새로운 기능성 소재 알루미늄 폼의 연구 진행 상황

1. 소개

발포 알루미늄은 금속 알루미늄 기지에 수많은 기포가 분산되어 있는 발포체와 같은 초경량 금속 소재로 일반적인 기공률은 40%~98%인 새로운 유형의 기능성 소재입니다. 1948년 소닉은 알루미늄에 수은을 기화, 발포시켜 발포 알루미늄을 제조하는 방법을 제안했고, 이어 1951년 엘리엇이 발포 알루미늄을 성공적으로 제조했다. 1960년대에 American Ethyl Company는 발포 알루미늄 개발을 위한 과학 연구 센터 기지가 되었다. 1991년 일본의 규슈공업금속연구소는 발포 알루미늄의 산업화를 위한 공정 경로를 개발했으며 현재는 금속 발포 및 침투법으로 크고 작은 부품을 생산할 수 있습니다. 오늘날까지 미국, 일본, 영국, 프랑스, ​​​​캐나다 및 기타 국가에서 여러 기술 특허를 연속적으로 개발했습니다. 우리나라에서도 발포알루미늄의 제조공정에 대한 기초연구에 대한 일부 탐색적 작업이 진행되어 어느 정도 진전이 있었다.

알루미늄 폼은 독특한 구조로 인해 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 다공성 물질의 가벼운 특성을 가질뿐만 아니라 침투, 감쇠, 에너지 흡수, 높은 비표면적, 전자파 차폐 및 기타 특성과 같은 금속이 갖는 기계적 특성과 열, 전기 및 기타 물리적 특성이 우수합니다. 이제 발포 알루미늄의 주요 응용 분야는 내화 및 흡음 패널,{0}충격 에너지 흡수 재료, 건축 패널, 반도체 가스 확산판, 열교환기, 전자파 차폐 등입니다. 야금, 화학 산업, 항공 우주, 조선, 전자, 자동차 제조 및 건설 분야에서 사용할 수 있으며 적용 범위가 지속적으로 확장되고 있습니다.

2. 발포알루미늄의 제조방법

2.1 주조 방법

주조 방법은 발포 알루미늄의 제조에 널리 사용되며 제조 방법은 비교적 성숙합니다. 몇 가지 관련 방법을 아래에 소개합니다.

2.1.1 침투 주조 방법

침투 주조 방법은 고온의 액체 금속 알루미늄을 일정한 압력 하에서 충전제 입자의 공극에{0}침투시키고, 응고 후 알루미늄 합금에 봉입된 가용성 입자를 제거하는 것, 즉 발포 알루미늄을 얻는 것입니다. 연결된 세포 구조. 이 공법은 다시 상압침투주조법과 음압침투주조법으로 나눌 수 있다. 상압유황주조공법은 부압침투주조법에 비해 강도가 높고 전도성이 높으며 열전달 및 내크리프성이 우수한 전극재료입니다.

(3) 1.5mm 두께의 알루미늄 도금 강판을 용접하기 위한 Al2O3 분산 강화 구리 전극의 평균 수명은 7200포인트로 CPT 방폭 벨트 용접의 요구를 충족할 수 있습니다.

간단한 공정 조작, 빠른 예열 속도, 높은 생산성 및 수율, 큰 안전 계수, 적은 장비 투자 및 쉬운 기계화 생산의 장점이 있습니다. 그 중에서 필러 입자의 선택과 가공은 매우 중요하며 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. 충분한 내열성, 주입 온도에서 녹지 않음; 충분한 강도와 강성, 누출 압력의 작용으로 파손 및 변형되지 않음; 우수한 제거 3차원 기공의 충전제 입자는{0}알루미늄 액체가 응고된 후 용매 또는 수용액으로 완전히 제거할 수 있습니다. 화학적 안정성, 알루미늄 액체와 반응하지 않습니다. 이 방법은 조작이 간단하고 평균 다공성이 70%에 도달할 수 있어 대규모 생산에{2}편리합니다. 현재 퍼콜레이션 공법은 알루미늄 폼의 제조뿐만 아니라 복잡한 형상의 부품 제조에 사용할 수 있는 아연, 마그네슘, 납, 주석, 철과 같은 발포 재료의 제조에도 사용됩니다.

