기존 알루미늄 폼 샌드위치 패널과 비교한 구리 도금 탄소 섬유 알루미늄 폼 샌드위치 패널의 성능 특성

알루미늄 폼 샌드위치(AFS) 패널은 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 에너지 흡수율, 감쇠력, 전자파 차폐 등 구조적 및 기능적 특성을 모두 갖추고 있습니다. 이러한 탁월한 특성 덕분에 AFS는 항공우주, 운송, 해양 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 일반 금속과 비교했을 때거품AFS의 외부 금속판은 폼을 효과적으로 밀봉하고 인장 강도 및 굽힘 강도와 같은 전반적인 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 AFS는 에폭시 수지 접착제를 사용하여 알루미늄 폼을 견고한 금속 패널에 부착하는 접착 접합 방식으로 제작됩니다.

접착 접합 방식은 구조적 감쇠력을 효과적으로 향상시키지만, 재활용의 어려움과 고온 또는 부식성 조건에서의 박리 파손 취약성 등 여러 가지 한계점을 안고 있습니다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 패널과 심층 사이의 금속 접합을 달성하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 왔습니다.

현재 야금학적 결합을 달성하기 위한 AFS의 주요 제조 방법은 용접, 용융 발포, 그리고 패킹-롤링 분말야금법의 세 가지 범주로 분류됩니다. 이 중 패킹-롤링 분말야금법은 기공 구조 제어 및 저온 발포에 우수한 것으로 알려져 있습니다. 본 연구진은 이전 연구에서 이 기술을 활용하여 산업 응용 분야에 적합한 더 나은 팽창 특성과 셀 구조를 가진 대형 AFS를 제조했습니다.

그러나 폼 코어의 압축 기계적 특성이 비교적 낮기 때문에 AFS의 기계적 강도 향상은 제한적이므로 AFS의 경우 폼 코어의 강도를 더욱 향상시키는 것이 중요합니다.

현재까지 압축 기계적 성질을 개선하기 위해 보고된 일반적인 방법은 다음과 같습니다.알루미늄 폼표면 처리, 열처리, 그리고 입자, 섬유, 합금 원소 등을 첨가하여 강화하는 방법이 있습니다. 그중에서도 밀도가 낮고 탄성률이 높으며 종횡비가 큰 단탄소 섬유는 유망한 강화재로 널리 주목을 받고 있습니다. 또한, 전기 도금이나 구리 도금, 니켈 도금과 같은 화학 도금을 통한 탄소 섬유 표면 금속화는 알루미늄 용융물에서 탄소 섬유의 젖음성을 더욱 향상시키고 탄소 섬유와 알루미늄 용융물 사이의 유해한 계면 반응을 방지합니다. 단탄소 섬유는 현재 알루미늄 매트릭스 복합재의 강화재로 널리 사용되고 있습니다.

Bhav Singhetal은 교반 주조법을 이용하여 구리 코팅 탄소 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합재를 제조했습니다. Muetal은 이중 롤 주조법을 이용하여 니켈 코팅 탄소 섬유로 강화된 알루미늄 매트릭스 복합재를 제작했습니다. 그 결과, 탄소 섬유를 첨가하면 복합재의 인장 강도가 크게 향상됨을 확인했습니다. 그러나 이에 대한 연구는 제한적이었습니다.알루미늄 폼 강화구리 코팅 탄소 섬유를 사용한 Caoetal.은 용융 발포법을 통해 구리 코팅 탄소 섬유 강화 알루미늄 폼을 최초로 제조했습니다. 그 결과, 0.35 vol%의 Cf가 액막 파열을 방지하여 알루미늄 폼을 안정화할 수 있으며, 폼에 첨가되는 섬유의 양이 많을수록 안정성이 향상됨을 보였습니다. Muetal.은 용융 발포법으로 제조된 알루미늄 폼의 감쇠 특성이 Cf를 첨가했을 때 크게 향상되었음을 보였습니다.

따라서 Cf 첨가는 발포 안정성과 기계적 특성을 동시에 개선하는 효과적인 전략이 될 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.알루미늄 폼. 더욱이, 분말야금법을 통해 제조된 구리도금 탄소섬유 강화 알루미늄 폼 샌드위치 패널에 대한 보고는 없었으며, 이는 연구자들이 이 분야에서 보다 심층적인 연구를 수행하도록 동기를 부여합니다.

