09,14,2026 4просмотры
Пеноматериал представляет собой пористый металлический материал, который сочетает в себе пористые материалы и металлические свойства, из - за его низкой плотности, высокой всасывающей способности, рециркуляции, имеет широкие перспективы применения в области современных материалов, является перспективным инженерным материалом, особенно в области транспорта, аэрокосмической промышленности, строительных конструкций и других областях широко используется.
Команда, возглавляемая профессором Чэнь Фансю из Циндаоского технологического университета, провела углубленное исследование механических свойств пеноматериала алюминия с использованием трехмерной микроскопической КТ с высоким разрешением и вспомогательной системы загрузки на месте. В ходе эксперимента по загрузке на месте запирающего пенопласта алюминия с плотностью 0,217g / cm3, 0347g / cm3, 0414g / cm3 и 0588g / cm3, соответственно, были проанализированы такие параметры структуры отверстия, как пористость, пористость по слоям, распределение апертуры и сферическая форма пенопласта алюминия различной плотности.
1. Материалы и методы
1.1 Подготовка материалов
Это исследование основано на промышленном чистом алюминие 1060, TiH2 в качестве пенообразователя, с использованием процесса пенообразования расплава, подготовки закрытого пенопластового алюминиевого материала размером 30mm×30 мм в качестве объекта исследования, и с увеличением плотности пенопласта алюминия, пористость постепенно уменьшается (рисунок 1).
Рисунок 1 Четыре вида плотности пеноматериальных цилиндрических образцов:
(А) 0,217 г/см3, (В) 0,347 г/см3, (С) 0,414 г/см3, (Д) 0,588 г/см3
1.2 Экспериментальный метод
Используя трехмерную микроскопическую КТ серии NanoVoxel - 2000 с высоким разрешением, произведенную компанией Tianjin Sanying Precision Instruments Co., Ltd. в Китае, четыре плотностных пеноматериальных цилиндрических образца сканируются без потерь с разрешением 25,2 мкм.
Трианг - прецизионный nanoVoxel - 2000 микроскопическая КТ
Использование программного обеспечения для реконструкции для трехмерной реконструкции, получение трехмерных восстановленных изображений (рисунок 2). В то же время применяется программное обеспечение для трехмерной визуализации для анализа пористости пенопласта алюминия, пористости слоя лица и других параметров структуры отверстия.
Рисунок 2 Трехмерное реконструированное изображение четырех плотностей пеноматериала
(А) 0,217 г/см³, (В) 0,347 г/см³, (С) 0,414 г/см³, (Д) 0,588 г/см³
1.3 Испытание на загрузку на месте
Испытания на одноосную загрузку с использованием системы загрузки Micro - CT in situ проводятся со скоростью 3 мм / мин в соответствии с режимом загрузки смещения. Когда нажимной напор впервые вступает в контакт с образцом, начальный момент записывается сканированием микро - CT, а затем КТ - сканирование каждые 3 мм вниз. В то же время сбор данных осуществляется через вспомогательное программное обеспечение, чтобы получить кривую силы - смещения и вычислить кривую напряжения - деформации для оценки механических свойств пеноматериала с закрытыми отверстиями.
Схема системы загрузки Micro - CT на месте: (A) вид вниз на цилиндр под давлением (B) план цилиндра под давлением (C) напор устройства под давлением
2. Основные результаты
2.1 Пористость и пористость по слоям лица
Компьютерное сканирование проб пеноматериалов четырех плотностей с использованием метода порогового разделения позволило получить показатель пустой пористости четырех пеноматериалов алюминия (рис. 3 (а)). Анализ показал распределение полос щелей по слоям для четырех видов пеноматериалов алюминия, а рисунок 3 (b) показывает, что распределение полос щелей по слоям в трех направлениях XY, XZ и YZ одинаковой плотности пеноматериалов алюминия в основном одинаково, а частота щелей по слоям для четырех видов пеноматериалов плотности алюминия примерно распределена по четырем интервалам.
Рисунок 3 a) Пористость четырех видов плотного пеноматериала (b) Пористость четырех видов плотного пеноматериала алюминия
Чтобы дополнительно проанализировать механическую изменчивость пеноматериала различной плотности, сравнительный анализ срезанных по слоям щелей в направлении XY при равномерной загрузке. На каждые 3 мм сжатия испытуемый подвергается КТ - сканированию при деформации 0,1. Результаты распределения частоты зазоров по слоям в процессе сжатия пеноматериалов плотности (рисунок 4) показывают, что кривые распределения частоты зазоров по слоям показывают два низко - средних значения, связанных с процессом пенообразования и формой образца. При увеличении деформации с 0 до 0,7 постепенно образуются зоны разрушения и деформации пузырьков.
