पारंपरिक एल्यूमीनियम फोम सैंडविच पैनल की तुलना में तांबा-जमा कार्बन फाइबर एल्यूमीनियम फोम सैंडविच पैनल प्रदर्शन विशेषताओं

एल्युमिनियम फोम सैंडविच(AFS) पैनलों में संरचनात्मक और कार्यात्मक विशेषताओं का संयोजन होता है जैसे कि कम घनत्व, उच्च विशिष्ट शक्ति, अनुकूल ऊर्जा अवशोषण, भिगोने की क्षमता और विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण। ये उत्कृष्ट गुण AFS को एयरोस्पेस, परिवहन और समुद्री क्षेत्रों में बहुत संभावनाएं देते हैं। बमुश्किल धातु की तुलना मेंफोमएएफएस की बाहरी धातु की प्लेटें फोम को प्रभावी ढंग से सील कर सकती हैं और इसके व्यापक यांत्रिक गुणों, जैसे तन्यता और झुकने की ताकत में सुधार कर सकती हैं। आम तौर पर, एएफएस को चिपकने वाली बॉन्डिंग विधि द्वारा निर्मित किया गया था, जिसमें एपॉक्सी राल चिपकने वाले का उपयोग करके एल्यूमीनियम फोम को ठोस धातु पैनलों से जोड़ना शामिल है।

यद्यपि चिपकने वाला बंधन विधि प्रभावी रूप से संरचनात्मक भिगोना को बढ़ाता है, लेकिन इसमें सीमाएँ भी हैं, जिसमें पुनर्चक्रण में चुनौतियाँ और उच्च तापमान या संक्षारक स्थितियों के तहत विघटन विफलता की संवेदनशीलता शामिल है। इन सीमाओं को संबोधित करने के लिए, पैनल और कोर परत के बीच धातुकर्म बंधन को प्राप्त करने के लिए व्यापक शोध प्रयास समर्पित किए गए हैं।

वर्तमान में, धातुकर्म बंधन को प्राप्त करने के उद्देश्य से AFS के लिए प्रमुख तैयारी विधियों को आम तौर पर तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है: वेल्डिंग, पिघल फोमिंग, और पैकिंग रोलिंग पाउडर धातुकर्म विधि। इन विधियों में, पैकिंग रोलिंग पाउडर धातुकर्म विधि को छिद्र संरचना को नियंत्रित करने और कम तापमान वाले फोमिंग को प्राप्त करने के लिए बेहतर माना जाता है। हमारे पिछले काम ने औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए बेहतर विस्तार गुणों और सेलुलर संरचना के साथ बड़े आकार के एएफएस को बनाने के लिए इस तकनीक को नियोजित किया।

हालांकि, फोम कोर के अपेक्षाकृत कम संपीड़न यांत्रिक गुणों के कारण, एएफएस की यांत्रिक शक्ति में सुधार सीमित है, इसलिए फोम कोर की शक्ति में और अधिक सुधार एएफएस के लिए महत्वपूर्ण है।

आज तक, संपीड़न यांत्रिक गुणों को बेहतर बनाने के लिए सामान्य तरीके बताए गए हैंएल्यूमीनियम फोमनिम्नलिखित हैं: सतह उपचार, गर्मी उपचार, और कणों, फाइबर, मिश्र धातु तत्वों आदि को जोड़कर सुदृढ़ीकरण। उनमें से, कम घनत्व, उच्च लोचदार मापांक और बड़े पहलू अनुपात वाले छोटे कार्बन फाइबर ने आशाजनक सुदृढ़ीकरण सामग्री के रूप में व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। इसके अलावा, कार्बन फाइबर का सतह धातुकरण, इलेक्ट्रोप्लेटिंग या रासायनिक चढ़ाना जैसे कि तांबा चढ़ाना या निकल चढ़ाना, एल्यूमीनियम पिघल में कार्बन फाइबर की गीलापन को और बेहतर बनाता है और कार्बन फाइबर और एल्यूमीनियम पिघल के बीच हानिकारक इंटरफेसियल प्रतिक्रियाओं से बचाता है। लघु कार्बन फाइबर अब एल्यूमीनियम मैट्रिक्स कंपोजिट को मजबूत करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

भाव सिंघेटल ने स्टिर कास्टिंग विधि द्वारा कॉपर-कोटेड कार्बन फाइबर प्रबलित एल्युमिनियम मैट्रिक्स कंपोजिट तैयार किया। मुएटल ने दो-रोल कास्टिंग विधि का उपयोग करके निकेल-कोटेड कार्बन फाइबर के साथ प्रबलित एल्युमिनियम मैट्रिक्स कंपोजिट तैयार किया। परिणामों ने कार्बन फाइबर के साथ कंपोजिट की तन्य शक्ति में एक महत्वपूर्ण वृद्धि का प्रदर्शन किया। हालाँकि, इस पर सीमित शोध किया गया हैएल्यूमीनियम फोम प्रबलिततांबे में लिपटे कार्बन फाइबर के साथ। Caoetal. ने सबसे पहले पिघले फोमिंग विधि के माध्यम से तांबे में लिपटे कार्बन फाइबर प्रबलित एल्यूमीनियम फोम तैयार किया। परिणाम दर्शाते हैं कि 0.35 वोल्ट% Cf तरल फिल्म के टूटने को रोककर एल्यूमीनियम फोम को स्थिर कर सकता है, और फोम में जितने अधिक फाइबर जोड़े जाते हैं, वह उतना ही अधिक स्थिर होता है। Muetal. ने दिखाया कि पिघले फोमिंग विधि द्वारा तैयार एल्यूमीनियम फोम के भिगोने के गुणों में Cf के जुड़ने से काफी सुधार हुआ।

तदनुसार, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि सीएफ का जोड़ फोमिंग स्थिरता और यांत्रिक गुणों को एक साथ सुधारने के लिए एक प्रभावी रणनीति हो सकती है।एल्यूमीनियम फोमइसके अलावा, पाउडर धातुकर्म विधि के माध्यम से तैयार किए गए तांबा-प्लेटेड कार्बन फाइबर प्रबलित एल्यूमीनियम फोम सैंडविच पैनलों पर कोई रिपोर्ट नहीं है, जो शोधकर्ताओं को इस क्षेत्र में अधिक गहन अध्ययन करने के लिए प्रेरित करता है।

