Production of aluminum foam using an alternative porophore

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В порошковой металлургии используются различные порошки металлов необходимого качества, и они имеют широкий спектр свойств, зависящих не только от дисперсности и формы частиц (от нитевидных до сферических), но и от получения их путем восстановления оксидов и солей, электролитического осаждения металлов, механическим методом (измельчение резанием, размол, распыление) и многими другими. В выборе металлических порошков для конкретных изделий учитывается их прессуемость (формуемость), пирофорность и токсичность [1].

Функциональные свойства конкретного пеноматериала (пеноалюминия), такие как низкая плотность в сочетании с повышенной жесткостью, позволяют возводить долговечные и устойчивые конструкции. Пеноалюминий – биостойкий (не поддается гниению), имеет низкий показатель гигроскопичности. Демпферные свойства подходят для использования ударопрочных бамперов, плит, перегородок, в конструкциях и устройствах, способных поглощать сильные механические воздействия. Минимальный вес конструкций позволяет использовать пеноалюминий в конструировании космических объектов [2].

Звуко-, шумо-, вибропоглощающие свойства и защита от электромагнитного излучения позволяют использовать пеноалюминий в различных ограждающих конструкциях, как стеновых, так и потолочных [3].

Пенометалл (пеноалюминий) также можно использовать в качестве наполнения полых профилей из металла, увеличивая жесткость конструкции. Обладая высокой эстетикой наряду с нетоксичностью, лёгкостью, огнестойкостью и коррозионной стойкостью, пеноалюминий подходит для отделки фасадов, кабин лифтов и др. [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для получения пеноалюминиевого образца используются порошки алюминия, а в качестве порофора – порошок скорлупы птичьих яиц в виде CaCO₃ (патент № 2801169 Лапин И. В.). По данным химического и анализа ТГА (рис. 1), в первую очередь по температуре разложения и объему порообразующих выделений подбирается вид применяемого порофора. Экспериментально подбирается количественное соотношение основы и порофора, тип смешивающего устройства. Исходя из научных данных, выбирается усилие прессования и проводится одноосное холодное прессование смешанных порошков в прессформах. Далее в собственно изготовленной экспериментальной установке проводится спекание прекурсоров индукционным нагревом в защитной среде аргона. После охлаждения снимаются физические показатели полученных образцов, такие как размерность, плотность, пористость и др.).

 

Рисунок 1. Термоаналитические кривые ТГ-ДТГ, ДСК порошка птичьих яиц в виде CaCO3.

 

Термоаналитические кривые ТГ-ДТГ, ДСК представленного порофора в виде CaCO₃ (рис. 1), где горизонтальная ось координат показывает температурные интервалы (°C), вертикальные оси координат (слева направо) – производная функция веса (%/мин); масса (%); тепловой поток, соответствующий эндотермическому разложению (мВт).

При разложении представленного порофора в виде CaCO₃ выделенная тепловая энергия резко повышает температуру порошкового вещества, соответственно, требуются меньшие энергетические затраты для нагрева образца [1].

Величиной, определяющей физические свойства пеноалюминия, является его плотность и пористость (объем порового пространства), исчисляемая по формуле:

$П=\left(1-\frac{{\rho }_0}{\rho }\right)·100$

где П – пористость в %, ρ_о – плотность готового (спеченного) материала, ρ – плотность литого материала.

Плотность пенометалла (г/см³) определялась стандартным способом по формуле:

ρ_о = m/V

где m – масса образца, V – объем образца.

Физические характеристики образцов пеноалюминия с предложенным порофором в виде CaCO₃ закономерно зависят от количества вводимого порошкового порообразователя (таблица 1), и в дальнейшем существенно влияют на структуру и механические свойства полученного композиционного изделия [4].

 

Таблица 1. Характеристики образцов с различной массовой долей порофора CaCO₃.

№ образца пеноалюминия	Количество порофора, % масс	Плотность образца после прессования, гр/см2	Плотность образца после спекания, гр/см2	Пористость образца, относительно спресованн. компакта, %	Пористость образца, относительно литой матрицы, %
1	3	2.3	1.97	13,17	28,5
2	5	2.389	1.982	17	26,5
3	8	2.172	1.62	25,42	40
4	10	2.33	2.012	13,8	25,4
5	15	2.4	1.96	18,3	27,4
6	20	2.36	1.99	15,6	26,3

 

На графике (рисунок 2) видны максимальные значения пористости пеноалюминиевых образцов с порошковым порофором СаСО₃ при отношениях как спекаемых образцов к спрессованным, так и спекаемых образцов к литым, и имеют пористость 25,42 % и 40 % соответственно.

