Espuma de alumínio é uma combinação de materiais porosos e propriedades metálicas de materiais metálicos porosos, devido à sua baixa densidade, alta absorção de energia, reciclabilidade, na área de materiais de hoje tem amplas perspectivas de aplicação, é um material de engenharia muito promissor, especialmente no transporte, aeroespacial, estruturas de construção e outras áreas foram amplamente usadas.
A equipe liderada pelo professor Chen Fanxiu, da Universidade Politécnica de Qingdao, usou a microtomografia 3D de raios X de alta resolução de três libras de precisão e o sistema de carga in situ de apoio para realizar um estudo aprofundado das propriedades mecânicas da espuma de alumínio. Por meio de um experimento de carga in situ de alumínio de espuma fechada com densidade de 0,217g / cm3, 0,347g / cm3, 0,414g / cm3 e 0,588g / cm3, respectivamente, a análise comparativa da porosidade de alumínio de espuma de diferentes densidades, a porosidade camada por camada, a distribuição do diámetro e os parâmetros estruturais dos orifícios, como a esfera, examinou o efeito dos parâmetros estruturais dos orifícios sobre as propriedades mecânicas da espuma de alumínio e as propriedades de absorção de energia, revelando as diferenças de propriedades mecânicas da espuma de alumínio de diferentes densidades.
1. Materiais e métodos
1.1 Preparação de materiais
Este estudo baseia-se em alumínio puro industrial 1060, TiH2 como agente de espuma, usando o processo de espuma fundida, preparando o material de alumínio de espuma fechada com tamanho de Φ30mm x 30mm como objeto de estudo, e com o aumento da densidade de alumínio de espuma, o poro de espuma diminui gradualmente (Figura 1).
Figura 1 Quatro densidades de ensaios cilíndricos de espuma de alumínio:
(A) 0,217g/cm3, (B) 0,347g/cm3, (C) 0,414 g/cm3, (D) 0,588 g/cm3
1.2 Métodos experimentais
Usando a série nanoVoxel-2000 de alta resolução de raios-X 3D microCT produzida pela Tianjin Sanying Precision Instruments Co., Ltd., na China, foi realizada uma varredura sem danos de quatro espécies de densidade de espécies cilindricas de alumínio de espuma com uma resolução de 25,2 μm.
MicroCT de precisão nanoVoxel-2000
Use o software de reconstrução para reconstruir em 3D e obter uma imagem de reconstrução em 3D (Figura 2). Ao mesmo tempo, o software de visualização 3D é aplicado para analisar os parâmetros estruturais de porosidade de alumínio de espuma e porosidade de camada por camada.
Figura 2 Imagem de reconstrução tridimensional de espuma de alumínio de quatro densidades
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
1.3 Teste de carga in situ
Usando o sistema de carga in situ Micro-CT, o teste de carga uniaxial é realizado a uma velocidade de 3 mm / min de acordo com o modo de carga deslocada. Quando a cabeça de pressão entra em contato com a peça de ensaio, a forma inicial da espuma de alumínio é registrada com uma varredura Micro-CT, após a qual a cabeça de pressão faz uma varredura CT a cada 3 mm para baixo. Ao mesmo tempo, a coleta de dados é realizada através do software de acompanhamento, a curva de força-deslocamento é obtida e a curva de tensão-tensão é calculada para avaliar as propriedades mecânicas da espuma de alumínio fechada.
Diagrama do sistema de carga in situ Micro-CT: (A) visão em baixo do cilindro de pressão (B) plano do cilindro de pressão (C) cabeça de pressão do dispositivo de pressão
Principais resultados
2.1 Porosidade e porosidade por camada
Realizar uma tomografia computacional de quatro espécies de espécies de alumínio de espuma de densidade para obter a porosidade de carga vazia de quatro espécies de alumínio de espuma (Figura 3 (a)). A análise obteve a distribuição de porosidade camada por camada de quatro tipos de alumínio de espuma, os resultados do desenho da Figura 3 (b) mostram que a distribuição de porosidade camada por camada da mesma densidade de alumínio de espuma em três direções XY, XZ, YZ é basicamente consistente, e a porosidade camada por camada de quatro tipos de alumínio de espuma de densidade é aproximadamente distribuída em quatro intervalos.
