Đặc điểm hiệu suất của tấm panel xốp nhôm sợi carbon lắng đọng đồng so với tấm panel xốp nhôm thông thường

Bánh sandwich xốp nhômTấm (AFS) có sự kết hợp giữa các đặc điểm về cấu trúc và chức năng như mật độ thấp, cường độ riêng cao, khả năng hấp thụ năng lượng thuận lợi, khả năng giảm chấn và che chắn điện từ. Những đặc tính tuyệt vời này khiến AFS có tiềm năng lớn trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, vận tải và hàng hải. So với kim loại thôBọts, các tấm kim loại bên ngoài của AFS có thể bịt kín bọt một cách hiệu quả và cải thiện các tính chất cơ học toàn diện của nó, chẳng hạn như độ bền kéo và uốn. Nhìn chung, AFS được chế tạo bằng phương pháp liên kết dính, bao gồm việc gắn bọt nhôm vào các tấm kim loại rắn bằng keo dán nhựa epoxy.

Mặc dù phương pháp liên kết dính tăng cường hiệu quả giảm chấn cấu trúc, nhưng nó đi kèm với những hạn chế, bao gồm những thách thức trong việc tái chế và dễ bị hỏng do tách lớp trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc ăn mòn. Để giải quyết những hạn chế này, nhiều nỗ lực nghiên cứu sâu rộng đã được dành để đạt được liên kết kim loại giữa tấm và lớp lõi.

Hiện nay, các phương pháp chuẩn bị chủ yếu cho AFS nhằm đạt được liên kết luyện kim thường được phân loại thành ba loại: phương pháp hàn, phương pháp tạo bọt nóng chảy và phương pháp luyện kim bột cán đóng gói. Trong số các phương pháp này, phương pháp luyện kim bột cán đóng gói được coi là vượt trội hơn trong việc kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng và đạt được tạo bọt ở nhiệt độ thấp. Công trình trước đây của chúng tôi sử dụng công nghệ này để chế tạo AFS kích thước lớn với các đặc tính giãn nở và cấu trúc ô tốt hơn cho các ứng dụng công nghiệp.

Tuy nhiên, do tính chất cơ học nén tương đối thấp của lõi bọt nên việc cải thiện độ bền cơ học của AFS bị hạn chế, do đó việc cải thiện thêm độ bền của lõi bọt là rất quan trọng đối với AFS.

Cho đến nay, các phương pháp phổ biến được báo cáo để cải thiện các tính chất cơ học nén củabọt nhômnhư sau: xử lý bề mặt, xử lý nhiệt và gia cố bằng cách thêm hạt, sợi, nguyên tố hợp kim, v.v. Trong số đó, sợi carbon ngắn có mật độ thấp, mô đun đàn hồi cao và tỷ lệ khía cạnh lớn đã thu hút sự chú ý rộng rãi như là vật liệu gia cố đầy hứa hẹn. Hơn nữa, kim loại hóa bề mặt của sợi carbon, bằng cách mạ điện hoặc mạ hóa học như mạ đồng hoặc mạ niken, cải thiện thêm khả năng thấm ướt của sợi carbon trong nhôm nóng chảy và tránh các phản ứng giao diện có hại giữa sợi carbon và nhôm nóng chảy. Sợi carbon ngắn hiện được sử dụng rộng rãi để gia cố vật liệu composite nền nhôm.

Bhav Singhetal. đã chế tạo vật liệu composite nền nhôm gia cường bằng sợi carbon phủ đồng bằng phương pháp đúc khuấy. Muetal. chế tạo vật liệu composite nền nhôm gia cường bằng sợi carbon phủ niken bằng phương pháp đúc hai trục. Kết quả cho thấy độ bền kéo của vật liệu composite tăng lên đáng kể khi bổ sung sợi carbon. Tuy nhiên, nghiên cứu vềnhôm bọt gia cốvới sợi carbon phủ đồng. Caoetal. đầu tiên chế tạo bọt nhôm gia cường sợi carbon phủ đồng thông qua phương pháp tạo bọt nóng chảy. Kết quả chứng minh rằng 0,35 vol% Cf có thể ổn định bọt nhôm bằng cách ngăn ngừa vỡ màng chất lỏng và lượng sợi được thêm vào bọt càng nhiều thì càng ổn định. Muetal. cho thấy tính chất giảm chấn của bọt nhôm chế tạo bằng phương pháp tạo bọt nóng chảy được cải thiện đáng kể khi bổ sung Cf.

Theo đó, có thể kết luận rằng việc bổ sung Cf có thể là một chiến lược hiệu quả để đồng thời cải thiện độ ổn định tạo bọt và các tính chất cơ học củabọt nhôm. Hơn nữa, chưa có báo cáo nào về tấm panel xốp nhôm gia cường sợi carbon mạ đồng được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột, điều này thúc đẩy các nhà nghiên cứu tiến hành các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này.

