Casting protocolli per la produzione di cellule aperte alluminio Schiume dalla tecnica di replica e l'effetto sulla porosità

Riepilogo

Replication is one of the processing techniques used for the production of porous metal sponges. In this paper one implementation of the method for the production of open celled porous aluminum is shown in detail.

Abstract

Schiume di metallo sono i materiali interessanti sia da una comprensione fondamentale e pratico punto di vista delle applicazioni. Usi sono stati proposti, ed in molti casi convalidato sperimentalmente, per il peso leggero o energia d'urto di assorbimento strutture, come scambiatori di calore o elettrodi elevata area superficiale, come protesi al corpo, e molti altri. Sebbene siano stati compiuti grandi progressi nella comprensione delle relazioni struttura-proprietà, il gran numero di diverse tecniche di lavorazione, ciascun materiale producendo con caratteristiche e la struttura differenti, significa che la comprensione degli effetti individuali di tutti gli aspetti della struttura non è completa. Il processo di replica, in cui il metallo fuso è infiltrato tra i granuli di materiale preforma amovibile, consente un marcatamente elevato grado di controllo ed è stato utilizzato con buoni risultati per chiarire alcuni di questi rapporti. Tuttavia, il processo ha molti passi che dipendono individuale "know-how", equesto documento si propone di fornire una descrizione dettagliata di tutte le fasi di una forma di realizzazione del presente metodo di lavorazione, utilizzando materiali e attrezzature che sarebbe relativamente facile da installare in un ambiente di ricerca. Lo scopo di questo protocollo e le sue varianti è quello di produrre schiume metalliche in modo efficace e semplice, dando la possibilità di adattare l'esito dei campioni modificando alcuni passaggi all'interno del processo. Seguendo questo, schiume di alluminio a celle aperte, con dimensione dei pori di 1-2,36 mm di diametro e 61% al 77% la porosità possono essere ottenuti.

Introduzione

Schiume metalliche hanno attirato una grande quantità di interessi e di attività di ricerca in questi ultimi anni, come dimostra il grande corpo di lavoro citati in ampio respiro articoli di revisione, come Banhart ^1, Conde et al. ² o più recentemente Goodall e Mortensen ^3. Tra i metodi utilizzati per la produzione del materiale, il processo di replica si distingue per la sua semplicità sperimentale e il grado di controllo sulla struttura finale di schiuma che può essere offerto. Occorre notare che, sebbene in letteratura tali materiali sono spesso descritti come schiume (e sono qui) in quanto non sono prodotte da bolle di gas all'interno di un liquido sono più appropriatamente chiamati metalli porosi o metalli microcellulari.

La prima relazione del processo di replica è stato nei primi anni del 1960 ^4, ed è stato ulteriormente sviluppato in diverse fasi da allora, con notevoli progressi da parte del gruppo di ricerca di Mortensen presso l'Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Svizzera.

Il processo si basa sulla colata del metallo intorno ad una preforma di particelle che definisce la forma della porosità nel materiale finale ^{2, 5.} Dopo raffreddamento la preforma può essere rimosso mediante lisciviazione solvente o pirolisi che causa l'ossidazione. Un uso popolare di questa tecnica utilizza NaCl come supporto spazio per produrre alluminio o lega di alluminio ^5-10 schiume ^11-14. NaCl ha diversi vantaggi come essere facilmente accessibile, non tossico e può essere rimosso dalla schiuma per dissoluzione in acqua. Avendo un punto di fusione di 801 ° C, può essere usato con i metalli che hanno un punto di fusione inferiore a questo valore, più comunemente alluminio, ma esistono anche esempi di utilizzo con materiali come bicchieri bulk metalliche, da un mix di umidificazione lega di vetro massa metallica liquido a base di palladio e NaCl granuli ^15. Sostituzione del NaCl con materiali punto di fusione più elevato consente anche la produzione di schiume di alto punto di fusione dei metalli ^16. Questo può includere altri materiali idrosolubili, o quelli insolubili compresi diversi tipi di sabbia. In questa forma il processo diventa più simile a colata in sabbia convenzionale per rimuovere la sabbia, getti d'acqua ad alta pressione ^{17, 18} o forme diverse di lavaggio ¹⁹ o agitazione ²⁰ sono obbligatori.