Figura 3 (a) Porosidade de quatro tipos de alumínio de espuma de densidade (b) Porosidade por camada de quatro diferentes cortes de alumínio de espuma de densidade
Para analisar ainda mais a variabilidade mecânica da espuma de alumínio de diferentes densidades, analise a porosidade camada por camada do corte direcional XY durante o processo de carga uniforme. Uma tomografia computarizada do ensaio por 3 mm de compressão deve ser alterada para 0,1. Os resultados da distribuição de porosidade camada por camada no processo de compressão de alumínio de espuma de quatro densidades (Figura 4) mostram que as curvas de distribuição de porosidade camada por camada apresentam um fenômeno baixo, médio e alto em ambas as cabeças, o que está relacionado ao processo de espuma e à forma da peça de ensaio. Durante o aumento da tensão de 0 para 0,7, o colapso da bolha e a área de deformação se formam gradualmente.
Figura 4 Poros por camada em quatro tipos de espuma de alumínio de densidade (A) 0,217 g/cm³, (B) 0,347 g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
O processo de colapso da espuma de alumínio durante o carregamento (Figura 5) mostra que, quando a tensão é de 0,1, a espuma de alumínio está na fase elástica, a estrutura quase não muda, a espuma de alumínio colapsa lentamente com o aumento da tensão e a forma do orifício da espuma muda gradualmente. O colapso das bolhas geralmente começa na área mais fraca e forma uma área de deformação local, que se expande gradualmente com o aumento da tensão. Quando a tensão é de 0,7, a estrutura interna de alumínio de espuma mudou completamente, especialmente a densidade de 0,58 g / cm3 de alumínio de espuma é submetida a maior pressão após o carregamento, resultando em uma ruptura e destruição completa, e seu colapso posterior também é mais completo do que os outros três tipos de densidade de alumínio de espuma.
Figura 5 Processo de colapso de espuma de alumínio durante o carregamento (A) 0,217 g/cm³, (B) 0,347 g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
2.2 Distribuição da abertura
A distribuição de abertura é outro fator importante que afeta as propriedades mecânicas da espuma de alumínio e a absorção de energia, a frequência e a distribuição percentual numérica do abertura equivalente do furo de bolha obtida usando o algoritmo de divisão de água (Figura 6) mostram que o número de poros da espuma de alumínio é distribuído principalmente na seção de pequenos furos, com o aumento do abertura equivalente, a velocidade de subida da curva é muito lenta. Quanto maior a densidade da espuma de alumínio, menor a distribuição do orifício equivalente, a densidade da espuma de alumínio de 0,588g / cm3 diminui pela metade da distribuição do orifício equivalente da espuma de alumínio de 0,217g / cm3, e a forma da bolha é mais próxima da esfera com o aumento da densidade.
Figura 6 Distribuição de aberturas de quatro tipos de espuma de alumínio de densidade
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
2.3 Forma de bola
A esfera pode medir se a forma da bolha é padrão. Utilizando um algoritmo de divisão de água para dividir os buracos de espuma de alumínio, a área de superfície e o volume de cada buraco de espuma são calculados e estatísticos. O gráfico de dispersão esférica da distribuição da espuma de alumínio (Figura 7) mostra que quanto maior a densidade da espuma de alumínio, maior a densidade da distribuição esférica, melhor a esférica. O aumento da porosidade é acompanhado por mais bolhas irregulares. A forma esférica da espuma é relacionada com a espuma e o fenômeno de eliminação no processo de coagulação de alumínio de espuma, a distribuição esférica de quatro tipos de alumínio de espuma é principalmente concentrada na metade superior, o que indica que a estrutura de alumínio de espuma preparada é mais uniforme.
Figura 7 Distribuição de quatro formas de esferas de espuma de alumínio de densidade
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
Para ver mais intuitivamente as mudanças na forma da bolha, use como exemplo uma bolha típica de espuma de alumínio com uma densidade de 0,588 g/cm³ para desenhar um mapa tridimensional da bolha (Figura 8). Os resultados mostram que a forma da bolha é esférica ou elíptica, apenas uma pequena parte da forma da bolha é irregular, o que indica que a forma irregular da bolha de espuma tem uma boa esférica.
