第３２卷第５期 大 连 交 通 大 学 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬＩＡＮ ＪＩＡ０Ｔ０ＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖ０Ｉ＿３２ Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２０１１ ２０１１年１０月 文章编号：１６７３—９５９０（２０１ １）０５—００６７—０６ 泡沫铝板的表面致密化研究 王德庆，高明 （大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连ｌ１６０２８） 摘要：采用直接消泡法在连续生产闭孔泡沫铝板的同时，使泡沫铝材的表面形成厚度可控的表面致密 层．研究了预置消泡层厚度、预热挤压辊、预热网带和生产速度对表面致密层的影响；分析了致密层厚度对 泡沫铝压缩和弯曲性能的影响．研究结果表明，当采用４０目网带，预置消泡层厚度为４ ｍｍ，加热辊和网带 预热温度为７００￣Ｃ，生产速度为１４０ ｍｍ／ｍｉｎ时，泡沫铝经过表面致密化之后，致密面光滑平整，致密层厚度 约为０．４ ｍｌＴ１．压缩强度和弯曲强度均随致密层厚度的增加而增加，同时致密层使泡沫铝的弯曲变化过程 增加了一个类似压缩过程的塑性变形阶段． 关键词：泡沫铝；致密层；压缩性能；弯曲性能 文献标识码：Ａ ０ 引言 泡沫铝作为一种新型的多孔金属材料，由于 后经过加热辊和预热网带，由于加热辊和预热网 带温度高于铝熔体泡沫温度，铝熔体泡沫内部气 体温度升高．根据气态方程和铝熔体泡沫的受力 平衡式可知，随着内部气体温度逐渐升高，铝熔体 其独特的结构同时具有金属相和气体相的特点， 兼有结构材料和功能材料的优点ｕ。 ．目前泡沫 铝的一个主要应用方式是与传统的金属致密板材 结合成夹心构件，这种结构既克服了泡沫铝表面 粗糙、模量低（相对于传统材料）及传统金属板材 能量吸收、隔热等性能低（相对于泡沫材料）的缺 的气泡体积增大，气泡壁变薄，使气泡的稳定性减 弱．当表面气泡的壁厚小于其临界稳定值后，气泡 破碎形成表面致密层．该表面致密层的厚度主要 受加热辊和预热网带的温度所控制．温度越高，表 面致密层越厚．在调节温度使表面铝熔体气泡消 泡的同时施加机械挤压也会对表面致密层的形成 厚度有显著影响． 点，又发挥了它们各自的优点 Ｊ，但由于生产方 法的限制，使其存在生产工序复杂以及许多难以 克服的缺点，影响了泡沫铝的发展和应用．如，胶 粘法生产的泡沫铝三明治，胶粘部分存在不耐高 温、易老化的缺点；冶金法存在结合部位易氧化， 面板与芯体结合强度低容易剥离的缺点Ｅ７－８￣．所 以研究一种能够克服以上缺点的新方法成为泡沫 铝发展的必然要求． 该技术与其它生产泡沫铝三明治的方法相 比，不仅生产工艺简单，产品价格低廉，而且所生 产的泡沫铝板材性能优异，特别是表面致密层与 泡沫铝芯材为紧密的冶金结合，不会出现表面层 与泡沫铝夹心分离的现象． 本文提出利用空气发泡法连续生产闭孔泡沫 铝材一次产品的同时，采用直接消泡法使泡沫铝 本文主要研究了网眼尺寸、网带预热温度、预 置消泡层厚度和生产速度对泡沫铝表面致密层的 影响，并分析了不同致密层厚度对泡沫铝压缩和 材的表面形成与铝熔体泡沫相同成分的厚度可控 的致密表面层．其原理是将表面铝熔体泡沫消泡 而形成表面致密层．铝熔体泡沫离开发泡室表面 弯曲性能的影响． 收稿日期：２０１１—０４—１２ 基金项目：辽宁省科技计划资助项目（２０１０２２１００９） 作者简介：王德庆（１９５３一），男，教授，硕士，主要从事复合材料的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｄｑ＠ｄｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 第５期 王德庆，等：泡沫铝板的表面致密化研究 ７ｌ 体泡沫增加，致密层厚度增加．而且在相同的预热 温度下，随板材厚度的增加，致密层厚度也是逐渐 增加，这是由于随着板材厚度的增加，泡沫铝板的 生产速度降低，泡沫铝板经过预热网带的时间增 长，消掉的铝熔体泡沫增多，致密层厚度增加． ２．２．２生产速度对致密层厚度的影响 图９是在相同的发泡条件下制备泡沫铝板时 生产速度对致密层厚度的影响．由图可见，随着生 产速度的增加，２０、３０和４０ ｍｍ厚的泡沫铝板致 密层厚度均呈现下降的趋势，分别由０．４５ ｍｍ减 小到０．３７ ｍｍ，由０．５５ ｍｍ减小到０．４７ ｍｍ和由 ０．６７ ｍｍ减小到０．５８ ｍｍ．这是因为在相同的发 泡温度和气流量下，从坩埚中产生的铝熔体泡沫 量是固定不变的，随着生产速度的增加，泡沫铝板 经过预热网带的时间缩短，单位面积上吸收的热 量减少，消掉的铝熔体泡沫减少，形成的致密层厚 度减小． 