Foam nhôm là một vật liệu kim loại xốp kết hợp các tính chất của vật liệu xốp và kim loại. Do mật độ thấp, hiệu suất hấp thụ năng lượng cao và khả năng tái chế, nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu ngày nay, nó là một vật liệu kỹ thuật đầy hứa hẹn để phát triển, đặc biệt là trong giao thông vận tải, hàng không vũ trụ, kết cấu xây dựng và các lĩnh vực khác đã được sử dụng rộng rãi.
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Giáo sư Chen Fan Xiu của Đại học Công nghệ Thanh Đảo, đã tiến hành một nghiên cứu chuyên sâu về các tính chất cơ học của nhôm bọt bằng cách sử dụng microCT ba chiều tia X có độ phân giải cao và hệ thống tải tại chỗ hỗ trợ từ Sanying chính xác. Bằng cách thực hiện thí nghiệm tải tại chỗ trên nhôm xốp kín với mật độ 0,217g/cm3, 0,347g/cm3, 0,414g/cm3 và 0,588g/cm3, các thông số cấu trúc lỗ như độ xốp, tỷ lệ khuôn mặt theo lớp, phân bố khẩu độ và hình cầu của nhôm bọt mật độ khác nhau đã được phân tích tương phản, ảnh hưởng của các thông số cấu trúc lỗ đối với tính chất cơ học và hấp thụ năng lượng của nhôm bọt mật độ khác nhau đã được kiểm tra và sự khác biệt về tính chất cơ học của nhôm bọt mật độ khác nhau đã được tiết lộ.
1. Vật liệu và phương pháp
1.1 Chuẩn bị vật liệu
Nghiên cứu này sử dụng nhôm nguyên chất công nghiệp 1060 làm chất nền, TiH2 làm chất tạo bọt, sử dụng quá trình tạo bọt nóng chảy, chuẩn bị vật liệu nhôm xốp kín có kích thước Φ30mm × 30mm làm đối tượng nghiên cứu, và khi mật độ nhôm bọt tăng lên, lỗ xốp giảm dần (Hình 1).
Hình 1 Bốn mật độ của bọt nhôm hình trụ thử nghiệm:
(A) 0,217g / cm3, (B) 0,347g / cm3, (C) 0,414g / cm3, (D) 0,588g / cm3
1.2 Phương pháp thí nghiệm
Sử dụng nanoVoxel-2000 loạt độ phân giải cao X-ray 3D microCT sản xuất bởi Tianjin Sanying Precision Instrument Co., Ltd. để thực hiện quét không phá hủy với độ phân giải 25,2 μm trên bốn mật độ của bọt nhôm hình trụ thử nghiệm.
MicroCT NanoVoxel-2000 chính xác
Xây dựng lại 3D với phần mềm xây dựng lại để có được hình ảnh xây dựng lại 3D (Hình 2). Trong khi đó, phần mềm trực quan hóa 3D được áp dụng để phân tích các thông số cấu trúc lỗ như độ xốp của nhôm bọt, tỷ lệ khoảng cách khuôn mặt theo lớp và các thông số cấu trúc lỗ khác.
Hình 2 Hình ảnh tái tạo 3D của nhôm bọt với bốn mật độ
(A) 0,217g / cm³, (B) 0,347g / cm³, (C) 0,414g / cm³, (D) 0,588g / cm³
1.3 Kiểm tra tải tại chỗ
Với hệ thống tải tại chỗ Micro-CT, thử nghiệm tải trục đơn được thực hiện với tốc độ 3mm/phút theo chế độ tải dịch chuyển. Hình dạng ban đầu của nhôm bọt được ghi lại khi đầu ép vừa chạm vào mẫu thử, tại thời điểm này hình dạng ban đầu của nhôm bọt được ghi lại bằng quét Micro-CT, sau đó CT scan được thực hiện cho mỗi 3 mm xuống đầu. Đồng thời, việc thu thập dữ liệu được thực hiện thông qua phần mềm hỗ trợ, thu được đường cong dịch chuyển lực và tính toán đường cong căng thẳng thu được để đánh giá các tính chất cơ học của nhôm xốp kín.