Il processo di base ²¹ procede prendendo grani di NaCl e metterli in uno stampo ^{4, 22, 23.} Il metodo di base è stato utilizzato per rendere alluminio e leghe di alluminio schiume ^24-26 per una vasta gamma di indagini comportamento schiuma. Sono state introdotte misure supplementari per controllare ulteriormente la densità e per aumentare l'interconnettività dei pori; questi includono la densificazione della preforma. Per densificare preforma, sinterizzazione è stato impiegato ^{27, 28} ed è stato utilizzato in esperimenti diversi dal ^13, con il comportamento di sinterizzazioneNaCl in base alla temperatura, granulometria e densità descritto da Goodall et al. ^29. Un altro metodo usato per questo scopo è isostatica a freddo (CIP) ^{5, 30;} questa è una tecnica più veloce che può raggiungere un più ampio spettro di densità paragonabili. La procedura può anche essere eseguita allo stato solido con polvere di metallo e grani NaCl, e viene a volte chiamato sinterizzazione e Dissoluzione Processo ^31.

Un'indagine completa dell'uso della tecnica replica finora e confronto con altre tecniche è dato in Goodall e Mortensen ^3.

In questo lavoro si riportano in dettaglio equipaggiamento e protocolli sperimentali che sono stati utilizzati per la lavorazione di schiume metalliche con il metodo di replica, e che sono relativamente facili da implementare in un ambiente di laboratorio di ricerca. È importante riconoscere che altre varianti di un'attrezzatura, con esistono diverse capacità in altre ricerche gruppi, e che, mentre l'apparecchio qui presentato è adatto per elaborare il materiale, non è la sola versione o protocollo che può essere fatto funzionare. In ogni caso, una comprensione approfondita di un metodo particolare è essenziale per il successo sperimentale.

I protocolli precisi utilizzati sono di seguito dettagliati. Le variazioni di protocollo (A, B, C e D) hanno piccole modifiche tra loro, principalmente destinato ad alterare la densità delle schiume prodotte. La porosità è stata calcolata misurando la densità apparente dei campioni, il loro volume e la densità di alluminio (2,7 g / cm ^3). Nello sviluppare i metodi descritti per la produzione di schiuma di alluminio dalla replica, sono stati fatti tentativi per ridurre la quantità di attrezzature avanzate al più piccolo quanto possibile, in modo tale che il metodo è facile da implementare possibile. Altre variazioni che possono essere utilizzati in diverse fasi sono discussi più avanti.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocollo

NOTA: Le istruzioni che seguono sono per Protocollo A (figura 1). Modifiche per il protocollo B, C, e D sono elencati pure.

1. Aluminum Bar Preparazione

1. Posizionare un grande pezzo (500 g - 1 kg) di commerciale lingotto di alluminio di purezza in un crogiolo.
2. Porre il crogiolo in un forno a 800 ° C per circa 1 ora, fino fusa.
3. Prendere il crogiolo dal forno e versare l'alluminio fuso in uno stampo cilindrico di 50 mm di diametro, leggermente inferiore al diametro finale della camera da utilizzare per l'infiltrazione (51 mm) lasciando uno spazio di circa ½ mm.
4. Attendere 1 ora per il bar si raffreddi.
5. Rimuovere la barra dallo stampo.
6. Utilizzando una sega a nastro, tagliare in 4 pezzi uguali dimensioni.
7. Sand i bordi di ogni pezzo per garantire una buona misura nello stampo infiltrazioni.

