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李军玄1,马祥，单楚峰，滕颖丽，刘桂林，刘琪，王少平，王红，李哲睿
(大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连，116028)
摘要：
以大连地区生活废弃物-贝壳为发泡剂，研究了贝壳粉在AlSi7Mg熔体中的发泡性能，并对超声振动辅助制备泡沫铝的各种物理性能和力学性能进行了考察。结果表明：超声振动条件下，使用贝壳可以制备出泡孔均匀、细小的铝泡沫；其发泡性能、物理性能及力学性能均与使用T1H2或碳酸钙发泡制备出来的泡沫铝相媲美，更为可贵之处在于该方法可实现零成本制备的目的。
关键词：
贝壳发泡法；泡沫铝；熔体；机械搅拌；零成本
Ultrasonic Vibration Assisted Improvement of Foam Metal Preparation
LI Jun-Wen, SHAN Chun-Feng, MA Xiang, TENG Ying-Li, LIU Gul-Lin, LIU Qi,
WANG Shao-Ping, WANG Hong, LI Zhe-Rui
School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, CHINA
Abstract: The effect of the novel foaming agent, Seashell in comparison with the conventional titanium hydride and carbonate (CaCO3) on structure and compressive strength of the aluminum based foams was studied. The results show that seashell powder has a significant foaming effect for the AlSi7Mg melt. Significant advantages in mechanical performance of the aluminum foams processed with seashell powder were found and attributed to fine cellular structure and favorable microstructure of the cell wall material. The achieved results indicate that seashell would be an alternative process for molten aluminum alloys foaming.
Keywords: Seashell foaming agent; Al based foam; Melt; Mechanical Agitation; Zero cost
随着我国经济的快速增长，以高铁为主的轨道交通事业蓬勃发展，相应地带动了车体装备制造业的产业化。传统的车体结构中常常使用蜂窝状板材来达到轨道交通车体运行过程中的消音功能［1-4］。然而，这种蜂窝状板材往往存在降噪效果不佳、制备成本居高不下等弊端。因此，针对这一实际问题，我们通过对某些企业的考察，分析了具体情况，并结合大连的沿海优势，开发出一种面向实际生产用的低成本、低碳节能环保型泡沫铝材产品。
该技术以大连地区的生活废弃物-贝壳为原材料，通过熔体发泡法制备出一种孔泡均匀、细小、质轻的新型多孔材料，它有希望代替传统制造业所使用的蜂窝状板材。另外，本技术可以使用废品站的废铝代替铝合金，这样一来，使本技术从成本角度又大大地降低，是面向企业界的一项实用型新技术。
1 实验材料及方法
1.1实验装置
本技术采用熔体发泡法，发泡技术装置简单，如图1所示，主要由电阻炉、控温系统和搅拌系统三大部分组成。
1.2贝壳的收集及处理
由于本技术采用的发泡剂是大连地区的一种生活废弃物一海洋贝壳，如图2所示。所以，制备之前需要做以下方面的处理：(1)选材需要将从市场上收集来的贝壳进行清洗，清洗干净之后将其放置在通风处进行晾晒，并令其充分地干燥。(2)贝壳的粉碎将晾晒干燥好的贝壳破碎成粉末状，再用不同目数的筛子筛分成不同粒度的贝壳粉备用。本实验中使用粒度为75^m^D^150^m的牡蛎贝壳粉。
