泡沫铝材料

本书为国家“十二五”重点图书出版规划项目《现代冶金与材料过程工程丛书》中的一本。泡沫铝材料具有轻质、吸声、隔声、吸能、减震、电磁屏蔽等多种优良性能，在制造舰船防爆甲板、坦克复合装甲和防地雷底板、列车底板和侧衬、汽车盖板及保险杠、隧道降噪及各种设备降噪等方面潜在需求量大，应用面广，成为当今世界材料科学高技术领域的重要研究、开发对象之一．本书收集了国内外相关研究资料，结合作者多年来承担的国家“863”计划、国家科技攻关计划、自然科学基金项目等国家和省部级科技项目研究成果及体会撰写而成。

《现代冶金与材料过程工程丛书》序

前言

第1章绪论

1.1泡沫铝材料发展史

1.2泡沫铝材料发展趋势

1.2.1泡沫铝材料应用领域扩展

1.2.2开发高性能泡沫铝材料

1.2.3现有泡沫铝制备方法的改进

1.2.4开发泡沫铝材料后加工技术

1.3 泡沫铝材料的市场需求

参考文献

第2章泡沫铝材料的性能

2.1泡沫铝材料的结构特点

2.2泡沫铝材料的吸声性能

2.3泡沫铝材料的隔声性能

2.4泡沫铝材料的压缩强度

2.4.1闭孔泡沫铝材料静态压缩性能

2.4.2闭孔泡沫铝材料动态压缩性能

2.4.3 不同基体材料泡沫铝的压缩性能

2.5泡沫铝材料的吸能性能

2.5.1泡沫铝吸能量

2.5.2泡沫铝能量吸收效率

2.5.3不同基体材料泡沫铝的吸能性能

2.6泡沫铝材料的电磁屏蔽性能

2.7泡沫铝材料的传热性能

2.8泡沫铝材料的抗弯强度

2.9泡沫铝材料的阻尼性能

参考文献

第3章泡沫铝材料制备基础理论

3.1 制备闭孔泡沫铝材料的发泡机理

3.2 TiH2分解过程

3.2.1氢化钛的物理性质

3.2.2氢化钛分解动力学分析

3.3铝熔体的黏度

3.4铝熔体的表面张力

3.4.1表面张力概念

3.4.2表面张力影响因素

3.5铝熔体对固相颗粒表面的润湿性

3.6铝熔体中气泡的形成

3.7泡沫组织的形成

3.8气泡的稳定性

3.9气泡的均匀性

3.10泡沫体的凝固

参考文献

第4章熔体直接发泡法制备泡沫铝材料工程化研究

4.1熔体直接发泡法制备泡沫铝材料的工艺基础

4.1.1铝基合金的性质

4.1.2铝熔体的增黏方法

4.1.3发泡剂的选择及改性

4.1.4熔体的搅拌方法

4.1.5保温发泡的方式

4.1.6泡沫体的冷却

4.2熔体直接发泡法制备泡沫铝材料的工程化

4.2.1工程化研究方法

4.2.2工艺条件的调整

4.2.3工程化试验中存在的问题及解决方法

4.2.4工业化生产流程初步设计

4.3熔体直接发泡法的后续发展

4.3.1两步法制备泡沫铝材料

4.3.2熔体法制备泡沫铝夹芯板

参考文献

第5章熔体直接发泡法生产泡沫铝材料工艺与设备

5.1 引言

5.1.1熔体直接发泡法的生产情况

5.1.2注气发泡法的生产情况

5.2 熔体直接发泡法生产泡沫铝材料工艺和设备

5.2.1泡沫铝生产工艺流程

5.2.2铝锭（铝合金）熔化

5.2.3返回料熔化

5.2.4铝液增黏

5.2.5添加发泡剂

5.2.6发泡

5.2.7冷却凝固

5.2.8切割作业

5.3产品质量标准与技术经济指标

5.3.1泡沫铝质量标准

5.3.2技术经济指标

5.4产品成材率

5.4.1泡沫铝成材率的计算

5.4.2影响泡沫铝成材率的因素

5.5废料回收利用

5.5.1废料的来源

5.5.2废料回收的困难

5.5.3废料回收方式

5.6泡沫铝生产设备的安装与布置

5.6.1泡沫体生产车间

5.6.2切割车间的布置

参考文献

第6章 粉末冶金法制备泡沫铝材料工艺

6.1粉末冶金法制备泡沫铝概况

6.1.1粉末冶金法制备泡沫铝材料的基本原理

6.1.2粉末冶金法制备泡沫铝材料的优缺点

6.1.3粉末冶金法制备泡沫铝材料的工艺参数

6.2坯体的制备

6.2.1制坯压强

6.2.2制坯温度

6.2.3铝粉粒度对发泡剂分散性的影响

6.3发泡过程

6.3.1发泡温度对发泡的影响

6.3.2发泡剂量对发泡的影响

6.3.3发泡时间的影响

6.4添加Mg粉对泡沫铝发泡行为的影响

6.4.1 Mg粉添加量对膨胀率的影响

6.4.2 Mg粉添加量对泡孔结构的影响

6.5加热技术及原理

6.5.1红外加热

6.5.2感应加热技术

6.5.3电阻炉的加热技术

6.5.4可行的快速加热技术

6.6钢面板泡沫铝夹芯板制备方法

6.6.1钢板表面处理

6.6.2铝基前驱体制备

