Ciri prestasi panel sandwic buih aluminium gentian karbon yang didepositkan tembaga berbanding panel sandwic buih aluminium konvensional

Sandwic buih aluminiumPanel (AFS) mempunyai gabungan ciri struktur dan fungsi seperti ketumpatan rendah, kekuatan khusus yang tinggi, penyerapan tenaga yang menggalakkan, kapasiti redaman dan perisai elektromagnet. Ciri-ciri cemerlang ini menjadikan AFS mempunyai potensi besar dalam bidang aeroangkasa, pengangkutan dan marin. Berbanding dengan hampir logambuihs, plat logam luar AFS boleh mengelak buih dengan berkesan dan meningkatkan sifat mekanikalnya yang komprehensif, seperti kekuatan tegangan dan lenturan. Secara amnya, AFS telah direka dengan kaedah ikatan pelekat, yang memerlukan pemasangan buih aluminium pada panel logam pepejal menggunakan pelekat resin epoksi.

Walaupun kaedah ikatan pelekat secara berkesan meningkatkan redaman struktur, ia disertai dengan batasan, termasuk cabaran dalam kitar semula dan kerentanan kepada kegagalan delaminasi dalam keadaan suhu tinggi atau menghakis. Untuk menangani batasan ini, usaha penyelidikan yang meluas telah didedikasikan untuk mencapai ikatan metalurgi antara panel dan lapisan teras.

Pada masa ini, kaedah penyediaan utama untuk AFS bertujuan untuk mencapai ikatan metalurgi secara amnya dikelaskan kepada tiga kategori: kaedah kimpalan, berbuih cair, dan kaedah metalurgi serbuk penggulungan pembungkusan. Di antara kaedah ini, kaedah metalurgi serbuk penggelek pembungkusan dianggap sebagai unggul untuk mengawal struktur liang dan mencapai pembuih suhu rendah. Kerja kami sebelum ini menggunakan teknologi ini untuk menghasilkan AFS bersaiz besar dengan sifat pengembangan yang lebih baik dan struktur selular untuk aplikasi perindustrian.

Walau bagaimanapun, disebabkan sifat mekanikal mampatan yang agak rendah bagi teras buih, peningkatan kekuatan mekanikal AFS adalah terhad, jadi penambahbaikan lagi kekuatan teras buih adalah penting untuk AFS.

Sehingga kini, kaedah biasa dilaporkan untuk meningkatkan sifat mekanikal mampatanbuih aluminiumadalah seperti berikut: rawatan permukaan, rawatan haba, dan tetulang dengan menambah zarah, gentian, unsur mengaloi, dsb. Antaranya, gentian karbon pendek dengan ketumpatan rendah, modulus keanjalan tinggi, dan nisbah aspek yang besar telah menarik perhatian luas sebagai bahan penguat yang menjanjikan. Selain itu, pengetatan permukaan gentian karbon, melalui penyaduran elektro atau penyaduran kimia seperti penyaduran kuprum atau penyaduran nikel, meningkatkan lagi kebolehbasahan gentian karbon dalam cair aluminium dan mengelakkan tindak balas antara muka yang berbahaya antara gentian karbon dan cair aluminium. Gentian karbon pendek kini digunakan secara meluas untuk mengukuhkan komposit matriks aluminium.

Bhav Singhetal. gentian karbon bersalut kuprum yang disediakan komposit matriks aluminium bertetulang dengan kaedah tuangan kacau. Muetal. komposit matriks aluminium fabrikasi diperkukuh dengan gentian karbon bersalut nikel menggunakan kaedah tuangan dua gulung. Keputusan menunjukkan peningkatan ketara dalam kekuatan tegangan komposit dengan penambahan gentian karbon. Walau bagaimanapun, terdapat kajian terhad yang dijalankan ke atasbusa aluminium diperkukuhdengan gentian karbon bersalut kuprum. Caoetal. gentian karbon bersalut kuprum yang disediakan terlebih dahulu diperkukuh buih aluminium melalui kaedah berbuih cair. Keputusan menunjukkan bahawa 0.35 vol% Cf boleh menstabilkan buih aluminium dengan menghalang pecah filem cecair, dan semakin banyak jumlah gentian yang ditambahkan pada buih adalah lebih stabil. Muetal. menunjukkan bahawa sifat redaman buih aluminium yang disediakan dengan kaedah berbuih cair telah bertambah baik dengan ketara dengan penambahan Cf.

Sehubungan itu, dapat disimpulkan bahawa penambahan Cf boleh menjadi strategi yang berkesan untuk meningkatkan kestabilan berbuih dan sifat mekanikal pada masa yang sama.buih aluminium. Tambahan pula, tiada laporan mengenai panel sandwic buih aluminium bertetulang gentian karbon bersalut kuprum yang disediakan melalui kaedah metalurgi serbuk, yang mendorong para penyelidik untuk menjalankan kajian yang lebih mendalam dalam bidang ini.

