泡沫铝夹芯板气泡的生长行为与稳定性研究项目摘要

复合轧制-粉末冶金方法是制备泡沫铝夹芯板的有效方法，但其发泡过程的控制仍未彻底解决。由于其涉及的工艺参数众多，参数间相互影响错综复杂，单纯通过发泡实验，很难全面了解芯材发泡过程中各项参数对泡沫生长行为的影响，更无法掌握其作用机理、稳定机制。格子boltzmann方法（LBM）因其独特的优点为泡沫铝夹芯板发泡过程的模拟提供了强有力的工具。本项目拟通过冷淬法对不同阶段泡沫的孔隙率、泡孔尺寸及孔壁的特征进行实验分析；拟引入改进的三维LBM技术，采用多松弛（MRT）算法及表面张力的势能表达式分别处理数值稳定性及大密度比两相流，研究泡沫铝夹芯板芯材泡沫形核、长大、合并及带约束的排液过程中气液两相流体的动力学行为，建立可处理发泡剂气化、气液两相流的LBM介观模型。最终揭示泡沫相互作用行为及稳定机制，制定泡沫控制准则，实现泡沫铝夹芯板发泡过程的仿真及预测。为制备泡沫均匀、稳定的夹芯板提供技术和理论支持。

复合轧制方法是制备泡沫铝夹芯板的有效方法，本项目通过实验和有限元fluent模拟研究复合轧制法制备泡沫铝夹芯板的芯材错综复杂的发泡过程。首先进行实验研究，进行主要参数（TiH2的粒度、混粉时间、TiH2发泡剂的热处理、发泡温度、添加合金元素）对发泡行为的影响，实验发现TiH2粒度不宜过大，在38μm- 48μm之间较为适宜，混料时间直接影响泡孔的均匀性和稳定性，因此混料两个小时氢化钛分布比较均匀。另外发泡剂TiH2的预先热处理对泡孔稳定性起到至关重要的作用，实验发现最好工艺解决方案是将轧制好的发泡预制体进行炉中450℃保温2小时的热处理。发泡温度和时间是直接影响发泡过程中熔体的黏度，因此需严格控制。另外还对原始粉末中添加不同的合金元素对发泡过程的影响进行研究，发现铝能润湿三氧化二铝最好的条件就是形成铝硅共晶合金，Mg的加入大大改善了Al/Al2O3 的润湿性，中度润湿的氧化物颗粒减慢了由于重力作用而导致的排液。因此对于本项目来说，Si和Mg的加入是控制泡孔稳定性的重要因素。 进行fluent数值模拟研究气泡表面流体流动对气泡稳定性的影响，进行单个气泡的建模，根据实验结果气泡的形状近似有球形、椭球形、多边形，因此建立了三种气泡模型，从几个方面进行模拟研究，(1) 气泡的形状不变，在气泡均为球形时，改变铝熔体的粘度，从模拟结果的气泡表面压力和速度云图发现，在一定温度范围内，随着铝熔体粘度的降低，气泡的稳定性下降。由理论所得，液态下气泡由液体膜分离，在气泡的交界处，由于表面张力的作用，液膜中的液体会向交界处流动。降低粘度使流动增强并削弱气泡膜的强度，液体流动阻力小，气泡膜易破裂，小气泡容易并聚长大，气泡稳定性差。所以模拟与实际基本是相吻合的，（2）气泡形状（球体、椭球体、正十二面体）对泡孔稳定性的影响，通过黏度一定，而改变气泡形状，发现正十二面体的泡孔最稳定，模拟结果与实际实验结果也十分吻合，（3）孔壁处的固体颗粒对稳定性的影响，实验发现Mg元素的适量加入，大大改善了Al/Al2O3 的润湿性，模拟结果表明Al2O3颗粒的适度润湿增加了泡沫铝发泡过程的稳定性。 项目揭示影响泡沫铝稳定性的因素有发泡剂分布的均匀性、预处理、添加合金元素、固体颗粒适度润湿以及适度控制发泡温度和时间使得熔体黏度适中，最终控制复合轧制法制备泡沫铝夹芯板的芯材发泡过程稳定。 2100433B

通过系统的细宏观实验研究，了解泡沫铝材料及其夹芯板复合结构的循环变形行为特征，观察泡沫铝材料在循环变形过程中的孔洞微结构演化情况，揭示泡沫铝金属循环变形行为的规律和循环变形的细观机理；通过细观有限元分析，研究微结构参数对泡沫铝宏观力学响应的影响；基于细观机理，在唯象粘塑性本构框架下，提出新的泡沫铝循环本构关系；结合泡沫铝循环本构关系和面板材料循环本构关系，利用有限元软件对泡沫铝夹芯板的循环变形行为进行数值模拟和分析。该研究针对泡沫金属及其复合结构的力学问题这一固体力学研究的热点和难点问题，研究成果将是对泡沫金属这一细观非均匀材料本构关系的重要突破，具有重要的理论意义；同时，研究成果可用于循环加载条件下泡沫铝结构的设计以及安全性和寿命评估中，对于促进泡沫铝在轻质化结构中的工程应用，具有重要的应用价值。

针对金属泡沫循环变形行为实验研究和本构描述方面的不足，通过系统的实验研究，了解材循环过程中的变形行为特征和演化规律，并讨论加载应力、孔隙率和孔洞结构的影响，揭示其循环变形变形的内在机理；基于实验揭示的规律，在多机制本构模型的框架下，将塑形变形分为基体材料变形和孔洞结构变形两部分，引入相对密度来反映位孔洞结构对变形行为的影响，建立一个基于变形机理的循环本构模型；基于周期性边界条件，对泡沫铝压缩行为进行有限元模拟，讨论了孔隙率、孔的形状、孔的分布对泡沫铝力学性能的影响。还对泡沫铝夹芯板的三点弯行为进行了有限元模拟，对泡沫铝拉压弹性模量差异对夹芯板变形行为的影响和粘合夹芯板在三点弯加载下的脱粘破坏行为进行了模拟和讨论。研究成果将完善泡沫金属材料的力学性能研究，对于促进泡沫金属结构件的设计和应用具有重要意义。

实现泡沫铝的轻质高性能化是具有科学内涵的研究课题。本项目以金属-陶瓷复合化为主要科研思路，采用微弧氧化法在通孔泡沫铝表面原位生成陶瓷层，形成外强内韧的新型陶瓷增强泡沫铝。研究陶瓷层的成分、组织、结构的影响因素及演变规律，阐明陶瓷层在泡沫铝外表面及内表面的原位生长特性及陶瓷层的生长动力学，探讨通孔泡沫铝的结构特征（孔隙率和孔径）对微弧氧化陶瓷层原位生长行为的影响及机理。研究陶瓷增强泡沫铝在压缩载荷下的压缩性能及能量吸收特性，探讨陶瓷增强泡沫铝的宏观失效机理及微观失效机理，揭示其能量吸收特性影响规律，阐明陶瓷层对泡沫铝的力学作用机理。本项目的开展可揭示陶瓷增强泡沫铝的形成、组织结构与压缩特性间的内在规律，为泡沫铝的设计和应用提供科学理论依据。