2.1.2 볼 방식 추가

볼 첨가 방법은 액체 알루미늄 합금에 입자 또는 중공 구체를 추가하고 교반을 강화하고 여전히 상대적인 흐름에있는 알루미늄 액체를 주조하여 알루미늄 합금 및 입자 복합체를 얻은 다음 알루미늄 합금 매트릭스를 용해 제거하는 것입니다. . 가용성 입자 및 연결된{0}기포 알루미늄 폼이 얻어졌습니다.

2.1.3 매몰 주조법

먼저{0}특정 다공성을 가진 3차원 연속 발포 스폰지 재료를 모재로 사용한 다음{1}}제거하기 쉬운{2}내화 재료를 스펀지로 내뿜습니다{{ 3}}거품과 같이 건조 및 경화시켜 조립식 형상을 형성한 후 소성하여 내화재를 경화시켜 제조한다. 발포 스펀지를 기화 분해한 후, 프리폼을 금형에 넣고 용융 금속에 붓고, 일정한 압력을 가하거나 진공주조를 하여 금형의 기공을 용탕으로 채우고 냉각 후 제거한다. 내화 재료 블록은 셀 알루미늄 폼을 통해-3차원 네트워크{5}}를 얻을 수 있습니다. 이 인베스트먼트 주조 준비 공정으로 생산된 알루미늄 폼은 3차원 침투가 양호하고{6}}공정이 광범위하고{7}비부식성이며 유체 제조에 대한 전망이 좋습니다. -투과성 제품.

2.1.4 발포 방법

기체 발포 방식과 금속 액체 발포 방식이 있습니다. 가스 발포법은 용융 금속 용탕에 가스를 불어 넣어 용탕을 발포시키는 것입니다. 발포에 사용되는 가스는 산소, 아르곤, 공기, 수증기, 이산화탄소 등이 될 수 있습니다. 기술적인 핵심은 용융물이 적절한 점도를 가져야 하고 금속 조성이 충분히 넓은 발포 온도 범위를 보장해야 하며, 형성된 폼은 후속 수집 및 성형 과정에서 폼이 부서지지 않도록 충분한 안정성을 가져야 합니다. 가스 발포법은 현재 금속 발포체를 생산하는 가장 저렴한 방법입니다. 발포체의 크기는 매우 크며 발포 알루미늄 제품의 다공성은 97%에 달할 수 있습니다. 액체 금속 발포법은 초기에 널리 사용되었으며 주로 TiH2, ZrH2, CaH2 및 기타 발포제를 액체 알루미늄 합금에 첨가 한 다음 가열하여 발포제를 분해하여 가스를 방출하고 생성 된 가스의 팽창 알루미늄 합금을 발포체로 만든 다음 냉각하면 발포된 알루미늄 제품이 얻어진다. 이 방법으로 제조된 발포 알루미늄은{4}}폐쇄형 발포 알루미늄에 속합니다. 기공의 구조 및 기공도는 용탕의 점도 및 발포시간과 관련이 있다. 용융 금속의 점도와 용융 공정 중 발포 시간을 제어하여 기공도를 제어할 수 있습니다. 그러나 기공은 서로 독립적이고 크기와 분포가 고르지 않으며 제어가 복잡합니다.

2.1.5 공융 응고법

가스는 용탕에 일정한 용해도를 가지며 압력과 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 금속에 대한 가스의 용해도가 일정 값에 도달하면 금속과 기상이 공융 응고되어 원하는 알루미늄 폼을 얻습니다. , 냉각 조건(압력, 냉각 속도, 방열 방향)을 정밀하게 제어하여 다양한 기공 모양을 갖는 등방성 및 이방성 높은{0}다공성 알루미늄 폼을 얻을 수 있습니다[18].

2.2 증착 방법

2.2.1 스퍼터 증착 방법

스퍼터 증착 방법은 스퍼터링 기술을 사용하여 알루미늄 합금 금속에 불활성 가스로 분말을 균일하게 분사하고 금속의 융점까지 가열하여 금속 매트릭스에 첨가 된 가스가 구멍으로 팽창하도록 한 후 냉각하면 발포 구조의 발포 알루미늄이 얻어진다. 이 방법으로 얻은 생성물의 기공 부피 분율은 증착에서 불활성 가스의 분압을 제어하여 제어할 수 있으며, 포함 가스의 질량 분율은 {{0의 범위에서 변할 수 있습니다. }.015퍼센트 ~ 0.23퍼센트.