Banyak kajian telah dijalankan mengenai mekanisme nukleasi dan kestabilanbuih aluminiumdengan penambahan fasa pengukuhan. Perbezaan nombor liang dan morfologi liang,

seperti saiz, pengedaran dan bentuk, biasanya dikaitkan dengan mekanisme dan kestabilan nukleasi. Kesan nukleasi heterogen dan mekanisme penstabilan rangkaian oksida dalam sistem metalurgi serbuk telah disiasat secara menyeluruh. Serbuk aloi kuaternari yang terdiri daripada Al–Si–Mg–Cu yang digunakan dalam kertas ini telah mempamerkan kadar pengembangan yang luar biasa dan suhu berbuih rendah, dengan suhu pepejal 507 ◦C dan suhu cecair 596 ◦C. Walau bagaimanapun, terdapat kekurangan penyelidikan mengenai mekanisme nukleasi, kestabilan, dan sifat mekanikal mampatan padat serbuk yang mengandungi komposisi aloi tertentu ini, terutamanya apabila menggabungkan Cf. Dalam kerja-kerja terdahulu, penyiasatan mekanisme nukleasi dan penstabilan dijalankan terutamanya melalui kaedah bukan in situ, yang melibatkan analisis tomografi sampel yang disejukkan dengan cepat berikutan gangguan berbuih. Malangnya, nukleasi gelembung submikron terutamanya berlaku semasa pemanasan prekursor dan mengembang dengan pantas dalam selang masa yang menjangkau dari 100 ms hingga 1 s, selalunya memberikan cabaran untuk pemerhatian masa nyata. Teknik pengimejan sinar-X sinaran segerak moden mempunyai tenaga tinggi dan resolusi spatiotemporal, membolehkan pemerhatian masa nyata, in situ bagi proses nukleasi dan pertumbuhan buih aluminium pada suhu tinggi. Pada masa ini, hanya penyelidik terhad yang telah meneroka kinetik berbuih serbuk aloi Al-Si-Mg oleh sinaran synchrotron. Contohnya, García-Morenoetal. melaporkan fenomena dinamik yang ketara dalam buih aluminium cecair, termasuk nukleasi dan pertumbuhan, penyusunan semula gelembung, penarikan balik cecair, aglomerasi dan pecah filem. Kamm et al. mengkaji proses nukleasi dan pertumbuhan buih aluminium AlSi8Mg4 oleh sinaran synchrotron. Penemuan mereka menunjukkan bahawa hidrogen yang dihasilkan melalui penguraian penjerap pada permukaan serbuk logam mewakili satu lagi mekanisme nukleasi yang penting. Namun, interaksi antara komponen prekursor adalah rumit, dan dinamik berbuih boleh dipengaruhi oleh komposisi mereka. Untuk kedua-dua sistem serbuk Al-Si-Cu-Mg dan sistem serbuk Al-Si-Cu-Mg dengan Cf tambahan, pemahaman dan penerokaan permulaan dan pertumbuhan buih logam adalah penting untuk pembangunan struktur selanjutnya buih untuk menambah baik sifat untuk aplikasi.

Dalam kerja ini, Cf/AFS dan AFS dengan ikatan antara muka metalurgi telah disediakan dengan kaedah metalurgi serbuk penggelek pembungkusan. Evolusi gelembung Cf/AFS dan AFS diperhatikan in situ oleh sinaran sinkrotron untuk mendedahkan mekanisme Cf pada nukleasi gelembung, pertumbuhan dan penggabungan, dan kestabilan. Di samping itu, Cf/AFS dan AFS telah berbuih pada 620 ◦C selama 15 minit dalam relau ruang. Selepas itu, taburan saiz liang, struktur mikro liang, dan sifat mekanikal mampatan bagi sampel berbuih telah dicirikan dan diuji. Berdasarkan kajian yang dinyatakan di atas, struktur dan kekuatan mampatan Cf/AFS dan AFS telah dinilai secara sistematik.

2.bahans dan kaedah

2.1. Bahan mentah

Enam bahan mentah telah digunakan untuk menyediakan AFS dan Cf/AFS: Serbuk Al (saiz purata: 45 μm, ketulenan > 99.70%), Serbuk Si (saiz purata: 38 μm, ketulenan > 99.50%), Serbuk Cu (saiz purata: 38 μm, ketulenan > 99.90%), serbuk Mg 75 >9.9%), serbuk Mg (purata >9.90%), Serbuk Mg (purata >9.90%) Serbuk TiH2 (purata saiz: 45 μm, ketulenan >99.70%), dan gentian karbon bersalut kuprum (purata saiz: 1～2 mm, ketebalan bersalut kuprum: 1.4 μm).

