2.4 Aluminium par galvanoplastie au sel fondu

L'aluminium de galvanoplastie au sel fondu est une sorte de mousse d'aluminium poreuse fabriquée par un procédé d'électrodéposition dans du sel fondu contenant du sel d'aluminium, avec du plastique mousse comme cathode d'électrode et une plaque d'aluminium comme anode. La mousse d'aluminium fabriquée par ce procédé a une porosité élevée et des pores uniformes.

2.3 Métallurgie des poudres

2.3.1 Méthode de moussage de poudre

La méthode de moussage de poudre consiste à mélanger de la poudre d'aluminium avec un agent moussant (TiH2), et à la comprimer axialement à une certaine température pour obtenir une préforme à structure étanche. Une méthode d'expansion du produit pour obtenir de l'aluminium expansé. Le mélange, le pressage et le moussage sont les trois maillons importants de la méthode de moussage des poudres. Dans le même temps, en ajustant les paramètres du processus de moussage (la quantité d'agent moussant, la température de moussage et le temps de moussage), de l'aluminium moussé avec différentes structures cellulaires peut être obtenu.

2.3.2 Méthode de formation de boue

La méthode de moulage en suspension consiste à former une suspension de poudre d'aluminium métallique, d'agent moussant (acide fluorhydrique, hydroxyde d'aluminium ou acide orthophosphorique) et de support organique, à l'agiter dans un état contenant de la mousse, puis à la mettre dans un moule et à la chauffer Après calcination , de l'aluminium métallique solide à structure poreuse peut être obtenu. Cette méthode a été initialement utilisée pour fabriquer des matériaux en mousse Be, Fe, Cu et en acier inoxydable, puis pour créer de la mousse d'aluminium. Mais la force du produit est très faible.

2.3.3 Méthode de moulage en poudre

La méthode de moulage en poudre est une méthode consistant à mélanger de la poudre d'aluminium métallique avec un agent moussant (TiH2), à la former par pression à froid ou à chaud, puis à la fritter en mousse d'aluminium. Il présente deux avantages importants : l'un est qu'il peut être utilisé pour une gamme plus large de compositions d'alliage que les autres méthodes, contrôlant ainsi les propriétés mécaniques de la mousse d'aluminium ; Mousse d'aluminium en forme de sandwich-et structures de turbine remplies de mousse d'aluminium-

2.3.4 Méthode de frittage de poudre libre

Le principe de la méthode de frittage de poudre libre est que lorsque les fines particules sont en contact les unes avec les autres, elles peuvent être liées les unes aux autres par l'action de la tension superficielle. Ces fines poudres d'aluminium métallique sont placées dans le moule pour le frittage, et les particules sont liées les unes aux autres pour former un corps fritté poreux. Cette méthode peut également être utilisée pour produire des filtres avec une porosité typiquement de 40 % à 60 %.

2.3.5 Méthode de frittage d'éponge d'imprégnation

Dans la métallurgie des poudres, le matériau spongieux peut également être utilisé comme structure de support temporaire pour générer des mousses d'aluminium uniformes à haute porosité. La matière organique spongieuse est découpée à la forme souhaitée puis infiltrée dans une bouillie contenant la poudre d'aluminium métallique à traiter (le support de la suspension est de l'eau et du liquide organique). L'éponge immergée-comme la matière organique est séchée pour éliminer le flux, et après refroidissement, l'aluminium métallique en mousse avec une structure tridimensionnelle -à haute porosité peut être obtenu. La méthode est également utilisée pour produire des feuilles d'argent expansé avec une porosité de 70 % à 90 %.