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về cơ chế hình thành hạt nhân và tính ổn định củabọt nhômvới việc bổ sung các pha gia cố. Sự khác biệt về số lượng lỗ rỗng và hình thái lỗ rỗng,

chẳng hạn như kích thước, phân bố và hình dạng, thường được quy cho cơ chế hình thành hạt và độ ổn định. Các hiệu ứng hình thành hạt không đồng nhất và cơ chế ổn định mạng lưới oxit trong hệ thống luyện kim bột đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Bột hợp kim bậc bốn bao gồm Al–Si–Mg–Cu được sử dụng trong bài báo này đã thể hiện tốc độ giãn nở đặc biệt và nhiệt độ tạo bọt thấp, với nhiệt độ rắn là 507 ◦C và nhiệt độ lỏng là 596 ◦C. Tuy nhiên, vẫn còn thiếu nghiên cứu về cơ chế hình thành hạt, độ ổn định và các tính chất cơ học nén của bột nén chứa thành phần hợp kim đặc biệt này, đặc biệt là khi kết hợp Cf. Trong các công trình trước đây, các nghiên cứu về cơ chế hình thành hạt và ổn định chủ yếu được thực hiện thông qua các phương pháp không tại chỗ, bao gồm phân tích cắt lớp các mẫu được làm lạnh nhanh sau khi ngắt bọt. Thật không may, hình thành hạt bong bóng dưới micron chủ yếu xảy ra trong quá trình gia nhiệt tiền chất và giãn nở nhanh chóng trong các khoảng thời gian kéo dài từ 100 ms đến 1 giây, thường gây ra những thách thức cho việc quan sát theo thời gian thực. Kỹ thuật chụp X-quang bức xạ synchrotron hiện đại sở hữu năng lượng cao và độ phân giải không gian-thời gian, cho phép quan sát tại chỗ, theo thời gian thực quá trình hình thành và phát triển của bọt nhôm ở nhiệt độ cao. Hiện tại, chỉ có một số ít nhà nghiên cứu khám phá động học tạo bọt của bột hợp kim Al–Si–Mg bằng bức xạ synchrotron. Ví dụ, García-Morenoetal đã báo cáo các hiện tượng động học đáng kể trong bọt nhôm lỏng, bao gồm hình thành và phát triển, sắp xếp lại bọt, co lại chất lỏng, kết tụ và vỡ màng. Kamm và cộng sự đã nghiên cứu quá trình hình thành và phát triển của bọt nhôm AlSi8Mg4 bằng bức xạ synchrotron. Phát hiện của họ chỉ ra rằng hydro được tạo ra thông qua quá trình phân hủy các chất hấp phụ trên bề mặt bột kim loại đại diện cho một cơ chế hình thành quan trọng khác. Tuy nhiên, sự tương tác giữa các thành phần tiền chất rất phức tạp và động lực của quá trình tạo bọt có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần của chúng. Đối với cả hệ bột Al–Si–Cu–Mg và hệ bột Al–Si–Cu–Mg có thêm Cf, việc hiểu và khám phá quá trình khởi tạo và phát triển của bọt kim loại là rất quan trọng để phát triển cấu trúc của bọt nhằm cải thiện các đặc tính cho các ứng dụng.

Trong công trình này, Cf/AFS và AFS có liên kết giao diện luyện kim được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột cán đóng gói. Sự phát triển của bong bóng Cf/AFS và AFS được quan sát tại chỗ bằng bức xạ synchrotron để tiết lộ cơ chế của Cf đối với sự hình thành bọt, sự phát triển và hợp nhất của bong bóng, và sự ổn định. Ngoài ra, Cf/AFS và AFS được tạo bọt ở 620 ◦C trong 15 phút trong lò buồng. Sau đó, phân bố kích thước lỗ rỗng, cấu trúc vi mô của lỗ rỗng và các đặc tính cơ học nén của các mẫu tạo bọt đã được mô tả và thử nghiệm. Dựa trên các nghiên cứu đã đề cập ở trên, cấu trúc và cường độ nén của Cf/AFS và AFS đã được đánh giá một cách có hệ thống.

2.Vật liệus và phương pháp

2.1. Nguyên liệu thô

Sáu loại nguyên liệu thô được sử dụng để chế tạo AFS và Cf/AFS: Bột Al (kích thước trung bình: 45 μm, độ tinh khiết >99,70%), bột Si (kích thước trung bình: 38 μm, độ tinh khiết >99,50%), bột Cu (kích thước trung bình: 38 μm, độ tinh khiết >99,90%), bột Mg (kích thước trung bình: 75 μm, độ tinh khiết >99,70%), bột TiH2 (kích thước trung bình: 45 μm, độ tinh khiết >99,70%) và sợi carbon phủ đồng (kích thước trung bình: 1～2 mm, độ dày của lớp phủ đồng: 1,4 μm).