के न्यूक्लिएशन तंत्र और स्थिरता पर कई अध्ययन किए गए हैंएल्यूमीनियम फोमसुदृढ़ीकरण चरणों के अतिरिक्त। छिद्र संख्या और छिद्र आकृति विज्ञान में अंतर,

आकार, वितरण और आकृति जैसे कारकों को आमतौर पर न्यूक्लिएशन तंत्र और स्थिरता के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। पाउडर धातु विज्ञान प्रणाली में विषम न्यूक्लिएशन प्रभाव और ऑक्साइड नेटवर्क स्थिरीकरण तंत्र की विस्तृत जांच की गई है। इस पत्र में उपयोग किए गए Al–Si–Mg–Cu से युक्त चतुर्धातुक मिश्र धातु पाउडर ने असाधारण विस्तार दर और कम फोमिंग तापमान प्रदर्शित किया है, जिसमें सॉलिडस तापमान 507 ◦C और लिक्विडस तापमान 596 ◦C है। फिर भी, इस विशिष्ट मिश्र धातु संरचना वाले पाउडर कॉम्पैक्ट के न्यूक्लिएशन तंत्र, स्थिरता और संपीड़न यांत्रिक गुणों के बारे में शोध की कमी है, खासकर जब Cf को शामिल किया जाता है। पिछले कार्यों में, न्यूक्लिएशन और स्थिरीकरण तंत्र की जांच मुख्य रूप से नॉन-इन-सीटू विधियों के माध्यम से की गई थी दुर्भाग्य से, सबमिक्रॉन बबल न्यूक्लियेशन मुख्य रूप से प्रीकर्सर हीटिंग के दौरान होता है और 100 एमएस से 1 एस तक के समय अंतराल में तेजी से फैलता है, जो अक्सर वास्तविक समय के अवलोकन के लिए चुनौतियां पेश करता है। आधुनिक सिंक्रोट्रॉन विकिरण एक्स-रे इमेजिंग तकनीक में उच्च ऊर्जा और स्थानिक-समय संकल्प होता है, जो उच्च तापमान पर एल्यूमीनियम फोम के न्यूक्लियेशन और वृद्धि प्रक्रिया के वास्तविक समय में, इन-सीटू अवलोकन की अनुमति देता है। वर्तमान में, केवल सीमित शोधकर्ताओं ने सिंक्रोट्रॉन विकिरण द्वारा Al–Si–Mg मिश्र धातु पाउडर के फोमिंग कैनेटीक्स का पता लगाया है। उदाहरण के लिए, गार्सिया-मोरेनोएटलस ने तरल एल्यूमीनियम फोम में महत्वपूर्ण गतिशील घटनाओं की सूचना दी, जिसमें न्यूक्लियेशन और वृद्धि, बुलबुला पुनर्व्यवस्था, तरल वापसी, समूहन और फिल्म टूटना शामिल है। काम एट अल ने सिंक्रोट्रॉन विकिरण द्वारा AlSi8Mg4 एल्यूमीनियम फोम के न्यूक्लियेशन और वृद्धि प्रक्रिया का अध्ययन किया। उनके निष्कर्षों ने संकेत दिया कि धातु पाउडर की सतह पर सोखने वाले पदार्थों के अपघटन के माध्यम से उत्पन्न हाइड्रोजन एक अन्य महत्वपूर्ण न्यूक्लियेशन तंत्र का प्रतिनिधित्व करता है। फिर भी, पूर्ववर्ती घटकों के बीच परस्पर क्रिया जटिल है, और झाग की गतिशीलता उनकी संरचना से प्रभावित हो सकती है। अल-सी-सीयू-एमजी पाउडर प्रणाली और अल-सी-सीयू-एमजी पाउडर प्रणाली जिसमें सीएफ मिलाया गया है, दोनों के लिए, धातु फोम की शुरुआत और वृद्धि को समझना और उसका अन्वेषण करना अनुप्रयोगों के लिए गुणों में सुधार करने के लिए फोम के आगे संरचनात्मक विकास के लिए महत्वपूर्ण है।

इस कार्य में, पैकिंग रोलिंग पाउडर धातुकर्म विधि द्वारा धातुकर्म इंटरफेसियल बॉन्डिंग के साथ Cf/AFS और AFS तैयार किए गए थे। बुलबुला न्यूक्लियेशन, विकास और विलय, और स्थिरता पर Cf के तंत्र को प्रकट करने के लिए सिंक्रोट्रॉन विकिरण द्वारा Cf/AFS और AFS के बुलबुलों के विकास को सीटू में देखा गया था। इसके अलावा, Cf/AFS और AFS को एक चैम्बर भट्टी में 15 मिनट के लिए 620 ◦C पर फोम किया गया था। इसके बाद, फोम किए गए नमूनों के छिद्र आकार वितरण, छिद्र सूक्ष्म संरचना और संपीड़न यांत्रिक गुणों की विशेषता और परीक्षण किया गया। उपर्युक्त अध्ययनों के आधार पर, Cf/AFS और AFS की संरचना और संपीड़न शक्ति का व्यवस्थित रूप से मूल्यांकन किया गया।

2.सामग्रीs और तरीके

2.1 कच्चा माल

एएफएस और सीएफ/एएफएस तैयार करने के लिए छह कच्चे माल का उपयोग किया गया: अल पाउडर (औसत आकार: 45 माइक्रोन, शुद्धता >99.70%), सि पाउडर (औसत आकार: 38 माइक्रोन, शुद्धता >99.50%), कॉपर पाउडर (औसत आकार: 38 माइक्रोन, शुद्धता >99.90%), एमजी पाउडर (औसत आकार: 75 माइक्रोन, शुद्धता >99.70%), टीआईएच2 पाउडर (औसत आकार: 45 माइक्रोन, शुद्धता >99.70%), और तांबा-लेपित कार्बन फाइबर (औसत आकार: 1～2 मिमी, तांबा-लेपित की मोटाई: 1.4 माइक्रोन)।