吼ｃｉ ∞ 如 董 啮 柏 鲻 图９生产速度与致密层厚度的关系 ２．２．３预置消泡层厚度对致密层厚度的影响 泡沫铝表面致密层的厚度可以利用式（１）计算 Ｄ： ｆ １ １ ｐｏ 式中，ｄ（ｍｍ）为预置消泡层厚度；Ｐ（ｇ／ｃｍ ）为 泡沫铝样品的密度；Ｐ。（ｇ／ｃｍ ）为致密层的密度； Ｄ（ｍｍ）为致密层的厚度． 附表致密层的计算厚度与测量厚度 预置消泡层 致密层厚度／ｍｍ 厚度／ｍｍ 计算值 测量值 ０．２２ ０．３Ｏ Ｏ．３１ ０．３９ ０．３９ ０．４９ ０．４９ ０．５７ ０．５５ ０．６２ 附表是致密层的计算厚度与测量厚度的对 比．通过附表可知，致密层厚度的测量值都大于计 算值，这是因为铝熔体泡沫在经过预置消泡加热 辊以后要经过预热网带，预热网带对泡沫铝板表 面继续进行加热，铝熔体泡沫继续消泡形成致密 层，致密层厚度增加． 图１０是预置消泡层厚度与致密层厚度的关 系．由图可见，随预置消泡层厚度由３ ｍｍ增加到 ７ ｍｍ，致密层ｉ贝０量厚度由０．４０ｌ／＇／ｌ＇ｎ增加到０．６５ ｍｍ， 其增长规律与计算趋势基本一致． 墨 船 如 加 图１０预置消泡层厚度与致密层厚度的关系 ２．３致密层对泡沫铝力学性能的影响 ２．３．１致密层对泡沫铝压缩性能的影响 图１１是无致密层和致密层厚度为０．４ ｒｆｌｍ以 及０．２ ｍｍ的泡沫铝板（密度分别为０．１８、０．２２ 和０．２４ ｃｍ ）应力一应变关系．由图可见，有致 密层和无致密层泡沫铝的应力一应变曲线均分为 三个阶段，即线弹性区、屈服平台区和致密区 ． 三种泡沫铝板的屈服强度随致密层厚度的增大而 增大，其强度分别为０．７９、０．８２和０．９１ ＭＰａ．这 是因为，表面致密层对受压缩作用的泡沫铝芯有 稳定作用，致密层厚度越大，其稳定作用越明显， 其破碎强度越大． 应变 图１１致密层厚度不同的泡沫铝板应力一应变关系 ２．３．２致密层对泡沫铝弯曲性能的影响 图１２是致密层厚度为Ｏ．４和Ｏ．２ ｍｍ以及无 ｎ １ ８ ∞ ７２ 大 连 交 通 大 学 学 报 第３２卷 致密层的泡沫铝板（在相同的发泡条件下制备得 密层厚度约为０．４ ｍｍ； 到，密度分别为０．２４、０．２２和０．１８ ｇ／ｃｍ ）应力～ （３）致密层测量厚度大于计算厚度，这是由 挠度关系．由图可见，随致密层厚度的增加，泡沫铝板 于铝熔体泡沫经过预置消泡后，预热网带对铝熔 的抗弯强度增大，分别为２．１８、３．４６和４．１３ ＭＰａ． 体泡沫继续加热消泡所致； 无致密层试样的弯曲变化曲线分为两个阶段：线 （４）压缩和弯曲强度都随致密层厚度的增加 弹性区Ｏ—ｄ和断裂后挠度急剧下降区，ｄ点抗弯 而增加，同时致密层使泡沫铝的弯曲变化过程增 强度的值为２．１８ ＭＰａ．将有致密层与无致密层试 加了一个类似压缩过程的塑性变形阶段． 样比较，应力一挠度关系多了一个明显的塑性变 形区（与传统泡沫铝三明治弯曲变化过程一 参考文献： 致 ）．在致密层厚度为０．４ ｍｍ泡沫铝板的应力 ［１］许光鹏，张丽，伍薇．新型多功能材料泡沫铝的结构性 —挠度曲线中，ｏ～ 为弹性区间，ｕ～ｃ为塑性变 能及前景展望［Ｊ］．重庆科技学院学报，２００６，８（２）：５１． 形平台区．在塑性变形平台区间内，受压部位的泡 ［２］ＪＯＨＮ ＢＡＮＨＡＲＴ，ＨＥＩＫＥ ＳＴＡＮＺＩＣＫ，ＬＵＫＡＳ ＨＥＬＦＥＮ， 沫铝胞发生塑性变形与断裂，呈现出一个类似压 ｅｔ ａ１．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｘ—ｒａｙ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｆｏａｍ 缩过程的吸能阶段，ｃ点抗弯强度值为４．１３ ＭＰａ． Ｓａｎｄｗｉｃｈ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃ Ｅｎｇｒｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００１，６（３）：４０７—４１０． ［３］王政红，陈派明．发泡法制备泡沫铝［Ｊ］．材料开发与 应用，１９９８，１３（３）：３１． ［４］吴照金，何德坪．泡沫铝凝固过程中孔隙率的变化 ［Ｊ］．科学通报，２０００，４５（８）：８３１． Ｒ ［５］张敏，祖国胤，姚广春，等．泡沫铝夹心板的制备及其界面 结合机理的研究［Ｊ］，功能材料，２００６，３１（２）：２８１． ［６］于英华，杨春红．泡沫铝夹芯结构的研究现状及发展 方向［Ｊ］．机械工程师，２００６（３）：４３． ［７］梁晓军，朱勇刚，陈锋，等．泡沫铝三明治结构的制备 ［Ｊ］．江苏冶金，２００２，３２（１）：７． 图１２不同致密层厚度的泡沫铝板应力一挠度关系 ［８］ＣＨＥＮ Ｃ，ＨＡＲＴＥ Ａ Ｍ，ＦＬＥＣＫ Ｎ Ａ．Ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｌｌａｐｓｅ ３ 结论 ｏｆ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ａ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｏａｍ ｃｏｒｅ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａ— ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００１，４３：１４８３— （１）泡沫铝经过表面致密化之后，泡沫铝板 １５０５． 表面光滑平整；致密层厚度随预置消泡层厚度的 ［９］陈天玉．不锈钢表面处理技术［Ｍ］．北京：化学工业出 增加而增加，随生产速度的增加而减小，随预热网 版社，２００４：７９． 带温度的升高而增加； ［１０］张明华，谌河水，赵恒义．泡沫铝芯体夹层板压缩力 （２）泡沫铝表面致密化的最佳工艺为：网带 学性能的试验研究［Ｊ］．轻金属，２００８，２：５６—５８． 为４０目，预置消泡层厚度为４ ｍｍ，加热辊和网带 ［１１］张敏，祖国胤，姚广春．新型泡沫铝三明治板的弯曲 预热温度为７００ ｏＣ，生产速度为１４０ ｍｍ／ｍｉｎ，致 性能［Ｊ］．过程工程学报，２００７，７（３）：６２９—６３１． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｄｅｎｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｆｏａｍ Ｐｌａｔｅ ＷＡＮＧ Ｄｅ—ｑｉｎｇ．ＧＡ０ Ｍｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ ｌ１６０２８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｈｉｃｋ ａｎｄ ｄｅｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｄｅｆｏａｍｉｎｇ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｅｌｔ ｆｏａｍｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅｉｒ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｅｔ ｄｅｆｏａｍｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｑｕｅｅｚｅ ｒｏｌｌｅｒｓ，ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ ｇｒｉｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｒｙ ｂｅｌｔ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｐｌａｔｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ４０ ｍｅｓｈ ｇｒｉｄ ｓｉｚｅ ａｎｄ ４ ｒａｎ１ ｐｒｅｓｅｔ ｄｅｆｏａｍｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｔ ７００￣Ｃ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏａｍ ｐｌａｔｅ ｉｓ １４０ ｍｍ／ｍｉｎ ｗｉｔｈ ａ ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｄｅｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ａｂｏｕｔ ０．４ ｍｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ １ａｙｅｒ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｏｎｅ ｍｏｒｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ａｓ ｔｈｅ ｆｏａｍ ｄｏｅｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ・ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ；ｄｅｎｓｅ ｌａｙｅｒ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