2.2. Chế tạo Cf/AFS

Sơ đồ phương pháp luyện kim bột cán đóng gói được minh họa trongHình 1. Trong giai đoạn trộn, bột hợp kim bậc bốn AlSi6Mg4Cu4 đã được chuẩn bị, với bột Al, Si, Cu và Mg theo tỷ lệ tương ứng là 86 wt%, 6 wt%, 4 wt% và 4 wt%. Bột TiH2 oxy hóa 1 wt% (xử lý nhiệt trong không khí trong 1,5 giờ ở 470 ◦C) được thêm vào như một tác nhân tạo bọt giải phóng H2 nhanh chóng ở nhiệt độ nóng chảy làm giãn nở khối nóng chảy. Ngoài ra, 0,5 wt% sợi carbon được kết hợp làm pha gia cố. Đáng chú ý, để tăng khả năng thấm ướt và ngăn ngừa các phản ứng có hại như Al4C3 tại giao diện nóng chảy của sợi-nhôm trong quá trình tạo bọt, sợi carbon được phủ đồng thông qua mạ điện. Quá trình mạ điện được mô tả trong Tài liệu tham khảo.Hình 2cho thấy sợi carbon phủ đồng thu được bằng quy trình mạ không điện. Lớp phủ có độ phủ đồng đều và liên tục trên bề mặt sợi(Hình 2(a)–(b)). Sau đó, các thành phần hợp kim khác nhau được sử dụng trong nghiên cứu này được chuẩn bị bằng cách trộn kỹ các loại bột đã đề cập ở trên có và không có Cf trong máy trộn ba chiều trong 3 giờ. Bột được trộn đều được đóng gói trong khoang kín, sau đó là các quy trình cán nguội và cán nóng.

Giai đoạn cán nguội có tác dụng loại bỏ không khí hiệu quả từ bên trong các khoang và khoảng không gian giữa các hạt thông qua một loạt các lần cán nhiều lần và các chỗ lõm nhỏ. Giai đoạn cán nóng đảm bảo rằng tiền chất đạt được mật độ tương đối vượt quá 98% thông qua quá trình biến dạng đồng thời của tấm và bột, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo bọt tiếp theo. Các thông số quy trình cán chi tiết được mô tả trong Tài liệu tham khảo. Tiền chất tạo bọt AFS và Cf/AFS thu được thông qua quy trình đã đề cập ở trên. Cuối cùng, cả hai tiền chất tạo bọt đều được nung ở 620 ◦C trong 15 phút để chế tạo các mẫu Cf/AFS và AFS, được sử dụng để phân tích kích thước lỗ rỗng, đặc điểm cấu trúc vi mô và thử nghiệm các tính chất cơ học nén.

2.3. Đặc tính và phương pháp thử nghiệm

2.3.1. Đặc điểm cấu trúc vi mô

Hình thái cấu trúc vi mô của Cf/AFS và AFS đã được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM, Zeiss Ultra Plus). Phổ tán xạ năng lượng (EDS) đã được sử dụng để xác định thành phần của các pha khác nhau trong thành tế bào của các mẫu bọt. Các mặt cắt dọc của các mẫu đã thu được bằng cách cắt các mẫu bọt bằng máy phóng điện (EDM, DK7745). Sau đó, các mặt cắt dọc của mẫu được phủ sơn và sau đó được chà nhám và đánh bóng bằng giấy nhám có kích thước hạt 800 và 1500. Cuối cùng, đường kính tế bào tương đương (Dmean) của mặt cắt ngang mẫu đã đánh bóng đã được xác định bằng phần mềm phân tích hình ảnh, Image Pro Plus 6.0.

Hình 1.Sơ đồ phương pháp cán bột luyện kim đóng gói.

Hình 2.Hình ảnh SEM của (a) sợi carbon phủ đồng và (b) cho thấy góc nhìn phóng đại của vùng được đánh dấu bằng hình vuông màu đỏ trong (a). Hình ảnh (c) và (d) là kết quả EDS của điểm A trong (b).

Hình 3.Sơ đồ thiết lập thí nghiệm bức xạ synchrotron.

2.3.2. Quan sát bọt tại chỗ bằng bức xạ synchrotron

Sơ đồ thiết lập thí nghiệm bức xạ synchrotron được phác thảo trongHình 3. Các thí nghiệm được tiến hành tại đường chùm tia 4W1A của Cơ sở bức xạ Synchrotron Bắc Kinh (BSRF, Viện Vật lý năng lượng cao Bắc Kinh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Trung Quốc). Không giống như hình ảnh hấp thụ tương phản thông thường, bài báo này sử dụng hình ảnh tương phản pha với Nguồn sáng bức xạ Synchrotron. Phương pháp này giải quyết những hạn chế của hình ảnh hấp thụ truyền thống, không hiệu quả để hình dung các chất hấp thụ yếu. Quá trình tạo bọt của các mẫu vật được thực hiện trong lò tạo bọt được thiết kế riêng, có cửa sổ hình vuông 15 mm x 15 mm được đặt vuông góc với hướng chùm tia X. Kích thước mẫu, như được mô tả trong Hình 3, có kích thước là 15 mm × 15 mm × 2 mm. Mẫu được đặt trong khuôn tạo bọt bao gồm một số lượng tấm gốm nhất định. Trong suốt quá trình tạo bọt, tia X có thể đi qua mẫu và được chụp bởi camera thiết bị ghép điện tích (CCD). Nguồn tia X được chọn hoạt động ở cường độ 20 Kev và kích thước quan sát tối đa là 7,4 mm × 7,4 mm để có thể quan sát toàn diện toàn bộ quá trình tạo bọt.

