خصائص أداء لوحة الساندويتش المصنوعة من ألياف الكربون والألومنيوم المترسبة بالنحاس مقارنة بلوحة الساندويتش المصنوعة من رغوة الألومنيوم التقليدية

ساندويتش رغوة الألومنيومتتميز ألواح AFS بمزيج من الخصائص الهيكلية والوظيفية، مثل الكثافة المنخفضة، والقوة النوعية العالية، وامتصاص الطاقة المناسب، والقدرة على التخميد، والحماية الكهرومغناطيسية. هذه الخصائص الممتازة تجعل ألواح AFS ذات إمكانات هائلة في مجالات الطيران والنقل والبحرية. بالمقارنة مع ألواح المعدن الخفيفرغوةبفضل الصفائح المعدنية الخارجية لـ AFS، يُمكنها عزل الرغوة بفعالية وتحسين خصائصها الميكانيكية الشاملة، مثل قوة الشد والانحناء. يُصنع AFS عادةً بطريقة الربط اللاصق، والتي تتضمن ربط رغوة الألومنيوم بألواح معدنية صلبة باستخدام لاصق راتنج الإيبوكسي.

على الرغم من أن طريقة الربط اللاصق تُعزز بفعالية التخميد الهيكلي، إلا أنها تُواجه بعض القيود، بما في ذلك تحديات إعادة التدوير وقابلية انفصال الطبقات في درجات الحرارة العالية أو الظروف التآكلية. ولمعالجة هذه القيود، بُذلت جهود بحثية مكثفة لتحقيق ربط معدني بين اللوحة والطبقة الأساسية.

حاليًا، تُصنف طرق التحضير الشائعة لـ AFS، والتي تهدف إلى تحقيق الترابط المعدني، إلى ثلاث فئات: اللحام، ورغوة الصهر، وطريقة مسحوق ميتالورجيا التعبئة واللف. من بين هذه الطرق، تُعتبر طريقة مسحوق ميتالورجيا التعبئة واللف متفوقة في التحكم ببنية المسام وتحقيق رغوة منخفضة الحرارة. وقد استخدمنا في عملنا السابق هذه التقنية لتصنيع AFS كبيرة الحجم ذات خصائص تمدد وبنية خلوية أفضل للتطبيقات الصناعية.

ومع ذلك، بسبب الخواص الميكانيكية الانضغاطية المنخفضة نسبيًا لنواة الرغوة، فإن تحسين القوة الميكانيكية لـ AFS محدود، لذا فإن تحسين قوة نواة الرغوة بشكل أكبر أمر بالغ الأهمية بالنسبة لـ AFS.

حتى الآن، تم الإبلاغ عن الطرق الشائعة لتحسين الخواص الميكانيكية للضغطرغوة الألومنيومتشمل هذه الطرق: المعالجة السطحية، والمعالجة الحرارية، والتعزيز بإضافة جزيئات وألياف وعناصر سبائك، وغيرها. من بينها، حظيت ألياف الكربون القصيرة ذات الكثافة المنخفضة ومعامل المرونة العالي ونسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة باهتمام واسع كمواد تقوية واعدة. علاوة على ذلك، يُحسّن طلاء ألياف الكربون السطحي، سواءً بالطلاء الكهربائي أو الطلاء الكيميائي، مثل طلاء النحاس أو طلاء النيكل، قابلية ألياف الكربون للبلل في مصهور الألومنيوم، ويتجنب التفاعلات السطحية الضارة بين ألياف الكربون ومصهور الألومنيوم. تُستخدم ألياف الكربون القصيرة الآن على نطاق واسع لتعزيز مركبات مصفوفة الألومنيوم.

قام بهاف سينجيتال بإعداد مركبات ذات مصفوفة ألومنيوم معززة بألياف الكربون المطلية بالنحاس باستخدام طريقة الصب بالتحريك. وقامت مويتال بتصنيع مركبات ذات مصفوفة ألومنيوم معززة بألياف الكربون المطلية بالنيكل باستخدام طريقة الصب ثنائي الأسطوانة. أظهرت النتائج تحسنًا ملحوظًا في قوة شد المركبات بإضافة ألياف الكربون. ومع ذلك، لم تُجرَ سوى أبحاث محدودة حول...معزز برغوة الألومنيومباستخدام ألياف كربون مغلفة بالنحاس. قامت شركة Caoetal أولاً بتحضير رغوة ألومنيوم مقواة بألياف كربون مغلفة بالنحاس باستخدام طريقة الرغوة المنصهرة. أظهرت النتائج أن تركيز 0.35% من Cf يُثبّت رغوة الألومنيوم عن طريق منع تمزق الغشاء السائل، وكلما زادت كمية الألياف المضافة إلى الرغوة، زاد ثباتها. أظهرت شركة Muetal أن خصائص التخميد لرغوة الألومنيوم المحضرة بطريقة الرغوة المنصهرة قد تحسّنت بشكل ملحوظ مع إضافة Cf.