Sơ đồ hệ thống tải tại chỗ Micro-CT: (A) Sơ đồ hình trụ điều áp (B) Sơ đồ hình trụ điều áp (C) Đầu ép thiết bị điều áp
2 Kết quả chính
2.1 Độ xốp và tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo lớp
CT scan bốn mẫu thử nhôm bọt mật độ, sử dụng phương pháp phân chia ngưỡng để thu được độ xốp không tải của bốn loại nhôm bọt (Hình 3 (a)). Phân tích thu được sự phân bố tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo từng lớp của bốn loại nhôm bọt, kết quả vẽ trong hình 3(b) cho thấy: tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo từng lớp của nhôm bọt có mật độ tương tự được phân bố theo ba hướng XY, XZ và YZ về cơ bản là nhất quán, tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo từng lớp của bốn loại nhôm bọt mật độ được phân bố trong bốn khoảng.
B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)
Để phân tích thêm về sự biến đổi cơ học của nhôm bọt mật độ khác nhau, phân tích tương phản tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo lớp của các lát theo hướng XY trong quá trình tải đồng đều. CT scan các mẫu thử được thực hiện cho mỗi 3 mm nén và biến dạng là 0,1. Kết quả phân phối tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo lớp trong quá trình nén nhôm bọt mật độ bốn (Hình 4) cho thấy: Đường cong phân phối tỷ lệ khe hở khuôn mặt theo lớp đều cho thấy hiện tượng hai đầu thấp ở giữa cao, liên quan đến quá trình tạo bọt và hình dạng thử nghiệm. Trong quá trình biến dạng từ 0 đến 0,7, các lỗ bong bóng sụp đổ và các vùng biến dạng dần dần hình thành.
Hình 4 Lỗ chân lông từng tầng (A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³ cho bốn loại nhôm bọt mật độ
Quá trình sụp đổ của nhôm bọt trong quá trình tải (Hình 5) cho thấy: khi căng thẳng là 0,1, nhôm bọt đang ở giai đoạn đàn hồi, cấu trúc hầu như không thay đổi, nhôm bọt từ từ sụp đổ khi căng thẳng tăng lên, hình dạng lỗ bọt dần thay đổi. Sự sụp đổ của lỗ xốp thường bắt đầu ở khu vực yếu nhất và hình thành một vùng biến dạng cục bộ, và vùng biến dạng dần dần mở rộng khi căng thẳng tăng lên. Tại thời điểm biến dạng 0,7, cấu trúc bên trong của bọt nhôm đã được thay đổi hoàn toàn, đặc biệt là bọt nhôm với mật độ 0,58g/cm3 chịu áp lực lớn hơn sau khi tải, cuối cùng tạo ra gãy và phá hủy hoàn toàn, và sự sụp đổ sau này của nó cũng hoàn thiện hơn so với ba mật độ khác của bọt nhôm.
Hình 5 Quá trình sụp đổ của nhôm bọt trong quá trình tải (A) 0,217 g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
2.2 Phân phối khẩu độ
Sự phân bố khẩu độ là một yếu tố chính khác ảnh hưởng đến tính chất cơ học và hấp thụ năng lượng của bọt nhôm. Bản đồ phân bố tỷ lệ phần trăm tần số và kỹ thuật số của khẩu độ tương đương lỗ bong bóng thu được bằng thuật toán phân phối nước (Hình 6) cho thấy: Số lượng lỗ bong bóng của bọt nhôm chủ yếu được phân phối ở phần lỗ nhỏ, với sự gia tăng khẩu độ tương đương, đường cong tăng rất chậm. Mật độ nhôm bọt càng lớn, phạm vi phân bố khẩu độ tương đương càng nhỏ, mật độ nhôm bọt 0,588g/cm3 giảm một nửa so với 0,217g/cm3, và hình dạng bong bóng gần với hình cầu hơn khi mật độ tăng.