 

Рисунок 2. График зависимости пористости образцов пеноалюминия от массовой доли порофора CaCO3 (нижний график – плотность спекаемого от плотности спрессованного, верхний – плотность спекаемого от плотности литого).

 

Исходя из полученных экспериментальных данных, для получения качественного пеноалюминия оптимальное количество порофора СаСО₃ по массе должно содержать 8–12 %. Уменьшение массового процентного содержания порофора CaCO₃ ведет к увеличению плотности пеноалюминия и уменьшению пористости полученного образца.

Количество порофора 8–12 мас. % является оптимальным для получения однородной пористой структуры и стабильности размеров полученного материала (потери формы).

При содержании порофора в количестве меньше 8 % значительно падают показатели пористости образцов, соответственно, уменьшаются размеры пор, что радикально влияет на характеристики энергопоглощающих свойств пенометаллических изделий.

Спекание спрессованных образцов порошка алюминия и порофора представлена (рисунок 3) на схеме экспериментальной установки для спекания.

 

Рисунок 3. Схема установки для спекания сформованных образцов: 1 – баллон с аргоном; 2, 11 – запорные вентили; 3 – манометр; 4 – кварцевый реактор; 5 – графитовый тигель с образцом; 6 – устройство для фиксирования показателей температур; 7 – блок генератора индукционного нагревателя; 8 – вентилятор охлаждения; 9 – насос гидравлический; 10 – индивидуальный источник питания; 12 – емкость; 13 – емкость с жидкостью.

 

Аргоновый газ из баллона 1 подается в кварцевый реактор 4 установки, в котором установлен графитовый тигель с прекурсором 5. Снятие показаний температур нагрева производится встроенными хромель-алюмелевыми термопарами и выводится на аналоговый контроллер 6. Далее защитный газ поступает в стеклянную емкость 12, затем в емкость с водой 13. Генератор индукционного нагревателя 7 посредством катушки индуктора осуществляет нагрев образца путем превращения электромагнитных волн в тепловую энергию. Блок индукционного нагревателя охлаждается вентилятором 8, а катушка индуктора имеет водяное охлаждение посредством циркуляционной перекачки насосом 9.

Питание и регулировка параметров (силы тока, напряжения) блока генератора осуществляется индивидуальным источником питания 10.

Для проведения расчетов энергопоглощающих элементов конструкций необходимо знать упруго-пластические свойства пеноалюминия, и при оптимизации элементов требуется иметь зависимость характеристик деформирования пеноалюминия от его плотности [5].

Применение карбонатов в качестве порофоров дополнительно обосновано способностью некоторых металлов поглощать водород, что, в свою очередь, делает применение гидридов неэффективным. Данную особенность можно наблюдать у магния (Mg), который обладает способностью поглощать водород, поэтому CaCO₃ и MgCO₃ являются более подходящими вспенивающими веществами для получения пеноалюминия и пеномагния [6].

Также к факторам выбора карбонатов относятся исследования, которые показали, что при использовании гидридов в качестве порообразователей образуются хрупкие интерметаллические соединения, которые влияют на пластичность материала, и из-за этого взаимодействия способность пенометалла поглощать энергию снижается. Например, при получении пеноалюминия с использованием TiH₂ в качестве порофора образуется интерметаллид Al₃Ti, который является хрупким соединением, снижающим пластичность стенок ячеек и ударную вязкость пенометалла. Следовательно, способность пенометаллов, полученных с помощью TiH₂, к поглощению энергии ниже, чем у пенометаллов, полученных с помощью CaCO₃, образующих комбинацию Al и Al₄Ca, которая является менее хрупкой и не влияет на прочность [7-8]. Также применение представленного порофора в виде CaCO₃, по сравнению с гидридом титана, выигрывает по себестоимости (т. к. гидрид титана стоит 5000 руб./кг, яичная скорлупа, даже молотая – 50-120 руб./кг).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Получение пористой структуры алюминия обосновано введением порошкового порообразователя – скорлупы птичьих яиц в смесь, холодное прессование и спекание до получения пенометалла со специальными свойствами. Сочетание специальных свойств пеноалюминия увеличивает реестр применения его в различных областях производства [9].

About the authors

Ilya V. Lapin

Kazan National Research Technological University

Author for correspondence.
Email: 89003222142@mail.ru
Russian Federation, Kazan

Ilfar M. Gilmutdinov

Kazan National Research Technological University

Email: 89003222142@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files