وعليه، يمكن الاستنتاج أن إضافة Cf يمكن أن تكون استراتيجية فعالة لتحسين استقرار الرغوة والخصائص الميكانيكية في نفس الوقت.رغاوي الألومنيومعلاوة على ذلك، لم تكن هناك تقارير عن ألواح ساندويتش من رغوة الألومنيوم المقواة بألياف الكربون المطلية بالنحاس والمُحضرة بطريقة مسحوق المعادن، مما يحفز الباحثين على إجراء المزيد من الدراسات المتعمقة في هذا المجال.

لقد تم إجراء العديد من الدراسات حول آلية التكوين النووي واستقرارهرغاوي الألومنيوممع إضافة مراحل تقوية. الاختلافات في عدد المسام وشكلها،

مثل الحجم والتوزيع والشكل، تُعزى عادةً إلى آليات التنوي والاستقرار. وقد تم التحقيق بشكل شامل في تأثيرات التنوي غير المتجانسة وآليات تثبيت شبكة الأكسيد في نظام مسحوق المعادن. وقد أظهرت مساحيق السبائك الرباعية المكونة من Al-Si-Mg-Cu المستخدمة في هذه الورقة معدلات تمدد استثنائية ودرجات حرارة رغوة منخفضة، مع درجة حرارة صلبة تبلغ 507 درجة مئوية ودرجة حرارة سائلة تبلغ 596 درجة مئوية. ومع ذلك، هناك نقص في الأبحاث المتعلقة بآلية التنوي والاستقرار والخصائص الميكانيكية الانضغاطية لمساحيق المساحيق التي تحتوي على تركيبة السبائك هذه تحديدًا، وخاصةً عند دمج Cf. في الأعمال السابقة، أجريت تحقيقات في آليات التنوي والاستقرار في المقام الأول من خلال طرق غير موقعية، تتضمن التحليل المقطعي للعينات التي تم تبريدها بسرعة بعد انقطاع الرغوة. لسوء الحظ، يحدث تكوين الفقاعات دون الميكرون أساسًا أثناء تسخين المادة الأولية، ويتمدد بسرعة خلال فترات زمنية تتراوح بين 100 مللي ثانية وثانية واحدة، مما يُشكل غالبًا تحديات للرصد الآني. تتميز تقنية التصوير بالأشعة السينية الحديثة بإشعاع السنكروترون بدقة طاقة وزمنية مكانية عالية، مما يسمح بالرصد الآني والموضعي لعملية تكوين ونمو رغاوي الألومنيوم عند درجات حرارة مرتفعة. حاليًا، لم يستكشف سوى عدد محدود من الباحثين حركية تكوين الرغوة لمسحوق سبيكة Al-Si-Mg باستخدام الإشعاع السنكروتروني. على سبيل المثال، أفاد غارسيا-مورينويتال بظواهر ديناميكية مهمة في رغوة الألومنيوم السائلة، بما في ذلك تكوين ونمو الرغوة، وإعادة ترتيب الفقاعات، وانكماش السائل، والتكتل، وتمزق الغشاء. درس كام وآخرون عملية تكوين ونمو رغوة الألومنيوم AlSi₂Mg₂ باستخدام الإشعاع السنكروتروني. أشارت نتائجهم إلى أن الهيدروجين الناتج عن تحلل المواد الممتزة على سطح مسحوق المعدن يمثل آلية تكوين نووية مهمة أخرى. ومع ذلك، فإن التفاعل بين مكونات المواد الأولية معقد، ويمكن أن تتأثر ديناميكيات الرغوة بتركيبها. بالنسبة لكلٍّ من نظام مسحوق Al-Si-Cu-Mg ونظام مسحوق Al-Si-Cu-Mg مع إضافة Cf، فإن فهم واستكشاف عملية بدء ونمو رغوة المعادن أمرٌ بالغ الأهمية لمواصلة تطويرها الهيكلي وتحسين خصائصها في التطبيقات.

في هذا العمل، تم تحضير Cf/AFS وAFS باستخدام رابطة بينية معدنية باستخدام طريقة مسحوق التغليف واللف. رُصد تطور فقاعات Cf/AFS وAFS في الموقع باستخدام الإشعاع السنكروتروني للكشف عن آلية Cf في تكوين الفقاعات ونموها واندماجها واستقرارها. بالإضافة إلى ذلك، تم تشكيل رغوة من Cf/AFS وAFS عند درجة حرارة 620 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة في فرن حجري. بعد ذلك، تم توصيف واختبار توزيع حجم المسام، والبنية المجهرية للمسام، والخصائص الميكانيكية للضغط للعينات الرغوية. بناءً على الدراسات المذكورة أعلاه، تم تقييم بنية وقوة ضغط Cf/AFS وAFS بشكل منهجي.

2.مادةالأساليب والطرق

2.1. المواد الخام

تم استخدام ستة مواد خام لإعداد AFS و Cf/AFS: مسحوق Al (متوسط ​​الحجم: 45 ميكرومتر، نقاء >99.70%)، مسحوق Si (متوسط ​​الحجم: 38 ميكرومتر، نقاء >99.50%)، مسحوق Cu (متوسط ​​الحجم: 38 ميكرومتر، نقاء >99.90%)، مسحوق Mg (متوسط ​​الحجم: 75 ميكرومتر، نقاء >99.70%)، مسحوق TiH2 (متوسط ​​الحجم: 45 ميكرومتر، نقاء >99.70%)، وألياف الكربون المطلية بالنحاس (متوسط ​​الحجم: 1～2 مم، سمك الطلاء النحاسي: 1.4 ميكرومتر).