2.2. सीएफ/एएफएस का निर्माण

पैकिंग रोलिंग पाउडर धातुकर्म विधि का योजनाबद्ध चित्रण नीचे दिया गया हैचित्र .1। मिश्रण चरण के दौरान, चतुर्धातुक मिश्र धातु AlSi6Mg4Cu4 पाउडर तैयार किया गया था, जिसमें क्रमशः 86 wt%, 6 wt%, 4 wt% और 4 wt% के अनुपात में Al, Si, Cu और Mg के पाउडर थे। 1 wt% ऑक्सीकृत TiH2 पाउडर (470 ◦C पर 1.5 घंटे के लिए हवा में ताप उपचार) को एक उड़ाने वाले एजेंट के रूप में जोड़ा गया था जो पिघले हुए तापमान पर H2 को तेजी से छोड़ता है जिससे पिघलता फैलती है। इसके अतिरिक्त, 0.5 wt% कार्बन फाइबर को मजबूत करने वाले चरणों के रूप में शामिल किया गया था। विशेष रूप से, फोमिंग के दौरान फाइबर-एल्यूमीनियम पिघल इंटरफेस पर गीलापन बढ़ाने और Al4C3 जैसी हानिकारक प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए, कार्बन फाइबर को इलेक्ट्रोप्लेटिंग के माध्यम से तांबे में लेपित किया गया थाअंक 2इलेक्ट्रोलेस प्लेटिंग प्रक्रिया द्वारा प्राप्त कॉपर-कोटेड कार्बन फाइबर को दर्शाता है। कोटिंग में फाइबर की सतह का एक समान और निरंतर कवरेज होता है(चित्र 2(ए)-(बी))इसके बाद, इस अध्ययन में उपयोग की गई विभिन्न मिश्र धातु संरचनाएँ 3 घंटे के लिए तीन-आयामी मिक्सर में Cf के साथ और बिना उपरोक्त पाउडर को अच्छी तरह से मिलाकर तैयार की गईं। समान रूप से मिश्रित पाउडर को एक सीलबंद गुहा के भीतर समाहित किया जाता है, उसके बाद ठंडी और गर्म रोलिंग प्रक्रियाएँ की जाती हैं।

कोल्ड रोलिंग चरण कई पास और छोटे गड्ढों की एक श्रृंखला के माध्यम से कणों के बीच गुहाओं और अंतरालीय स्थानों से हवा को प्रभावी ढंग से बाहर निकालता है। गर्म रोलिंग चरण यह सुनिश्चित करता है कि पैनल और पाउडर के सह-विरूपण के माध्यम से अग्रदूत 98% से अधिक सापेक्ष घनत्व प्राप्त करता है, जो बाद की फोमिंग प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाता है। विस्तृत रोलिंग प्रक्रिया मापदंडों का वर्णन संदर्भों में किया गया है। AFS और Cf/AFS फोमेबल अग्रदूत उपर्युक्त प्रक्रिया के माध्यम से प्राप्त किए जाते हैं। अंततः, दोनों फोमेबल अग्रदूतों को 620 ◦C पर 15 मिनट के लिए गर्म किया गया ताकि Cf/AFS और AFS नमूने तैयार किए जा सकें, जिनका उपयोग छिद्र आकार विश्लेषण, सूक्ष्म संरचनात्मक लक्षण वर्णन और संपीड़न यांत्रिक गुणों के परीक्षण के लिए किया गया।

2.3. लक्षण वर्णन और परीक्षण विधियाँ

2.3.1. सूक्ष्म संरचनात्मक लक्षण वर्णन

सीएफ/एएफएस और एएफएस की सूक्ष्म संरचना आकृति विज्ञान की जांच फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम, ज़ीस अल्ट्रा प्लस) द्वारा की गई। फोमयुक्त नमूनों की कोशिका भित्तियों में विभिन्न चरणों की संरचना की पहचान करने के लिए ऊर्जा फैलाव स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) का उपयोग किया गया था। इलेक्ट्रो-डिस्चार्जिंग मशीन (ईडीएम, डीके7745) का उपयोग करके फोमयुक्त नमूनों को काटकर नमूनों के अनुदैर्ध्य खंड प्राप्त किए गए थे। इसके बाद, नमूनों के अनुदैर्ध्य खंडों को पेंट से लेपित किया गया और फिर क्रमशः 800-ग्रिट और 1500-ग्रिट सैंडपेपर का उपयोग करके रेत और पॉलिश किया गया। अंततः, पॉलिश किए गए नमूने के क्रॉस-सेक्शन के समतुल्य सेल व्यास (डीमीन) को इमेज एनालिसिस सॉफ्टवेयर, इमेज प्रो प्लस 6.0 का उपयोग करके निर्धारित किया गया।

चित्र .1।पैकिंग रोलिंग पाउडर धातुकर्म विधि का योजनाबद्ध।

अंक 2।(ए) कॉपर-कोटेड कार्बन फाइबर की एसईएम छवियां, और (बी) (ए) में लाल वर्ग द्वारा चिह्नित क्षेत्र का एक बड़ा दृश्य दिखाती हैं। छवियां (सी) और (डी) (बी) में बिंदु ए के ईडीएस परिणाम हैं।

चित्र 3.सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रयोग सेटअप का योजनाबद्ध आरेख।