2.3.6 Méthode de frittage des fibres

Le fil métallique en aluminium utilisé dans ce procédé est un fil métallique obtenu par tréfilage mécanique ou autres procédés. Le fil d'aluminium métallique est transformé en un anneau de feutre par coulage en barbotine ou méthode d'anneau de feutre mécanique, puis fritté pour obtenir la résistance requise. et la porosité. La mousse d'aluminium poreuse préparée par ce procédé présente des avantages tout à fait remarquables : une porosité plus élevée que le frittage de poudre peut être obtenue, jusqu'à 95 % ; tous les pores sont des pores interconnectés ; la porosité maximale est toujours maintenue. Propriétés structurelles ; à la même porosité, la résistance et la ténacité sont plusieurs fois supérieures à celles de la métallurgie des poudres. Il peut également être utilisé pour fabriquer divers filtres métalliques, tels que l'acier inoxydable, le cuivre, le nickel, le nichrome, etc.

2.3.7 Méthode de dissolution par frittage

La méthode de dissolution par frittage est une nouvelle méthode de fabrication d'aluminium expansé développée ces dernières années. Il s'agit d'une méthode de préparation d'une mousse d'aluminium -cellulaire en mélangeant, pressurisant, frittant et dissolvant de la poudre d'aluminium et des particules de charge. Il a les caractéristiques que la forme, la taille, la porosité et la distribution des pores peuvent être contrôlées avec précision, et il a un bon indice complet de qualité et de prix. C'est une méthode efficace pour produire de la mousse d'aluminium de densité moyenne-avec des ouvertures fines uniformes ou dégradées.

3. Propriétés et applications de la mousse d'aluminium

En termes de structure, la mousse d'aluminium peut être divisée en deux types : la mousse d'aluminium à cellules fermées-et la mousse d'aluminium à cellules ouvertes-. Les caractéristiques organisationnelles et morphologiques de la mousse d'aluminium, y compris la structure des pores (ouverts ou fermés), la densité relative, la taille des pores, la forme des pores, l'épaisseur de la paroi des pores, l'anisotropie, etc. La microscopie électronique et la tomographie par rayons X- sont utilisées pour l'analyse et la recherche, et la recherche dans ce domaine se développe rapidement. En raison de structures différentes, ses propriétés sont très différentes, il a donc des utilisations différentes. Comparé à l'aluminium métallique traditionnel, l'aluminium expansé présente les caractéristiques suivantes et est largement utilisé dans les industries de la métallurgie, de l'industrie chimique, de l'aérospatiale, de la construction navale, de l'électronique, de la construction automobile et de la construction. et d'autres domaines ont été largement utilisés.

3.1 Faible densité

Parce que la mousse d'aluminium a des pores grands et petits dans la matrice d'aluminium, elle a une densité plus petite. La densité de la mousse d'aluminium peut varier dans une large gamme, et la porosité maximale qui peut être obtenue à l'heure actuelle peut atteindre 97 %, et sa taille de pores varie de plusieurs micromètres à des dizaines de millimètres. Plus la densité est faible. Peut être utilisé dans les caisses d'emballage, en particulier les conteneurs de fret aérien.

3.2 Forte résistance à la chaleur

L'aluminium en mousse a une résistance élevée à la chaleur et ne fondra pas même s'il atteint le point de fusion de l'alliage. Généralement, la température de fusion des alliages d'aluminium varie de 560 à 700 e, mais l'aluminium en mousse ne fond pas même lorsqu'il est chauffé à 1400 degrés. De plus, il ne libère pas de gaz nocifs à haute température et peut remplacer les produits en mousse de résine et d'amiante en tant que matériaux calorifuges-et résistants à la chaleur-et pièces centrales de divers échangeurs de chaleur dans de nombreuses occasions.

3.3 Bonne perméabilité

La mousse d'aluminium peut être utilisée comme matériau filtrant pour filtrer les particules solides du liquide ou du gaz. Généralement, la perméabilité augmente avec l'augmentation de la taille des pores, mais elle est également affectée par la rugosité de surface. perméabilité. Il peut être utilisé pour fabriquer des filtres pour divers liquides et gaz.