2.2. تصنيع Cf/AFS

تم توضيح مخطط طريقة مسحوق المعادن لللف والتعبئة فيالشكل 1خلال مرحلة الخلط، حُضِّر مسحوق سبيكة AlSi6Mg4Cu4 الرباعية، بمساحيق Al وSi وCu وMg بنسب 86% و6% و4% و4% على التوالي. أُضيف مسحوق TiH2 المؤكسد بنسبة 1% وزناً (بعد المعالجة الحرارية في الهواء لمدة ساعة ونصف عند درجة حرارة 470 درجة مئوية) كعامل نفخ، مما أدى إلى إطلاق H2 بسرعة عند درجة حرارة الانصهار، مما أدى إلى تمدد المصهور. بالإضافة إلى ذلك، أُضيفت 0.5% وزناً من ألياف الكربون كمراحل تقوية. ومن الجدير بالذكر أنه لتعزيز قابلية البلل ومنع التفاعلات الضارة، مثل تفاعل Al4C3، عند سطح انصهار الألياف والألومنيوم أثناء الرغوة، طُلِيت ألياف الكربون بالنحاس عن طريق الطلاء الكهربائي. وُصفت عملية الطلاء الكهربائي في المراجع.الشكل 2تُظهر ألياف الكربون المطلية بالنحاس، والمُحصّلة بعملية الطلاء الكهربائي، تغطيةً موحدةً ومتواصلةً لسطح الألياف.(الشكل 2(أ)–(ب))بعد ذلك، تم تحضير تركيبات السبائك المختلفة المستخدمة في هذه الدراسة بخلط المساحيق المذكورة آنفًا مع وبدون Cf خلطًا دقيقًا في خلاط ثلاثي الأبعاد لمدة 3 ساعات. يُغلّف المسحوق الممزوج بالتساوي داخل تجويف مُحكم الغلق، ثم تُجرى عليه عمليات الدرفلة الباردة والساخنة.

تُفرغ مرحلة الدرفلة الباردة الهواء بفعالية من داخل التجاويف والفراغات بين الجسيمات عبر سلسلة من التمريرات المتعددة والانخفاضات الصغيرة. تضمن مرحلة الدرفلة الساخنة تحقيق المادة الأولية كثافة نسبية تتجاوز 98% من خلال التشوه المشترك للوح والمسحوق، مما يُسهّل عملية الرغوة اللاحقة. تم وصف معلمات عملية الدرفلة بالتفصيل في المراجع. يتم الحصول على المواد الأولية الرغوية AFS وCf/AFS من خلال العملية المذكورة أعلاه. في النهاية، سُخّنت كلتا المادتين الأوليتين الرغويتين عند درجة حرارة 620 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة لتصنيع عينات Cf/AFS وAFS، والتي استُخدمت لتحليل حجم المسام، وتوصيف البنية الدقيقة، واختبارات الخواص الميكانيكية للضغط.

2.3. طرق التوصيف والاختبار

2.3.1. توصيف البنية الدقيقة

تم فحص مورفولوجيا البنية الدقيقة لـ Cf/AFS وAFS باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (SEM، Zeiss Ultra Plus). واستُخدم التحليل الطيفي لتشتت الطاقة (EDS) لتحديد تركيب مختلف المراحل في جدران خلايا العينات الرغوية. تم الحصول على المقاطع الطولية للعينات عن طريق قطع العينات الرغوية باستخدام آلة التفريغ الكهربائي (EDM، DK7745). بعد ذلك، طُليت المقاطع الطولية للعينات بالطلاء، ثم صُقلت وصُقلت باستخدام ورق صنفرة بحبيبات 800 و1500 على التوالي. وفي النهاية، تم تحديد أقطار الخلايا المكافئة (Dmean) للمقطع العرضي للعينة المصقولة باستخدام برنامج تحليل الصور Image Pro Plus 6.0.

الشكل 1.مخطط لطريقة تعبئة مسحوق المعادن المتداول.

الشكل 2.صور المجهر الإلكتروني الماسح لألياف الكربون (أ) المطلية بالنحاس، و(ب) تُظهر صورة مُكبَّرة للمنطقة المُحدَّدة بمربع أحمر في (أ). الصورتان (ج) و(د) هما نتائج EDS للنقطة (أ) في (ب).

الشكل 3.مخطط تخطيطي لإعداد تجربة الإشعاع السنكروتروني.

