09,14,2026 4vues
La mousse d'aluminium est un matériau métallique poreux qui combine des matériaux poreux et des propriétés métalliques, en raison de sa faible densité, de ses propriétés d'absorption d'énergie élevées et de sa recyclabilité, a de vastes perspectives d'application dans le domaine des matériaux d'aujourd'hui, est un matériau d'ingénierie prometteur pour le développement, En particulier dans les domaines du transport, de l'aérospatiale, des structures de construction et autres.
L'équipe, dirigée par le professeur fanxiu Chen de l'Université de technologie de Qingdao, a mené une étude approfondie des propriétés mécaniques de l'aluminium en mousse en utilisant un microct tridimensionnel à rayons X haute résolution de sanying Precision et un système de chargement in situ compagnon. En effectuant des expériences de chargement in situ sur des mousses d'aluminium à cellules fermées ayant des densités respectives de 0217 G / cm3, 0347 G / cm3, 0414 G / cm3 et 0588 G / cm3, l'analyse comparative des paramètres de structure des pores tels que la porosité, la porosité couche par couche, la distribution des pores et la sphéricité des mousses d'aluminium de différentes densités a été examinée, l'influence des paramètres de structure des pores sur les propriétés mécaniques et les propriétés d'absorption d'énergie de la mousse d'aluminium a révélé des différences dans les propriétés mécaniques des mousses d'aluminium de différentes densités.
1 matériaux et méthodes
1.1 préparation des matériaux
Cette étude a utilisé 1060 aluminium pur industriel comme substrat et TiH2 comme agent moussant, en utilisant le processus de moussage à l'état fondu pour préparer un matériau en mousse d'aluminium à cellules fermées de taille Φ30mm × 30mm comme objet d'étude, et avec l'augmentation de la densité de la mousse d'aluminium, les pores alvéolaires diminuent progressivement (Figure 1).
Figure 1 quatre densités d'éprouvettes cylindriques en mousse d'aluminium:
(A) 0,217 g/cm3, (B) 0,347 g/cm3, (C) 0,414 g/cm3, (D) 0,588 g/cm3
1.2 méthodes expérimentales
Des éprouvettes cylindriques en mousse d'aluminium de quatre densités ont été scannées sans perte avec une résolution de 25,2 μm en utilisant la série nanovoxel - 2000 de microtométrie tridimensionnelle à rayons X haute résolution produite par sanying Precision Instruments Co., Ltd., Tianjin, Chine.
Nanovoxel - 2000 microct de précision
La reconstruction 3D avec un logiciel de reconstruction donne une image reconstruite en 3D (Figure 2). Dans le même temps, appliquez un logiciel de visualisation 3D pour analyser la porosité de la mousse d'aluminium, la porosité couche par couche et d'autres paramètres de structure poreuse.
Figure 2 image reconstituée en trois dimensions de mousse d'aluminium pour quatre densités
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
1.3 essai de chargement in situ
Avec le système de chargement in Situ Micro - CT, le test de chargement Uniaxial a été effectué à une vitesse de 3 mm / min en suivant le mode de chargement décalé. L'instant initial est enregistré lorsque l'indenteur vient de toucher l'éprouvette, moment auquel la forme initiale de la mousse d'aluminium est enregistrée avec un balayage micro - CT, après quoi l'indenteur effectue un balayage CT tous les 3 mm vers le bas. Dans le même temps, l'acquisition de données via le logiciel compagnon donne la courbe force - déplacement et calcule la courbe contrainte - déformation résultante pour évaluer les propriétés mécaniques de la mousse d'aluminium à cellules fermées.
Schéma du système de chargement in Situ Micro - CT: (A) vue de dessus du cylindre pressurisé (b) vue de dessus du cylindre pressurisé (c) tête de pressurisation
2. Principaux résultats
2.1 porosité et porosité couche par couche
Des éprouvettes en mousse d'aluminium de quatre densités ont été soumises à un balayage CT et la méthode de division par seuil a permis d'obtenir les porosités à vide des quatre mousses d'aluminium (Figure 3 (A)). L'analyse a abouti à une distribution couche par couche des taux de fente pour les quatre mousses d'aluminium, et les résultats du tracé de la figure 3 (b) montrent que: la distribution couche par couche des taux de fente dans les trois directions XY, XZ, YZ pour les mousses d'aluminium de même densité est sensiblement cohérente, et les taux de fente couche par couche pour les mousses d'aluminium de quatre densités sont approximativement répartis sur quatre intervalles.
