09,14,2026 4vistas
La espuma de aluminio es un material metálico poroso que combina materiales porosos y propiedades metálicas. debido a su baja densidad, alta absorción de energía y reciclabilidad, tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de los materiales actuales. es un material de ingeniería muy prometedor, especialmente en transporte, aeroespacial, estructuras de construcción y otros campos.
El equipo dirigido por el Profesor Chen fanxiu de la Universidad Tecnológica de Qingdao utilizó microcirugía tridimensional de rayos X de alta resolución de precisión Sanying y un sistema de carga in situ de apoyo para estudiar en profundidad las propiedades mecánicas de la espuma de aluminio. A través de experimentos de carga in situ de espuma de aluminio de células cerradas con densidades de 0217g / cm3, 0347g / cm3, 0414g / cm3 y 0588g / cm3, respectivamente, se comparan y analizan los parámetros de estructura de poros de espuma de aluminio de diferentes densidades, como la permeabilidad, la brecha facial capa por capa, la distribución de poros y la esfericidad, se examina la influencia de los parámetros de estructura de poros en las propiedades mecánicas y absorbentes de energía de la espuma de aluminio, y se revelan las diferencias en las propiedades mecánicas de la espuma de aluminio de diferentes densidades.
1. materiales y métodos
1.1 preparación de materiales
En este estudio, con 1060 aluminio puro industrial como sustrato y tih2 como agente espumante, se utilizó el proceso de espuma de fusión para preparar un material de espuma de aluminio de células cerradas con un tamaño de 0,30 mm x 30 mm como objeto de investigación, y con el aumento de la densidad de espuma de aluminio, las burbujas disminuyeron gradualmente (figura 1).
Figura 1 cuatro densidades de muestras cilíndricas de espuma de aluminio:
(A) 0,217g/cm3, (B) 0,347g/cm3, (C) 0,414 g/cm3, (D) 0,588 g/cm3
1.2 métodos experimentales
La tomografía computarizada tridimensional de rayos X de alta resolución de la serie nanovoxel - 2000 producida por Tianjin Sanying Precision Instrument co., Ltd. de China se utilizó para realizar un escaneo no destructivo de muestras cilíndricas de espuma de aluminio con una resolución de 25,2 micras en cuatro densidades.
Micro - CT nanovoxel - 2000 de precisión Sanying
Utilizando el software de reconstrucción para la reconstrucción tridimensional, se obtiene la imagen de reconstrucción tridimensional (figura 2). Al mismo tiempo, se aplica un software de visualización tridimensional para analizar los parámetros de la estructura celular, como la permeabilidad de la espuma de aluminio y la tasa de brecha facial capa por capa.
Figura 2 imagen de reconstrucción tridimensional de espuma de aluminio de cuatro densidades
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
1.3 prueba de carga in situ
Utilizando el sistema de carga in situ micro - ct, de acuerdo con el modo de carga de desplazamiento, la prueba de carga Uniaxial se realiza a una velocidad de 3 mm / min. Cuando la cabeza de presión entra por primera vez en contacto con la muestra, se registra la forma inicial de la espuma de aluminio con una tomografía computarizada micro, y luego la cabeza de presión se realiza una tomografía computarizada cada 3 mm hacia abajo. Al mismo tiempo, a través de la adquisición de datos a través del software de apoyo, se obtiene la curva de desplazamiento de fuerza y se calcula la curva de tensión - tensión para evaluar las propiedades mecánicas de la espuma de aluminio de células cerradas.
Esquema del sistema de carga in situ micro - ct: (a) vista superior del cilindro presurizado (b) plano del cilindro presurizado (c) cabeza de presión del dispositivo presurizado
2. principales resultados
2.1 Tasa de poros y brecha facial capa por capa
Se realizaron tomografías computarizadas de muestras de espuma de aluminio de cuatro densidades y se utilizó el método de División umbral para obtener la permeabilidad sin carga de las cuatro espumas de aluminio (figura 3 (a). El análisis obtuvo la distribución de la tasa de brecha facial capa por capa de cuatro tipos de espuma de aluminio. los resultados del gráfico 3 (b) muestran que la distribución de la tasa de brecha facial capa por capa de espuma de aluminio de la misma densidad en las tres direcciones de xy, XZ y YZ es básicamente la misma, y la tasa de brecha facial capa por capa de cuatro tipos de espuma de aluminio de densidad se distribuye aproximadamente en cuatro intervalos.