٢.٣.٢. رصد الرغوة في الموقع باستخدام إشعاع السنكروترون

تم رسم الرسم التخطيطي لإعداد تجربة الإشعاع السنكروتروني فيالشكل 3أُجريت التجارب عند خط الشعاع 4W1A التابع لمنشأة بكين للإشعاع السنكروتروني (BSRF، معهد بكين لفيزياء الطاقة العالية، الأكاديمية الصينية للعلوم، الصين). بخلاف التصوير الامتصاصي التبايني التقليدي، يستخدم هذا البحث التصوير التبايني الطوري باستخدام مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني. يعالج هذا النهج قيود التصوير الامتصاصي التقليدي، الذي يُعد غير فعال في تصوير المواد ضعيفة الامتصاص. أُجريت عملية الرغوة للعينات داخل فرن رغوي مصمم خصيصًا، يتميز بنافذة مربعة الشكل 15 مم × 15 مم موضوعة بشكل عمودي على اتجاه شعاع الأشعة السينية. يبلغ حجم العينة، كما هو موضح في الشكل 3، 15 مم × 15 مم × 2 مم. تُوضع العينة في قالب رغوي يتكون من عدد معين من صفائح السيراميك. خلال عملية الرغوة، يمكن للأشعة السينية أن تمر عبر العينة ويتم التقاطها بواسطة كاميرا جهاز اقتران الشحنة (CCD). تم تشغيل مصدر الأشعة السينية المختار بكثافة 20 كيلو فولت، وتم استخدام حجم رؤية أقصى يبلغ 7.4 مم × 7.4 مم لتمكين المراقبة الشاملة لكامل عملية الرغوة.

تجدر الإشارة إلى أن العينات المرصودة وُضعت بشكل عمودي على كلٍّ من اتجاهي التدحرج والعرض. أُزيلت الألواح الجانبية من كلا جانبي العينات باستخدام تقنية التفريغ الكهربائي التفريغي (EDM) لكلٍّ من المواد الأولية المحتوية على 0.5% وزني من الكاربوهيدرات وتلك الخالية منها. ودُرست تأثيرات الكاربوهيدرات على خصائص الرغوة في رغوة الألومنيوم. علاوةً على ذلك، تم تحضير المواد الأولية ذات التركيبات المختلفة للرغوة في فرن التسخين نفسه عند درجة حرارة مُحددة مسبقًا تبلغ 620 درجة مئوية.

2.3.3. اختبار الخواص الميكانيكية للضغط

قُطعت عينات الضغط إلى عينات أسطوانية بارتفاع 23 مم وقطر 20 مم باستخدام تقنية التفريغ الكهربائي (EDM)، مع التأكد من احتواء كل اتجاه على 10 مسام كاملة على الأقل لتجنب تأثير الحجم. أُجريت اختبارات ضغط شبه ثابتة وفقًا للمعيارين ISO13314-2011 وGB/T31930-2015، باستخدام آلة اختبار المواد الإلكترونية العالمية AG-XPLUS بسعة حمل قصوى تبلغ 100 كيلو نيوتن. اختُبرت ثلاث عينات لكل مجموعة، وتمثل منحنيات الإجهاد-الانفعال الانضغاطي في هذه الورقة متوسط ​​النتائج التي تم الحصول عليها من العينات الثلاث المختبرة. أُجريت جميع الاختبارات تحت التحكم في الإزاحة، مع الحفاظ على سرعة رأس متقاطع ثابتة قدرها 2 مم/دقيقة (ما يُعادل معدل إجهاد ابتدائي قدره 10−3 ثانية−1) في درجة حرارة الغرفة.

الشكل 4.صور إشعاع السنكروترون المتطورة بمرور الوقت لعملية رغوة Cf/AFS: (أ) المادة السلفية غير الرغوية عند لحظة t0 عند 380 درجة مئوية؛ (ب) - (ج) إذابة النحاس العنصري ونواة النوع الثاني أثناء ذوبان المادة السلفية؛ (د) - (ز) عمليات النواة غير المتجانسة ونمو الفقاعات؛ و(ح) - (ط) اندماج الفقاعات وتمزقها.

3. النتائج والمناقشة

3.1. سلوك الرغوة في الموقع تحت إشعاع السنكروترون

3.1.1. تطور رغوة Cf/AFS

الشكل 4يعرض سلسلة من صور الإشعاع السنكروتروني التي تُصوّر عملية تكوين رغوة Cf/AFS. الصور الأصلية لـ Cf/AFS(الشكل 4 (أ))تم التقاطها عندما كانت المصفوفة في الحالة الصلبة عند 380 درجة مئوية، وتم ضبط هذه المرة على t0. بالمقارنة مع المكونات الأخرى في المادة السابقة، يظهر Cf أسود اللون داخل المصفوفة الرمادية الغنية بالألمنيوم. يمكن أن يُعزى ذلك إلى ارتفاع نسبة النحاس على سطح الألياف، كما هو موضح فيالشكل 2(ج)–(د)، الذي يمتلك أكبر كتلة ذرية نسبية مقارنةً بالمكونات الأخرى للسلف. علاوة على ذلك، لوحظ أن غالبية Cf متفرقة ومنفصلة، ​​بدلاً من أن تكون متجمعة معًا، كما هو موضح فيالشكل 4(أ). وهذا يعني أنه بإضافة 0.5% من وزن Cf، يمكن لعملية التحريك لمدة 3 ساعات أن تحقق بشكل فعال حالة التشتت المطلوبة.