핵생성 메커니즘과 안정성에 대한 수많은 연구가 수행되었습니다.알루미늄 폼강화상이 추가됨에 따라 기공 수와 기공 형태의 차이가 발생하고,

크기, 분포, 모양과 같은 특성은 일반적으로 핵생성 메커니즘과 안정성에 기인합니다. 분말 야금 시스템에서 불균일 핵생성 효과와 산화물 네트워크 안정화 메커니즘은 철저히 조사되었습니다. 본 논문에서 사용된 Al-Si-Mg-Cu로 구성된 4원 합금 분말은 507°C의 고상선 온도와 596°C의 액상선 온도로 뛰어난 팽창 속도와 낮은 발포 온도를 나타냈습니다. 그럼에도 불구하고, 특히 Cf를 포함하는 이 특정 합금 조성을 포함하는 분말 성형체의 핵생성 메커니즘, 안정성 및 압축 기계적 특성에 대한 연구는 부족합니다. 이전 연구에서 핵생성 및 안정화 메커니즘에 대한 연구는 주로 발포 중단 후 급냉된 샘플의 단층 촬영 분석을 포함하는 비원위치 방법을 통해 수행되었습니다. 안타깝게도, 서브미크론 기포 핵생성은 전구체 가열 중에 주로 발생하며 100ms에서 1초 사이의 시간 간격 내에서 빠르게 팽창하여 실시간 관찰에 어려움을 초래합니다. 최신 싱크로트론 방사선 X선 이미징 기술은 높은 에너지와 시공간 분해능을 갖추고 있어 고온에서 알루미늄 폼의 핵생성 및 성장 과정을 실시간으로 현장 관찰할 수 있습니다. 현재까지 싱크로트론 방사선을 이용하여 Al-Si-Mg 합금 분말의 발포 동역학을 연구한 연구자는 제한적입니다. 예를 들어, García-Morenoetal은 핵생성 및 성장, 기포 재배열, 액체 수축, 응집, 필름 파열을 포함한 액체 알루미늄 폼에서 중요한 동적 현상을 보고했습니다. Kamm 등은 싱크로트론 방사선을 이용하여 AlSi8Mg4 알루미늄 폼의 핵생성 및 성장 과정을 연구했습니다. 이들의 연구 결과는 금속 분말 표면의 흡착질 분해를 통해 생성되는 수소가 또 다른 중요한 핵생성 메커니즘임을 시사했습니다. 그러나 전구체 성분 간의 상호작용은 복잡하며, 발포의 역학은 전구체 성분의 조성에 따라 영향을 받을 수 있습니다. Al-Si-Cu-Mg 분말 시스템과 Cf가 첨가된 Al-Si-Cu-Mg 분말 시스템 모두에서, 금속 발포의 시작 및 성장을 이해하고 탐구하는 것은 발포의 구조적 발달을 통해 응용 분야의 특성을 개선하는 데 필수적입니다.

본 연구에서는 금속학적 계면 결합을 갖는 Cf/AFS와 AFS를 패킹-롤링 분말야금법을 이용하여 제조하였다. Cf/AFS와 AFS의 기포 발생 과정을 싱크로트론 방사선을 이용하여 현장에서 관찰하여 Cf가 기포 핵생성, 성장 및 병합, 그리고 안정성에 미치는 메커니즘을 규명하였다. 또한, Cf/AFS와 AFS를 챔버로에서 620°C에서 15분간 발포시켰다. 이후, 발포된 시료의 기공 크기 분포, 기공 미세구조, 그리고 압축 기계적 특성을 분석하고 시험하였다. 이러한 연구를 바탕으로 Cf/AFS와 AFS의 구조와 압축 강도를 체계적으로 평가하였다.

2.재료s 및 방법

2.1. 원자재

AFS와 Cf/AFS를 제조하기 위해 6가지 원료를 사용했습니다. Al 분말(평균 크기: 45 μm, 순도 >99.70%), Si 분말(평균 크기: 38 μm, 순도 >99.50%), Cu 분말(평균 크기: 38 μm, 순도 >99.90%), Mg 분말(평균 크기: 75 μm, 순도 >99.70%), TiH2 분말(평균 크기: 45 μm, 순도 >99.70%), 구리 코팅 탄소 섬유(평균 크기: 1～2 mm, 구리 ​​코팅 두께: 1.4 μm).