Figure 3 (A) porosité de quatre densités de mousse d'aluminium (b) porosité couche par couche de différentes tranches de quatre densités de mousse d'aluminium
Pour une analyse plus approfondie de la variabilité mécanique de différentes densités de mousse d'aluminium, l'analyse comparative de la direction XY tranches au cours du processus de chargement uniforme couche par couche taux de fente faciale. Les éprouvettes sont soumises à un balayage CT par compression de 3 mm avec une déformation de 0,1. Les résultats de la distribution de l'écart de face par couche dans le processus de compression de mousse d'aluminium à quatre densités (Figure 4) montrent que: la courbe de distribution de l'écart de face par couche présente le phénomène de deux têtes basses et élevées, ce qui est lié au processus de moussage et à la forme de l'éprouvette. Au cours de la déformation de 0 à 0,7, des zones d'effondrement et de déformation des pores alvéolaires se forment progressivement.
Figure 4 pores couche par couche (A) 0217 G / cm³, (b) 0347 G / cm³, (c) 0414 G / cm³, (d) 0588 G / cm³ pour quatre densités de mousse d'aluminium
Le processus d'effondrement de la mousse d'aluminium pendant le chargement (Figure 5) montre que: lorsque la déformation est de 0,1, la mousse d'aluminium est dans la phase élastique, la structure ne change presque pas, la mousse d'aluminium s'effondre lentement avec l'augmentation de la déformation, la morphologie des alvéoles change progressivement. L'effondrement des alvéoles commence généralement dans la zone la plus faible et forme une zone de déformation locale, qui s'élargit progressivement avec l'augmentation de la déformation. Avec une déformation de 0,7, la structure interne de la mousse d'aluminium a été complètement modifiée, en particulier la mousse d'aluminium de densité 0,58 G / cm3 a été soumise à une pression plus élevée après chargement, produisant finalement une rupture et une destruction complète, et son effondrement ultérieur est également plus complet que les trois autres densités de mousse d'aluminium.
Figure 5 processus d'effondrement de la mousse d'aluminium pendant le chargement (A) 0217 G / cm³, (b) 0347 G / cm³, (c) 0414 G / cm³, (d) 0588 G / cm³
2.2 distribution des pores
La distribution des tailles de pores est un autre facteur majeur affectant les propriétés mécaniques et l'absorption d'énergie de la mousse d'aluminium, et le diagramme de distribution en fréquence et en pourcentage numérique des tailles de pores équivalentes des pores à bulles (Figure 6) obtenu à l'aide de l'algorithme du bassin versant indique que: le Nombre de pores de la mousse d'aluminium est principalement réparti dans la Section des petits pores, augmentant avec les tailles de pores équivalentes, la courbe augmente lentement. Plus la densité de la mousse d'aluminium est grande, plus la distribution de taille de pore équivalente est petite, la distribution de taille de pore équivalente de la mousse d'aluminium de densité 0588 G / cm3 est réduite de moitié par rapport à la distribution de taille de pore équivalente de la mousse d'aluminium de 0217 G / cm3, et la forme de la bulle se rapproche de la forme sphérique avec l'augmentation de la densité.
Figure 6 Répartition des tailles de pores des quatre densités de mousse d'aluminium
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
2.3 sphéricité
La sphéricité mesure si la forme des pores à bulles est standard. Utilisez l'algorithme de bassin versant pour segmenter les alvéoles dans la mousse d'aluminium, calculer et compter la surface et le volume de chaque alvéole. Le diagramme de dispersion de la distribution de la sphéricité des alvéoles de mousse d'aluminium (Figure 7) indique: plus la densité de la mousse d'aluminium est élevée, plus la distribution de la sphéricité est dense, meilleure est la sphéricité. La porosité augmente et s'accompagne de l'apparition de bulles plus irrégulières. La sphéricité des pores à bulles est liée au phénomène de moussage et d'expulsion lors de la solidification de la mousse d'aluminium, la distribution de la sphéricité des quatre types de mousse d'aluminium est principalement concentrée dans la moitié supérieure, ce qui indique que la structure de la mousse d'aluminium préparée est relativement uniforme.
Figure 7 diagramme de dispersion de la distribution sphérique des quatre densités de mousse à alvéoles d'aluminium
(A) 0,217g/cm³, (B) 0,347g/cm³, (C) 0,414 g/cm³, (D) 0,588 g/cm³
Pour voir plus visuellement le changement de forme des alvéoles, prenez l'exemple des alvéoles typiques en mousse d'aluminium avec une densité de 0588 G / cm³ Et dessinez un diagramme tridimensionnel des alvéoles (Figure 8). Les résultats montrent que: la forme des pores alvéolaires est plutôt sphérique ou elliptique, avec seulement une petite partie de pores alvéolaires de forme irrégulière, ce qui indique que les pores alvéolaires irréguliers formés par moussage ont une bonne sphéricité.