عند t0+194s (كما هو موضح فيالشكل 4(ب))، يمكن ملاحظة عدد كبير من الفقاعات البيضاء شبه الكروية بأقطار تتراوح بين 90 و180 ميكرومتر في مصفوفة الألومنيوم الرمادية (المُشار إليها بالسهم الأحمر). استمر عدد الفقاعات في الازدياد خلال 46 ثانية، كما هو موضح فيالشكل 4(ج)بالإضافة إلى ذلك، هناك تغيير آخر جدير بالملاحظة يحدث في المصفوفة، وهو ميل بعض الفقاعات الصغيرة إلى التكون على سطح الكاربونيون (Cf) مع بدء ذوبان النحاس (المُشار إليه بالمربع الأحمر المنقط). يُعزى هذا على الأرجح إلى التنوي من النوع الثاني الذي يحدث داخل مسحوق النحاس المضغوط. من المعروف على نطاق واسع أن إضافة النحاس تُخفض درجة حرارة انصهار السبائك بشكل ملحوظ. ينتج عن ذلك ذوبان موضعي حول جزيئات المسحوق الفردية في المادة الأولية للمسحوق التي تحتوي على مسحوق النحاس أثناء عملية التسخين، مما يُولّد كمية كبيرة من ذوبان رباعي اليوتكتيكي Al-Si-Mg-Cu عند درجات حرارة منخفضة. يميل حوض ذوبان رباعي اليوتكتيكي إلى أن يكون منطقة ضعيفة في السبيكة وأكثر عرضة للتنوي. نتيجةً لذلك، تزداد احتمالية تكوّن الفقاعات ونموها بالقرب من النحاس المغلف على سطح الألياف. علاوةً على ذلك، يُؤدي انخفاض نسبة السائل في المصفوفة في هذه اللحظة إلى تراكم الغازات الناتجة عن تحلل TiH2 بسهولة في مصفوفة الألومنيوم. يمكن أن تتجنب عملية التبلور من النوع الثاني بشكل فعال الغاز المتراكم الذي يجبر مصفوفة الكسر السائل المنخفض على الانفصال وانتشار الشقوق عبر السائل، مما يؤدي إلى فقدان شديد لكمية الهيدروجين.

الشكل 4(د)يُظهر الشكل الفقاعات تتبلور في البداية وتنمو على منطقة Cf مع ذوبان المصفوفة بالكامل، وتتوافق مواقع الفقاعات مع الطبقة النحاسية المختفية (المُشار إليها بالمربع الأحمر المنقط). من المعروف أن إضافة المراحل الثانوية تزيد من عدد مواقع التبلور غير المتجانسة، مما يقلل من حاجز الطاقة لتكوين فقاعات جديدة داخل مصهور السبائك. في الوقت نفسه، يرتبط معدل التبلور بمساحة التبلور غير المتجانسة الإجمالية لكل وحدة حجم. وبالتالي، يمكن ملاحظة أن الفقاعات تتبلور في البداية في المواقع التي توجد بها ألياف الكربون وتتمدد على طول ألياف الكربون. مع زيادة أخرى في نسبة المصهور، تستمر فقاعات جديدة عديدة في الظهور منالشكل 4(هـ)–4(ز)ومع ذلك، فإن معدل اندماج الفقاعات وتمزقها الموضعي بطيء، مما يدل على تمتعها بثبات عالٍ. عند t0+426s، يزداد عدد الفقاعات بشكل ملحوظ،

يظهر حجم السلائف توسعًا كبيرًا(الشكل 4(ح))علاوة على ذلك، فإن حدوث اندماج بعض الفقاعات (المُشار إليه بالسهم الأحمر)، حيث تمتص الفقاعات الصغيرة الفقاعات الأكبر حجمًا بسبب نضج أوستوالد، هو عملية حتمية أثناء تطور الرغوات المعدنية [40]. كما تؤدي ظاهرة النضج هذه إلى ظهور عدد صغير من الفقاعات الكبيرة وغير المنتظمة (المُشار إليها بالسهم الأحمر فيالشكل 4(أ)).

الشكل 5.صور متطورة بمرور الوقت لعملية الرغوة لـ AFS في مراحل مختلفة: (أ) السلف غير المذاب في لحظة t0 من 380 درجة مئوية؛ (ب) إذابة النحاس العنصري والنواة من النوع الثاني أثناء ذوبان السلف؛ (ج) عمليات النواة ونمو الفقاعات؛ و (د) - (و) اندماج الفقاعات وتمزقها.

3.1.2. تطور رغوة AFS

يوضح الشكل 5 سلسلة من صور إشعاع السنكروترون التي توضح عملية تكوين رغوة AFS. وكما هو الحال مع Cf/AFS، التُقطت الصورة الأولية لتسلسل إشعاع السنكروترون عندما كان AFS في الطور الصلب عند 380 درجة مئوية (انظرالشكل 5(أ)). عندما يتم تسخين المصفوفة فوق درجة حرارة التصلب، تصبح الفقاعات البيضاء الصغيرة مرئية فيالشكل 5(ب) و(ج)، الناتجة عن تحلل TiH2 وحدوث نواة من النوع الثاني في المنطقة الغنية بالنحاس. ومع ذلك، فإن عدد الفقاعات المتولدة وكثافة توزيعها فيالشكل 5(ج)أقل بشكل ملحوظ مقارنة بـالشكل 4(ج)ويشير هذا إلى أن Cf/AFS يوفر المزيد من القنوات لإطلاق الغاز المبكر أثناء التبلور، مما يمنع التكوين المفرط للشقوق في مصفوفة الألومنيوم ذات الكسر السائل المنخفض.