2.2. Cf/AFS 제작

패킹롤링 분말야금법의 개략도는 다음과 같습니다.그림 1혼합 단계에서, 4원 합금 AlSi6Mg4Cu4 분말을 제조하였으며, Al, Si, Cu, Mg 분말의 비율은 각각 86 중량%, 6 중량%, 4 중량%, 4 중량%였다. 1 중량% 산화된 TiH2 분말(470°C에서 1.5시간 동안 공기 중에서 열처리)을 발포제로 첨가하였는데, 이는 용융 온도에서 빠르게 H2를 방출하여 용융물을 팽창시켰다. 또한, 0.5 중량%의 탄소 섬유를 보강재로 첨가하였다. 특히, 발포 중 섬유-알루미늄 용융물 계면에서 젖음성을 향상시키고 Al4C3와 같은 유해한 반응을 방지하기 위해, 탄소 섬유를 전기 도금을 통해 구리로 코팅하였다. 전기 도금 공정은 참고문헌 1에 기술되어 있다.그림 2무전해 도금 공정으로 얻은 구리 코팅 탄소 섬유를 보여줍니다. 코팅은 섬유 표면을 균일하고 연속적으로 덮습니다.(그림 2(a)–(b))이후, 본 연구에 사용된 다양한 합금 조성은 앞서 언급된 분말들을 Cf 첨가 여부에 관계없이 3차원 혼합기에서 3시간 동안 완전히 혼합하여 제조되었다. 균일하게 혼합된 분말은 밀폐된 캐비티 내에 캡슐화되고, 이후 냉간 및 열간 압연 공정이 수행되었다.

냉간 압연 단계는 일련의 다중 패스와 작은 함몰을 통해 입자 사이의 공극과 간극에서 공기를 효과적으로 배출합니다. 열간 압연 단계는 패널과 분말의 동시 변형을 통해 전구체가 98% 이상의 상대 밀도를 달성하도록 보장하며, 이는 후속 발포 공정을 용이하게 합니다. 자세한 압연 공정 매개변수는 참고문헌에 설명되어 있습니다. AFS 및 Cf/AFS 발포 전구체는 앞서 언급한 공정을 통해 얻어집니다. 최종적으로, 두 발포 전구체 모두 620°C에서 15분 동안 가열하여 Cf/AFS 및 AFS 시편을 제작하고, 이를 기공 크기 분석, 미세 구조 특성 분석 및 압축 기계적 특성 시험에 사용했습니다.

2.3. 특성화 및 시험 방법

2.3.1. 미세구조 특성

Cf/AFS와 AFS의 미세구조 형태는 전계방출주사전자현미경(SEM, Zeiss Ultra Plus)을 이용하여 분석하였다. 에너지 분산 분광법(EDS)을 이용하여 발포된 시료의 세포벽 내 다양한 ​​상(phase)의 조성을 확인하였다. 방전가공기(EDM, DK7745)를 이용하여 발포된 시편을 절단하여 시료의 종단면을 얻었다. 이후, 시편의 종단면에 페인트를 도포하고, 각각 800방과 1500방 사포를 사용하여 샌딩 및 연마하였다. 최종적으로, 연마된 시편 단면의 등가 세포 직경(Dmean)은 이미지 분석 소프트웨어 Image Pro Plus 6.0을 사용하여 결정하였다.

그림 1.패킹 롤링 분말 야금 방법의 개략도.

그림 2.(a) 구리 코팅 탄소 섬유의 SEM 이미지, (b)는 (a)에서 빨간색 사각형으로 표시된 영역의 확대된 모습을 보여줍니다. (c)와 (d) 이미지는 (b)에서 A 지점의 EDS 결과입니다.

그림 3.싱크로트론 방사선 실험 설정의 개략도.

2.3.2. 싱크로트론 방사선을 이용한 현장 발포 관찰

싱크로트론 방사선 실험 설정의 개략도는 다음과 같습니다.그림 3실험은 베이징 싱크로트론 방사선 시설(BSRF, 중국과학원 베이징 고에너지 물리학 연구소, 중국)의 빔라인 4W1A에서 수행되었습니다. 기존의 흡수 대비 이미징과 달리 이 논문에서는 싱크로트론 방사선 광원을 사용한 위상 대비 이미징을 활용합니다. 이 접근 방식은 흡수가 약한 물질을 시각화하는 데 효과적이지 않은 기존 흡수 이미징의 한계를 해결합니다. 시편의 발포 공정은 X선 빔 방향에 수직으로 배치된 15mm x 15mm 정사각형 창이 있는 맞춤형 발포로에서 수행되었습니다. 그림 3에 나와 있는 것처럼 샘플 크기는 15mm x 15mm x 2mm입니다. 샘플은 특정 수의 세라믹 시트로 구성된 발포 몰드에 넣습니다. 발포 공정 전체에서 X선은 샘플을 통과할 수 있으며 CCD(전하 결합 소자) 카메라로 캡처됩니다. 선택된 X선원은 20 Kev의 강도로 작동했으며, 전체 발포 과정을 종합적으로 관찰하기 위해 최대 7.4mm x 7.4mm의 관찰 크기가 사용되었습니다.