Figura 3 (a) permeabilidad de cuatro espumas de aluminio de densidad (b) tasa de brecha facial capa por capa de diferentes secciones de cuatro espumas de aluminio de densidad
Con el fin de analizar más a fondo la variabilidad mecánica de las espumas de aluminio de diferentes densidades, se comparó y analizó la tasa de brecha facial capa por capa de las rebanadas direccionales XY durante la carga uniforme. Cada 3 mm de compresión se realiza una tomografía computarizada de la muestra, con una tensión de 0,1. Los resultados de la distribución de la tasa de brecha facial capa por capa durante la compresión de cuatro espumas de aluminio de densidad (figura 4) muestran que la curva de distribución de la tasa de brecha facial capa por capa muestra un fenómeno de dos extremos bajos y medio altos, que está relacionado con el proceso de espuma y la forma de la muestra. En el proceso de aumentar la tensión de 0 a 0,7, las áreas de colapso y deformación de las burbujas se forman gradualmente.
Figura 4 poros capa por capa de cuatro espumas de aluminio de densidad (a) 0217 G / CM 3, (b) 0347 G / CM 3, (c) 0414 G / CM 3, (d) 0588 G / CM 3
El proceso de colapso de la espuma de aluminio durante el proceso de carga (figura 5) muestra que cuando la tensión es de 0,1, la espuma de aluminio se encuentra en una etapa elástica, la estructura apenas cambia, la espuma de aluminio se derrumba lentamente con el aumento de la tensión, y la morfología de las burbujas cambia gradualmente. El colapso de las burbujas generalmente comienza en la zona más débil y forma una zona de deformación local, que se expande gradualmente con el aumento de la tensión. Con una tensión de 0,7, la estructura interna de la espuma de aluminio ha cambiado por completo, especialmente la espuma de aluminio con una densidad de 0,58 G / cm3 está bajo una mayor presión después de la carga, lo que finalmente produce una rotura y destrucción completa, y su colapso posterior es más completo que la espuma de aluminio con otras tres densidades.
Figura 5 Proceso de colapso de espuma de aluminio durante la carga (a) 0217 G / CM 3, (b) 0347 G / CM 3, (c) 0414 G / CM 3, (d) 0588 G / CM 3
2.2 Distribución del tamaño del agujero
La distribución del tamaño del agujero es otro de los principales factores que afectan las propiedades mecánicas y la absorción de energía de la espuma de aluminio. el mapa de distribución de frecuencia y porcentaje digital del tamaño equivalente del agujero de burbuja obtenido con el algoritmo de cuenca (figura 6) muestra que el número de poros de la espuma de aluminio se distribuye principalmente en la parte del agujero pequeño, y la curva aumenta lentamente a medida que aumenta el tamaño equivalente del agujero. Cuanto mayor sea la densidad de espuma de aluminio, menor será el rango de distribución del tamaño del agujero equivalente. la espuma de aluminio con una densidad de 0588 G / cm3 se reducirá a la mitad que el rango de distribución del tamaño del agujero equivalente de espuma de aluminio con una densidad de 0217 G / cm3, y la forma de la burbuja está más cerca de la esfera con el aumento de la densidad.
Figura 6 Distribución del tamaño del poro de cuatro espumas de aluminio de densidad
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
2.3 esfericidad
La esfericidad puede medir si la forma de las burbujas es estándar. Se utiliza un algoritmo de cuenca hidrográfica para dividir las burbujas en la espuma de aluminio, y se calcula y cuenta la superficie y el volumen de cada burbuja. El gráfico de dispersión de la distribución de la esfericidad de las burbujas de espuma de aluminio (figura 7) muestra que cuanto mayor sea la densidad de la espuma de aluminio, más densa será la distribución de la esfericidad y mejor será la esfericidad. El aumento de la permeabilidad irá acompañado de la aparición de más burbujas irregulares. La esfericidad de las espumas está relacionada con el fenómeno de espuma y descarga durante la solidificación de la espuma de aluminio, y la distribución de la esfericidad de las cuatro espumas de aluminio se concentra principalmente en la mitad superior, lo que indica que la estructura de espuma de aluminio preparada es relativamente uniforme.
Figura 7 mapa de puntos de dispersión de la esfericidad de las burbujas de aluminio de cuatro densidades
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
Para ver más intuitivamente los cambios en la forma de las burbujas, tomando como ejemplo las burbujas típicas de espuma de aluminio con una densidad de 0588 G / CM 3, se dibuja un mapa tridimensional de las burbujas (figura 8). Los resultados muestran que la mayoría de las formas de las burbujas son esféricas o elipsoidales, y solo una pequeña parte de las formas de las burbujas son irregulares, lo que indica que las burbujas irregulares formadas por la espuma tienen una buena esfericidad.