2. Preparazione Furnace

1. Programmare il forno per raggiungere un 740 & #176, plateau C per almeno 2 ore.
2. Impostare la velocità di riscaldamento del forno a 20 ° C / min.

3. preforme Preparazione

NOTA: A seconda dell'altezza della schiuma auspicata, variare la quantità di NaCl da utilizzare per infiltrazioni tra 100 e 300 g.

1. Scegliere l'infiltrazione NaCl da utilizzare, con un diametro corrispondente alla gamma di dimensioni dei pori richiesto (ad esempio un intervallo tra 1,4 mm e 1,7 mm). Il materiale può essere ottenuto da fornitori chimici in elevata purezza, o supermercato comprato sale da tavola può essere utilizzato (ad esempio materiale avrà additivi come iodio e antiagglomeranti, ma questi non fare in pratica influenza il processo in misura significativa).
2. Selezionare setacci di un intervallo di dimensioni adeguate e impilare su un contenitore base con la dimensione più piccola apertura nella parte inferiore.
3. Dal sacco di NaCl dei fornitori, richiede circa 500 g e versarlo nei setacci impilati.
4. Agitare i setacci, Manualmente o mediante un setacciatore, per 1 min.
5. Scartare il NaCl lasciato nel più ampio vaglio dimensione di apertura e il contenitore inferiore, il NaCl lasciato nel setaccio piccola apertura viene utilizzato per l'infiltrazione.
6. Pesare la quantità di infiltrazione NaCl ottenuto.
7. Se l'importo è insufficiente, ripetere i passaggi 3,4-3,7.
   NOTA: Per i protocolli B, C o D, ottenere 100 g di multa NaCl (<500 micron). Questo crea uno spazio aggiuntivo nello stampo per l'aria intrappolata nella preforma durante l'infiltrazione nel caso l'aria nella preforma non sfugge adeguatamente la camera.