Điều đáng chú ý là các mẫu quan sát được định vị theo cách vuông góc với cả hướng lăn và hướng tiếp tuyến. Cả hai tiền chất chứa 0,5 wt% Cf và những tiền chất không chứa 0,5 wt% Cf đều được loại bỏ các tấm bên của chúng khỏi cả hai mặt của mẫu bằng EDM. Tác động của Cf lên đặc tính tạo bọt của bọt nhôm đã được nghiên cứu. Hơn nữa, các tiền chất có thành phần khác nhau đã được tạo bọt trong cùng một lò nung ở nhiệt độ cài đặt trước là 620 ◦C.

2.3.3. Kiểm tra tính chất cơ học nén

Các mẫu nén được cắt thành các mẫu hình trụ có chiều cao 23 mm và đường kính 20 mm bằng EDM, và mọi hướng đều được đảm bảo bao gồm ít nhất 10 lỗ rỗng hoàn chỉnh để tránh hiệu ứng kích thước. Các thử nghiệm nén bán tĩnh được tiến hành theo các tiêu chuẩn ISO13314–2011 và GB/T31930–2015, sử dụng máy thử vật liệu vạn năng điện tử AG-XPLUS có khả năng chịu tải tối đa 100 KN. Ba mẫu đã được thử nghiệm cho mỗi nhóm và các đường cong ứng suất-biến dạng nén trong bài báo này thể hiện kết quả trung bình thu được từ ba mẫu đã thử nghiệm. Tất cả các thử nghiệm đều được thực hiện dưới sự kiểm soát dịch chuyển, duy trì tốc độ đầu chéo không đổi là 2 mm/phút (tương ứng với tốc độ biến dạng ban đầu là 10− 3 s− 1) ở nhiệt độ phòng.

Hình 4.Hình ảnh bức xạ synchrotron theo thời gian của quá trình tạo bọt Cf/AFS: (a) tiền chất không tạo bọt tại thời điểm t0 là 380 ◦C; (b)–(c) hòa tan đồng nguyên tố và hình thành hạt loại II trong quá trình tiền chất nóng chảy; (d)–(g) quá trình hình thành hạt và phát triển không đồng nhất của bong bóng; và (h)–(i) bong bóng hợp nhất và vỡ.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Hành vi tạo bọt tại chỗ dưới bức xạ synchrotron

3.1.1. Sự phát triển bọt của Cf/AFS

Hình 4hiển thị một loạt hình ảnh bức xạ synchrotron mô tả quá trình tạo bọt của Cf/AFS. Hình ảnh gốc của Cf/AFS(Hình 4(a))được chụp khi ma trận ở trạng thái rắn ở 380 ◦C và thời gian này được đặt là t0. So với các thành phần khác trong tiền chất, Cf xuất hiện màu đen trong ma trận giàu nhôm chủ yếu là màu xám. Điều này có thể là do hàm lượng đồng cao trên bề mặt sợi, như thể hiện trongHình 2(c)–(d), có khối lượng nguyên tử tương đối lớn nhất so với các thành phần khác của tiền chất. Hơn nữa, phần lớn Cf được quan sát thấy là phân tán và tách biệt, thay vì tập trung lại với nhau, như thể hiện trongHình 4(a). Điều này ngụ ý rằng với việc bổ sung 0,5 wt% Cf, quá trình khuấy trong 3 giờ có thể đạt được hiệu quả trạng thái phân tán mong muốn.