2.2. Fabrikasi Cf/AFS

Skema kaedah metalurgi serbuk penggelek pembungkusan digambarkan dalamRajah 1. Semasa peringkat pencampuran, serbuk aloi kuartener AlSi6Mg4Cu4 telah disediakan, dengan serbuk Al, Si, Cu, dan Mg dalam perkadaran masing-masing 86% berat, 6% berat, 4% berat, dan 4% berat. Serbuk TiH2 teroksida 1% berat (rawatan haba dalam udara selama 1.5 jam pada suhu 470 ◦C) telah ditambah sebagai agen tiupan yang membebaskan H2 dengan cepat pada suhu leburan mengembangkan leburan. Selain itu, 0.5% berat gentian karbon telah digabungkan sebagai fasa pengukuhan. Terutamanya, untuk meningkatkan kebolehbasahan dan mencegah tindak balas berbahaya seperti Al4C3 pada antara muka cair gentian aluminium semasa berbuih, gentian karbon disalut kuprum melalui penyaduran elektrik. Proses penyaduran elektrik diterangkan dalam Ruj.Rajah 2menunjukkan gentian karbon bersalut kuprum yang diperolehi melalui proses penyaduran tanpa elektro. Salutan mempunyai liputan seragam dan berterusan permukaan gentian(Rajah 2(a)–(b)). Selepas itu, komposisi aloi berbeza yang digunakan dalam kajian ini telah disediakan dengan mencampurkan serbuk yang disebutkan di atas dengan dan tanpa Cf secara menyeluruh dalam pengadun tiga dimensi selama 3 jam. Serbuk campuran seragam dibungkus dalam rongga tertutup, diikuti dengan prosedur penggulungan sejuk dan panas.

Peringkat guling sejuk secara berkesan mengosongkan udara dari dalam rongga dan ruang interstisial antara zarah melalui satu siri hantaran berbilang dan lekukan kecil. Peringkat rolling panas memastikan prekursor mencapai ketumpatan relatif melebihi 98% melalui ubah bentuk bersama panel dan serbuk, yang memudahkan proses berbuih seterusnya. Parameter proses rolling terperinci diterangkan dalam Ruj. AFS dan Cf/AFS foamable prekursor diperolehi melalui proses yang dinyatakan di atas. Akhirnya, kedua-dua prekursor boleh berbuih dipanaskan pada 620 ◦C selama 15 minit untuk menghasilkan spesimen Cf/AFS dan AFS, yang digunakan untuk analisis saiz liang, pencirian mikrostruktur dan ujian sifat mekanikal mampatan.

2.3. Pencirian dan kaedah ujian

2.3.1. Pencirian mikrostruktur

Morfologi Mikrostruktur Cf/AFS dan AFS telah disiasat oleh mikroskop elektron pengimbasan pelepasan medan (SEM, Zeiss Ultra Plus). Spektroskopi penyebaran tenaga (EDS) digunakan untuk mengenal pasti komposisi pelbagai fasa dalam dinding sel sampel berbuih. Bahagian membujur sampel diperoleh dengan memotong spesimen berbuih menggunakan mesin nyahcas elektro (EDM, DK7745). Berikutan itu, bahagian membujur spesimen disalut dengan cat dan kemudian diampelas dan digilap menggunakan kertas pasir 800-grit dan 1500-grit. Akhirnya, diameter sel yang setara (Dmean) bagi keratan rentas spesimen yang digilap ditentukan menggunakan perisian analisis imej, Image Pro Plus 6.0.

Rajah 1.Skema kaedah metalurgi serbuk rolling pembungkusan.

Rajah 2.Imej SEM bagi (a) gentian karbon bersalut kuprum, dan (b) menunjukkan pandangan yang diperbesarkan bagi kawasan yang ditandakan dengan segi empat sama merah dalam (a). Imej (c) dan (d) ialah keputusan EDS bagi titik A dalam (b).

Rajah 3.Gambarajah skematik persediaan eksperimen sinaran synchrotron.