4. Mold Preparazione

1. Utilizzando carta vetrata e rotolo di carta da laboratorio, pulito il cilindro stampo (Figura 2), tenendo conto speciale per entrambi i bordi superiore e inferiore, e mantenendo lo stampo privo di impurità evidenti dalla precedente uso.
2. Spruzzare l'interno del cilindro stampo con nitruro di boro spray aerosol, creando un rivestimento sottile stratoall'interno dello stampo.
   NOTA: Questo è ottenuto quando il colore originale dello stampo viene sostituito da uno strato bianco dello spray; non è necessario misurare la concentrazione specifica.
3. Lasciate che il cilindro di stampo asciugare per almeno 5 minuti a temperatura ambiente (riscaldamento a circa 100 ° C per un massimo di 1 ora può essere applicato per ulteriori asciugatura se lo si desidera).
4. Utilizzando carta vetrata fine, rimuovere qualsiasi residuo di nitruro di boro dai bordi del cilindro dello stampo, per migliorare la tenuta tra il cilindro stampo e lo stampo base.
   NOTA: I prossimi 3 passi sono per protocolli A e B; Protocolli per C e D tagliare un solo anello di guarnizione per il coperchio.
5. Tagliare 2 anelli di guarnizione da 1 mm di spessore foglio di grafite (OD = 60 mm, ID = 51 mm), uno per l'unione tra il bordo superiore del cilindro stampo e il coperchio dello stampo porta al sistema di valvole, l'altra per l'unione tra il bordo inferiore del cilindro stampo e lo stampo base.
6. Posizionare una delle guarnizioni nella scanalatura di base dello stampo.
7. Posizionare il bottom del cilindro stampo nella scanalatura con la guarnizione.
8. Premere leggermente con un martello sulla sommità del cilindro stampo per fissare il fondo alla scanalatura base.
   NOTA: Per il protocollo B, C, o D, aggiungere il seguente passo.
   1. Versare 100 g di multa NaCl (<500 micron) nel cilindro stampo e appiattire la parte superiore con una barra di alluminio tagliato toccando la cima leggermente con il martello per garantire la multa NaCl è imballato in una alta densità.
      NOTA: Per Protocollo D aggiungere il seguente passo.
   2. Tagliare 2 cerchi di Soft 2 mm di spessore Kaowool ceramica ricoprire le dimensioni del diametro dello stampo (51 mm) e metterli in cima alla multa NaCl, utilizzare la barra di alluminio tagliato e il martello per premerli contro la multa NaCl.
9. Versare il NaCl da infiltrato nel cilindro stampo.
   NOTA: Per Protocollo D aggiungere il seguente passo.
   1. Attaccare lo stampo e la base di una tavola vibrante, assicurandosi cilindro stampo non si muove dalla scanalatura base. Vibrareper 1 min a 50 Hz con 0,01 m di ampiezza.
10. Tenendo la parte superiore del cilindro in posizione, prendere la base e agitare leggermente finché la NaCl all'interno dello stampo forma una superficie piatta in alto.
11. Posizionare la barra di alluminio preparato sopra della preforma NaCl.
12. Inserire una guarnizione di grafite nella scanalatura del coperchio dello stampo.
13. A mano avvitare i perni di acciaio inossidabile 4 alla base e fissarli con 4 serie di dadi in acciaio inox e rondelle sulla parte superiore della base con una chiave e posizionare il coperchio dello stampo sulla parte superiore del cilindro stampo attraverso le borchie.
14. Con una chiave di coppia fissato a 16 N · m, avvitare le 4 set di dadi in acciaio e rondelle sulle 4 barre filettate avvitati nella base e che si estendono attraverso il coperchio, dove vengono serrati i dadi per bloccare il coperchio dello stampo in luogo.
15. Fissare la parte superiore del coperchio per il sistema di valvola con la guarnizione, morsetto, bullone e dado a farfalla.
16. Chiudere tutte le valvole del sistema.
17. Aprire la valvola principale di tegli pompa a vuoto e lo stampo (valvola 3).
18. Accendere la pompa a vuoto finché il comparatore del sistema valvolare indica la pressione più bassa possibile.
19. Spegnere la pompa a vuoto.
20. Se la perdita di vuoto nel sistema è inferiore a una velocità di 50 Torr / sec per il primo 10 sec dopo aver spento il vuoto pompare il sigillo è sufficientemente buona per l'infiltrazione.
21. Lasciare la valvola coperchio aperto (valvola 3) per mantenere il sistema a pressione ambiente e chiudere la valvola di pompa a vuoto (valvola 1).
22. Senza scollegare il sistema di valvola, posizionare lo stampo nel forno preriscaldato e attendere per 1 ora.

5. Infiltration

1. Chiudere tutte le valvole del sistema (Figura 3).
2. Aprire la valvola conduce alla bombola argon (valvola 2).
3. Aprire la valvola principale sul serbatoio del gas argon e impostare la pressione di infiltrazione con la valvola di regolazione (per una gamma 1,4 mm a 1,7 mm di NaCl granulometria, utilizzare una pressione di 3,5 bar).
   NOTA: Per Protocollo B, viene usata una pressione di infiltrazione di 3 bar. Utilizzare una pressione di 1 bar per protocolli C e D.
4. In modo rapido, aprire la valvola coperchio (valvola a 3).
5. Dopo 1 minuto, togliere lo stampo dal forno e posizionarlo sopra di una superficie di raffreddamento (in questo caso un blocco di rame).
   NOTA: Durante il raffreddamento, la pressione nel sistema cambierà. Per i primi 5 minuti di questo processo, prestare attenzione alla pressione indicata dal regolatore e regolare torna alla pressione infiltrazioni se necessario.