يمكن ملاحظة عدد أقل من مواقع تكوين AFS واحتمالية أعلى لنمو الفقاعات غير الطبيعية مقارنةً بـ Cf/AFS منالشكل 5(د)–(و)تطور فقاعات AFS غير منتظم، وتُظهر أحجامها تقلبات كبيرة نتيجةً لوجود فقاعات بحجم الميكرومتر وفقعات كبيرة الحجم بشكل غير طبيعي (مُشار إليها بالسهم الأحمر). علاوةً على ذلك، قد يؤدي عدم الاستقرار وعدم التجانس هذا خلال عملية التبلور المبكرة إلى اختلافات كبيرة في بنية المسام النهائية والخصائص الميكانيكية بين AFS وCf/AFS.

3.2. تحليل البنية الكلية

لدراسة الاختلافات في مورفولوجيا المسام العيانية وقطر المسام بين AFS وCf/AFS، تم تحضير بنيتين شطيريتين في ظروف معملية عند درجة حرارة رغوة 620 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. تظهر البنيات العيانية وتوزيع حجم الخلايا لكل من AFS وCf/AFS فيالشكل 6. تكشف مقارنة المقاطع الرأسية لعينات الهياكل الساندويتشية أن رغاوي Cf/AFS تحتوي على خلايا أدق وعيوب أقل مثل تمزق الخلايا أو اندماجها (انظرالشكل 6 (ب)). على العكس من ذلك، كما هو موضح فيالشكل 6(أ)يُظهر AFS تجانسًا ضعيفًا للمسام مع وجود بعض المسام الكبيرة بشكل غير طبيعي. في الوقت نفسه، كان قطر المسام المكافئ لـ AFS وCf/AFS 2.9 ± 0.2 مم و1.9 ± 0.1 مم على التوالي، مما يشير إلى أن قطر المسام قد تم تحسينه بشكل أكبر بإضافة Cf (انظرالشكل 6(ج) و(د)).

يتأثر تطور بنية المسام بآليتين تنافسيتين: تحلل TiH2 ودمج وتمزق الرغوة. يساهم تحلل TiH2 في زيادة عدد التنوي والمسامية ومعدل التمدد، بينما يقلل دمج وتمزق الفقاعات من عدد المسام ويزيد من قطر المسام. يساهم تقليل أحداث دمج وتمزق الفقاعات في الحصول على بنية خلوية أفضل. وبالتالي، فإن الاستقرار العالي للرغوة ضروري للحفاظ على تجانس بنية المسام أثناء عملية الرغوة. بالنسبة لـ Cf/AFS، تعمل إضافة Cf على تحسين قابلية ترطيب الألياف مع مصهور الألومنيوم بشكل كبير. وعلى غرار رغوة الألومنيوم المقواة بـ Cf المبلغ عنها [44] والمحضرة بطريقة الرغوة المنصهرة، تعمل إضافة Cf على تثبيت رغوة الألومنيوم عن طريق منع تمزق جدار الخلية وتقليل التكتل. وفي الوقت نفسه، يمكن لـ Cf إنشاء بنية تشبه الشبكة في جدار الخلية، مما يولد قوة فصل ويمنع تمزق الفقاعات، وبالتالي تحسين بنية الخلية واستقرار الرغوة وتوحيد توزيع المسام.

3.3. توصيف البنية الدقيقة

الشكل 7(أ)يُظهر الشكل البنية الدقيقة لجدار الخلية بعد الرغوة باستخدام AFS. وكما هو مُبين في رغاوي سبائك AlSi6Cu4Mg4، تحتوي السبيكة على Al–Si، وMg2Si، وAl2Cu، وAl5Cu2Mg8Si6، وهو ما يتوافق مع النتائج التي تم الحصول عليها من تحليل EDS فيالشكل 7(ب)تُضعف هذه المراحل الهشة الخواص الميكانيكية لرغوة الألومنيوم بإضعاف جدار المسام أو كونها مصدرًا للتشققات أثناء التشوه. لذلك، يُعدّ تحسين الخواص الميكانيكية لجدار المسام بإضافة مراحل تقوية استراتيجية فعّالة.

بالنسبة لـ Cf/AFS، يمكن ملاحظته منالشكل 7(ج) و (د)أن الكاربونيون موزع داخل جدار الخلية أو على حافته، مما يدل على تمتعه بقابلية ممتازة للبلل مع مصهور الألومنيوم. علاوة على ذلك، من الملاحظ (انظرالشكل 7(د)) أن كمية ضئيلة من الطور المترسب Al2Cu تتشكل عند السطح الفاصل بين الألياف ومصهور الألومنيوم. تساهم هذه الظاهرة في تحقيق رابطة قوية بين الألياف والمصفوفة. يمكن ملاحظة تطور تفاعل الانتشار هذا بشكل بديهي فيالشكل 4(أ)-(ج)تجدر الإشارة إلى أن الطور المترسب لا يحيط بألياف الكربون تمامًا، وأن حالة هذا التوزيع وكميته مفيدان لـ Cf/AFS. بناءً على دراسة Lv وآخرين، على المواد المركبة المقواة بمصفوفة الألومنيوم المقوى بالـ Cf، تبيّن أن الكمية المناسبة من الطور المترسب يمكن أن تؤثر على قوة الترابط بين السطوح وتنظمها.