2.3.2. Pemerhatian berbuih in-situ oleh sinaran synchrotron

Gambarajah skematik persediaan eksperimen sinaran synchrotron dilakarkanRajah 3. Eksperimen telah dijalankan di beamline 4W1A Kemudahan Sinaran Beijing Synchrotron (BSRF, Institut Fizik Tenaga Tinggi Beijing, Akademi Sains China, China). Tidak seperti pengimejan kontras penyerapan serapan konvensional, kertas kerja ini menggunakan pengimejan kontras fasa dengan Sumber Cahaya Sinaran Synchrotron. Pendekatan ini menangani batasan pengimejan penyerapan tradisional, yang tidak berkesan untuk menggambarkan bahan yang menyerap lemah. Proses berbuih spesimen telah dilakukan dalam relau berbuih yang direka khas, menampilkan tingkap persegi 15 mm kali 15 mm yang diletakkan berserenjang dengan arah pancaran sinar-X. Saiz sampel, seperti yang digambarkan dalam Rajah 3, berukuran 15 mm × 15 mm × 2 mm. Sampel diletakkan dalam acuan berbuih yang terdiri daripada sejumlah kepingan seramik. Sepanjang proses berbuih, sinar-X boleh melalui sampel dan ditangkap oleh kamera peranti berganding cas (CCD). Sumber sinar-X yang dipilih beroperasi pada keamatan 20 Kev, dan saiz tontonan maksimum 7.4 mm × 7.4 mm digunakan untuk membolehkan pemerhatian menyeluruh terhadap keseluruhan proses berbuih.

Perlu diingat bahawa sampel yang diperhatikan diletakkan dalam cara yang berserenjang dengan kedua-dua arah gelek dan arah tangen. Kedua-dua prekursor yang mengandungi 0.5 wt% Cf dan yang tanpa 0.5 wt% Cf telah mengeluarkan panel sisinya dari kedua-dua belah sampel menggunakan EDM. Kesan Cf pada ciri berbuih buih aluminium telah disiasat. Tambahan pula, prekursor dengan komposisi berbeza telah dibuih dalam relau pemanasan yang sama pada suhu pratetap 620 ◦C.

2.3.3. Ujian sifat mekanikal mampatan

Spesimen mampatan dipotong menjadi spesimen silinder dengan ketinggian 23 mm dan diameter 20 mm oleh EDM, dan setiap arah dipastikan memasukkan sekurang-kurangnya 10 liang lengkap untuk mengelakkan kesan saiz. Ujian mampatan separa statik telah dijalankan mengikut piawaian ISO13314–2011 dan GB/T31930–2015, menggunakan mesin ujian bahan universal elektron AG-XPLUS dengan kapasiti beban maksimum 100 KN. Tiga sampel telah diuji untuk setiap kumpulan, dan lengkung tegasan-terikan mampatan dalam kertas ini mewakili keputusan purata yang diperoleh daripada tiga sampel yang diuji. Semua ujian dilakukan di bawah kawalan anjakan, mengekalkan kelajuan kepala silang yang malar 2 mm/min (bersamaan dengan kadar terikan awal 10− 3 s− 1) pada suhu bilik.

Rajah 4.Imej sinaran sinkrotron masa-berevolusi bagi proses berbuih Cf/AFS: (a) prekursor tidak berbuih pada momen t0 380 ◦C; (b)–(c) pembubaran unsur kuprum dan nukleasi jenis II semasa peleburan prekursor; (d)–(g) nukleasi heterogen dan proses pertumbuhan buih; dan (h)–(i) gelembung bergabung dan pecah.

3. Keputusan dan perbincangan

3.1. Tingkah laku berbuih in situ di bawah sinaran synchrotron

3.1.1. Evolusi buih Cf/AFS

Rajah 4memaparkan satu siri imej sinaran synchrotron yang menggambarkan proses berbuih Cf/AFS. Imej asal Cf/AFS(Gamb. 4 (a))telah ditangkap apabila matriks berada dalam keadaan pepejal pada 380 ◦C, dan kali ini ditetapkan sebagai t0. Berbanding dengan komponen lain dalam prekursor, Cf kelihatan hitam dalam kebanyakan matriks yang kaya dengan aluminium kelabu. Ini boleh dikaitkan dengan kandungan kuprum yang tinggi pada permukaan gentian, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 2(c)–(d), yang mempunyai jisim atom relatif terbesar berbanding dengan komponen prekursor yang lain. Selain itu, majoriti Cf diperhatikan tersebar dan terpisah, bukannya berkelompok bersama, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 4(a). Ini membayangkan bahawa dengan penambahan 0.5 wt% Cf, proses kacau selama 3 jam boleh mencapai keadaan serakan yang dikehendaki dengan berkesan.