2.3.2. सिंक्रोट्रॉन विकिरण द्वारा इन-सीटू फोमिंग अवलोकन

सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रयोग सेटअप का योजनाबद्ध आरेख नीचे दिया गया हैचित्र 3. ये प्रयोग बीजिंग सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन फैसिलिटी (बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ हाई एनर्जी फिजिक्स, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज, चीन) के बीमलाइन 4W1A पर किए गए थे। पारंपरिक अवशोषण-विपरीत इमेजिंग के विपरीत, यह पेपर सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रकाश स्रोत के साथ चरण-विपरीत इमेजिंग का उपयोग करता है। यह दृष्टिकोण पारंपरिक अवशोषण इमेजिंग की सीमाओं को संबोधित करता है, जो कमजोर रूप से अवशोषित पदार्थों को देखने के लिए अप्रभावी है। नमूनों की फोमिंग प्रक्रिया एक कस्टम-डिज़ाइन किए गए फोमिंग फर्नेस के भीतर की गई थी, जिसमें एक्स-रे बीम दिशा के लंबवत स्थित 15 मिमी x 15 मिमी वर्ग विंडो थी। चित्र 3 में दर्शाए अनुसार नमूने का आकार 15 मिमी × 15 मिमी × 2 मिमी है चयनित एक्स-रे स्रोत 20 केवी की तीव्रता पर संचालित होता था, तथा सम्पूर्ण फोमिंग प्रक्रिया का व्यापक अवलोकन करने के लिए 7.4 मिमी × 7.4 मिमी का अधिकतम दृश्य आकार नियोजित किया गया था।

यह ध्यान देने योग्य है कि देखे गए नमूने रोलिंग दिशा और स्पर्शरेखा दिशा दोनों के लिए लंबवत तरीके से स्थित थे। 0.5 wt% Cf वाले और 0.5 wt% Cf रहित दोनों प्रीकर्सर के साइड पैनल को EDM का उपयोग करके नमूनों के दोनों तरफ से हटा दिया गया था। एल्युमिनियम फोम की फोमिंग विशेषताओं पर Cf के प्रभाव की जांच की गई। इसके अलावा, अलग-अलग रचनाओं वाले प्रीकर्सर को 620 ◦C के पूर्व निर्धारित तापमान पर एक ही हीटिंग भट्टी में फोम किया गया।

2.3.3. संपीड़न यांत्रिक गुण परीक्षण

संपीड़न नमूनों को ईडीएम द्वारा 23 मिमी की ऊंचाई और 20 मिमी के व्यास के साथ बेलनाकार नमूनों में काटा गया था, और आकार के प्रभाव से बचने के लिए हर दिशा में कम से कम 10 पूर्ण छिद्रों को शामिल करना सुनिश्चित किया गया था। 100 केएन की अधिकतम भार क्षमता वाले एजी-एक्सप्लस इलेक्ट्रॉन यूनिवर्सल मटीरियल टेस्टिंग मशीन का उपयोग करके, आईएसओ 13314-2011 और जीबी/टी 31930-2015 मानकों का पालन करते हुए अर्ध-स्थैतिक संपीड़न परीक्षण किए गए थे। प्रत्येक समूह के लिए तीन नमूनों का परीक्षण किया गया था, और इस पेपर में संपीड़न तनाव-तनाव वक्र तीन परीक्षण किए गए नमूनों से प्राप्त औसत परिणामों का प्रतिनिधित्व करते हैं। सभी परीक्षण विस्थापन नियंत्रण के तहत किए गए थे, कमरे के तापमान पर 2 मिमी/मिनट की निरंतर क्रॉस-हेड गति (10− 3 एस− 1 की प्रारंभिक विकृति दर के अनुरूप) बनाए रखते हुए।

चित्र 4.सीएफ/एएफएस फोमिंग प्रक्रिया की समय-विकसित सिंक्रोट्रॉन विकिरण छवियां: (ए) 380 ◦C के t0 क्षण पर अनफोम्ड प्रीकर्सर; (बी)-(सी) प्रीकर्सर पिघलने के दौरान मौलिक तांबे और प्रकार II न्यूक्लिएशन का विघटन; (डी)-(जी) बुलबुले के विषम न्यूक्लिएशन और विकास प्रक्रियाएं; और (एच)-(आई) बुलबुले का विलय और टूटना।

3) परिणाम और चर्चा

3.1. सिंक्रोट्रॉन विकिरण के तहत इन-सीटू फोमिंग व्यवहार

3.1.1. सीएफ/एएफएस का फोम विकास

चित्र 4सिंक्रोट्रॉन विकिरण छवियों की एक श्रृंखला प्रदर्शित करता है जो Cf/AFS की फोमिंग प्रक्रिया को दर्शाती है। Cf/AFS की मूल छवियाँ(चित्र 4 (ए))मैट्रिक्स के ठोस अवस्था में 380 ◦C पर होने पर कैप्चर किए गए थे, और इस समय को t0 के रूप में सेट किया गया था। पूर्ववर्ती में अन्य घटकों की तुलना में, Cf मुख्य रूप से ग्रे एल्यूमीनियम-समृद्ध मैट्रिक्स के भीतर काला दिखाई देता है। इसे फाइबर सतह पर उच्च तांबे की सामग्री के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जैसा कि दिखाया गया हैचित्र 2(सी)-(डी), जिसका पूर्ववर्ती के अन्य घटकों की तुलना में सबसे बड़ा सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान है। इसके अलावा, Cf का अधिकांश भाग एक साथ समूहबद्ध होने के बजाय बिखरा हुआ और अलग-अलग पाया जाता है, जैसा कि दिखाया गया हैचित्र 4(ए)इसका तात्पर्य यह है कि 0.5 wt% Cf मिलाने पर, 3 घंटे की सरगर्मी प्रक्रिया से फैलाव की वांछित स्थिति प्रभावी रूप से प्राप्त की जा सकती है।

