1、熔体发泡法制备泡沫铝工艺的分析

摘　要

泡沫铝的独特结构与性能，使得其在汽车、建筑等领域有着广泛的应用前景；然而，目前泡沫铝制备成本居高不下的缺陷，严重阻碍了它的大规模商业化应用。研究泡沫铝的低成本制备技术意义重大。论文在系统研究TiH₂作为发泡剂的传统泡沫铝制备工艺以及分析该工艺所存在缺陷的基础上，创造性地研制出了一种可替代TiH₂类发泡剂的新型廉价发泡剂材料，同时，还研究了采用新型发泡剂的泡沫铝制备工艺。另外，论文还原创性地提出了一种定量表征泡沫铝中泡体均匀性的方法。主要研究结果如下：

（1）对TiH₂作为发泡剂的传统泡沫铝制备工艺系统研究后发现：发泡剂TiH₂加入量的增加会促使泡沫铝孔隙率的逐渐上升；升高发泡温度，发泡效率和均匀度逐渐减小。随着保温时间的延长，泡沫铝样品的孔隙率上升、发泡效率降低、均匀度减小。当发泡剂的加入量为1.1%～1.3wt%、发泡温度在620～640℃之间、搅拌时间2.5～5.0min、搅拌速度1500～2500rpm和保温时间3.0～5.0min时可以制备出孔隙率75%～85%、发泡效率80%以上、均匀性80以上、平均孔径1～4mm的泡沫铝样品。

（2）合成了一种可替代昂贵TiH₂或ZrH₂类发泡剂的新型廉价发泡材料，DSC—DTA分析发现，所合成的新型发泡剂具有分解温度宽（608.31～755.86℃），分解速率平缓的特点。在680℃、700℃、720℃和740℃恒温条件下发泡剂完全分解所需时间分别为30min、18min、11min和8min。发泡剂分解过程符合无限大平板颗粒的收缩未反应核模型，分解反应受化学反应控制，其反应活化能为182.596 KJ·mol⁻¹。

（3）在系统研究采用新型发泡剂的泡沫铝制备工艺后发现：(a)随发泡温度的升高，泡沫铝的孔隙率先提高后下降；随发泡剂量的增多，发泡体中的实心部分逐渐减少，当发泡剂的加入量在1.40wt%以上时，可实现无实心体泡沫铝的制备；(b)搅拌时间和搅拌速度对泡沫铝孔隙率和密度的影响不大。一般情况下，搅拌速度以大于800rpm为宜，搅拌时间应控制在2.0～4.0min之间；(c)随着保温时间的延长，泡沫铝的孔隙率逐渐增加，而泡沫铝的发泡效率有所下降；但保温时间过长会使得泡沫铝泡体变得不均匀，并且底部会出现无泡层；保温时间的适宜范围为1.0～6.0min。

（4）采用新型发泡剂制备泡沫铝时，其工艺参数只要控制在740℃左右的发泡温度、1.40%～2.20%的发泡剂加入量、2.0～4.0min的搅拌时间、搅拌速度800rpm以上和保温时间1.0～6.0min条件下，就可以制备出孔径2～5mm、孔隙率60%～80%，孔隙基本均匀且无实心体的泡沫铝。压缩性能实验表明：随着泡沫铝孔隙率的增加，泡沫铝的抗压强度逐渐减小，应变5%和应变48%之间的强度差别也逐渐缩小。当泡沫纯铝的孔隙率在70%左右时，其应力平台强度在10MPa以上。

（5）研究发现，所研制的新型发泡剂具有增粘效果，其增粘的可能原因是：发泡剂与铝熔体之间反应生成了大量细微的固相颗粒，因此在采用新型发泡剂的泡沫铝制备工艺中，不需要另外添加金属Ca或SiC陶瓷颗粒增粘，这为进一步降低泡沫铝的制备成本奠定了基础。

（6）研究发现，新型发泡剂与铝液之间没有良好的润湿性；当新型发泡剂与TiB₂粉末或AlSi合金粉末混合时，润湿性可得到明显改善。

（7）原创性地提出了一个新表征泡沫铝均匀性的方法。该方法不仅可以定量表征泡沫铝的均匀度，同时还可以计算泡沫铝的孔隙率。结果表明：孔隙率的计算值与测量值之间误差约为4%，均匀度的结果与感观结果一致。