Pada t0+194s (seperti yang dilihat dalamRajah 4(b)), sejumlah besar buih putih, hampir sfera dengan diameter antara 90 μm hingga 180 μm boleh diperhatikan dalam matriks aluminium kelabu (ditandakan dengan anak panah merah). Bilangan buih terus meningkat dalam masa 46 saat, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 4(c). Di samping itu, satu lagi perubahan penting yang berlaku dalam matriks ialah beberapa buih kecil cenderung terbentuk pada permukaan Cf dengan permulaan pelarutan Cu (ditandakan dengan kotak bertitik merah). Fenomena ini mungkin disebabkan oleh nukleasi jenis II yang berlaku dalam padat serbuk yang mengandungi tembaga. Diakui secara meluas bahawa penambahan Cu mengurangkan suhu lebur aloi dengan ketara. Ini mengakibatkan pencairan setempat di sekeliling zarah serbuk individu dalam prekursor serbuk yang mengandungi serbuk kuprum semasa proses pemanasan, menghasilkan sejumlah besar cair eutektik kuaternari Al-Si–Mg–Cu pada suhu yang lebih rendah. Kolam cair eutektik kuaterner cenderung menjadi kawasan lemah dalam aloi dan lebih terdedah kepada nukleasi. Akibatnya, buih lebih berkemungkinan untuk nukleus dan tumbuh berhampiran bersalut kuprum pada permukaan gentian. Tambahan pula, pecahan cecair yang rendah dalam matriks pada masa ini menyebabkan gas daripada penguraian TiH2 mudah terkumpul dalam matriks aluminium. Nukleasi Jenis II dengan berkesan boleh mengelakkan gas terkumpul memaksa matriks pecahan cecair rendah terpisah dan merambat rekahan melalui cecair, mengakibatkan kehilangan teruk jumlah hidrogen.

Rajah 4(d)menunjukkan buih pada mulanya nukleus dan tumbuh di kawasan Cf apabila matriks cair sepenuhnya, dan lokasi gelembung sepadan dengan lapisan bersalut kuprum yang hilang (ditandakan dengan kotak bertitik merah). Adalah kukuh bahawa penambahan fasa sekunder meningkatkan bilangan tapak nukleasi heterogen, dengan itu mengurangkan halangan tenaga untuk pembentukan buih baru dalam leburan aloi. Sementara itu, kadar nukleasi adalah berkaitan dengan jumlah luas nukleasi heterogen per unit isipadu. Akibatnya, boleh diperhatikan bahawa buih-buih pada mulanya bernukleus di tapak di mana gentian karbon terletak dan mengembang sepanjang panjang gentian karbon. Dengan peningkatan selanjutnya dalam pecahan cair, banyak buih baru terus munculRajah 4(e)–4(g). Walau bagaimanapun, kadar penggabungan setempat dan pecah buih adalah perlahan, menunjukkan bahawa buih mempunyai kestabilan yang tinggi. Pada t0+426s, bilangan buih meningkat dengan ketara, dan

isipadu prekursor mempamerkan pengembangan yang besar(Gamb. 4(h)). Tambahan pula, kejadian beberapa gelembung bergabung (ditandakan dengan anak panah merah), di mana gelembung kecil diserap oleh yang lebih besar disebabkan oleh pematangan Ostwald, adalah proses yang tidak dapat dielakkan semasa evolusi buih logam [40]. Fenomena kematangan ini juga mengakibatkan kemunculan sebilangan kecil buih besar dan tidak teratur (ditandakan dengan anak panah merah dalamRajah 4(i)).

Rajah 5.Imej berevolusi masa bagi proses berbuih AFS pada peringkat yang berbeza: (a) prekursor tidak cair pada momen t0 380 ◦C; (b) pembubaran unsur kuprum dan nukleasi jenis II semasa peleburan prekursor; (c) proses nukleasi dan pertumbuhan buih; dan (d)–(f) gelembung bergabung dan pecah.

3.1.2. Evolusi buih AFS

Rajah 5 menunjukkan satu siri imej sinaran synchrotron yang menggambarkan proses berbuih AFS. Sama seperti Cf/AFS, imej awal untuk jujukan sinaran segerak telah ditangkap apabila AFS berada dalam fasa pepejal pada 380 ◦C (lihatRajah 5(a)). Apabila matriks dipanaskan di atas suhu pepejal, buih putih kecil kelihatan masukRajah 5(b) dan (c), akibat daripada penguraian TiH2 dan berlakunya nukleasi jenis II di kawasan yang kaya dengan Cu. Walau bagaimanapun, bilangan buih yang dijana dan ketumpatan pengedarannya masukRajah 5(c)adalah lebih rendah berbanding denganRajah 4(c). Ini menunjukkan bahawa Cf/AFS menyediakan lebih banyak saluran untuk pelepasan gas awal semasa nukleasi, menghalang pembentukan keretakan yang berlebihan dalam matriks aluminium dengan pecahan cecair yang rendah.

