可利用水蒸发散热的泡沫铝合金材料研究

发布时间：2020-06-09 07:52

【摘要】：随着机器人工程技术的发展,传统的液压驱动方式以及循环水冷却电机模式因其装置在空间上的占比过大,在某些新型机器人上体现出了不适用性。有学者提出通过对机器人骨骼结构进行贮水改进,利用水的蒸发潜热来完成对驱动电机进行冷却。特定孔隙度的通孔泡沫铝材料,可以满足此方面的需求。本课题从材料设计的角度出发,利用以Na Cl为造孔剂、6061铝合金为基体材料的粉末冶金方法研究制备通孔泡沫铝合金,并对不同孔隙参数的材料进行力学性能与散热性能的表征,以及研究热处理工艺对其力学性能的提升。在本课题中,研究了混粉时间、冷压压力、烧结温度、保温时间以及热复压致密化加压方式对材料组织和性能的影响,从而得到最佳的制备工艺组合;对不同孔隙率、孔隙直径的材料力学性能进行表征分析;测量实际连通孔隙率,设计并搭建模拟的散热装置,来表征不同孔隙率材料的散热性能;设计正交试验,分析固溶温度、固溶时间、时效时间与时效温度对材料力学性能的影响,并研究得到最佳的热处理工艺组合。研究结果表明:采用3:1的球料比、115r/min的转速、4h的混粉时长,可以在时间成本较低的情况得到组织均匀、性能稳定的材料。最佳制备工艺组合为:最大系统压力25MPa双向加压,冷压保压10min,采用二级热复压并保压5分钟,烧结温度选取为630℃保温30min,在79~526μm尺寸下,50%孔隙率泡沫铝合金抗拉强度可达27.98MPa。材料的拉伸强度受孔隙率很大地直接影响,随着孔隙率增加呈线性衰减。材料的拉伸强度受孔隙形貌的影响略大于孔隙直径,规整、少棱角的形貌的造孔剂材料抗拉强度更高;较大尺寸的造孔剂制备的泡沫铝合金抗拉强度稍好。实际联通孔隙率与设计孔隙率有所出入,随着设计孔隙率的增加,实际情况越接近设计情况。加热功率一定时,通孔率越高使系统达到动态平衡的温度越低,散热能力越强。对于低功率散热要求的系统,50%孔隙率覆盖材料应用效果较好,60%孔隙率则兼具力学性能与散热性能。对材料进行T6热处理,在固溶温度520℃下保温1h后淬火,时效温度190℃时效2h可得性能较好的材料。
【图文】：

泡沫铝

第 1 章绪论引言以往的工程材料中，无论是微观的还是宏观的孔洞，因为它们经常长和扩展的中心，而被看作是一种结构上的缺陷[1]。但是材料会因的孔洞(孔隙率)增长到一定数值的时候，而产生一些特殊的性能，孔材料(泡沫材料)这样一个新的材料门类的诞生。沫铝作为一种新型的结构功能材料，被定义为有无数气泡分布在铝内部的类似于泡沫的金属材料，该类材料的孔隙率分布较为广泛，的不同，一般分布在 40%~98%之间[2]。早在 1948 年，美国科学家使用汞作为发泡剂，令其在铝合金中气化造孔的想法。之后 Ellist 成功地制备了泡沫铝合金。因为泡沫铝所具有的特殊的结构，带给又优异性能。虽然距离泡沫铝被发现已经有几十年的时间了，但是于材料领域的研究热点之一[3]。图 1-1 所示为不同形状泡沫铝。a)b)

泡沫铝

图 1-2 泡沫铝在汽车上的应用[12] 航空航天工业：泡沫铝作为超轻质结构功能材料，在对质轻、结要求十分严苛的航空航天领域，能够发挥很大作用。作为缓冲防效的防护了太空垃圾对航天飞行器的损害。而且经过结构上的进一发挥出更好的效果。比如美国火星号上应用的壳体前端，多层陶瓷多孔泡沫铝，，不但具有陶瓷的在工程材料中最好的刚度，还具有泡能减振特性。用在航天器内的环境控制系统时，保持空气清洁、保健康的工作生活环境，如图 1-3 所示。例如美国航空航天局 NASA填充状态下的泡沫铝来吸附 CO2，高的比表面积既增强了系统的热又为胺颗粒提供分布骨架，以小颗粒的形式分布避免了其结块，并气体接触的面积，进而提高了反应效率。此外，因其具有良好的热应用于航天器的热能控制系统，维持航天器各部件的热量平衡[14-
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21;TB383.4

【参考文献】