6.6.3钢面板泡沫铝夹芯板发泡工艺

6.7钢壳泡沫铝芯部件制备方法

6.7.1钢壳的制备与处理

6.7.2泡沫铝半成品的制备

6.7.3泡沫铝半成品在钢壳内发泡

参考文献

第7章泡沫铝夹芯板制备工艺

7.1泡沫铝夹芯板材料简介

7.1.1泡沫铝夹芯结构材料的特点

7.1.2泡沫铝夹芯板材料的主要应用领域

7.1.3泡沫铝夹芯板的主要制备方法

7.1.4泡沫铝夹芯板制备工艺存在的主要问题

7.1.5泡沫铝夹芯板材料的主要研究成果

7.1.6泡沫铝夹芯板制备技术研究进展

7.2泡沫铝夹芯板制备工艺

7.2.1泡沫铝夹芯板材料制备工艺流程

7.2.2原料

7.2.3泡沫铝夹芯板的制备过程

7.2.4实验检测手段及设备

7.3轧制复合工艺制备发泡预制坯工艺

7.3.1轧制复合对预制坯结合效果的影响

7.3.2轧制复合对芯层粉末致密度的影响

7.3.3板/芯界面的变形研究

……

第8章 泡沫铝材料的其他制备工艺

第9章泡沫铝材料后处理

第10章 泡沫铝材料性能检测方法

第11章 泡沫铝材料的应用

参考文献

姚广春教授东北大学材料与冶金学院博士生导师、教育部材料先进制备技术工程研究中心主任。1992年起享受国务院颁发的政府特殊津贴。1998年被评为国家级有突出贡献的中青年科技专家。

制造汽车保险杠、坦克车复合装甲和航天飞船返回仓等需要高吸能性泡沫铝材料，目前工业化生产的泡沫铝材料基体成分相对固定，或脆性大、或强度低，不能完全满足实际需求。本项目使用氧化物颗粒和碳纤维作为泡沫铝的增强剂和稳定剂，消除对基体成分的限制，研制使用高性能铝合金制备泡沫铝，利用复合材料基体的高强度和变形时界面的开裂、滑动特性提高泡沫铝的吸能性能。对制备过程中涉及的泡沫稳定机理这一关键问题进行研究，通过建立理论数学模型表述影响泡沫稳定性各因素间的复杂关系，形成了具有一般性的液态金属泡沫稳定理论，找出了影响泡沫稳定性的主要因素，明确了提高泡沫稳定性的方法。制备出了粉煤灰复合，短碳纤维复合，以及铝合金基等多种高系能性泡沫铝材料，压缩强度最高达到14.5MPa，为目前国内外报道的同密度泡沫铝材料压缩强度最高值。并研究了泡沫铝材料在多种变形条件下的吸能机制，载荷形式包括准静态压缩、高温压缩、落锤冲击载荷、霍普金森压杆高速冲击载荷，以及爆炸冲击载荷等。结果表明，碳纤维复合泡沫铝材料对应变速率有一定的敏感性，即随应变速率的增加，其强度和吸能量也随之增加，这主要与复合材料基体内存在大量界面有关。在爆炸冲击载荷下，冲击波在泡沫铝内迅速衰减，且随泡沫铝厚度和密度的增大，衰减速率增大。在进行基础研究的同时，积极推广研究成果在实际应用的设计和研究，设计研究了泡沫铝/铝管复合吸能结构，并将泡沫铝材料适用于新能源校车防撞模块、导弹运输车防地雷底板等多项实际应用研究。 2100433B

通过系统的细宏观实验研究，了解泡沫铝材料及其夹芯板复合结构的循环变形行为特征，观察泡沫铝材料在循环变形过程中的孔洞微结构演化情况，揭示泡沫铝金属循环变形行为的规律和循环变形的细观机理；通过细观有限元分析，研究微结构参数对泡沫铝宏观力学响应的影响；基于细观机理，在唯象粘塑性本构框架下，提出新的泡沫铝循环本构关系；结合泡沫铝循环本构关系和面板材料循环本构关系，利用有限元软件对泡沫铝夹芯板的循环变形行为进行数值模拟和分析。该研究针对泡沫金属及其复合结构的力学问题这一固体力学研究的热点和难点问题，研究成果将是对泡沫金属这一细观非均匀材料本构关系的重要突破，具有重要的理论意义；同时，研究成果可用于循环加载条件下泡沫铝结构的设计以及安全性和寿命评估中，对于促进泡沫铝在轻质化结构中的工程应用，具有重要的应用价值。

制造汽车保险杠、坦克复合装甲和航天飞船返回仓等需要高吸能性泡沫铝材料，目前工业化生产的泡沫铝材料基体成分相对固定，或脆性大、或强度低，不能完全满足实际需求。本项目拟使用氧化物颗粒和碳纤维作为泡沫铝的增强剂和稳定剂，消除对基体成分的限制，研制使用高性能铝合金制备泡沫铝，利用复合材料基体的高强度和变形时界面的开裂、滑动特性提高泡沫铝的吸能性能，解决高吸能泡沫铝需要同时具备高孔隙率和高强度这一难题。对制备过程中涉及的泡沫稳定机理这一关键问题进行研究，拟通过试验研究和与水溶液泡沫体系的研究结果进行对比，建立具有一般性的理论数学模型，找出影响泡沫稳定性的主要因素，提出提高泡沫稳定性的方法。针对实际应用时泡沫铝需要在不同应变速率下变形，使用准静态和高速压缩实验研究泡沫铝密度、孔结构和基体成分以及应变速率对其吸能性能的影响规律，建立对实际应用有指导意义的基础理论，形成制备高吸能性泡沫铝材料的技术原型。