Figura 8 imagen tridimensional de burbujas de espuma de aluminio con una densidad de 0588 G / CM 3
2.4 relaciones de estrés y tensión durante la carga in situ
Comprimir la espuma de aluminio a una tasa constante para garantizar una tasa de tensión constante durante la carga, la curva de tensión - tensión resultante (figura 9) muestra que la curva de tensión - tensión de la espuma de aluminio con mayor densidad se encuentra en la parte superior. La curva de tensión - tensión se divide en tres etapas, a saber, la etapa de elasticidad, la etapa de plataforma de estrés y la etapa de densidad. Entre ellos, la espuma de aluminio absorbe una gran cantidad de energía durante el período de la Plataforma de estrés, y las burbujas se deforman y colapsan plásticamente hasta que el estrés aumenta exponencialmente en la etapa densa, lo que afectará la absorción de energía de la espuma de aluminio.
Figura 9 curva de tensión - tensión de cuatro espumas de aluminio de densidad
Los principales parámetros mecánicos de la fase elástica de la espuma de aluminio se muestran en la tabla 2: el esfuerzo de rendimiento de la espuma de aluminio con una densidad de 0588 G / CM 3 es casi siete veces mayor que el de la espuma de aluminio con una densidad de 0217 G / CM 3, y la tensión de rendimiento de Los cuatro tipos de espuma de aluminio denso es relativamente cercana. El Módulo elástico de la espuma de aluminio de alta densidad es grande, con una diferencia máxima de aproximadamente cinco veces.
Cuadro 2 principales parámetros mecánicos de la espuma de aluminio en la etapa elástica
2.5 absorción de energía durante la carga in situ
A través del cálculo, se obtuvieron los cambios en la capacidad de absorción de energía y la eficiencia de absorción de energía de las cuatro espumas de aluminio de densidad con estrés y tensión (figura 10). Los resultados del dibujo muestran que la absorción de energía y la tensión de la espuma de aluminio están cerca de la relación lineal positiva, cuanto mayor sea la densidad de la espuma de aluminio, mayor será la capacidad de absorción de energía; Cuanto más uniforme sea la estructura, mayor será la eficiencia de absorción de energía de la espuma de aluminio; Las tres etapas en las que la eficiencia de absorción de energía cambia con el estrés corresponden a las tres etapas de la curva de esfuerzo - tensión: la zona de ascenso lento (etapa elástica), la zona de ascenso brusco (etapa de la Plataforma de estrés) y la zona de debilitamiento descendente (etapa de densidad), en la que la etapa de la Plataforma de estrés es la etapa crítica que afecta la eficiencia de absorción de energía de las burbujas y la etapa crítica de la deformación de la absorción de energía de las burbujas.
Figura 10 eficiencia de absorción de energía y absorción de energía de cuatro espumas de densidad de aluminio: (a) absorción de energía bajo diferentes cepas (b) eficiencia de absorción de energía bajo diferentes cepas (c) absorción de energía bajo diferentes tensiones (d) eficiencia de absorción de energía bajo diferentes tensiones (sigma d: tensión densa, Epsilon d: tensión densa)
En comparación con las propiedades mecánicas de cuatro espumas de aluminio de diferentes densidades (tabla 3), se encontró que el estrés de la Plataforma y el estrés denso y la capacidad de absorción de energía bajo la tensión densa aumentaron con el aumento de la densidad de espumas de aluminio. La tensión de densidad de espuma de aluminio con una densidad de 0588 G / CM cúbico es la más alta y la tensión de densidad con una densidad de 0347 G / CM cúbico es la más baja. Los parámetros de estructura de poros de la muestra determinan la variabilidad mecánica como las propiedades mecánicas y las propiedades de absorción de energía de las espumas de aluminio de diferentes densidades.
Cuadro 3 Comparación de las propiedades mecánicas de las espumas de aluminio de diferentes densidades
Conclusiones
Este estudio utilizó micro - CT para realizar una tomografía computarizada de espumas de aluminio de diferentes densidades, analizando los parámetros de estructura de poros (permeabilidad, brecha facial capa por capa, distribución de poros y esfericidad) de espumas de aluminio de diferentes densidades, así como las propiedades mecánicas y la absorción de energía bajo carga in situ.
Los principales resultados de la investigación se pueden resumir de la siguiente manera: el colapso de los poros de espuma de aluminio en las pruebas de carga in situ comienza en áreas de alta permeabilidad; La espuma de aluminio de alta densidad tiene baja permeabilidad, pequeños poros y buena esfericidad; La curva de tensión - tensión de la espuma de aluminio de alta densidad se encuentra por encima y tiene un gran módulo de elasticidad; La capacidad de absorción de energía está relacionada con la densidad de la espuma de aluminio. la espuma de aluminio de alta densidad tiene una gran capacidad de absorción de energía, pero la eficiencia de absorción de energía está relacionada principalmente con la uniformidad de la estructura.
¡Durante mucho tiempo, Sanying Precision se ha centrado en la tecnología de tomografía computarizada de rayos X y el desarrollo de productos, se ha comprometido a proporcionar a los usuarios nuevos métodos y herramientas para resolver problemas, ¡ y continuará brindando una ayuda más fuerte a los investigadores científicos en el futuro!