t0+194s पर (जैसा कि देखा गया हैचित्र 4(बी)), ग्रे एल्युमिनियम मैट्रिक्स (लाल तीर से चिह्नित) में 90 μm से 180 μm तक के व्यास वाले सफेद, लगभग गोलाकार बुलबुले की एक बड़ी संख्या देखी जा सकती है। बुलबुले की संख्या 46 सेकंड के भीतर बढ़ती रही, जैसा कि चित्र में दिखाया गया हैचित्र 4(सी)इसके अलावा, मैट्रिक्स में होने वाला एक और उल्लेखनीय परिवर्तन यह है कि Cu के विघटन की शुरुआत के साथ Cf की सतह पर कुछ छोटे बुलबुले बनते हैं (लाल बिंदीदार बॉक्स से चिह्नित)। यह घटना संभवतः तांबा युक्त पाउडर कॉम्पैक्ट के भीतर होने वाले टाइप II न्यूक्लियेशन के कारण होती है। यह व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है कि Cu के जुड़ने से मिश्र धातुओं के पिघलने का तापमान काफी कम हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप हीटिंग प्रक्रिया के दौरान तांबा पाउडर युक्त पाउडर अग्रदूत में व्यक्तिगत पाउडर कणों के आसपास स्थानीयकृत पिघलन होता है, जिससे कम तापमान पर पर्याप्त मात्रा में Al–Si–Mg–Cu चतुर्धातुक गलनक्रांतिक पिघल उत्पन्न होता है। चतुर्धातुक गलनक्रांतिक पिघल पूल मिश्र धातु में एक कमजोर क्षेत्र होता है और इसमें न्यूक्लियेशन की अधिक संभावना होती है। परिणामस्वरूप, बुलबुले फाइबर सतह पर तांबा-लेपित के पास न्यूक्लियेट और बढ़ने की अधिक संभावना रखते हैं। इसके अलावा, इस समय मैट्रिक्स में कम तरल अंश TiH2 के अपघटन से गैसों को एल्यूमीनियम मैट्रिक्स में आसानी से जमा होने का कारण बनता है। प्रकार II न्यूक्लिएशन से संचित गैस को कम तरल अंश मैट्रिक्स को अलग करने और तरल के माध्यम से दरारें फैलाने से प्रभावी रूप से रोका जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन की मात्रा में गंभीर हानि होती है।

चित्र 4(डी)यह दिखाता है कि बुलबुले शुरू में सीएफ के क्षेत्र पर बनते हैं और बढ़ते हैं क्योंकि मैट्रिक्स पूरी तरह से पिघल जाता है, और बुलबुले के स्थान गायब हो रहे तांबे-लेपित परत (लाल बिंदीदार बॉक्स से चिह्नित) के अनुरूप होते हैं। यह अच्छी तरह से स्थापित है कि द्वितीयक चरणों के जुड़ने से विषम न्यूक्लियेशन साइटों की संख्या बढ़ जाती है, जिससे मिश्र धातु पिघल के भीतर नए बुलबुले के गठन के लिए ऊर्जा अवरोध कम हो जाता है। इस बीच, न्यूक्लियेशन दर प्रति इकाई आयतन में कुल विषम न्यूक्लियेशन क्षेत्र से संबंधित है। नतीजतन, यह देखा जा सकता है कि बुलबुले शुरू में उन जगहों पर बनते हैं जहां कार्बन फाइबर स्थित होते हैं और कार्बन फाइबर की लंबाई के साथ फैलते हैं। पिघले हुए अंश में और वृद्धि के साथ, कई नए बुलबुले निकलते रहते हैंचित्र 4(ई)–4(जी)हालांकि, बुलबुले के स्थानीय विलय और टूटने की दर धीमी है, जो दर्शाता है कि बुलबुले में उच्च स्थिरता है। t0+426s पर, बुलबुले की संख्या में काफी वृद्धि होती है, और

पूर्ववर्ती मात्रा बड़ा विस्तार प्रदर्शित करती है(चित्र 4(एच))इसके अलावा, कुछ बुलबुला विलय (लाल तीर से चिह्नित) की घटना, जहां छोटे बुलबुले ओस्टवाल्ड परिपक्वता के कारण बड़े लोगों द्वारा अवशोषित होते हैं, धातु फोम के विकास के दौरान एक अपरिहार्य प्रक्रिया है [40]। इस परिपक्वता घटना के परिणामस्वरूप बड़ी संख्या में बड़े और अनियमित बुलबुले (लाल तीर से चिह्नित) की उपस्थिति भी होती हैचित्र 4(i)).

चित्र 5.विभिन्न चरणों में एएफएस की फोमिंग प्रक्रिया की समय-विकसित छवियां: (ए) 380 ◦C के t0 क्षण पर अनपिघला हुआ अग्रदूत; (बी) अग्रदूत पिघलने के दौरान मौलिक तांबे का विघटन और प्रकार II न्यूक्लिएशन; (सी) बुलबुले के न्यूक्लिएशन और विकास प्रक्रियाएं; और (डी) - (एफ) बुलबुले का विलय और टूटना।

3.1.2. एएफएस का फोम विकास

चित्र 5 में सिंक्रोट्रॉन विकिरण छवियों की एक श्रृंखला प्रदर्शित की गई है जो AFS की फोमिंग प्रक्रिया को दर्शाती है। Cf/AFS के समान, सिंक्रोट्रॉन विकिरण अनुक्रम के लिए प्रारंभिक छवि तब कैप्चर की गई थी जब AFS 380 ◦C पर ठोस चरण में था (देखेंचित्र 5(ए)) जब मैट्रिक्स को सॉलिडस तापमान से ऊपर गर्म किया जाता है, तो उसमें छोटे सफेद बुलबुले दिखाई देने लगते हैंचित्र 5(बी) और (सी), TiH2 के अपघटन और Cu-समृद्ध क्षेत्र में टाइप II न्यूक्लियेशन की घटना के परिणामस्वरूप। हालाँकि, उत्पन्न बुलबुले की संख्या और उनका वितरण घनत्वचित्र 5(सी)की तुलना में काफी कम हैचित्र 4(सी)इससे पता चलता है कि सीएफ/एएफएस न्यूक्लिएशन के दौरान प्रारंभिक गैस रिलीज के लिए अधिक चैनल प्रदान करता है, जिससे कम तरल अंश वाले एल्यूमीनियम मैट्रिक्स में दरारें बनने से रोका जा सकता है।