관찰된 샘플은 압연 방향과 접선 방향 모두에 수직으로 위치되었다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 0.5 wt% Cf를 함유한 전구체와 0.5 wt% Cf를 함유하지 않은 전구체 모두 EDM을 사용하여 샘플의 양쪽에서 측면 패널을 제거했습니다. 알루미늄 폼의 발포 특성에 미치는 Cf의 영향을 조사했습니다. 또한, 조성이 다른 전구체를 620°C의 설정 온도에서 동일한 가열로에서 발포했습니다.

2.3.3. 압축 기계적 성질 시험

압축 시편은 EDM을 이용하여 높이 23mm, 직경 20mm의 원통형 시편으로 절단하였으며, 크기 효과를 피하기 위해 모든 방향에 최소 10개의 완전한 기공이 포함되도록 했습니다. 준정적 압축 시험은 최대 하중 용량이 100KN인 AG-XPLUS 전자 만능 재료 시험기를 사용하여 ISO13314-2011 및 GB/T31930-2015 표준에 따라 수행했습니다. 각 그룹당 3개의 샘플을 시험했으며, 본 논문의 압축 응력-변형률 곡선은 3개의 시험 샘플에서 얻은 평균 결과를 나타냅니다. 모든 시험은 실온에서 2mm/min(초기 변형률 속도 10− 3 s− 1에 해당)의 일정한 크로스헤드 속도를 유지하면서 변위 제어 하에 수행되었습니다.

그림 4.Cf/AFS 발포 공정의 시간 경과 싱크로트론 방사선 이미지: (a) 380 ◦C의 t0 순간의 발포되지 않은 전구체; (b)–(c) 전구체 용융 중 원소 구리의 용해 및 II형 핵 생성; (d)–(g) 거품의 이질 핵 생성 및 성장 공정; (h)–(i) 거품의 병합 및 파열.

3. 결과 및 논의

3.1. 싱크로트론 방사선 하의 현장 발포 거동

3.1.1. Cf/AFS의 거품 발생

그림 4Cf/AFS의 발포 과정을 보여주는 일련의 싱크로트론 방사선 이미지를 보여줍니다. Cf/AFS의 원본 이미지는(그림 4(a))매트릭스가 380°C에서 고체 상태일 때 포획되었으며, 이 시간은 t0로 설정되었습니다. 전구체의 다른 성분들과 비교했을 때, Cf는 주로 회색인 알루미늄이 풍부한 매트릭스 내에서 검은색으로 나타납니다. 이는 그림에서 볼 수 있듯이 섬유 표면의 높은 구리 함량 때문일 수 있습니다.그림 2(c)–(d), 이는 전구체의 다른 구성 성분들에 비해 상대 원자량이 가장 큽니다. 더욱이, Cf의 대부분은 그림에서처럼 뭉쳐 있는 것이 아니라 분산되어 분리되어 있는 것으로 관찰됩니다.그림 4(a)이는 0.5중량%의 Cf를 첨가하면 3시간 동안 교반 과정을 거쳐 원하는 분산 상태에 효과적으로 도달할 수 있음을 의미합니다.