Hình 6 Phân bố khẩu độ của bốn mật độ Foam nhôm
(A) 0,217g / cm³, (B) 0,347g / cm³, (C) 0,414g / cm³, (D) 0,588g / cm³
2.3 Hình cầu
Độ hình cầu có thể đo lường hình dạng lỗ bong bóng có chuẩn hay không. Sử dụng thuật toán phân chia lỗ xốp trong nhôm bọt để tính toán và thống kê diện tích bề mặt và thể tích của mỗi lỗ xốp. Biểu đồ phân tán phân bố hình cầu lỗ xốp nhôm (Hình 7) cho thấy: mật độ nhôm bọt càng cao, phân bố hình cầu càng dày đặc, hình cầu càng tốt. Độ xốp tăng lên, sẽ xuất hiện nhiều bong bóng bất thường hơn. Độ bóng của lỗ xốp có liên quan đến hiện tượng tạo bọt và xả trong quá trình đông cứng nhôm bọt. Sự phân bố độ bóng của bốn loại nhôm bọt chủ yếu tập trung ở nửa trên, cho thấy cấu trúc nhôm bọt chuẩn bị tương đối đồng đều.
Hình 7 Bốn mật độ bọt nhôm xốp lỗ bóng phân bố phân tán hình cầu Sơ đồ phân tán
(A) 0,217g / cm³, (B) 0,347g / cm³, (C) 0,414g / cm³, (D) 0,588g / cm³
Để xem trực quan hơn sự thay đổi hình dạng của lỗ xốp, hãy vẽ một bản đồ ba chiều của lỗ xốp (Hình 8) với ví dụ về lỗ xốp điển hình của nhôm xốp với mật độ 0,588g/cm³. Kết quả cho thấy: hình dạng lỗ bong bóng đa số là hình cầu hoặc hình bầu dục, chỉ có một phần nhỏ lỗ bong bóng có hình dạng không đều, chứng tỏ lỗ bong bóng không đều do tạo bọt có tính hình cầu tốt.
Hình 8 Bản vẽ ba chiều của lỗ xốp nhôm với mật độ 0,588g/cm³
2.4 Mối quan hệ căng thẳng trong quá trình tải tại chỗ
Nén nhôm bọt ở tốc độ không đổi, đảm bảo tốc độ căng thẳng không đổi được duy trì trong quá trình tải, đường cong căng thẳng kết quả (Hình 9) cho thấy: Đường cong căng thẳng căng thẳng của nhôm bọt dày đặc hơn nằm ở trên cùng. Đường cong căng thẳng được chia thành ba giai đoạn, đó là giai đoạn đàn hồi, giai đoạn nền tảng căng thẳng và giai đoạn dày đặc. Trong số đó, nhôm bọt hấp thụ một lượng lớn năng lượng trong giai đoạn nền tảng ứng suất, lỗ xốp xuất hiện biến dạng nhựa và sụp đổ, cho đến khi ứng suất tăng theo cấp số nhân trong giai đoạn dày đặc, sự sụp đổ liên tục này sẽ ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng của nhôm bọt.
Hình 9 Đường cong căng thẳng cho bốn loại nhôm bọt mật độ
Các thông số cơ học chính của nhôm bọt trong giai đoạn đàn hồi được thể hiện trong Bảng 2: Ứng suất năng suất của nhôm bọt với mật độ 0,588g/cm³ gần gấp 7 lần so với nhôm bọt với mật độ 0,217g/cm³, và ứng suất của bốn loại nhôm bọt dày đặc đều tương đối gần nhau. Mô đun đàn hồi của nhôm bọt mật độ cao là lớn, với sự khác biệt tối đa khoảng 5 lần.