सीएफ/एएफएस की तुलना में एएफएस न्यूक्लिएशन साइटों की कम संख्या और असामान्य बुलबुला वृद्धि की उच्च संभावना देखी जा सकती हैचित्र 5(डी)-(एफ)एएफएस बुलबुले का विकास अनियमित है, और उनके आकार माइक्रोमीटर आकार के बुलबुले और असामान्य रूप से मिलीमीटर आकार के बड़े बुलबुले (लाल तीर से चिह्नित) दोनों के सह-अस्तित्व के कारण व्यापक उतार-चढ़ाव प्रदर्शित करते हैं। इसके अलावा, प्रारंभिक न्यूक्लियेशन प्रक्रिया के दौरान यह अस्थिरता और असमानता एएफएस और सीएफ/एएफएस के बीच अंतिम छिद्र संरचना और यांत्रिक गुणों में महत्वपूर्ण अंतर पैदा कर सकती है।

3.2. मैक्रोस्ट्रक्चर विश्लेषण

एएफएस और सीएफ/एएफएस के बीच मैक्रोस्कोपिक पोर आकृति विज्ञान और पोर व्यास में अंतर की जांच करने के लिए, प्रयोगशाला स्थितियों के तहत 620 ◦C के फोमिंग तापमान पर 15 मिनट के लिए दो सैंडविच संरचनाएं तैयार की गईं। एएफएस और सीएफ/एएफएस की मैक्रोस्ट्रक्चर और सेल आकार वितरण को दिखाया गया हैचित्र 6दो सैंडविच संरचना नमूनों के ऊर्ध्वाधर भागों की तुलना से पता चलता है कि सीएफ/एएफएस फोम में महीन कोशिकाएं होती हैं और कोशिकाओं का टूटना या विलय जैसे दोष कम होते हैं (देखेंचित्र 6 (बी)) इसके विपरीत, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।चित्र 6(ए), AFS कुछ असामान्य रूप से बड़े छिद्रों की उपस्थिति के साथ खराब छिद्र समरूपता प्रदर्शित करता है। इस बीच, AFS और Cf/AFS के लिए समतुल्य छिद्र व्यास क्रमशः 2.9 ± 0.2 मिमी और 1.9 ± 0.1 मिमी थे, जो यह दर्शाता है कि छिद्र व्यास को Cf के योग से और अधिक परिष्कृत किया गया था (देखेंचित्र 6(सी) और (डी)).

छिद्र संरचना का विकास दो प्रतिस्पर्धी तंत्रों से प्रभावित होता है: TiH2 का अपघटन और फोम का विलय और टूटना। TiH2 का अपघटन न्यूक्लिएशन, छिद्रण और विस्तार दर की संख्या में वृद्धि में योगदान देता है, जबकि बुलबुले के विलय और टूटने से छिद्रों की संख्या कम हो जाती है और छिद्रों का व्यास बढ़ जाता है। बुलबुला विलय और टूटने की घटनाओं में कमी एक बेहतर सेलुलर संरचना प्राप्त करने में योगदान देती है। इसलिए, फोमिंग प्रक्रिया के दौरान छिद्र संरचना की एकरूपता बनाए रखने के लिए फोम की उच्च स्थिरता आवश्यक है। Cf/AFS के लिए, Cf को जोड़ने से एल्यूमीनियम पिघल के साथ फाइबर की गीलीपन में काफी सुधार होता है। पिघल फोमिंग विधि द्वारा तैयार रिपोर्ट किए गए Cf प्रबलित एल्यूमीनियम फोम [44] के समान, Cf को जोड़ने से सेल दीवार के टूटने को रोकने और समूहन को कम करने के द्वारा एल्यूमीनियम फोम को स्थिर किया जाता है। इस बीच, Cf कोशिका भित्ति में एक जाल जैसी संरचना बना सकता है, जो पृथक्करण बल उत्पन्न करता है और बुलबुले के टूटने को रोकता है, इस प्रकार, कोशिका संरचना, फोम स्थिरता और छिद्र वितरण की एकरूपता में सुधार करता है।

3.3. सूक्ष्म संरचनात्मक लक्षण वर्णन

चित्र 7(ए)एएफएस के साथ फोमिंग के बाद सेल दीवार की सूक्ष्म संरचना को दर्शाता है। जैसा कि AlSi6Cu4Mg4 मिश्र धातु फोम के लिए बताया गया है, यूटेक्टिक Al–Si, Mg2Si, Al2Cu, और Al5Cu2Mg8Si6, मिश्र धातु में मौजूद हैं, जो ईडीएस विश्लेषण से प्राप्त निष्कर्षों के अनुरूप हैचित्र 7(बी)ये भंगुर चरण छिद्र की दीवार को कमजोर करके या विरूपण के दौरान दरारों के स्रोत के रूप में कार्य करके एल्यूमीनियम फोम के यांत्रिक गुणों को कम करते हैं। इसलिए, सुदृढ़ीकरण चरणों के माध्यम से छिद्र की दीवार के यांत्रिक गुणों को बढ़ाना एक व्यवहार्य और प्रभावी रणनीति है।

Cf/AFS के लिए, इसे इस प्रकार देखा जा सकता हैचित्र 7(सी) और (घ)कि Cf कोशिका भित्ति के अंदर या कोशिका भित्ति के किनारे पर वितरित है, यह दर्शाता है कि Cf में एल्युमिनियम पिघल के साथ उत्कृष्ट गीलापन है। इसके अलावा, यह ध्यान देने योग्य है (देखेंचित्र 7(डी)) कि अवक्षेपित चरण Al2Cu की एक छोटी मात्रा फाइबर और एल्यूमीनियम पिघल के बीच इंटरफेस पर बनती है। यह घटना फाइबर और मैट्रिक्स के बीच एक मजबूत बंधन प्राप्त करने में योगदान देती है। इस प्रसार प्रतिक्रिया की प्रगति को सहज रूप से देखा जा सकता हैचित्र 4(ए)-(सी)ध्यान दें कि, अवक्षेपित चरण कार्बन फाइबर को पूरी तरह से घेरता नहीं है, और इस वितरण की स्थिति और मात्रा Cf/AFS के लिए फायदेमंद है। Cf प्रबलित एल्यूमीनियम मैट्रिक्स मिश्रित सामग्रियों पर Lv एट अल के अध्ययन के आधार पर, यह प्रदर्शित किया गया कि अवक्षेपित चरण की उचित मात्रा इंटरफ़ेसियल बॉन्ड ताकत को प्रभावित और विनियमित कर सकती है।