t0+194s에서 (다음에서 볼 수 있듯이)그림 4(b)), 회색 알루미늄 매트릭스(빨간색 화살표로 표시)에서 직경 90μm에서 180μm에 이르는 흰색의 거의 구형인 기포가 상당수 관찰되었습니다. 기포 수는 그림에서 볼 수 있듯이 46초 이내에 계속 증가했습니다.그림 4(c)또한, 매트릭스에서 발생하는 또 다른 주목할 만한 변화는 Cu 용해가 시작되면서 Cf 표면에 작은 기포가 형성되는 경향이 있다는 것입니다(빨간색 점선 상자로 표시). 이 현상은 구리를 함유하는 분말 성형체 내에서 발생하는 II형 핵생성 때문일 가능성이 높습니다. Cu를 첨가하면 합금의 용융 온도가 크게 낮아진다는 것은 널리 알려진 사실입니다. 이로 인해 가열 과정에서 구리 분말을 함유하는 분말 전구체 내 개별 분말 입자 주변에 국부적인 용융이 발생하여, 저온에서 상당량의 Al-Si-Mg-Cu 4원 공정 용융물이 생성됩니다. 4원 공정 용융 풀은 합금 내에서 약한 영역이 되는 경향이 있으며 핵생성이 더 쉽습니다. 결과적으로 기포는 섬유 표면에 코팅된 구리 근처에서 핵생성되어 성장할 가능성이 더 높습니다. 더욱이, 이 시점에서 매트릭스 내 액체 분율이 낮기 때문에 TiH2의 분해로 인한 가스가 알루미늄 매트릭스에 쉽게 축적됩니다. II형 핵생성은 축적된 가스가 낮은 액체 분율 매트릭스를 분리시키고 액체를 통해 균열을 확산시켜 수소량이 심각하게 손실되는 것을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

그림 4(d)매트릭스가 완전히 용융될 때 기포가 처음에 핵을 형성하고 Cf 영역에서 성장하는 모습을 보여주며, 기포의 위치는 사라지는 구리 코팅층(빨간색 점선 상자로 표시)과 일치합니다. 2차 상(secondary phase)을 첨가하면 불균일 핵생성 지점의 수가 증가하여 합금 용융물 내 새로운 기포 형성에 필요한 에너지 장벽이 감소한다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 한편, 핵생성 속도는 단위 부피당 총 불균일 핵생성 면적과 관련이 있습니다. 결과적으로, 기포는 탄소 섬유가 위치한 지점에서 처음에 핵생성되어 탄소 섬유의 길이를 따라 확장되는 것을 관찰할 수 있습니다. 용융 분율이 더 증가함에 따라 수많은 새로운 기포가 계속해서 발생합니다.그림 4(e)–4(g)그러나 기포의 국소적인 합병 및 파열 속도는 느린데, 이는 기포가 높은 안정성을 가지고 있음을 나타냅니다. t0+426초에서 기포의 수는 크게 증가하고,

전구체 부피가 크게 확장됨(그림 4(h)). 또한, 오스트발트 성숙으로 인해 작은 기포가 큰 기포에 흡수되는 기포 병합(빨간색 화살표로 표시)이 발생하는 것은 금속 폼의 진화 과정에서 불가피한 과정입니다[40]. 이 성숙 현상은 또한 소수의 크고 불규칙한 기포(빨간색 화살표로 표시)가 나타나는 결과를 초래합니다.그림 4(i)).

그림 5.다양한 단계에서 AFS의 발포 과정에 대한 시간에 따른 이미지: (a) t0 순간 380°C의 용융되지 않은 전구체; (b) 전구체 용융 중 원소 구리의 용해 및 II형 핵 생성; (c) 거품의 핵 생성 및 성장 과정; (d)–(f) 거품이 합쳐지고 파열되는 모습.

3.1.2. AFS의 거품 진화

그림 5는 AFS의 발포 과정을 보여주는 일련의 싱크로트론 방사선 이미지를 보여줍니다. Cf/AFS와 유사하게, 싱크로트론 방사선 시퀀스의 초기 이미지는 AFS가 380°C의 고체 상태일 때 촬영되었습니다(참조).그림 5(a)). 매트릭스가 고상선 온도 이상으로 가열되면 작은 흰색 거품이 눈에 띄게 됩니다.그림 5(b) 및 (c)TiH2의 분해와 Cu가 풍부한 영역에서 Type II 핵 생성으로 인해 발생합니다. 그러나 생성된 기포의 수와 분포 밀도는그림 5(c)에 비해 현저히 낮습니다.그림 4(c)이는 Cf/AFS가 핵생성 중 조기 가스 방출을 위한 더 많은 채널을 제공하여 액체 분율이 낮은 알루미늄 매트릭스에서 과도한 균열 형성을 방지한다는 것을 시사합니다.

Cf/AFS에 비해 AFS 핵 생성 부위의 수가 적고 비정상적인 기포 성장의 확률이 더 높은 것을 관찰할 수 있습니다.그림 5(d)–(f)AFS 기포의 발생은 불규칙하며, 마이크로미터 크기의 기포와 비정상적으로 밀리미터 크기의 큰 기포(빨간색 화살표로 표시)가 공존하기 때문에 크기가 크게 변동합니다. 더욱이, 초기 핵 생성 과정에서 이러한 불안정성과 불균일성은 AFS와 Cf/AFS 간의 최종 기공 구조 및 기계적 특성에 상당한 차이를 초래할 수 있습니다.