Tại t0+194s (như được thấy trongHình 4(b)), một số lượng đáng kể các bong bóng màu trắng, gần như hình cầu có đường kính từ 90 μm đến 180 μm có thể được quan sát thấy trong ma trận nhôm màu xám (được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ). Số lượng bong bóng tiếp tục tăng trong vòng 46 giây, như thể hiện trongHình 4(c). Ngoài ra, một thay đổi đáng chú ý khác diễn ra trong ma trận là một số bong bóng nhỏ có xu hướng hình thành trên bề mặt của Cf khi bắt đầu hòa tan Cu (được đánh dấu bằng hộp chấm đỏ). Hiện tượng này có thể là do quá trình hình thành hạt loại II xảy ra bên trong khối bột chứa đồng. Người ta thừa nhận rộng rãi rằng việc bổ sung Cu làm giảm đáng kể nhiệt độ nóng chảy của hợp kim. Điều này dẫn đến sự nóng chảy cục bộ xung quanh các hạt bột riêng lẻ trong tiền chất bột có chứa bột đồng trong quá trình gia nhiệt, tạo ra một lượng đáng kể chất nóng chảy eutectic bậc bốn Al–Si–Mg–Cu ở nhiệt độ thấp hơn. Bể nóng chảy eutectic bậc bốn có xu hướng là vùng yếu trong hợp kim và dễ hình thành hạt hơn. Do đó, các bong bóng có nhiều khả năng hình thành hạt và phát triển gần lớp đồng phủ trên bề mặt sợi. Hơn nữa, thành phần chất lỏng thấp trong ma trận tại thời điểm này khiến khí từ quá trình phân hủy TiH2 dễ tích tụ trong ma trận nhôm. Quá trình hình thành hạt loại II có thể tránh hiệu quả khí tích tụ làm tách rời ma trận có hàm lượng chất lỏng thấp và tạo ra các vết nứt trong chất lỏng, dẫn đến mất mát nghiêm trọng lượng hydro.

Hình 4(d)cho thấy các bong bóng ban đầu hình thành và phát triển trên vùng Cf khi ma trận tan chảy hoàn toàn, và các vị trí bong bóng tương ứng với lớp phủ đồng biến mất (được đánh dấu bằng hộp chấm đỏ). Người ta đã xác định rõ rằng việc bổ sung các pha thứ cấp làm tăng số lượng các vị trí hình thành không đồng nhất, do đó làm giảm rào cản năng lượng cho sự hình thành các bong bóng mới trong hợp kim nóng chảy. Trong khi đó, tốc độ hình thành liên quan đến tổng diện tích hình thành không đồng nhất trên một đơn vị thể tích. Do đó, có thể quan sát thấy các bong bóng ban đầu hình thành tại các vị trí có sợi carbon và mở rộng dọc theo chiều dài của sợi carbon. Với sự gia tăng hơn nữa trong phần nóng chảy, nhiều bong bóng mới tiếp tục xuất hiện từHình 4(e)–4(g). Tuy nhiên, tốc độ hợp nhất và vỡ cục bộ của các bong bóng chậm, cho thấy các bong bóng có độ ổn định cao. Tại t0+426s, số lượng bong bóng tăng lên đáng kể và

thể tích tiền chất biểu hiện sự giãn nở lớn(Hình 4(h)). Hơn nữa, sự xuất hiện của một số bong bóng hợp nhất (được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ), trong đó các bong bóng nhỏ được hấp thụ bởi các bong bóng lớn hơn do quá trình trưởng thành Ostwald, là một quá trình tất yếu trong quá trình tiến hóa của bọt kim loại [40]. Hiện tượng trưởng thành này cũng dẫn đến sự xuất hiện của một số lượng nhỏ các bong bóng lớn và không đều (được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ trongHình 4(i)).

Hình 5.Hình ảnh theo thời gian về quá trình tạo bọt của AFS ở các giai đoạn khác nhau: (a) tiền chất chưa nóng chảy tại thời điểm t0 là 380 ◦C; (b) sự hòa tan của đồng nguyên tố và quá trình hình thành hạt loại II trong quá trình tiền chất nóng chảy; (c) quá trình hình thành hạt và phát triển của bong bóng; và (d)–(f) bong bóng hợp nhất và vỡ.

3.1.2. Sự tiến hóa của bọt AFS

Hình 5 minh họa một loạt hình ảnh bức xạ synchrotron minh họa quá trình tạo bọt của AFS. Tương tự như Cf/AFS, hình ảnh ban đầu cho chuỗi bức xạ synchrotron được chụp khi AFS ở pha rắn ở 380 ◦C (xemHình 5(a)). Khi ma trận được nung nóng trên nhiệt độ rắn, các bong bóng nhỏ màu trắng sẽ xuất hiện trongHình 5(b) và (c), kết quả từ sự phân hủy TiH2 và sự xuất hiện của quá trình hình thành hạt nhân loại II trong vùng giàu Cu. Tuy nhiên, số lượng bong bóng được tạo ra và mật độ phân bố của chúng trongHình 5(c)thấp hơn đáng kể so vớiHình 4(c)Điều này cho thấy Cf/AFS cung cấp nhiều kênh hơn để giải phóng khí sớm trong quá trình hình thành hạt, ngăn ngừa sự hình thành quá mức các vết nứt trong ma trận nhôm có thành phần lỏng thấp.

Có thể quan sát thấy số lượng ít hơn các vị trí hình thành AFS và khả năng phát triển bong bóng bất thường cao hơn so với Cf/AFSHình 5(d)–(f). Sự tiến hóa của các bong bóng AFS không đều và kích thước của chúng có sự dao động lớn do sự cùng tồn tại của cả các bong bóng có kích thước micromet và các bong bóng lớn có kích thước milimet bất thường (được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ). Hơn nữa, sự bất ổn và không đồng nhất này trong quá trình hình thành hạt nhân ban đầu có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong cấu trúc lỗ rỗng cuối cùng và các tính chất cơ học giữa AFS và Cf/AFS.