الشكل 6.مقاطع عمودية للعينة التمثيلية (أ) AFS و(ب) Cf/AFS. يظهر في (ج) و(د) على التوالي رسمان بيانيان لنسبة القطر المكافئ مقابل نسبة المساحة المقابلة للعينتين (أ) و(ب). يمثل الخط المتصل المستمر في (ج) و(د) التوافق اللوغاريتمي الطبيعي. يمثل الانحدار (R2) جودة التوافق.

الشكل 7.تظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (أ) و (ب) البنى الدقيقة المقابلة لـالشكل 6(أ) AFS والشكل 6(ب) Cf/AFS، على التوالي، علاوة على ذلك،الشكل 7(ب) و (د) تظهران تكبيرات موضعية لـالشكل 7(أ) و (ج) على التوالي.

3.4. آلية تثبيت رغوة Al-Si-Mg-Cu باستخدام Cf

بناءً على التحليل المذكور أعلاه، تم تلخيص التمثيل التخطيطي لآلية الرغوة لـ Cf/AFS وAFS فيالشكل 8. الاختلافات الهامة بين Cf/AFS وAFS في مرحلة النواة، ونمو الفقاعة، ومرحلة الاندماج، ومرحلة التصلب التدريجي، كما هو موضح فيالشكل 8(أ) و(ب).

الشكل 8.مخطط تخطيطي لسلوك الرغوة Cf/AFS وAFS: (أ) Cf/AFS؛ و(ب) AFS.

في مرحلة التنوي لرغوة سبائك AlSi6Cu4Mg4، تميل الفقاعات إلى التنوي داخل السائل الإيتكتيكي الرباعي المحيط بجسيمات النحاس، بدلاً من التنوي في موقع جسيمات TiH2. يوفر هذا النوع من التنوي في أضعف منطقة من المادة السابقة (التنوي من النوع الثاني) قنوات هروب أكبر للغازات المنبعثة من تحلل TiH2، مما يمنع تراكم الغازات ويسبب انتشار الشقوق في مصهور الألومنيوم. ويبدو أن إضافة ألياف الكربون المطلية بالنحاس تخلق المزيد من القنوات لإطلاق H2. ومع ذلك، نظرًا لعدم احتواء مصهور الألومنيوم على نسبة سائلة كافية في هذه المرحلة، يصعب على هذه الفقاعات الصغيرة الحصول على مصدر كافٍ من H2 لمواصلة نموها. ونتيجة لذلك، تتمزق هذه الفقاعات الصغيرة داخل المصهور مع ارتفاع درجة الحرارة. عندما يذوب السلف تمامًا، فإن H2 المنبعث من تفاعل نزع الهيدروجين العنيف لـ TiH2 سيتنوي وينمو بسرعة بناءً على نقطة التنوي. يوفر Cf العديد من مواقع التبلور غير المتجانسة لتكوين الفقاعات، مما يزيد بشكل كبير من معدلات التبلور. في الوقت نفسه، يمنع وجود Cf بفعالية تلامس واندماج الفقاعات الأولية، ويمنع تكوين فقاعات كبيرة بشكل غير طبيعي.

خلال مرحلة نمو واندماج الفقاعات، تُحسّن إضافة الكاربوهيدرات استقرار الرغوة بشكل ملحوظ. ويعود ذلك إلى أن الكاربوهيدرات والألومنيوم المصهور يتمتعان بقابلية جيدة للبلل، ويمكن بسهولة حبس الألياف بين سطحي الغاز والسائل لتشكيل بنية شبكية (كما هو موضح فيالشكل 7(ج)مع ترقيق الغشاء السائل، تُولّد الألياف ضغط فصل لمقاومة الشفط من حدود الهضبة، مما يمنع تمزق الغشاء السائل. لذا، يحتاج Cf/AFS إلى وقت رغوة أطول مقارنةً بـ AFS، مع ثبات أعلى يُحافظ على اتساق بنية المسام أثناء تطور الرغوة.

خلال مرحلة التصلب البطيء، تتوقف الفقاعات في Cf/AFS عن النمو، وتُدمج الألياف داخل جدار الخلية (المُشار إليه بالمربع الأحمر المنقط). يمنع هذا التماسك للألياف امتصاص الفقاعات الصغيرة بواسطة الفقاعات الأكبر، كما هو الحال في نضج أوستوالد، ويمنع تمزق جدار الخلية نتيجة تمدد التصلب. ونتيجةً لذلك، يتميز Cf/AFS ببنية مسام أكثر تجانسًا وعيوب مسام أقل مقارنةً بـ AFS.