Estrazione 6. Campione

1. Dopo 30 minuti, quando lo stampo è abbastanza fresco da maneggiare con i guanti resistenti al calore della luce, staccare il sistema di valvole e posizionare la base stampo su una morsa banco di lavoro. Svitare il coperchio dalla parte superiore del cilindro.
2. Con il coperchio leggermente toccare la parte superiore del cilindro stampo con un martello in una direzione perpendicolare alla presa della morsa per allentare il cilindro stampo dalla scanalatura base.
3. Rimuovere la base dello stampo dalla morsa e posizionare il cilindro di muffa nella morsa.
4. Con il maglio toccare l'alluminio rimanente sopra del campione per spingerlo fuori dal cilindro stampo.
5. Utilizzando una sega a nastro, tagliare la parte inferiore del campione di schiuma, eliminando l'alluminio avanzo.
6. A seconda dell'altezza di schiuma desiderata, tagliare dove desiderato, vicino alla parte superiore del campione.
7. Posizionare la schiuma infiltrata in un becher con acqua e una barra di agitazione magnetica su una piastra calda agitazione per sciogliere la preforma NaCl.
8. Impostare la temperatura della piastra calda a 60 ° C. Cambiare l'acqua ogni 10 minuti fino a quando non vi è NaCl lasciato nella schiuma.
   NOTA: Per garantire non c'è NaCl lasciato nella schiuma, cambiare l'acqua di circa 10 volte. È anche possibile effettuare controlli periodici del peso campione dopo una breve fase di essiccazione. Quando questo cessa di cambiare significativamente con un'ulteriore immersione, il NaCl deve essere completamente rimosso.
9. Infine con un elettricoaria più secca rimuovere tutta l'acqua rimasta nella schiuma. Il campione schiuma è pronta.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Risultati

In Figura 4 la morfologia dei grani NaCl può essere visto (angolare e sferica), per scopi illustrativi. Le schiume ottenute con protocollo A sono stati realizzati utilizzando grani di forma angolare e il resto sono stati realizzati con i grani sferici. È stato trovato che l'uso di forma diversa grani NaCl ha evidenziato alcun effetto della porosità ottenuta nei campioni.

Dai risultati si può determinare che i campioni a, b, e c (fornito con protocollo A), sono in med...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussione

Il metodo di base qui descritto è stato usato in diverse forme di altri ricercatori. Alcune delle varianti chiave che permettono schiume di tipo diverso da creare sono discussi. Nel caratterizzare queste schiume abbiamo misurato la porosità, in quanto si tratta di una valutazione veloce e facile da fare, ma la caratterizzazione di altre caratteristiche strutturali, come la dimensione dei pori, superficie specifica o puntone spessore potrebbe essere richiesto per ottenere una piena comprensione delle caratteristiche di...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Salt	Hydrosoft	Granular Salt 25 kg 855754	http://www.travisperkins.co.uk/p/hydrosoft-granular-salt-25kg/855754/3893446
Aluminum	William Rowland	Aluminum Ingots 99.87% pure 25 kg drum	http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-1
Crucible	Morgan Advance Materials	Syncarb Crucible	http://www.morganmms.com/crucibles-foundry-products/crucibles/syncarb/
Furnace	Elite Thermal Systems	TLCF10/27-3216CP & 2116 O/T	http://www.elitefurnaces.com/eng/products/furnaces/1200%20Top%20Loading%20Furnaces.php
Bar Mold	The University of Sheffield	Custom Made	Stainless Steel 304, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter
Band Saw	Clarke	CBS45MD (6" x 4 1/2") 370W 060710025	http://www.machinemart.co.uk/shop/product/details/cbs45md-41-2in-x-6in-metal-cutting-ban
Sandpaper	Wickes	Specialist wet & dry sandpaper 501885	http://www.wickes.co.uk/Specialist-Wet+Dry-Sandpaper-PK4/p/501885
Sieves	Fisher Scientific	Fisherbrand test sieves 200 mm diamater	http://www.fisher.co.uk/product/brand_listing.php/F/Fisherbrand/Sieve
Balance	Precisa	XB 6200C	http://www.precisa.co.uk/precision_balances.php
Boron Nitride	Kennametal	500 ml spray can	http://www.kennametal.com/content/dam/kennametal/kennametal/common/Resources/Catalogs-Literature/Advanced%20Materials%20and%20Wear%20Components/B-13-03401_ceramic_powders _brochure_EN.pdf
Infiltration Mold, Base and Lid	The University of Sheffield	Custom Made	Stainless Steel 304, 15 cm height, 5.1 cm inner diameter, 6 cm outer diameter
Cylindrical Mold	The University of Sheffield	Custom Made	Low carbon steel 1020, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter
Graphite Gasket	Gee Graphite	Geegraf Stainless Steel Reinforced Graphite 1 mm thick	http://www.geegraphite.com/steel_reinforced.html
Mallet	Thor Hammer Co. Ltd.	Round Solid Super Plastic Mallet	http://www.thorhammer.com/Mallets/Round/
Wrench	Kennedy Professional	13 mm Ratchet Combination Wrench KEN5822166K	https://www.cromwell.co.uk/KEN5822166K
Nuts	Matlock	M8 Steel hex full nut galvanized	https://www.cromwell.co.uk/CTL6400068J
Washers	Matlock	M8 Form-A steel washer bzp	https://www.cromwell.co.uk/CTL6451208H
SS Nuts	Matlock	M8 A2 st/st hex full nut	https://www.cromwell.co.uk/CTL6423008F
SS Washers	Matlock	M8 A2 st/st Form-A washer	https://www.cromwell.co.uk/CTL6464008H
Stainless Steel Studding	Cromwell	M8 x 1 Mtr A2 Stainless Steel Studding QFT6397080K	https://www.cromwell.co.uk/QFT6397080K
Valves	Edwards	C33205000 SP16K, Nitrile Diaphragm	https://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=C33205000
Fitting Cross	Edwards	C10512412 NW16 Cross Piece Aluminum	https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512412/View.aspx
Fitting T	Edwards	C10512411 NW16 T-Piece Aluminum	https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512411/View.aspx
Vacuum Pump	Edwards	A36310940 E2M18 200-230/380-415V, 3-ph, 50 Hz	http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=A36310940
Dial Gauge	Edwards	D35610000 CG16K, 0-1,040 mbar	http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=D35610000
Argon Gas	BOC	Pureshield Argon Gas	http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/industrial-gases/inert-gases/pureshield-argon/pureshield-argon.html
Stainless Steel Hose	BOC	Stainless Steel Hose	http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/hoses-and-pigtails/index.html
Regulator	BOC	HP 1500 Series Regulator	http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/regulators/single-stage-regulators/hp1500-series/hp1500-series.html
Copper Block	William Rowland	Copper Ingot 25 kg	http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-18
Vise	Record	T84-34 H/Duty Eng Vice 4 1/2" Jaws REC5658326K	https://www.cromwell.co.uk/REC5658326K
Beaker	Fisher Scientific	11567402 - Beaker, squat form, with graduations and spout 800 ml	https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11567402&resultSet Position=0
Stirring Hot Plate	Corning	Corning stirring hot plate Model 6798-420d	http://www.corning.com/lifesciences/us_canada/en/technical_resources/product_guid/shp/shp.aspx
[header]
Stir Bar	Fisher Scientific	11848862 - PTFE Stir bar + Ring 25x6 mm	https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11848862&resultSet Position=0
Air dryer	V05	V05 Max Air Turbo Dryer DR-120-GB	http://reviews.boots.com/2111-en_gb/1120627/v05-v05-max-air-turbo-hair-dryer-dr-120-gb-reviews/reviews.htm
Ceramic Sheet	Morgan Advance Materials	Kaowool Blanket 2 mm thick	http://www.morganthermalceramics.com/downloads/datasheets?f[0]=field_type%3A84
Vibrating Table	Peveril Machinery	Pevco Vibrating Table 1.25 m x 0.625 m x 0.6 m	https://peverilmachinery.co.uk/equipment/vibrating-tables