चित्र 6.प्रतिनिधि नमूने (ए) एएफएस और (बी) सीएफ/एएफएस के ऊर्ध्वाधर खंड। (ए) और (बी) के अनुरूप समतुल्य व्यास बनाम क्षेत्र अंश प्लॉट क्रमशः (सी) और (डी) में दर्शाए गए हैं। (सी) और (डी) में ठोस निरंतर रेखा लॉग-सामान्य फिट का प्रतिनिधित्व करती है। प्रतिगमन (आर 2) फिट की अच्छाई का प्रतिनिधित्व करता है।

चित्र 7.एसईएम छवियाँ (ए) और (बी) संबंधित सूक्ष्म संरचनाओं को दर्शाती हैंचित्र 6(ए) एएफएस औरचित्र 6(बी) सीएफ/एएफएस, क्रमशः, इसके अलावा,चित्र 7(बी) और (डी) स्थानीयकृत आवर्धन दिखाते हैंचित्र 7क्रमशः (ए) और (सी).

3.4. Cf स्थिरीकरण Al–Si–Mg–Cu फोम का तंत्र

उपर्युक्त विश्लेषण के आधार पर, सीएफ/एएफएस और एएफएस के लिए फोमिंग तंत्र का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व संक्षेप में प्रस्तुत किया गया हैचित्र 8. न्यूक्लियेशन चरण, बुलबुला विकास और विलय चरण और क्रमिक ठोसीकरण चरण में सीएफ/एएफएस और एएफएस के बीच महत्वपूर्ण अंतर, जैसा कि चित्र में दर्शाया गया हैचित्र 8(ए) और (बी).

चित्र 8.सीएफ/एएफएस और एएफएस फोमिंग व्यवहार का योजनाबद्ध आरेख: (ए) सीएफ/एएफएस; और (बी) एएफएस।

AlSi6Cu4Mg4 मिश्र धातु फोम के न्यूक्लिएशन चरण में, बुलबुले TiH2 कणों के स्थान पर न्यूक्लिएशन करने के बजाय, तांबे के कणों के आस-पास के तरल चतुर्धातुक यूटेक्टिक के भीतर न्यूक्लिएशन करते हैं। पूर्ववर्ती के सबसे कमज़ोर क्षेत्र (प्रकार II न्यूक्लिएशन) में इस प्रकार का न्यूक्लिएशन TiH2 अपघटन द्वारा जारी गैसों के लिए अधिक निकास चैनल प्रदान करता है, जिससे गैसों का संचय नहीं होता है और एल्यूमीनियम पिघल में दरारें नहीं फैलती हैं। तांबे में लिपटे कार्बन फाइबर के जुड़ने से जाहिर तौर पर H2 को जारी करने के लिए और अधिक चैनल बनते हैं। हालाँकि, चूँकि इस चरण में एल्यूमीनियम पिघल में पर्याप्त तरल अंश नहीं होता है, इसलिए ऐसे छोटे बुलबुले के लिए H2 का पर्याप्त स्रोत होना मुश्किल होता है ताकि वे बढ़ते रहें। नतीजतन, तापमान बढ़ने पर ये छोटे बुलबुले पिघल के भीतर फट जाते हैं। जब पूर्ववर्ती पूरी तरह से पिघल जाता है, तो TiH2 की हिंसक डीहाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रिया से जारी H2 न्यूक्लिएशन बिंदु के आधार पर तेजी से न्यूक्लिएशन और बढ़ेगा। Cf बुलबुले के निर्माण के लिए कई विषम न्यूक्लियेशन साइट प्रदान करता है, जो न्यूक्लियेशन दरों को बहुत बढ़ाता है। साथ ही, Cf की उपस्थिति प्राथमिक बुलबुले के संपर्क और विलय को प्रभावी ढंग से रोकती है और असामान्य रूप से बड़े बुलबुले के गठन से बचाती है।

बुलबुले के विकास और विलय के चरण के दौरान, Cf के जुड़ने से फोम की स्थिरता में काफी सुधार होता है। इसका कारण यह है कि Cf और एल्युमिनियम पिघल में अच्छी गीलापन क्षमता होती है, और फाइबर को दो गैस-तरल इंटरफेस के बीच आसानी से फंसाया जा सकता है ताकि एक नेटवर्क संरचना बनाई जा सके (जैसा कि चित्र में दिखाया गया है)चित्र 7(सी))। जैसे-जैसे तरल फिल्म पतली होती जाती है, फाइबर पठार सीमा से चूषण का विरोध करने के लिए पृथक्करण दबाव उत्पन्न कर सकते हैं, इस प्रकार तरल फिल्म को टूटने से रोकते हैं। इसलिए Cf/AFS को AFS की तुलना में लंबे समय तक झाग बनाने की आवश्यकता होती है, जिसमें उच्च स्थिरता होती है जो फोम के विकास के दौरान छिद्र संरचना की एकरूपता को बनाए रख सकती है।

धीमी गति से ठोसीकरण के चरण के दौरान, Cf/AFS में बुलबुले नहीं बढ़ते हैं और रेशे कोशिका भित्ति के भीतर समा जाते हैं (लाल बिंदीदार बॉक्स से चिह्नित)। रेशों का यह प्रतिधारण बड़े बुलबुले द्वारा छोटे बुलबुले के अवशोषण को रोकता है, जैसा कि ओस्टवाल्ड परिपक्वता में देखा गया है, और ठोसीकरण विस्तार के कारण कोशिका भित्ति के टूटने को रोकता है। परिणामस्वरूप, Cf/AFS AFS की तुलना में अधिक समरूप छिद्र संरचना और कम छिद्र दोष प्रदर्शित करता है।