3.4 Grande surface spécifique

Utilisant la grande surface spécifique de la mousse d'aluminium pour obtenir un échange de chaleur élevé, c'est un bon matériau pour fabriquer des radiateurs et des échangeurs de chaleur. De plus, il peut également être utilisé comme support pour des réactions chimiques qui nécessitent une grande surface, comme un support de catalyseur. , électrodes poreuses, matériaux de plaque pour batteries rechargeables, échangeurs de chaleur, absorbeurs d'énergie et supports de catalyseur, etc.

3.5 Forte isolation phonique

La mousse d'aluminium peut absorber l'énergie du son par la vibration de la paroi du trou et peut être utilisée pour étouffer et éliminer le bruit. D'une manière générale, les performances d'absorption acoustique de la mousse d'aluminium - à travers les cellules sont meilleures. La taille du trou affecte ses performances d'absorption pour toute la gamme de fréquences des ondes sonores. Plus le trou est petit, plus la capacité d'absorption acoustique est grande.

Des performances d'absorption acoustique élevées peuvent être obtenues en modifiant la taille et la forme des pores de la mousse d'aluminium. Il peut être utilisé pour les pièces décoratives intérieures et extérieures, les murs-rideaux, les panneaux de portes mobiles de séparation dans l'industrie de la construction, la fabrication de panneaux insonorisants-haute performance-, les murs insonorisants-, divers silencieux, etc...

3.6 A une haute performance d'absorption de l'énergie d'impact

L'aluminium expansé n'est pas directionnel comme les matériaux en nid d'abeilles, et n'a pas non plus d'effet de rebond comme les matériaux en mousse polymère. Il possède de bonnes propriétés d'absorption des chocs et constitue un bon matériau pour fabriquer des pièces-résistantes aux chocs. Il peut être utilisé dans les freins automobiles, les tendeurs et les manchons et pare-chocs de protection des équipements aérospatiaux. La taille de son amortissement est liée à la taille de la taille des pores des pores. Il peut être utilisé pour les coussins de sécurité pour les ascenseurs et les convoyeurs, les revêtements d'absorption des chocs et d'absorption d'énergie pour les protections de meuleuses à grande vitesse-, les bases pour les machines-outils de haute- précision, etc.

3.7 Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques de la mousse d'aluminium sont principalement déterminées par sa densité, mais la taille, la structure et la distribution des pores sont également des paramètres importants qui déterminent les propriétés mécaniques. Sous l'action de la contrainte de compression, après que le matériau a subi une déformation élastique initiale, la mousse d'aluminium entre dans la plate-forme de la courbe de contrainte, c'est-à-dire que la mousse d'aluminium commence à se rompre et que la contrainte reste fondamentalement inchangée pendant l'étape de broyage de la mousse. Après une grande quantité de déformation plastique, la mousse a été complètement cassée et le matériau entre dans le dense. Pendant la phase chimique, la contrainte augmente rapidement. Le module de Young et le module de cisaillement de la mousse d'aluminium augmentent avec l'augmentation de la densité.

3.8 Performances du blindage électromagnétique

La mousse d'aluminium a un bon effet de protection contre les ondes électromagnétiques à haute-fréquence, ce qui peut réduire les interférences électromagnétiques de plus de 80 % . Mousse d'aluminium à cellules fermées - d'une épaisseur de 5 mm et d'une porosité de 90 %, les performances de blindage électromagnétique à 60 ~ 1000 MHz sont de 35 ~ 75 dB, qui peuvent être utilisées dans les salles de blindage électromagnétique (couvertures), les boîtiers d'instruments électroniques, salles d'enregistrement radio, blindage électromagnétique et autres occasions.

3.9 Autres propriétés

La mousse d'aluminium a également une sensibilité aux gaz, une résistance au feu, une catalyse, etc. La conductivité électrique de la mousse d'aluminium est fortement affectée par la densité relative, tandis que la taille des pores a peu d'effet sur la conductivité électrique. Il devrait avoir de bonnes perspectives d'application dans de nouveaux domaines tels que l'aérospatiale, les télécommunications et la protection de l'environnement.