2.2.2 증기 증발 증착

비교적 고압의 불활성 분위기(1{5}}2~103Pa)에서 금속알루미늄은 서서히 증발하고 증발된 금속원자는 진행과정에서 불활성가스와 일련의 충돌과 산란을 겪으며 급격히 손실된다. 운동 에너지, 따라서 부분적으로 응축되어 금속 연기를 형성합니다. 금속 흄은 자체 중력의 작용으로 퇴적되고 불활성 가스 흐름에 의해 운반되며 하향 과정에서 계속 냉각되어 최종적으로 베이스에 도달합니다. 낮은 온도로 인해 원자의 이동이나 확산이 어려워 금속 흄 입자가 느슨하게 쌓여 Cellular foam 구조를 형성합니다. 이 기술로 생산된 발포 알루미늄은 거시적 구조를 가진 발포 알루미늄과 다릅니다. 많은 수의{2}}미크론{3}}규모 금속 입자와 미세 기공으로 구성되어 있으며 밀도는 모금속 알루미늄 밀도의 약 1%이고 최소값은 0.15%입니다.

2.2.3 전착

이 방법은 발포 플라스틱을 조면화 처리, 증감 및 활성화 처리, 화학적 예비도금 및 화학적 도금 등의 여러 단계로 덮은 다음 발포 플라스틱을 가열하여 분해하여 발포 알루미늄을 얻는 방법입니다. 그 중 과민반응과 활성화 치료의 두 과정이 매우 중요한 역할을 한다. 증감 처리는 조면화된 부분의 표면이 환원 이온을 흡착하도록 하여 이온 활성화 처리 동안 부분의 표면이 촉매 특성을 갖는 층을 형성하도록 하는 것입니다. 귀금속 층의 역할은 무전해 도금이 자발적으로 수행될 수 있도록 하여 발포체가 반도체가 되어 차례로 알루미늄 전기도금의 성공을 촉진합니다. 이 방법으로 제조된 발포알루미늄은 기공 연결성이 양호하고 분포가 균일하며 기공률이 높으나 제품의 두께에 제한이 있고 비용이 비싸다.

2.2.4 용융염 전기도금 알루미늄

용융 염 전기 도금 알루미늄은 발포 플라스틱을 전극 음극으로, 알루미늄 판을 양극으로 사용하여 알루미늄 염을 함유한 용융 염에서 전착 공정으로 만든 다공성 알루미늄 발포체의 일종입니다. 이 방법으로 제조된 알루미늄 폼은 다공성이 높고 기공이 균일합니다.

2.3 분말야금

2.3.1 분말 발포 방법

분말 발포 공법은 알루미늄 분말에 발포제(TiH2)를 혼합하여 일정 온도에서 축방향으로 압축하여 기밀 구조의 프리폼을 얻는 방법입니다. 발포 알루미늄을 얻기 위해 제품을 팽창시키는 방법. 혼합, 압축 및 발포는 분말 발포 방법의 세 가지 중요한 연결 고리입니다. 동시에 발포 공정의 매개 변수(발포제의 양, 발포 온도 및 발포 시간)를 조정하여 다른 셀 구조의 발포 알루미늄을 얻을 수 있습니다.

2.3.2 슬러리 형성 방법

슬러리 성형법은 금속알루미늄 분말, 발포제(불화수소산, 수산화알루미늄 또는 오르토인산) 및 유기 담체의 현탁액을 형성하고, 거품이 함유된 상태로 교반한 다음 금형에 넣고 가열하는 소성 후 , 다공성 구조의 단단한 금속 알루미늄을 얻을 수 있습니다. 이 방법은 초기에 발포 Be, Fe, Cu 및 스테인리스강 재료를 만드는 데 사용되었고 나중에 발포 알루미늄을 만드는 데 사용되었습니다. 그러나 제품 강도는 매우 낮습니다.

2.3.3 분말 성형 방법

분말 성형법은 금속 알루미늄 분말에 발포제(TiH2)를 혼합하여 냉압 또는 고온의 압력으로 성형한 후 소결하여 발포 알루미늄으로 만드는 공법이다. 두 가지 중요한 장점이 있습니다. 하나는 다른 방법보다 더 넓은 범위의 합금 조성에 사용할 수 있으므로 알루미늄 폼의 기계적 특성을 제어할 수 있다는 것입니다. 샌드위치 모양의{1}폼 알루미늄 및{2}}알루미늄 폼 충전 터빈 구조