Рисунок 4 Ступенчатые пористости четырех видов пеноматериалов плотности алюминия (A) 0.217g / cm³, (B) 0.347g / cm³, (C) 0414g / cm³, (D) 0588g / cm³
Процесс коллапса пеноалюминия во время загрузки (рисунок 5) показывает: при деформации 0,1 пеноалюминий находится в эластичной стадии, структура практически не меняется, пеноалюминий медленно разрушается с увеличением деформации, форма пузырькового отверстия постепенно меняется. Крах пузырьков обычно начинается с наиболее слабой области и образует локальную область деформации, которая постепенно расширяется по мере увеличения деформации. При деформации 0,7 внутренняя структура пеноматериала полностью изменилась, особенно пеноматериал с плотностью 0,58 г / см3 подвергается большему давлению после загрузки, что в конечном итоге приводит к разрыву и полному разрушению, а его последующее разрушение более полно, чем пеноматериал с тремя другими плотностями.
Рисунок 5 Процесс коллапса пеноматериала при загрузке (A) 0.217g / cm³, (B) 0.347g / cm³, (C) 0414g / cm³, (D) 0588 g / cm³
2.2 Распределение апертур
Распределение апертур является еще одним важным фактором, влияющим на механические свойства и поглощение энергии пеноматериалов алюминия. Диаграмма частотного и цифрового процентного распределения эквивалентных апертур пузырьковых отверстий, полученная с помощью алгоритма водораздела (рисунок 6), показывает, что количество пористостей пеноматериалов алюминия в основном распределено по пористой части, и кривая медленно поднимается по мере увеличения эквивалентной апертуры. Чем больше плотность пенопласта алюминия, тем меньше распределение эквивалентных апертур, тем меньше распределение эквивалентных апертур пеноматериалов с плотностью 0588 г / см3, чем распределение эквивалентных апертур пеноматериалов алюминия с плотностью 0217 г / см3, и форма пузырьков ближе к сферической форме с увеличением плотности.
Рисунок 6 Распределение апертур по четырем типам плотного пеноматериала алюминия
(А) 0,217 г/см³, (В) 0,347 г/см³, (С) 0,414 г/см³, (Д) 0,588 г/см³
2.3 Сфера
Сферическая форма позволяет определить, является ли форма отверстия стандартной. Алгоритм водораздела используется для разделения пузырьковых отверстий в пенопластовом алюминие, расчета и подсчета площади поверхности и объема каждого пузырькового отверстия. Карта распределения сферического рассеяния пеноматериалов (рисунок 7) показывает, что чем выше плотность пеноматериала алюминия, тем плотнее сферическое распределение, тем лучше сферическая форма. Увеличение пористости сопровождается появлением большего количества нерегулярных пузырьков. Сферическая форма пенообразного отверстия связана с феноменом пенообразования и выхлопа в процессе затвердевания пеноматериала. Распределение сферической формы четырех пеноматериалов алюминия в основном сосредоточено в верхней половине, что указывает на более однородную структуру готового пеноматериала алюминия.
Рисунок 7 Распределение сферических сфер по четырем типам плотности пеноматериалов
(А) 0,217 г/см³, (В) 0,347 г/см³, (С) 0,414 г/см³, (Д) 0,588 г/см³
Чтобы более наглядно увидеть изменение формы пузырькового отверстия, на примере типичного пузырькового отверстия пеноматериала алюминия с плотностью 0588 г / см³ была составлена трехмерная карта пузырькового отверстия (рис. 8). Результаты показывают, что форма пузырькового отверстия в основном сферическая или эллипсоидальная, только небольшая часть пузырькового отверстия имеет нерегулярную форму, что указывает на то, что нерегулярное пузырьковое отверстие, образованное пузырьком, имеет хорошую сферическую форму.