3.2. Phân tích cấu trúc vĩ mô

Để nghiên cứu sự khác biệt về hình thái lỗ rỗng vĩ mô và đường kính lỗ rỗng giữa AFS và Cf/AFS, hai cấu trúc bánh sandwich đã được chuẩn bị trong điều kiện phòng thí nghiệm ở nhiệt độ tạo bọt là 620 ◦C trong 15 phút. Cấu trúc vĩ mô và phân bố kích thước tế bào của AFS và Cf/AFS được thể hiện trongHình 6. So sánh các mặt cắt dọc của hai mẫu cấu trúc bánh sandwich cho thấy bọt Cf/AFS có các ô mịn hơn và ít khuyết tật hơn như vỡ hoặc hợp nhất các ô (xemHình 6 (b)). Ngược lại, như thể hiện trongHình 6(a), AFS thể hiện tính đồng nhất lỗ chân lông kém với sự hiện diện của một số lỗ chân lông lớn bất thường. Trong khi đó, đường kính lỗ chân lông tương đương cho AFS và Cf/AFS lần lượt là 2,9 ± 0,2 mm và 1,9 ± 0,1 mm, cho thấy đường kính lỗ chân lông được tinh chỉnh thêm bằng cách bổ sung Cf (xemHình 6(c) và (d)).

Sự tiến hóa của cấu trúc lỗ rỗng chịu ảnh hưởng của hai cơ chế cạnh tranh: sự phân hủy TiH2 và sự hợp nhất và vỡ của bọt. Sự phân hủy TiH2 góp phần làm tăng số lượng hạt nhân, độ xốp và tốc độ giãn nở, trong khi sự hợp nhất và vỡ của các bong bóng làm giảm số lượng lỗ rỗng và tăng đường kính của các lỗ rỗng. Việc giảm các sự kiện hợp nhất và vỡ của bong bóng góp phần thu được cấu trúc ô tốt hơn. Do đó, độ ổn định cao của bọt là cần thiết để duy trì tính đồng nhất của cấu trúc lỗ rỗng trong quá trình tạo bọt. Đối với Cf/AFS, việc bổ sung Cf cải thiện đáng kể khả năng thấm ướt của các sợi bằng nhôm nóng chảy. Tương tự như bọt nhôm gia cường Cf đã báo cáo [44] được chế tạo bằng phương pháp tạo bọt nóng chảy, việc bổ sung Cf làm ổn định bọt nhôm bằng cách ngăn ngừa thành tế bào bị vỡ và giảm sự kết tụ. Trong khi đó, Cf có thể tạo ra cấu trúc giống như lưới trong thành tế bào, tạo ra lực tách và ngăn ngừa bong bóng bị vỡ, do đó, cải thiện cấu trúc ô, độ ổn định của bọt và tính đồng nhất của sự phân bố lỗ rỗng.

3.3. Đặc điểm cấu trúc vi mô

Hình 7(a)cho thấy cấu trúc vi mô của thành tế bào sau khi tạo bọt với AFS. Theo báo cáo về bọt hợp kim AlSi6Cu4Mg4, eutectic Al–Si, Mg2Si, Al2Cu và Al5Cu2Mg8Si6 có trong hợp kim, phù hợp với các phát hiện thu được từ phân tích EDS trongHình 7(b). Các pha giòn này làm giảm các đặc tính cơ học của bọt nhôm bằng cách làm yếu thành lỗ rỗng hoặc hoạt động như một nguồn gây ra các vết nứt trong quá trình biến dạng. Do đó, việc tăng cường các đặc tính cơ học của thành lỗ rỗng thông qua việc bổ sung các pha gia cố là một chiến lược khả thi và hiệu quả.

Đối với Cf/AFS, có thể quan sát được từHình 7(c) và (d)rằng Cf được phân bố bên trong thành tế bào hoặc ở rìa thành tế bào, cho thấy Cf có khả năng thấm ướt tuyệt vời với nhôm nóng chảy. Hơn nữa, điều này có thể nhận thấy (tham khảoHình 7(d)) rằng một lượng nhỏ pha kết tủa Al2Cu hình thành tại giao diện giữa các sợi và nhôm nóng chảy. Hiện tượng này góp phần tạo nên liên kết mạnh giữa các sợi và ma trận. Sự tiến triển của phản ứng khuếch tán này có thể được quan sát trực quan trongHình 4(a)–(c). Lưu ý rằng, pha kết tủa không bao quanh hoàn toàn các sợi carbon và trạng thái cũng như lượng phân phối này có lợi cho Cf/AFS. Dựa trên nghiên cứu của Lv và cộng sự về vật liệu composite nền nhôm gia cường Cf, người ta đã chứng minh rằng lượng pha kết tủa thích hợp có thể ảnh hưởng và điều chỉnh cường độ liên kết giao diện.

