來源：韓研活性炭網(wǎng) 作者：韓研活性炭網(wǎng) 2023-01-15
活性炭顆粒與AZ91合金組合以制造活性炭復(fù)合泡沫材料。這種新型輕質(zhì)泡沫具有非常低的密度，并且活性炭與AZ91基質(zhì)之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷條件下評(píng)價(jià)泡沫的機(jī)械性能，并且顯示出制造的活性炭復(fù)合泡沫對(duì)能量吸收的趨勢(shì)。
泡沫材料由于其低密度能對(duì)聲音和能量的吸收特性，引起了我們的注意。金屬泡沫是多孔材料的一種。由于它們有用的機(jī)械性能，在一些行業(yè)中廣泛使用。鎂由于其高生物相容性和低于其他類型金屬材料的密度，可能是生產(chǎn)金屬泡沫材料的候選者之一。本研究的目的是使用活性炭填料顆粒制造創(chuàng)新的活性炭與鎂的復(fù)合泡沫。在環(huán)境壓力下，鎂和活性炭在任何溫度下都不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的化合物。因此，使用活性炭用作AZ91鎂合金基質(zhì)中的填料。使用粒狀和多孔活性炭顆粒代替并保留在材料中以產(chǎn)生復(fù)合泡沫。
活性炭是性價(jià)比高的碳質(zhì)材料，具有低堆積密度，高比表面積和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。它廣泛用于水處理，以吸收飲用水中的雜質(zhì)。AZ91鎂合金(9重量%Al，1重量%Zn，0.5重量%Mn，余量Mg)用作金屬復(fù)合泡沫的基質(zhì)。活性炭復(fù)合泡沫材料的制造，首先將石墨模具填充在四個(gè)單獨(dú)的填料和振動(dòng)步驟中，在每個(gè)步驟中使用等量的活性炭顆粒。這種壓實(shí)方法使整個(gè)樣品高度的密度梯度最小化。在該步驟之后，將不銹鋼網(wǎng)插入模具的開口端以將活性炭顆粒保持在適當(dāng)位置。組裝在充滿氬氣的手套箱內(nèi)進(jìn)行，以最小化系統(tǒng)中的氧氣水平。為此，將AZ91合金塊插入石墨坩堝內(nèi)，并將填充的石墨模具倒置在坩堝內(nèi)。然后將鋼帽放在模具頂部以在滲透鑄造期間收集過量的熔體。在下一步中，這些部件位于不銹鋼套管內(nèi)。最后，將組件放入電爐內(nèi)并在660℃的溫度下保持45分鐘，同時(shí)使用保護(hù)性氬氣氛以防止鎂合金在鑄造過程中氧化燃燒。通過施加0.02MPa的壓力迫使金屬熔體滲入填充的活性炭顆粒床。在大氣條件下冷卻模具后，手動(dòng)從模具中取出生產(chǎn)的樣品。圖1顯示了使用的設(shè)置的示意圖。
圖1.反重力滲透鑄造技術(shù)示意圖。
圖2a顯示AZ91活性炭復(fù)合泡沫樣品。所有樣品均為圓柱形，直徑為28.83±0.02mm，高度為42.33±0.19mm。圓柱形泡沫樣品的密度通過將它們的總質(zhì)量除以它們的宏觀圓柱體積來計(jì)算。使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行所制備的復(fù)合泡沫的微觀結(jié)構(gòu)研究。SEM分析首先用于分析基質(zhì)和填料之間的界面。為此，使用車床機(jī)器在其中心軸附近縱向切割一個(gè)樣品。為了避免AZ91基質(zhì)和填料的損壞或污染，首先在未拋光的表面上進(jìn)行SEM研究。此外，進(jìn)行X射線衍射以鑒定AZ91活性炭復(fù)合泡沫的化學(xué)組成。第二次SEM分析解決了AZ91支柱的微觀結(jié)構(gòu)，因此需要拋光表面(見圖2b)。
圖2.(a)AZ91活性炭復(fù)合泡沫的宏觀結(jié)構(gòu)，(b)鑄態(tài)支柱的微觀結(jié)構(gòu)。
AZ91基質(zhì)和活性炭的反向散射SEM圖像顯示在圖3中一個(gè)。與其他研究中提到的填料不同，活性炭在生產(chǎn)過程中不會(huì)與鎂合金發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。活性炭顆粒保持完整，沒有可見的機(jī)械損傷。檢測(cè)到填料和基質(zhì)之間界面處的反應(yīng)層的一些跡象(參見圖3a)。橫跨該反應(yīng)層的EDS線掃描(圖 3b)表明存在鎂和氧，這很可能歸因于支柱的表面氧化。由于其高比表面積，活性炭在室溫下容易從空氣中吸收氧氣，并在鑄造過程中在高溫下釋放。盡管存在保護(hù)性氬氣氛，這可以解釋部分基質(zhì)氧化。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，在該反應(yīng)層中沒有檢測(cè)到碳。活性炭復(fù)合泡沫樣品的XRD分析顯示MgO的衍射峰，這進(jìn)一步驗(yàn)證了EDS分析的結(jié)果。沒有檢測(cè)到鎂碳化物，因此可以排除基質(zhì)和填料顆粒之間可能的反應(yīng)(圖 3c)。
圖3.(a)AZ91基質(zhì)和活性炭之間界面的SEM圖像，(b)EDS線掃描，(c)活性炭復(fù)合泡沫的XRD圖。
活性炭復(fù)合泡沫材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線示于圖4中一個(gè)。它們的形狀非常適合金屬泡沫，并具有連續(xù)的偽彈性，平臺(tái)和致密化區(qū)域。所有應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示偽彈性區(qū)域的逐漸應(yīng)力增加直至峰值，隨后由于剪切帶形成而產(chǎn)生應(yīng)力下降(參見圖4a)。在高應(yīng)變下，發(fā)生活性炭泡沫的致密化，并且通過急劇的應(yīng)力增加可見。由于使用的制造方法，活性炭顆粒的體積分?jǐn)?shù)被認(rèn)為在所有生產(chǎn)的復(fù)合泡沫中是恒定的。所有樣品的變形機(jī)制也相同。
圖4.(a)具有不同密度的活性炭復(fù)合泡沫材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，和(b)密度為1.15g/cm-3的活性炭復(fù)合泡沫材料的宏觀變形。
生產(chǎn)的輕質(zhì)活性炭復(fù)合泡沫材料的平均密度為1.14g/cm-3。對(duì)AZ91鎂基體和活性炭填料界面的微觀結(jié)構(gòu)研究證實(shí)沒有任何嚴(yán)重化學(xué)反應(yīng)。所產(chǎn)生的AZ91活性炭復(fù)合泡沫塑料的變形行為表現(xiàn)出脆性變形行為以及在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的一些桶形跡象。測(cè)量的機(jī)械性能參數(shù)顯示了所產(chǎn)生的復(fù)合泡沫之間的一致性。然而，一些機(jī)械性能的任何變化很大程度上可歸因于泡沫的變形機(jī)制。
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