Bilangan tapak nukleasi AFS yang lebih sedikit dan kebarangkalian yang lebih tinggi untuk pertumbuhan gelembung tidak normal berbanding dengan Cf/AFS boleh diperhatikan daripadaRajah 5(d)–(f). Evolusi gelembung AFS adalah tidak teratur, dan saiznya menunjukkan turun naik yang luas disebabkan oleh kewujudan bersama kedua-dua buih bersaiz mikrometer dan buih besar bersaiz milimeter yang tidak normal (ditandakan dengan anak panah merah). Selain itu, ketidakstabilan dan ketidakhomogenan ini semasa proses nukleasi awal boleh mengakibatkan perbezaan ketara dalam struktur liang akhir dan sifat mekanikal antara AFS dan Cf/AFS.

3.2. Analisis makrostruktur

Untuk menyiasat perbezaan dalam morfologi liang makroskopik dan diameter liang antara AFS dan Cf/AFS, dua struktur sandwic telah disediakan di bawah keadaan makmal pada suhu berbuih 620 ◦C selama 15 minit. Struktur makro dan taburan saiz sel AFS dan Cf/AFS ditunjukkan dalamRajah 6. Perbandingan bahagian menegak bagi dua sampel struktur sandwic mendedahkan bahawa buih Cf/AFS mempunyai sel yang lebih halus dan kurang kecacatan seperti pecah atau penggabungan sel (lihatRajah 6 (b)). Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 6(a), AFS mempamerkan kehomogenan liang yang lemah dengan kehadiran beberapa liang yang luar biasa besar. Sementara itu, diameter liang setara untuk AFS dan Cf/AFS ialah 2.9 ± 0.2 mm dan 1.9 ± 0.1 mm, masing-masing, menunjukkan bahawa diameter liang diperhalusi lagi dengan penambahan Cf (lihatRajah 6(c) dan (d)).

Evolusi struktur liang dipengaruhi oleh dua mekanisme persaingan: penguraian TiH2 dan penggabungan serta pecah buih . Penguraian TiH2 menyumbang kepada peningkatan bilangan nukleasi, keliangan, dan kadar pengembangan, manakala penggabungan dan pecah buih mengurangkan bilangan liang dan meningkatkan diameter liang. Pengurangan peristiwa percantuman dan pecah gelembung menyumbang kepada mendapatkan struktur selular yang lebih baik. Oleh itu, kestabilan buih yang tinggi adalah perlu untuk mengekalkan kehomogenan struktur liang semasa proses berbuih. Untuk Cf/AFS, penambahan Cf sangat meningkatkan kebolehbasahan gentian dengan leburan aluminium. Sama seperti buih aluminium bertetulang Cf yang dilaporkan [44] yang disediakan oleh kaedah berbuih cair, penambahan Cf menstabilkan buih aluminium dengan menghalang pecah dinding sel dan mengurangkan penggumpalan. Sementara itu, Cf boleh mencipta struktur seperti jaring di dinding sel, yang menghasilkan daya pemisahan dan menghalang pecah buih, dengan itu, meningkatkan struktur sel, kestabilan buih, dan keseragaman pengagihan liang.

3.3. Pencirian mikrostruktur

Rajah 7(a)menunjukkan struktur mikro dinding sel selepas berbuih dengan AFS. Seperti yang dilaporkan untuk buih aloi AlSi6Cu4Mg4, eutektik Al-Si, Mg2Si, Al2Cu, dan Al5Cu2Mg8Si6, terdapat dalam aloi, yang selaras dengan penemuan yang diperoleh daripada analisis EDS dalamRajah 7(b). Fasa rapuh ini mengurangkan sifat mekanikal buih aluminium dengan melemahkan dinding liang atau bertindak sebagai punca keretakan semasa ubah bentuk. Oleh itu, meningkatkan sifat mekanikal dinding liang melalui penambahan fasa pengukuhan adalah strategi yang berdaya maju dan berkesan.

Untuk Cf/AFS, ia boleh diperhatikan daripadaRajah 7(c) dan (d)bahawa Cf diedarkan di dalam dinding sel atau di pinggir dinding sel, menunjukkan Cf mempunyai kebolehbasahan yang sangat baik dengan cair aluminium. Tambahan pula, ia ketara (rujukRajah 7(d)) bahawa sejumlah kecil fasa termendak Al2Cu terbentuk pada antara muka antara gentian dan cair aluminium. Fenomena ini menyumbang kepada mencapai ikatan yang kuat antara gentian dan matriks. Perkembangan tindak balas resapan ini boleh diperhatikan secara intuitif dalamRajah 4(a)–(c). Ambil perhatian bahawa, fasa mendakan tidak sepenuhnya mengelilingi gentian karbon, dan keadaan serta jumlah taburan ini bermanfaat untuk Cf/AFS. Berdasarkan kajian Lv et al, pada bahan komposit matriks aluminium bertetulang Cf, telah ditunjukkan bahawa jumlah fasa termendak yang sesuai boleh mempengaruhi dan mengawal kekuatan ikatan antara muka.