Hình 6.Các mặt cắt dọc của mẫu đại diện (a) AFS và (b) Cf/AFS. Đường kính tương đương so với biểu đồ phân số diện tích tương ứng với (a) và (b) được mô tả tương ứng trong (c) và (d). Đường liên tục liền trong (c) và (d) biểu diễn sự phù hợp log-normal. Hồi quy (R2) biểu diễn độ phù hợp tốt.

Hình 7.Hình ảnh SEM (a) và (b) cho thấy các cấu trúc vi mô tương ứng vớiHình 6(a) AFS vàHình 6(b) Cf/AFS, tương ứng, hơn nữa,Hình 7(b) và (d) cho thấy độ phóng đại cục bộ củaHình 7(a) và (c), tương ứng.

3.4. Cơ chế ổn định bọt Al–Si–Mg–Cu của Cf

Dựa trên các phân tích được đề cập ở trên, sơ đồ biểu diễn cơ chế tạo bọt cho Cf/AFS và AFS được tóm tắt trongHình 8. Sự khác biệt đáng kể giữa Cf/AFS và AFS trong giai đoạn hình thành hạt, giai đoạn phát triển bong bóng và giai đoạn hợp nhất, và giai đoạn đông đặc dần dần, như minh họa trongHình 8(a) và (b).

Hình 8.Sơ đồ mô tả hành vi tạo bọt của Cf/AFS và AFS: (a) Cf/AFS; và (b) AFS.

Trong giai đoạn hình thành hạt của bọt hợp kim AlSi6Cu4Mg4, các bong bóng có xu hướng hình thành hạt bên trong eutectic bậc bốn lỏng bao quanh các hạt đồng, thay vì hình thành hạt tại vị trí của các hạt TiH2. Loại hình thành hạt này ở vùng yếu nhất của tiền chất (hình thành hạt loại II) cung cấp nhiều kênh thoát hơn cho các khí được giải phóng do quá trình phân hủy TiH2, tránh sự tích tụ của các khí và gây ra các vết nứt lan truyền trong khối nhôm nóng chảy. Việc bổ sung các sợi carbon phủ đồng rõ ràng tạo ra nhiều kênh hơn để giải phóng H2. Tuy nhiên, vì khối nhôm nóng chảy không có đủ phần chất lỏng ở giai đoạn này, nên các bong bóng nhỏ như vậy khó có đủ nguồn H2 để tiếp tục phát triển. Do đó, các bong bóng nhỏ này vỡ ra bên trong khối nhôm nóng chảy khi nhiệt độ tăng. Khi tiền chất nóng chảy hoàn toàn, H2 được giải phóng từ phản ứng tách hydro mạnh của TiH2 sẽ hình thành hạt và phát triển nhanh chóng dựa trên điểm hình thành hạt. Cf cung cấp nhiều vị trí hình thành hạt không đồng nhất để tạo ra các bong bóng, giúp tăng đáng kể tốc độ hình thành hạt. Đồng thời, sự hiện diện của Cf có hiệu quả ức chế sự tiếp xúc và hợp nhất của các bong bóng chính và tránh hình thành các bong bóng có kích thước lớn bất thường.

Trong giai đoạn phát triển và hợp nhất của các bong bóng, việc bổ sung Cf cải thiện đáng kể độ ổn định của bọt. Lý do là Cf và nhôm nóng chảy có khả năng thấm ướt tốt và các sợi có thể dễ dàng bị mắc kẹt giữa hai giao diện khí-lỏng để tạo thành cấu trúc mạng (như thể hiện trongHình 7(c)). Khi màng chất lỏng bị làm mỏng, các sợi có thể tạo ra áp suất tách để chống lại lực hút từ ranh giới cao nguyên, do đó ngăn màng chất lỏng bị vỡ. Vì vậy, Cf/AFS cần thời gian tạo bọt dài hơn so với AFS, với độ ổn định cao hơn có thể duy trì tính đồng nhất của cấu trúc lỗ rỗng trong quá trình tiến triển của bọt.

Trong giai đoạn đông đặc chậm, các bong bóng trong Cf/AFS không còn phát triển nữa và các sợi được nhúng vào trong thành tế bào (được đánh dấu bằng hộp chấm đỏ). Sự giữ lại các sợi này ngăn cản các bong bóng nhỏ được hấp thụ bởi các bong bóng lớn hơn, như thấy trong quá trình trưởng thành Ostwald, và ức chế sự vỡ thành tế bào do sự giãn nở đông đặc. Do đó, Cf/AFS thể hiện cấu trúc lỗ đồng nhất hơn và ít khuyết tật lỗ hơn so với AFS.