3.2. 거시구조 분석

AFS와 Cf/AFS의 거시적 기공 형태와 기공 직경의 차이를 조사하기 위해, 실험실 조건에서 620°C의 발포 온도에서 15분 동안 두 개의 샌드위치 구조를 제조하였다. AFS와 Cf/AFS의 거시적 구조와 셀 크기 분포는 그림 1에 나타내었다.그림 6. 두 샌드위치 구조 샘플의 수직 단면을 비교하면 Cf/AFS 폼이 더 미세한 셀을 가지고 있고 셀의 파열이나 병합과 같은 결함이 적다는 것을 알 수 있습니다(참조).그림 6(b)). 반대로, 에서 보여지는 바와 같이그림 6(a)AFS는 기공 균질성이 낮고 비정상적으로 큰 기공이 존재합니다. 한편, AFS와 Cf/AFS의 등가 기공 직경은 각각 2.9 ± 0.2 mm와 1.9 ± 0.1 mm로, Cf 첨가로 기공 직경이 더욱 미세화되었음을 시사합니다(참조:그림 6(c) 및 (d)).

기공 구조의 진화는 두 가지 경쟁적 메커니즘, 즉 TiH2의 분해와 거품의 합병 및 파열에 의해 영향을 받습니다.TiH2의 분해는 핵 생성 수, 기공률 및 팽창 속도의 증가에 기여하는 반면, 기포의 합병 및 파열은 기공 수를 감소시키고 기공의 직경을 증가시킵니다.기포 합병 및 파열 사건의 감소는 더 나은 세포 구조를 얻는 데 기여합니다.따라서 발포 공정 동안 기공 구조의 균질성을 유지하려면 거품의 높은 안정성이 필요합니다.Cf/AFS의 경우, Cf를 첨가하면 알루미늄 용융물과 섬유의 젖음성이 크게 향상됩니다.용융 발포법으로 제조된 보고된 Cf 강화 알루미늄 폼[44]과 유사하게, Cf를 첨가하면 세포벽 파열을 방지하고 응집을 줄임으로써 알루미늄 폼을 안정화합니다. 한편, Cf는 세포벽에 그물 모양의 구조를 만들어 분리력을 발생시키고 기포의 파열을 방지하여 세포 구조, 거품 안정성, 기공 분포의 균일성을 개선합니다.

3.3. 미세구조 특성화

그림 7(a)AFS로 발포 후 세포벽의 미세구조를 보여줍니다. AlSi6Cu4Mg4 합금 발포체에 대해 보고된 바와 같이, 공정 Al-Si, Mg2Si, Al2Cu, Al5Cu2Mg8Si6가 합금에 존재하며, 이는 EDS 분석 결과와 일치합니다.그림 7(b)이러한 취성상은 기공 벽을 약화시키거나 변형 시 균열의 원인으로 작용하여 알루미늄 폼의 기계적 물성을 저하시킵니다. 따라서 보강재를 첨가하여 기공 벽의 기계적 물성을 향상시키는 것은 실현 가능하고 효과적인 전략입니다.

Cf/AFS의 경우 다음에서 관찰할 수 있습니다.그림 7(c) 그리고 (d)Cf가 셀 벽 내부 또는 셀 벽 가장자리에 분포되어 있어 Cf가 알루미늄 용융물과 우수한 젖음성을 가지고 있음을 나타냅니다. 또한, 이는 눈에 띕니다(참조그림 7(d)) 섬유와 알루미늄 용융물 사이의 계면에 소량의 Al2Cu 석출상이 형성되는 것으로 나타났습니다. 이 현상은 섬유와 매트릭스 사이의 강한 결합을 형성하는 데 기여합니다. 이 확산 반응의 진행 과정은 다음에서 직관적으로 관찰할 수 있습니다.그림 4(a)–(c). 석출상이 탄소 섬유를 완전히 둘러싸지 않는다는 점에 유의해야 하며, 이러한 분포 상태와 양은 Cf/AFS에 유리합니다. Lv 등의 Cf 강화 알루미늄 매트릭스 복합재에 대한 연구를 바탕으로, 적절한 석출상의 양이 계면 결합 강도에 영향을 미치고 조절할 수 있음을 입증했습니다.