Рисунок 8 Трехмерная диаграмма пенообразующих отверстий для пеноматериалов алюминия с плотностью 0588 г / см³
2.4 Отношения напряжений и деформаций при загрузке на месте
Сжатие пенопласта алюминия с постоянной скоростью, чтобы обеспечить постоянную скорость деформации во время загрузки, полученная кривая напряжения - деформации (рисунок 9) показывает: кривая напряжения - деформации более плотного пенопласта алюминия находится в верхней части. Кривая напряжения - деформации делится на три этапа: этап упругости, этап платформы напряжения и этап уплотнения. Среди них пенопласт алюминия поглощает большое количество энергии в период платформы напряжения, пузырьки проявляют пластическую деформацию и коллапс, пока напряжение на этапе плотности не увеличивается экспоненциально, этот непрерывный коллапс повлияет на поглощение энергии пенопласта алюминия.
Рисунок 9 Кривая напряжения - деформации четырех видов пеноматериалов плотности
Основные механические параметры пенопласта алюминия на эластичной стадии показаны в таблице 2: напряжение текучести пенопласта алюминия с плотностью 0588 г / см³ почти в семь раз выше, чем у пенопласта алюминия с плотностью 0217 г / см³, и деформация текучести у всех четырех плотно упакованных пеноматериалов алюминия относительно близка. Модуль упругости пенопласта высокой плотности алюминия больше, максимальная разница около 5 раз.
Таблица 2 Основные механические параметры пеноматериалов алюминия на стадии эластичности
2.5 Поглощение энергии при загрузке на месте
Расчеты показывают, что поглощающая способность энергии и эффективность поглощения энергии четырех плотностных пеноматериалов алюминия изменяются в зависимости от напряжения и деформации (рис. 10). Результаты рисования показывают, что поглощение энергии пеноматериала и деформация близки к положительной зависимости, чем больше плотность пеноматериала, тем сильнее всасывающая способность; Чем более однородная структура, тем выше энергоэффективность пеноматериала; Эффективность поглощения энергии изменяется с напряжением в три этапа, три этапа соответствуют кривой напряжения - деформации: зона медленного подъема (эластичная фаза), зона резкого подъема (фаза платформы напряжения) и зона пониженного ослабления (фаза уплотнения), в которой фаза платформы напряжения является ключевым этапом, влияющим на эффективность поглощения энергии пузырьковым отверстием, а также ключевым этапом деформации поглощения энергии пузырьковым отверстием.
Рисунок 10 Эффективность поглощения энергии и поглощения энергии четырех видов плотного пеноматериала алюминия: a) поглощение энергии при различных деформациях (b) эффективность поглощения энергии при разных деформациях (c) эффективность поглощения энергии при разных напряжениях (d) эффективность поглощения энергии при разных напряжениях (сигма D: плотное напряжение, эпсилон D: плотное напряжение)
Сравнение механических свойств четырех пеноматериалов различной плотности (таблица 3) показывает, что напряжение платформы и плотное напряжение, а также способность поглощать энергию при плотном напряжении увеличиваются с увеличением плотности пеноматериала. Наибольшая деформация уплотнения пеноматериала с плотностью 0588г / см³ и наименьшая деформация уплотнения с плотностью 0347г / см³. Параметры пористой структуры образца определяют механические вариации, такие как механические свойства, поглощающие свойства и т. Д.
Таблица 3. Сопоставление механических свойств пеноматериалов различной плотности
Выводы
В исследовании использовались микро - КТ для сканирования пеноматериалов различной плотности и анализа структурных параметров отверстий (пористость, пористость по слоям, распределение апертуры и сферическая форма) пеноматериалов различной плотности, а также механических свойств и поглощения энергии при загрузке на месте.
Основные результаты можно резюмировать следующим образом: коллапс пеноалюминиевых пористостей в ходе испытаний на полевых нагрузках начался в районах с высокой пористостью; Высокая плотность пеноматериала алюминия имеет низкую пористость, небольшие пористости, хорошую сферическую форму; кривая напряжения - деформации пеноматериала высокой плотности расположена выше, модуль упругости большой; Энергосберегающая способность связана с плотностью пеноматериала, а высокая плотность пеноматериала имеет большую поглощающую способность, но эффективность всасывания в основном связана с однородностью структуры.
Все это время Sanying прецизионно фокусируется на технологии рентгеновской КТ - визуализации и разработке продуктов, стремясь предоставить пользователям новые методы и инструменты для решения проблем, а также будет продолжать предоставлять более мощную помощь исследователям в будущем!