3.5. Tính chất cơ học

Đường cong ứng suất-biến dạng nén cho Cf/AFS và AFS có độ xốp gần như giống nhau (lần lượt là 83,2% và 81,4%) được trình bày trongHình 9(a). Đường cong ứng suất-biến dạng nén thể hiện đặc điểm ba giai đoạn riêng biệt, bao gồm vùng đàn hồi tuyến tính, vùng cao nguyên và vùng nén chặt. Độ bền kéo nén của AFS và Cf/AFS lần lượt là 8,44 MPa và 11,87 MPa. Độ bền kéo nén của Cf/AFS tăng 40,6% so với AFS. Trong khi đó, khả năng hấp thụ năng lượng của Cf/AFS tốt hơn khả năng hấp thụ năng lượng của AFS ở cùng một biến dạng, như thể hiện trongHình 9(b). Khả năng hấp thụ năng lượng của AFS và Cf/AFS lần lượt là khoảng 3,3 MJ/m3 và 6,1 MJ/m3. Khả năng hấp thụ năng lượng của Cf/AFS được cải thiện 84,8% so với AFS.

Hình 9.Đường cong ứng suất nén và đường cong khả năng hấp thụ năng lượng của Cf/AFS và AFS: (a) đường cong ứng suất nén; (b) đường cong khả năng hấp thụ năng lượng.

Việc kết hợp Cf đã cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của lõi bọt. Người ta biết rõ rằng các tính chất cơ học củabọt nhômcó liên quan chặt chẽ đến cấu trúc lỗ rỗng và tính chất cơ học của thanh chống. Phân tích cấu trúc vĩ mô chỉ ra rằng việc bổ sung Cf đã tinh chỉnh kích thước lỗ rỗng, cải thiện sự phân bố lỗ rỗng và giảm các khuyết tật lỗ rỗng. Tương tự như các phát hiện của Sasikumar et al. và Yangetal. đường kính lỗ rỗng nhỏ và phân bố lỗ rỗng hẹp có lợi hơn trong việc tăng cường độ nén và hiệu quả hấp thụ năng lượng. Hơn nữa, tác động của cấu trúc vi mô đến tính chất cơ học của bọt chủ yếu là do Cf được nhúng trong các thành lỗ rỗng của bọt. Sự khuếch tán và hòa tan của sợi carbon phủ đồng trong ma trận nhôm có thể đạt được liên kết giao diện chắc chắn hơn giữa các sợi và ma trận nhôm, góp phần truyền tải tải trọng. Sợi carbon có mô đun cao được ghim trong thành lỗ rỗng có thể hạn chế biến dạng của thành lỗ rỗng dưới tải trọng nén và cải thiện khả năng chịu tải. Tất cả các yếu tố này đều ủng hộ Cf/AFS đạt được độ bền kéo và khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn so với AFS.

4. Kết luận

Cf/AFS và AFS được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột cán đóng gói trong công trình này. Hành vi tạo bọt của Cf/AFS và AFS được quan sát động thông qua bức xạ synchrotron để

nghiên cứu ảnh hưởng của Cf đến sự hình thành và phát triển của bong bóng. Ngoài ra, Cf đối với hình thái lỗ rỗng, phân bố lỗ rỗng và tính chất nén của bọt nhôm đã được phân tích kỹ lưỡng. Các kết luận chính như sau:

(1) Các quan sát tại chỗ bằng bức xạ synchrotron cho thấy cả quá trình tạo bọt Cf/AFS và AFS đều thể hiện ba giai đoạn riêng biệt: hình thành bong bóng, phát triển và hợp nhất bong bóng, và đông đặc.

So với AFS, quá trình tạo bọt của Cf/AFS cho thấy tính ổn định và tính đồng nhất của bong bóng cao hơn. AFS dễ hình thành các lỗ rỗng lớn và thô bất thường trong quá trình tiến hóa của lỗ rỗng. Ngoài ra, sự chênh lệch này là do hiệu ứng hình thành hạt không đồng nhất của Cf, ngăn ngừa vỡ thành bong bóng và giảm sự hợp nhất trong khi tăng tốc độ hình thành hạt.

(2) Việc bổ sung 0,5 wt.% Cf làm tinh chỉnh đường kính lỗ tương đương từ 2,9 ± 0,2 mm thành 1,9 ± 0,1 mm, làm giảm đáng kể các khuyết tật lỗ thô. Đồng thời, cấu trúc vi mô cho thấy khả năng thấm ướt tốt của Cf, được phân bố dọc theo thành lỗ và giao diện khí-rắn, do đó tăng cường độ ổn định của bọt.

(3) So với AFS, cường độ chịu nén và khả năng hấp thụ năng lượng của Cf/AFS tăng lần lượt khoảng 40,6% và 84,8%. Những phát hiện của nghiên cứu này có thể cung cấp ý tưởng cho việc gia cố các tấm sandwich xốp nhôm với giao diện liên kết luyện kim có tiềm năng ứng dụng kỹ thuật trong lĩnh vực công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Bài viết từ Tạp chí Nghiên cứu và Công nghệ Vật liệu