Rajah 6.Bahagian menegak sampel wakil (a) AFS dan (b) Cf/AFS. Plot pecahan diameter setara berbanding kawasan sepadan dengan (a) dan (b) digambarkan dalam (c) dan (d), masing-masing. Garis selanjar pepejal dalam (c) dan (d) mewakili kesesuaian log-normal. Regresi (R2 ) mewakili kebaikan kesesuaian.

Rajah 7.Imej SEM (a) dan (b) menunjukkan struktur mikro yang sepadan dengannyaRajah 6(a) AFS danRajah 6(b) Cf/AFS, masing-masing, tambahan pula,Rajah 7(b) dan (d) menunjukkan pembesaran setempat bagiRajah 7(a) dan (c), masing-masing.

3.4. Mekanisme Cf menstabilkan buih Al–Si–Mg–Cu

Berdasarkan analisis yang disebutkan di atas, gambaran skematik mekanisme berbuih untuk Cf/AFS dan AFS diringkaskan dalamRajah 8. Perbezaan ketara antara Cf/AFS dan AFS dalam peringkat nukleasi, pertumbuhan gelembung, dan peringkat penggabungan, dan peringkat pemejalan beransur-ansur, seperti yang digambarkan dalamRajah 8(a) dan (b).

Rajah 8.Gambarajah skematik kelakuan berbuih Cf/AFS dan AFS: (a) Cf/AFS; dan (b) AFS.

Dalam peringkat nukleasi buih aloi AlSi6Cu4Mg4, buih cenderung untuk nukleus dalam eutektik kuaternari cecair yang mengelilingi zarah kuprum, dan bukannya nukleus di lokasi zarah TiH2. Jenis nukleasi ini di kawasan terlemah prekursor (jenis II nukleasi) menyediakan lebih banyak saluran keluar untuk gas yang dibebaskan oleh penguraian TiH2, mengelakkan pengumpulan gas dan menyebabkan keretakan merambat dalam cair aluminium. Penambahan gentian karbon bersalut kuprum nampaknya seterusnya mencipta lebih banyak saluran untuk melepaskan H2. Walau bagaimanapun, oleh kerana leburan aluminium tidak mempunyai pecahan cecair yang mencukupi pada peringkat ini, adalah sukar untuk gelembung kecil tersebut mempunyai sumber H2 yang mencukupi untuk terus berkembang. Akibatnya, buih-buih kecil ini pecah dalam leburan apabila suhu meningkat. Apabila prekursor cair sepenuhnya, H2 yang dibebaskan daripada tindak balas dehidrogenasi ganas TiH2 akan nukleus dan berkembang pesat berdasarkan titik nukleasi. Cf menyediakan banyak tapak nukleasi heterogen untuk penjanaan buih, yang sangat meningkatkan kadar nukleasi. Pada masa yang sama, kehadiran Cf secara berkesan menghalang sentuhan dan percantuman buih primer dan mengelakkan pembentukan buih besar yang tidak normal.

Semasa peringkat pertumbuhan dan percantuman buih, penambahan Cf dengan ketara meningkatkan kestabilan buih. Sebabnya ialah Cf dan leburan aluminium mempunyai kebolehbasahan yang baik, dan gentian boleh dengan mudah terperangkap di antara dua antara muka gas-cecair untuk membentuk struktur rangkaian (seperti yang ditunjukkan dalamRajah 7(c)). Apabila filem cecair ditipis, gentian boleh menghasilkan tekanan pemisahan untuk menahan sedutan dari sempadan dataran tinggi, dengan itu menghalang filem cecair daripada pecah. Jadi Cf/AFS memerlukan masa berbuih yang lebih lama berbanding AFS, dengan kestabilan yang lebih tinggi yang dapat mengekalkan keseragaman struktur liang semasa evolusi buih.

Semasa peringkat pemejalan perlahan, gelembung dalam Cf/AFS tidak lagi tumbuh dan gentian tertanam dalam dinding sel (ditandakan dengan kotak bertitik merah). Pengekalan gentian ini menghalang penyerapan gelembung kecil oleh yang lebih besar, seperti yang dilihat dalam pematangan Ostwald, dan menghalang pecah dinding sel akibat pengembangan pemejalan. Akibatnya, Cf/AFS mempamerkan struktur liang yang lebih homogen dan kecacatan liang yang lebih sedikit berbanding dengan AFS.