Figura 8 Espuma de alumínio com densidade de 0,588 g/cm³
2.4 Relações de tensão durante a carga in situ
Comprimir a espuma de alumínio a uma taxa constante para garantir que a taxa de tensão é constante durante o carregamento, a curva de tensão-tensão obtida (Figura 9) mostra que a curva de tensão-tensão da espuma de alumínio de maior densidade está localizada no topo. A curva de tensão-tensão é dividida em três fases, a saber, a fase elástica, a fase de plataforma de tensão e a fase de densificação. Entre eles, a espuma de alumínio absorve uma grande quantidade de energia durante a plataforma de tensão, a deformação plástica e o colapso da espuma aparecem até que a tensão da fase densa aumente exponencialmente, e esse colapso contínuo afetará a absorção de energia da espuma de alumínio.
Figura 9 Curva de tensão - deformação de quatro tipos de espuma de alumínio de densidade
Os principais parâmetros mecânicos da espuma de alumínio na fase elástica são mostrados na Tabela 2: a tensão de submissão da espuma de alumínio com densidade de 0,588 g / cm³ é quase 7 vezes maior que a de espuma de alumínio com densidade de 0,217 g / cm³, e a tensão de submissão das quatro espécies de espuma de alumínio densa é mais próxima. O módulo elástico da espuma de alumínio de alta densidade é maior, com a diferença máxima de cerca de 5 vezes.
Tabela 2 Parâmetros mecânicos principais da espuma de alumínio na fase elástica
2.5 Absorção de energia durante o carregamento in situ
O cálculo obteve a capacidade de absorção de energia e a eficiência de absorção de energia de quatro tipos de espuma de alumínio de densidade que variam com a tensão e a tensão (Figura 10). Os resultados do desenho mostram que a absorção de energia e a tensão da espuma de alumínio são quase lineares, quanto maior a densidade da espuma de alumínio, maior a capacidade de absorção de energia; Quanto mais uniforme for a estrutura, maior será a eficiência de absorção de energia da espuma de alumínio; A eficiência da absorção de energia segue as três fases da mudança de tensão, correspondendo às três fases da curva de tensão-tensão: a zona de subida lenta (fase elástica), a zona de subida brusca (fase de plataforma de tensão) e a zona de enfraquecimento de queda (fase de densificação), onde a fase de plataforma de tensão é a fase chave que afeta a eficiência da absorção de energia da bolha e também a fase chave da deformação da absorção de energia da bolha.
Figura 10 Eficiência de absorção e absorção de energia de quatro tipos de alumínio de espuma de densidade: (a) absorção de energia sob diferentes tensões (b) eficiência de absorção de energia sob diferentes tensões (c) absorção de energia sob diferentes tensões (d) eficiência de absorção de energia sob diferentes tensões (σD: tensão densa, εD: tensão densa)
Comparando as propriedades mecânicas de quatro tipos de alumínio de espuma de densidade diferente (Tabela 3), descobriu-se que a capacidade de absorção de energia sob tensão de plataforma e tensão de densidade e tensão de densidade aumentaram com o aumento da densidade de alumínio de espuma. A tensão de densificação de espuma de alumínio com densidade de 0,588 g / cm³ é a maior e a tensão de densificação de 0,347 g / cm³ é a menor. Os parâmetros da estrutura do orifício do ensaio determinam a variabilidade mecânica do alumínio de espuma de densidade diferente, como as propriedades mecânicas e as propriedades de absorção de energia.
Tabela 3 Comparação das propriedades mecânicas da espuma de alumínio de diferentes densidades
Conclusão
Este estudo utilizou o Micro-CT para fazer uma tomografia computacional de alumínio de espuma de diferentes densidades, analisando os parâmetros estruturais dos orifícios de alumínio de espuma de diferentes densidades (porosidade, porosidade por camada, distribuição do orifício e esférica), bem como as propriedades mecânicas e a absorção de energia sob carga in situ.
Os principais resultados da pesquisa podem ser resumidos do seguinte modo: o colapso dos poros de alumínio de espuma no teste de carga de campo começou a partir de uma área de alta porosidade; A porosidade do alumínio de espuma de alta densidade é baixa, os poros são pequenos e são esféricos; A curva de tensão-deformação da espuma de alumínio de alta densidade está localizada acima, o módulo elástico é grande; A capacidade de absorção de energia está relacionada com a densidade da espuma de alumínio, a capacidade de absorção de alta densidade da espuma de alumínio é grande, mas a eficiência de absorção de energia está principalmente relacionada com a uniformidade da estrutura.
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