3.5. यांत्रिक गुण

लगभग समान छिद्रता (क्रमशः 83.2% और 81.4%) के साथ Cf/AFS और AFS के लिए संपीड़न तनाव-विकृति वक्र प्रस्तुत किए गए हैंचित्र 9(ए)संपीड़न तनाव-विकृति वक्र एक विशिष्ट त्रिस्तरीय विशेषता प्रदर्शित करता है, जिसमें रैखिक लोचदार क्षेत्र, पठार क्षेत्र और घनत्व क्षेत्र शामिल हैं। AFS और Cf/AFS की संपीड़न उपज शक्ति क्रमशः 8.44 MPa और 11.87 MPa थी। AFS की तुलना में Cf/AFS की संपीड़न उपज शक्ति 40.6% बढ़ गई थी। इस बीच, Cf/AFS की ऊर्जा अवशोषण क्षमता समान तनाव पर AFS की तुलना में बेहतर है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।चित्र 9(बी)एएफएस और सीएफ/एएफएस की ऊर्जा अवशोषण क्षमता क्रमशः लगभग 3.3 एमजे/एम3 और 6.1 एमजे/एम3 है। सीएफ/एएफएस की ऊर्जा अवशोषण क्षमता एएफएस की तुलना में 84.8% बेहतर है।

चित्र 9.सीएफ/एएफएस और एएफएस के संपीड़न तनाव-ट्रेन वक्र और ऊर्जा अवशोषण क्षमता वक्र: (ए) संपीड़न तनाव-ट्रेन वक्र; (बी) ऊर्जा अवशोषण क्षमता वक्र।

Cf के समावेश से फोम कोर के यांत्रिक गुणों में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। यह सर्वविदित है कि इसके यांत्रिक गुणधर्मएल्यूमीनियम फोमछिद्र संरचना और स्ट्रट यांत्रिक गुणों से घनिष्ठ रूप से संबंधित हैं। मैक्रोस्ट्रक्चरल विश्लेषण ने संकेत दिया कि सीएफ के योग से छिद्र का आकार परिष्कृत हुआ, छिद्र वितरण में सुधार हुआ और छिद्र दोष कम हुए। शशिकुमार एट अल और यंगेटल के निष्कर्षों के समान, छोटे छिद्र व्यास और संकीर्ण छिद्र वितरण संपीड़न शक्ति और ऊर्जा अवशोषण दक्षता को बढ़ाने के लिए अधिक फायदेमंद होते हैं। इसके अलावा, फोम के यांत्रिक गुणों पर सूक्ष्म संरचना का प्रभाव मुख्य रूप से फोम की छिद्र दीवारों में अंतर्निहित सीएफ के कारण होता है। एल्यूमीनियम मैट्रिक्स में कार्बन फाइबर के तांबा-लेपित के प्रसार और विघटन से फाइबर और एल्यूमीनियम मैट्रिक्स के बीच एक मजबूत इंटरफेसियल बंधन प्राप्त हो सकता है, जो लोड स्थानांतरण में योगदान देता है। छिद्र दीवार में स्टेपल किए गए उच्च मापांक कार्बन फाइबर संपीड़न भार के तहत छिद्र दीवार के विरूपण को सीमित कर सकते हैं और भार वहन क्षमता में सुधार कर सकते

4 निर्णय

इस कार्य में पैकिंग रोलिंग पाउडर धातुकर्म विधि द्वारा Cf/AFS और AFS तैयार किए गए थे। Cf/AFS और AFS के झाग बनाने वाले व्यवहार को सिंक्रोट्रॉन विकिरण के माध्यम से गतिशील रूप से देखा गया था।

बुलबुले के निर्माण और वृद्धि पर Cf के प्रभाव की जांच की गई। इसके अलावा, एल्यूमीनियम फोम के छिद्र आकारिकी, छिद्र वितरण और संपीड़न गुणों पर Cf का गहन विश्लेषण किया गया। मुख्य निष्कर्ष इस प्रकार हैं:

(1) सिंक्रोट्रॉन विकिरण के स्वतः अवलोकन से पता चलता है कि सीएफ/एएफएस और एएफएस फोमिंग प्रक्रियाएं दोनों तीन अलग-अलग चरणों को प्रदर्शित करती हैं: बुलबुला न्यूक्लिएशन, बुलबुला विकास और विलय, और ठोसकरण।

एएफएस की तुलना में, सीएफ/एएफएस की फोमिंग प्रक्रिया उच्च स्थिरता और बुलबुला एकरूपता प्रदर्शित करती है। एएफएस छिद्र विकास प्रक्रिया के दौरान असामान्य रूप से बड़े और मोटे छिद्रों के निर्माण के लिए अधिक प्रवण है। इसके अतिरिक्त, असमानता को सीएफ के विषम न्यूक्लियेशन प्रभाव के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जो बुलबुला दीवार के टूटने को रोकता है और न्यूक्लियेशन दर को बढ़ाते हुए संलयन को कम करता है।

(2) 0.5 wt.% Cf के योग से समतुल्य छिद्र व्यास 2.9 ± 0.2 मिमी से 1.9 ± 0.1 मिमी तक परिष्कृत हो जाता है, जिससे मोटे छिद्र दोष काफी कम हो जाते हैं। साथ ही, सूक्ष्म संरचना Cf की अच्छी गीलापन क्षमता को प्रकट करती है, जो छिद्र दीवार और गैस-ठोस इंटरफेस के साथ वितरित होती है, जिससे फोम स्थिरता बढ़ जाती है।

(3) एएफएस की तुलना में, सीएफ/एएफएस की संपीड़न उपज शक्ति और ऊर्जा अवशोषण क्षमता में क्रमशः लगभग 40.6% और 84.8% की वृद्धि हुई। इस अध्ययन के निष्कर्ष धातुकर्म बंधन इंटरफेस के साथ एल्यूमीनियम फोम सैंडविच पैनलों के सुदृढ़ीकरण के लिए विचार प्रदान कर सकते हैं जिनमें ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस उद्योगों के क्षेत्र में इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों की क्षमता है।

जर्नल ऑफ मैटेरियल्स रिसर्च एंड टेक्नोलॉजी से लेख