Bảng 2 Các thông số cơ học chính của nhôm bọt trong giai đoạn đàn hồi
2.5 Hấp thụ năng lượng trong quá trình tải tại chỗ
Khả năng hấp thụ năng lượng và hiệu quả hấp thụ năng lượng của bốn loại nhôm bọt mật độ thay đổi theo ứng suất và căng thẳng thu được bằng cách tính toán (Hình 10). Kết quả vẽ cho thấy: sự hấp thụ năng lượng của nhôm bọt và căng thẳng gần với mối quan hệ tích cực, mật độ nhôm bọt càng lớn, khả năng hấp thụ năng lượng càng mạnh; Cấu trúc càng đồng nhất, hiệu quả hấp thụ năng lượng của nhôm bọt càng cao; Ba giai đoạn của hiệu quả hấp thụ năng lượng thay đổi theo ứng suất, tương ứng với ba giai đoạn của đường cong căng thẳng-căng thẳng: vùng tăng chậm (giai đoạn đàn hồi), vùng tăng mạnh (giai đoạn nền tảng căng thẳng) và vùng suy yếu giảm (giai đoạn dày đặc), trong đó giai đoạn nền tảng căng thẳng là giai đoạn quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ năng lượng của lỗ xốp và là giai đoạn quan trọng của sự biến dạng hấp thụ năng lượng của lỗ xốp.
Hình 10 Hiệu quả hấp thụ năng lượng và hấp thụ năng lượng của bốn loại nhôm bọt mật độ: (a) hấp thụ năng lượng dưới các ứng suất khác nhau (b) hiệu quả hấp thụ năng lượng dưới các ứng suất khác nhau (c) hấp thụ năng lượng dưới các ứng suất khác nhau (d) hiệu quả hấp thụ năng lượng dưới các ứng suất khác nhau (σD: căng thẳng dày đặc, εD: căng thẳng dày đặc)
So sánh các tính chất cơ học của bốn loại nhôm bọt mật độ khác nhau (Bảng 3), người ta thấy rằng cả ứng suất nền tảng và ứng suất dày đặc và khả năng hấp thụ năng lượng dưới ứng suất dày đặc đều tăng khi mật độ nhôm bọt tăng lên. Bọt nhôm dày đặc với mật độ 0,588g/cm³ là lớn nhất và dày đặc với mật độ 0,347g/cm³ là nhỏ nhất. Các thông số cấu trúc lỗ của mẫu thử xác định các biến thể cơ học như tính chất cơ học, tính hấp thụ năng lượng và các biến thể cơ học khác được thể hiện bởi nhôm bọt mật độ khác nhau.
Bảng 3 So sánh tính chất cơ học của nhôm bọt mật độ khác nhau
Kết luận
Nghiên cứu này sử dụng Micro-CT để quét CT nhôm bọt với mật độ khác nhau, phân tích các thông số cấu trúc lỗ (độ xốp, tỷ lệ khoảng cách khuôn mặt theo lớp, phân bố khẩu độ và hình cầu) của nhôm bọt mật độ khác nhau, cũng như các tính chất cơ học và hấp thụ năng lượng khi tải tại chỗ.
Các kết quả nghiên cứu chính có thể được tóm tắt như sau: Sự sụp đổ của lỗ khí nhôm bọt trong thử nghiệm tải trang web bắt đầu từ khu vực có độ xốp cao; Độ xốp thấp, lỗ khí nhỏ, hình cầu tốt của nhôm bọt mật độ cao; Đường cong căng thẳng của nhôm bọt mật độ cao nằm ở phía trên, mô đun đàn hồi lớn; Khả năng hấp thụ năng lượng có liên quan đến mật độ của nhôm bọt, mật độ cao của nhôm bọt có khả năng hấp thụ năng lượng lớn, nhưng hiệu quả hấp thụ năng lượng chủ yếu liên quan đến việc cấu trúc có đồng nhất hay không.
Từ trước đến nay, Tam Anh chính xác tập trung vào công nghệ hình ảnh X - quang CT và phát triển sản phẩm, cam kết cung cấp cho người dùng phương pháp giải quyết vấn đề mới và công cụ mới, trong tương lai cũng sẽ tiếp tục cung cấp trợ giúp mạnh mẽ hơn cho các nhà nghiên cứu khoa học!