그림 6.대표 표본 (a) AFS 및 (b) Cf/AFS의 수직 단면. (a)와 (b)에 해당하는 등가 직경 대 면적 분율 그래프는 각각 (c)와 (d)에 나와 있습니다. (c)와 (d)의 실선은 로그 정규 적합도를 나타냅니다. 회귀 분석(R²)은 적합도를 나타냅니다.

그림 7.SEM 이미지(a) 및 (b)는 다음에 해당하는 미세 구조를 보여줍니다.그림 6(a) AFS 및그림 6(b) Cf/AFS는 각각 또한,그림 7(b) 및 (d)는 국소적 확대를 보여줍니다.그림 7(a) 및 (c)입니다.

3.4. Al-Si-Mg-Cu 폼을 안정화하는 Cf의 메커니즘

위에서 언급한 분석을 기반으로 Cf/AFS 및 AFS에 대한 발포 메커니즘의 개략적 표현은 다음과 같습니다.그림 8. 핵 생성 단계, 기포 성장 및 병합 단계, 그리고 점진적 응고 단계에서 Cf/AFS와 AFS 간의 중요한 차이점은 그림과 같습니다.그림 8(a) 및 (b).

그림 8.Cf/AFS 및 AFS 발포 동작의 개략도: (a) Cf/AFS; 및 (b) AFS.

AlSi6Cu4Mg4 합금 폼의 핵생성 단계에서 기포는 TiH2 입자가 있는 위치보다는 구리 입자를 둘러싼 액상 4차 공융점 내에서 핵생성되는 경향이 있습니다. 전구체의 가장 약한 영역에서 발생하는 이러한 핵생성(유형 II 핵생성)은 TiH2 분해로 인해 방출되는 가스의 배출 통로를 더 많이 제공하여 가스 축적을 방지하고 알루미늄 용융물 내에 균열이 확산되는 것을 방지합니다. 구리로 코팅된 탄소 섬유를 첨가하면 수소(H2) 방출 통로가 더 넓어지는 것으로 보입니다. 그러나 이 단계에서는 알루미늄 용융물에 충분한 액상 분율이 없기 때문에 이러한 작은 기포가 계속 성장할 수 있는 충분한 수소 공급원을 확보하기 어렵습니다. 결과적으로 이러한 작은 기포는 온도가 상승함에 따라 용융물 내에서 파열됩니다. 전구체가 완전히 용융되면 TiH2의 격렬한 탈수소화 반응에서 방출된 수소는 핵생성 시점을 기준으로 빠르게 핵생성되고 성장합니다. Cf는 기포 생성을 위한 수많은 불균일 핵 생성 지점을 제공하여 핵 생성 속도를 크게 증가시킵니다. 동시에, Cf의 존재는 1차 기포의 접촉 및 병합을 효과적으로 억제하여 비정상적으로 큰 기포의 형성을 방지합니다.

기포의 성장 및 합병 단계에서 Cf를 첨가하면 폼 안정성이 크게 향상됩니다. 그 이유는 Cf와 알루미늄 용융물이 습윤성이 우수하고, 섬유가 두 기액 계면 사이에 쉽게 갇혀 네트워크 구조를 형성할 수 있기 때문입니다(그림 참조).그림 7(c)). 액막이 얇아짐에 따라 섬유는 평원 경계로부터의 흡입을 저항하는 분리 압력을 생성하여 액막이 파열되는 것을 방지할 수 있습니다. 따라서 Cf/AFS는 AFS보다 더 긴 발포 시간이 필요하며, 발포 과정에서 기공 구조의 균일성을 유지할 수 있는 더 높은 안정성을 제공합니다.

느린 응고 단계에서 Cf/AFS의 기포는 더 이상 성장하지 않고 섬유는 세포벽(빨간색 점선 상자로 표시) 내에 매립됩니다. 이러한 섬유의 유지는 오스트발트 성숙에서 볼 수 있듯이 큰 기포가 작은 기포를 흡수하는 것을 방지하고, 응고 팽창으로 인한 세포벽 파열을 억제합니다. 결과적으로 Cf/AFS는 AFS에 비해 더 균일한 기공 구조를 가지며 기공 결함이 적습니다.