Figure 8 diagramme tridimensionnel des alvéoles de mousse d'aluminium d'une densité de 0588 G / cm³
2.4 relations de contrainte - déformation pendant le chargement in situ
La compression de la mousse d'aluminium à un taux constant assure un taux de déformation constant pendant le chargement, la courbe de contrainte - déformation résultante (Figure 9) montre: la courbe de contrainte - déformation de la mousse d'aluminium plus dense est située en haut. La courbe contrainte - déformation est divisée en trois phases, à savoir une phase élastique, une phase de plateau de contrainte et une phase de densification. Parmi eux, la mousse d'aluminium absorbe une grande quantité d'énergie au cours de la phase de plate - forme de stress, les pores à bulles apparaissent déformation plastique et effondrement jusqu'à ce que la contrainte augmente exponentiellement au cours de la phase de densification, cet effondrement continu affectera l'absorption d'énergie de la mousse d'aluminium.
Figure 9 courbes contrainte - déformation pour quatre densités de mousse d'aluminium
Les principaux paramètres mécaniques de la mousse d'aluminium dans la phase d'élasticité sont présentés dans le tableau 2: la contrainte élastique de la mousse d'aluminium de densité 0588 G / cm³ est près de 7 fois supérieure à celle de la mousse d'aluminium de densité 0217 G / cm³, et les quatre types de mousse dense d'aluminium sont relativement proches. Le module d'élasticité de la mousse d'aluminium haute densité est grand, la différence maximale est d'environ 5 fois.
Tableau 2 Principaux paramètres mécaniques de la mousse d'aluminium en phase élastique
2.5 absorption d'énergie pendant le chargement in situ
Les variations de la capacité d'absorption d'énergie et de l'efficacité d'absorption d'énergie en fonction des contraintes et des déformations des quatre mousses denses d'aluminium ont été obtenues par calcul (Figure 10). Les résultats de la cartographie montrent: l'absorption d'énergie et la déformation de la mousse d'aluminium sont proches d'une relation linéaire positive, plus la densité de la mousse d'aluminium est élevée, plus la capacité d'absorption d'énergie est forte; Plus la structure est uniforme, plus l'efficacité d'absorption d'énergie de la mousse d'aluminium est élevée; Les trois phases de variation de l'efficacité d'absorption d'énergie en fonction de la contrainte correspondent aux trois phases de la courbe contrainte - déformation: une zone de montée lente (phase élastique), une zone de montée brusque (phase de plateau de contrainte) et une zone de fragilisation descendante (phase de densification), la phase de plateau de contrainte étant une phase critique affectant l'efficacité énergétique d'aspiration des pores alvéolaires et une phase critique de déformation de l'énergie d'aspiration des pores alvéolaires.
Figure 10 absorption d'énergie et efficacité d'absorption d'énergie pour quatre types de mousse d'aluminium de densité: (A) absorption d'énergie sous différentes contraintes (b) absorption d'énergie sous différentes contraintes (c) absorption d'énergie sous différentes contraintes (d) absorption d'énergie sous différentes contraintes (σ D: contrainte dense, ε D: contrainte dense)
En comparant les propriétés mécaniques de quatre mousses d'aluminium de densité différente (tableau 3), on a constaté que la contrainte de plate - forme et la contrainte de compacité, ainsi que la capacité d'absorption d'énergie sous contrainte de compacité, augmentaient avec la densité de la mousse d'aluminium. La déformation de densification de la mousse d'aluminium avec une densité de 0588 G / cm³ est maximale et la déformation de densification avec une densité de 0347 G / cm³ est minimale. Les paramètres de structure des pores de l'éprouvette déterminent la variabilité mécanique telle que les propriétés mécaniques, les propriétés d'absorption d'énergie, etc., que présentent différentes densités de mousse d'aluminium.
Tableau 3 Comparaison des propriétés mécaniques des mousses d'aluminium de différentes densités
Conclusion
Cette étude a utilisé le micro - CT pour scanner des mousses d'aluminium de différentes densités, en analysant les paramètres de structure des pores (porosité, porosité couche par couche, distribution des pores et sphéricité) ainsi que les propriétés mécaniques et l'absorption d'énergie sous charge in situ pour les mousses d'aluminium de différentes densités.
Les principaux résultats de recherche peuvent être résumés comme suit: l'effondrement des stomates de mousse d'aluminium dans les essais de chargement sur le terrain a commencé dans une zone de porosité élevée; La faible porosité, la petite porosité et la bonne sphéricité de la mousse d'aluminium haute densité; La courbe contrainte - déformation de la mousse d'aluminium haute densité est située au - dessus, avec un module d'élasticité élevé; La capacité d'absorption d'énergie est liée à la densité de la mousse d'aluminium, la capacité d'absorption d'énergie de la mousse d'aluminium à haute densité est grande, mais l'efficacité d'absorption d'énergie est principalement liée à l'uniformité de la structure ou non.
Tout au long, sanying Precision s'est concentré sur la technologie d'imagerie par rayons X CT et le développement de produits, s'est engagé à fournir aux utilisateurs de nouvelles méthodes et de nouveaux outils pour résoudre les problèmes, et continuera également à fournir une assistance plus forte aux chercheurs scientifiques à l'avenir!