实验前，用电热恒温干燥箱（型号GZX-DH-202-2-S）将贝壳粉进行烘干，烘干温度为230 oC，烘干时间为3小时。烘干的目的是为了防止在发泡过程中，贝壳粉中含有的微量水分导致金属熔体飞溅，并形成异常粗大泡孔，从而影响整个泡沫铝材泡孔的均匀度。
1.3发泡方法
本技术生产泡沫铝材经以下工艺过程：铝合金的熔化一铝液的增粘一贝壳粉体加入并搅拌一保温发泡一发泡体的冷却。其中增粘、混合、发泡、冷却四个工艺过程对制备孔径和孔隙率可控、孔结构均匀的泡沫铝至关重要。
2 结果与讨论
2.1贝壳发泡效果方面的考察
为了研究贝壳的发泡效果，准备了纯碳酸钙粉末与牡蛎粉，分别利用上述两种材料作为熔体发泡剂,考察它们的发泡效果，对比结果如图3所示。
从图中可以看出，在采用相同增粘剂的条件下，纯碳酸钙粉末与牡蛎粉都可以发泡，发泡区所占的体积率(发泡率)均超过50%；而且使用牡蛎粉作为发泡剂的发泡率高于使用纯碳酸钙的。从泡孔的形状、大小、尺寸和分布来看，后者也是好于前者。由此我们看出，贝壳粉的发泡效果并不亚于纯碳酸钙的发泡效果。
图3 纯碳酸钙与贝壳粉发泡效果的比较
（a）添加1%碳酸钙；（b）添加1%牡蛎壳
2.2增粘剂效果方面的考察
为了考察增粘剂在贝壳发泡过程中的效果，我们分别在熔体中添加1%、3%和5%的增粘剂，考察它们对发泡效果影响，结果如图4所示。从发泡率方面来看，虽然添加1%和5%的试样要高于添加3%的试样；但是从泡孔质量来考察，添加3%增粘剂的试样，要远远好于另外两个试样。添加1%的试样存在大的球状泡孔以及较长的裂纹状气孔；而添加5%的试样则存在大量宽而长的裂纹状气孔。这类气孔的存在会大大降低泡沫铝的力学性能，尤其是压缩性能。
可见，合适增粘剂的选择与添加是保证获得良好泡孔质量泡沫铝的前提条件。它是通过熔体粘度来控制气泡的运动过程的。
图4 不同增粘剂添加量的发泡效果
(a)添加1%增粘剂；(b)添加3%增粘剂；(c)添加5%增粘剂
2.3有无超声振动对熔体发泡影响的对比研究
为了考察超声波振动在贝壳熔体发泡过程中的效果，我们分别对熔体不施加和施加超声波振动，考察超声波振动对铝熔体发泡的影响，结果如图5所示。从发泡率方面来看，虽然没有施加超声波振动的铸锭要高于施加超声波振动的试样；但是从泡孔质量来考察，施加超声波振动的试样，要远远优于没有施加超声波振动的。没有施加超声波振动的试样存在大的球状泡孔以及较长的裂纹状气孔；而施加超声波振动的试样则泡孔均匀、大小一致、没有发现裂纹状气孔存在。
图5 有无超声波振动的发泡效果(增粘剂均为1%)
(a)没有超声波振动；(b)施加超声波振动
2.4压缩性能方面的考察
将泡沫铝切割成30mmx30mmx40mm的压缩试样，进行泡沫铝的压缩实验。实验结果如图5(a)所示。压缩过程中的最大屈服强度值约为7MPa左右。通过对比可以发现，这个结果与采用T1H2作发泡剂、Ca作增粘剂的实验结果基本一致，并有所提高(屈服强度约为
),如图5(b)所示。
2.5泡孔组织方面的考察
如图6所示，通过对比几种已知的泡沫铝制备方法，可以发现，吹气法制备的泡沫铝泡孔异常粗大,平均泡孔直径约10mm左右(图6(a))；而采用T1H2作为发泡剂，所获得的泡孔尺寸有所减小，平均约4mm(图6(b))；当采用纯碳酸钙为发泡剂，配合氧化钙增粘的场合，获得的泡沫铝泡孔尺寸异常不均匀，泡孔分布散乱，且泡壁厚度相差较大(图6(c))［6-8］；图6(d)所示为本技术采用贝壳粉作为发泡剂情况下，所获泡孔异常丰富细小、泡壁厚度均匀，平均泡孔直径约0.8-1.3mm之间，无异常大孔、且气孔分布合理。
图6 贝壳发泡法制备泡沫铝压缩性能的对比
(a)贝壳发泡剂；(b)T1H2发泡剂［5-6］
3 总结
利用贝壳作为发泡剂是制备泡沫铝材的一种行之有效的途径之一。制备得到的泡沫铝无论在组织上,还是在性能上都具有与采用纯粹材料的其它制备方法相媲美的特征。更为可贵之处在于该方法可实现零成本的制备目标，是一种绿色、节能、环保的泡沫铝制备技术。
参考文献
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一个有温度的平台一个有深度的平台 (有色金属结构材料)