2.3.4 루스 파우더 소결법

루즈파우더 소결법의 원리는 미세한 입자들이 서로 접촉할 때 표면장력의 작용에 의해 서로 결합할 수 있다는 것입니다. 이들 금속알루미늄 미분말을 금형에 넣어 소결하고, 입자끼리 결합하여 다공질 소결체를 형성한다. 이 방법은 또한 다공성이 일반적으로 40~60%인 필터를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

2.3.5 함침 스펀지 소결법

분말 야금에서 해면질 재료는 다공성이 높고 균일한 알루미늄 폼을 생성하기 위한 임시 지지 구조로{0}사용할 수도 있습니다. 해면상 유기물을 원하는 모양으로 절단한 다음 처리할 금속 알루미늄 분말(현탁액의 담체는 물 및 유기 액체)을 포함하는 슬러리로 침투시킵니다. 침지된 스펀지{1}}유기물을 건조하여 플럭스를 제거하고 냉각 후 다공성이 높은 3차원 구조의 발포 금속 알루미늄을{2}} 얻을 수 있습니다. 이 방법은 또한 70~90%의 다공성을 가진 발포 은 시트를 생산하는 데 사용됩니다.

2.3.6 섬유소결법

이 방법에 사용되는 금속 알루미늄 와이어는 기계적 드로잉 또는 기타 방법으로 얻은 금속 와이어입니다. 금속 알루미늄 와이어를 슬립 캐스팅 또는 기계적 펠트 링 방식으로 펠트 링으로 만든 다음 소결하여 필요한 강도를 얻습니다. 및 다공성. 이 방법으로 제조된 다공성 알루미늄 폼은 상당히 뛰어난 장점이 있습니다. 분말 소결보다 높은 다공성을 얻을 수 있으며 최대 95%까지 얻을 수 있습니다. 모든 기공은 상호 연결된 기공입니다. 최대 다공성은 여전히 ​​유지됩니다. 구조적 특성; 동일한 다공성에서 강도와 인성은 분말 야금의 강도와 인성보다 몇 배 더 높습니다. 또한 스테인레스 스틸, 구리, 니켈, 니크롬 등과 같은 다양한 금속 필터를 제조하는 데 사용할 수 있습니다.

2.3.7 소결 용해 방법

소결 용해법은 최근 개발된 발포 알루미늄의 새로운 제조 방법입니다. 알루미늄 분말과 충전제 입자를 혼합, 가압, 소결 및 용해하여{0}셀을 통한 알루미늄 발포체를 제조하는 방법입니다. 기공의 모양, 크기, 기공도 및 분포를 정밀하게 제어할 수 있는 특성이 있으며 품질 및 가격에 대한 종합적인 지표가 좋습니다. 균일하거나 미세한 구멍이 있는 중간 밀도{1}알루미늄 폼을 생산하는 효과적인 방법입니다.

3. 알루미늄 폼의 특성 및 응용

구조 면에서 알루미늄 폼은 폐쇄형{0}셀 알루미늄 폼과{1}개방형 셀 알루미늄 폼의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 기공 구조(개방 또는 폐쇄), 상대 밀도, 기공 크기, 기공 모양, 기공 벽 두께, 이방성 등을 포함하는 발포 알루미늄의 조직 및 형태적 특성. 전자 현미경 및 X{2}}선 단층 촬영이 사용됩니다. 분석 및 연구용으로, 이 분야의 연구는 빠르게 발전하고 있습니다. 구조가 다르기 때문에 특성이 매우 다르기 때문에 용도도 다릅니다. 발포 알루미늄은 전통적인 금속 알루미늄과 비교하여 다음과 같은 특성을 가지며 야금, 화학 산업, 항공 우주, 조선, 전자, 자동차 제조 및 건설 산업에서 널리 사용됩니다. 및 기타 분야가 널리 사용되었습니다.

3.1 저밀도

알루미늄 폼은 알루미늄 매트릭스에 크고 작은 기공이 있기 때문에 밀도가 더 작습니다. 발포 알루미늄의 밀도는 광범위하게 변할 수 있으며 현재 얻을 수 있는 최대 공극률은 97%에 달할 수 있으며 공극 크기는 수 마이크로미터에서 수십 밀리미터입니다. 밀도가 낮습니다. 포장 상자, 특히 항공 화물 컨테이너에 사용할 수 있습니다.