3.5. الخصائص الميكانيكية

يتم تقديم منحنيات الإجهاد والانفعال الانضغاطي لـ Cf/AFS وAFS بنفس المسامية تقريبًا (83.2% و81.4% على التوالي) فيالشكل 9(أ)يُظهر منحنى الإجهاد-الانفعال الانضغاطي سمة مميزة ثلاثية المراحل، تشمل منطقة المرونة الخطية، ومنطقة الهضبة، ومنطقة التكثيف. بلغت مقاومة الخضوع الانضغاطي لـ AFS وCf/AFS 8.44 ميجا باسكال و11.87 ميجا باسكال على التوالي. ازدادت مقاومة الخضوع الانضغاطي لـ Cf/AFS بنسبة 40.6% مقارنةً بـ AFS. في الوقت نفسه، تتفوق قدرة امتصاص الطاقة لـ Cf/AFS على قدرة AFS عند نفس الانفعال، كما هو موضح فيالشكل 9(ب)تبلغ سعة امتصاص الطاقة لـ AFS وCf/AFS حوالي 3.3 ميجا جول/م3 و6.1 ميجا جول/م3 على التوالي. وقد تحسنت سعة امتصاص الطاقة لـ Cf/AFS بنسبة 84.8% مقارنةً بـ AFS.

الشكل 9.منحنيات سلسلة الإجهاد الانضغاطي ومنحنيات سعة امتصاص الطاقة لـ Cf/AFS وAFS: (أ) منحنيات سلسلة الإجهاد الانضغاطي؛ (ب) منحنيات سعة امتصاص الطاقة.

أدى دمج Cf إلى تحسين الخصائص الميكانيكية لقلب الرغوة بشكل ملحوظ. ومن المعروف أن الخصائص الميكانيكية لـرغوة الألومنيومترتبط ارتباطًا وثيقًا ببنية المسام والخصائص الميكانيكية للدعامة. أشار التحليل الكلي إلى أن إضافة Cf قد حسنت حجم المسام، وحسنت توزيع المسام، وقللت من عيوب المسام. وعلى غرار نتائج Sasikumar et al. وYangetal، فإن قطر المسام الصغير وتوزيع المسام الضيق أكثر فائدة لتعزيز قوة الضغط وكفاءة امتصاص الطاقة. علاوة على ذلك، فإن تأثير البنية الدقيقة على الخصائص الميكانيكية للرغوة يرجع أساسًا إلى Cf المضمن في جدران مسام الرغوة. يمكن أن يؤدي انتشار وإذابة ألياف الكربون المطلية بالنحاس في مصفوفة الألومنيوم إلى تحقيق رابطة بينية أكثر ثباتًا بين الألياف ومصفوفة الألومنيوم، مما يساهم في نقل الحمل. يمكن لألياف الكربون عالية المعامل المثبتة في جدار المسام أن تحد من تشوه جدار المسام تحت حمل الضغط وتحسن سعة تحمل الحمل. كل هذه العوامل تصب في صالح Cf / AFS لتحقيق قوة خضوع وقدرة امتصاص طاقة أعلى مقارنةً بـ AFS.

4. الاستنتاجات

تم تحضير Cf/AFS وAFS بطريقة مسحوق المعادن الدحرجة للتعبئة في هذا العمل. رُصد سلوك الرغوة لـ Cf/AFS وAFS ديناميكيًا من خلال إشعاع السنكروترون.

دراسة تأثير Cf على تكوين الفقاعات ونموها. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل Cf بدقة على مورفولوجيا المسام وتوزيعها وخصائص ضغط رغاوي الألومنيوم. الاستنتاجات الرئيسية هي كما يلي:

(1) تكشف الملاحظات الموضعية لإشعاع السنكروترون أن عمليات الرغوة Cf/ AFS وAFS تظهر ثلاث مراحل مميزة: تكوين الفقاعات، ونمو الفقاعات واندماجها، والتصلب.

بالمقارنة مع AFS، تُظهر عملية الرغوة في Cf/AFS استقرارًا وتوحيدًا أعلى للفقاعات. AFS أكثر عرضة لتكوين مسام كبيرة وخشنة بشكل غير طبيعي أثناء عملية تطور المسام. بالإضافة إلى ذلك، يُعزى هذا التفاوت إلى تأثير التنوي غير المتجانس لـ Cf، الذي يمنع تمزق جدار الفقاعات ويقلل من الاندماج مع زيادة معدل التنوي.

(2) إضافة 0.5% وزناً من Cf تُحسّن قطر المسام المكافئ من 2.9 ± 0.2 مم إلى 1.9 ± 0.1 مم، مما يُقلل بشكل كبير من عيوب المسام الخشنة. في الوقت نفسه، يُظهر التركيب الدقيق قابلية جيدة للبلل من Cf، الذي يتوزع على طول جدار المسام وواجهة الغاز-المادة الصلبة، مما يُعزز استقرار الرغوة.

(3) بالمقارنة مع AFS، زادت قوة الخضوع للضغط وسعة امتصاص الطاقة لـ Cf/AFS بنحو 40.6% و84.8% على التوالي. يمكن لنتائج هذه الدراسة أن تُقدم أفكارًا لتعزيز ألواح الساندويتش المصنوعة من رغوة الألومنيوم بواجهات ربط معدنية، والتي تتمتع بإمكانيات تطبيقية هندسية في مجال صناعات السيارات والفضاء.

مقالة من مجلة أبحاث وتكنولوجيا المواد