3.5. Sifat mekanikal

Lengkung tegasan-terikan mampatan untuk Cf/AFS dan AFS dengan keliangan yang hampir sama (masing-masing 83.2% dan 81.4%) ditunjukkan dalamRajah 9(a). Lengkung tegasan-tekanan mampatan memaparkan ciri tiga peringkat yang berbeza, yang terdiri daripada kawasan elastik linear, kawasan dataran tinggi dan kawasan ketumpatan. Kekuatan hasil mampatan AFS dan Cf/AFS masing-masing ialah 8.44 MPa dan 11.87 MPa. Kekuatan hasil mampatan Cf/AFS telah meningkat sebanyak 40.6% berbanding AFS. Sementara itu, kapasiti penyerapan tenaga Cf/AFS adalah lebih baik daripada AFS pada terikan yang sama, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 9(b). Kapasiti penyerapan tenaga AFS dan Cf/AFS masing-masing adalah kira-kira 3.3 MJ/m3 dan 6.1 MJ/m3. Kapasiti penyerapan tenaga Cf/AFS dipertingkatkan sebanyak 84.8% berbanding dengan AFS.

Rajah 9.Keluk tekanan-kereta api mampatan dan keluk kapasiti penyerapan tenaga Cf/AFS dan AFS: (a) keluk tekanan-kereta api mampatan; (b) lengkung kapasiti penyerapan tenaga.

Penggabungan Cf dengan ketara meningkatkan sifat mekanikal teras buih. Sememangnya diketahui bahawa sifat mekanikal bagibuih aluminiumberkait rapat dengan struktur liang dan sifat mekanikal tupang. Analisis makrostruktur menunjukkan bahawa penambahan Cf memperhalusi saiz liang, pengagihan liang yang lebih baik, dan mengurangkan kecacatan liang. Sama seperti dapatan Sasikumar et al. dan Yangetal. diameter liang kecil dan pengedaran liang sempit adalah lebih berfaedah untuk meningkatkan kekuatan mampatan dan kecekapan penyerapan tenaga. Selain itu, kesan struktur mikro pada sifat mekanikal buih adalah terutamanya disebabkan oleh Cf yang tertanam dalam dinding liang buih. Penyebaran dan pembubaran gentian karbon bersalut tembaga dalam matriks aluminium boleh mencapai ikatan antara muka yang lebih kukuh antara gentian dan matriks aluminium, yang menyumbang kepada pemindahan beban. Gentian karbon modulus tinggi yang dikokot di dinding liang boleh mengehadkan ubah bentuk dinding liang di bawah beban mampatan dan meningkatkan kapasiti galas beban. Kesemua faktor ini memihak kepada Cf/AFS untuk mencapai kekuatan hasil dan kapasiti penyerapan tenaga yang lebih tinggi berbanding AFS.

4. Kesimpulan

Cf/AFS dan AFS telah disediakan dengan kaedah metalurgi serbuk penggelek pembungkusan dalam kerja ini. Tingkah laku berbuih Cf/AFS dan AFS diperhatikan secara dinamik melalui sinaran synchrotron ke

menyiasat pengaruh Cf ke atas nukleasi dan pertumbuhan gelembung. Di samping itu, Cf pada morfologi liang, taburan liang, dan sifat mampatan buih aluminium telah dianalisis dengan teliti. Kesimpulan utama adalah seperti berikut:

(1) Pemerhatian sinaran sinkrotron in situ mendedahkan bahawa kedua-dua proses berbuih Cf/AFS dan AFS mempamerkan tiga peringkat yang berbeza: nukleasi gelembung, pertumbuhan dan penggabungan gelembung, dan pemejalan.

Berbanding dengan AFS, proses berbuih Cf/AFS menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi dan keseragaman gelembung. AFS lebih cenderung untuk membentuk pori-pori besar dan kasar yang luar biasa semasa proses evolusi liang. Selain itu, jurang ini dikaitkan dengan kesan nukleasi heterogen Cf, yang menghalang pecah dinding gelembung dan mengurangkan penyatuan sambil meningkatkan kadar nukleasi.

(2) Penambahan 0.5 wt.% Cf menapis diameter liang yang setara daripada 2.9 ± 0.2 mm kepada 1.9 ± 0.1 mm, dengan ketara mengurangkan kecacatan liang kasar. Pada masa yang sama, struktur mikro menunjukkan kebolehbasahan Cf yang baik, yang diagihkan di sepanjang dinding liang dan antara muka pepejal gas, dengan itu meningkatkan kestabilan buih.

(3) Berbanding dengan AFS, kekuatan hasil mampatan dan kapasiti penyerapan tenaga Cf/AFS meningkat kira-kira 40.6% dan 84.8%, masing-masing. Dapatan kajian ini dapat memberi idea untuk peneguhan panel sandwic buih aluminium dengan antaramuka ikatan metalurgi yang berpotensi untuk aplikasi kejuruteraan dalam bidang industri automotif dan aeroangkasa.

Artikel daripada Jurnal Penyelidikan dan Teknologi Bahan