3.2 강한 내열성

발포 알루미늄은 내열성이 높아 합금의 융점에 도달해도 녹지 않습니다. 일반적으로 알루미늄 합금의 용융 온도는 560~700e이지만 발포 알루미늄은 1400도까지 가열해도 녹지 않습니다. 또한 고온에서도 유해한 가스를 방출하지 않으며 다양한 열교환기의 단열재 및 내열재 및 핵심 부품으로 발포수지 및 석면제품을 대체할 수 있습니다.{3}}

3.3 좋은 침투성

알루미늄 폼은 액체나 기체에서 고체 입자를 걸러내는 필터 재료로 사용할 수 있습니다. 일반적으로 투과성은 기공의 크기가 커질수록 증가하지만 표면 거칠기의 영향을 받기도 합니다. 침투성. 다양한 액체 및 기체용 필터를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

3.4 큰 비표면적

높은 열 교환을 달성하기 위해 알루미늄 폼의 넓은 비표면적을 사용하여 히터 및 열 교환기 제작에 좋은 재료입니다. 또한 촉매 담체와 같이 거대한 표면을 필요로 하는 화학 반응의 담체로도 사용할 수 있습니다. , 다공성 전극, 이차 전지용 판재, 열교환기, 에너지 흡수제 및 촉매 담체 등

3.5 강력한 방음

알루미늄 폼은 구멍 벽의 진동을 통해 소리의 에너지를 흡수할 수 있으며 소음을 차단하고 제거하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적으로 스루 셀 알루미늄 폼의{0}흡음 성능이 더 좋습니다. 구멍의 크기는 전체 음파 주파수 범위에 대한 흡수 성능에 영향을 줍니다. 구멍이 작을수록 흡음 용량이 커집니다.

알루미늄 폼 기공의 크기와 모양을 변경하여 높은 흡음 성능을 얻을 수 있습니다. 건설 산업의 내부 및 외부 장식 부품, 커튼월, 파티션 이동식 도어 패널, 고성능 흡음 패널 제조,{2}차음벽, 각종 머플러 등

3.6 충격 에너지 흡수 성능이 높음

발포 알루미늄은 허니컴 소재처럼 방향성이 없고 폴리머 폼 소재처럼 반발 효과가 없습니다. 충격 흡수 특성이 우수하고 내충격 부품을 만드는 데 좋은 소재입니다.{0} 자동차 브레이크, 텐셔너, 항공우주 장비의 보호 슬리브 및 범퍼에 사용할 수 있습니다. 댐핑의 크기는 기공의 기공 크기와 관련이 있습니다. 엘리베이터 및 컨베이어용 안전 패드, 고속 그라인더 가드용 충격 흡수 및 에너지 흡수 라이닝,{1}}고정밀 공작 기계용 베이스 등에 사용할 수 있습니다.{2}

3.7 기계적 성질

알루미늄 폼의 기계적 특성은 주로 밀도에 의해 결정되지만 기공의 크기, 구조 및 분포도 기계적 특성을 결정하는 중요한 매개변수입니다. 압축 응력의 작용에 따라 재료가 초기 탄성 변형을 겪은 후 알루미늄 폼은 응력 곡선 플랫폼에 들어갑니다. 즉, 알루미늄 폼이 파열되기 시작하고 응력은 폼 분쇄 단계에서 기본적으로 변경되지 않습니다. 많은 양의 소성 변형 후에 거품이 완전히 부서지고 재료가 조밀하게 들어갑니다. 화학 단계에서 응력이 급격히 증가합니다. 알루미늄 폼의 영률과 전단 탄성률은 밀도가 증가함에 따라 증가합니다.

3.8 전자파 차폐 성능

알루미늄 폼은 고주파 전자파에 대한 우수한 차폐 효과가 있어{0}전자파 간섭을 80% 이상 줄일 수 있습니다. 두께가 5mm이고 공극률이 90%인 폐쇄형 셀 알루미늄 폼은 60~1000MHz에서 전자파 차폐 성능이 35~75dB로 전자파 차폐실(커버), 전자 기기 인클로저, 라디오 녹음실, 전자파 차폐 및 기타 행사.

3.9 기타 속성

알루미늄 폼은 또한 가스 감도, 내화성, 촉매 작용 등이 있습니다. 발포 알루미늄의 전기 전도도는 상대 밀도의 영향을 크게 받는 반면 기공 크기의 크기는 전기 전도도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 항공 우주, 통신 및 환경 보호와 같은 새로운 분야에서 좋은 응용 전망을 가질 것으로 예상됩니다.