3.5. 기계적 성질

거의 동일한 기공률(각각 83.2% 및 81.4%)을 갖는 Cf/AFS 및 AFS의 압축 응력-변형률 곡선은 다음과 같습니다.그림 9(a)압축 응력-변형률 곡선은 선형 탄성 영역, 평탄구간 영역, 그리고 치밀화 영역으로 구성된 뚜렷한 3단계 특성을 보입니다. AFS와 Cf/AFS의 압축 항복 강도는 각각 8.44 MPa와 11.87 MPa였습니다. Cf/AFS의 압축 항복 강도는 AFS에 비해 40.6% 증가했습니다. 한편, Cf/AFS의 에너지 흡수 용량은 그림에서 보듯이 동일 변형률에서 AFS보다 우수했습니다.그림 9(b)AFS와 Cf/AFS의 에너지 흡수 용량은 각각 약 3.3 MJ/m³와 6.1 MJ/m³입니다. Cf/AFS의 에너지 흡수 용량은 AFS에 비해 84.8% 향상되었습니다.

그림 9.Cf/AFS 및 AFS의 압축 응력-열 곡선 및 에너지 흡수 용량 곡선: (a) 압축 응력-열 곡선; (b) 에너지 흡수 용량 곡선.

Cf의 첨가는 폼 코어의 기계적 특성을 크게 향상시켰습니다.알루미늄 폼기공 구조 및 스트럿 기계적 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 거시 구조 분석 결과, Cf 첨가는 기공 크기를 미세화하고, 기공 분포를 개선하며, 기공 결함을 감소시키는 것으로 나타났습니다. Sasikumar 외 및 Yangetal의 연구 결과와 유사하게, 작은 기공 직경과 좁은 기공 분포는 압축 강도와 에너지 흡수 효율을 향상시키는 데 더욱 유리합니다. 또한, 미세 구조가 폼의 기계적 특성에 미치는 영향은 주로 폼의 기공 벽에 포함된 Cf 때문입니다. 알루미늄 매트릭스에서 구리로 코팅된 탄소 섬유의 확산 및 용해는 섬유와 알루미늄 매트릭스 사이에 더 단단한 계면 결합을 형성하여 하중 전달에 기여합니다. 기공 벽에 고정된 고탄성 탄소 섬유는 압축 하중 하에서 기공 벽의 변형을 제한하고 하중 지지력을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 모든 요인은 Cf/AFS가 AFS에 비해 더 높은 항복 강도와 에너지 흡수력을 달성하는 데 유리합니다.

4. 결론

본 연구에서는 Cf/AFS와 AFS를 패킹 롤링 분말야금법으로 제조하였다. Cf/AFS와 AFS의 발포 거동은 싱크로트론 방사선을 이용하여 동적으로 관찰하였다.

Cf가 기포 핵 생성 및 성장에 미치는 영향을 조사했습니다. 또한, 알루미늄 폼의 기공 형태, 기공 분포 및 압축 특성에 미치는 Cf의 영향을 면밀히 분석했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.

(1) 현장 싱크로트론 방사선 관찰 결과 Cf/AFS와 AFS 발포 공정 모두 기포 핵 생성, 기포 성장 및 합병, 응고의 세 가지 뚜렷한 단계가 나타나는 것으로 나타났습니다.

AFS에 비해 Cf/AFS의 발포 공정은 더 높은 안정성과 기포 균일성을 보입니다. AFS는 기공 형성 과정에서 비정상적으로 크고 거친 기공이 형성될 가능성이 더 높습니다. 또한, 이러한 불균형은 Cf의 불균일 핵형성 효과에 기인하는데, 이는 기포 벽의 파열을 방지하고 핵형성 속도를 증가시키면서 합체를 감소시킵니다.

(2) 0.5 wt.% Cf를 첨가하면 등가 기공 직경이 2.9 ± 0.2 mm에서 1.9 ± 0.1 mm로 미세화되어 조대한 기공 결함이 크게 감소합니다. 동시에, 미세구조는 기공 벽과 기체-고체 계면을 따라 분포된 Cf의 양호한 습윤성을 나타내어 폼 안정성을 향상시킵니다.

(3) AFS와 비교했을 때, Cf/AFS의 압축 항복 강도와 에너지 흡수 용량은 각각 약 40.6%와 84.8% 증가했습니다. 본 연구 결과는 자동차 및 항공우주 산업 분야의 엔지니어링 응용 가능성을 가진 야금학적 접합 계면을 가진 알루미늄 폼 샌드위치 패널의 보강에 대한 아이디어를 제공할 수 있습니다.

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