滲流鑄造法制備的開孔泡沫鋁的聲學性能

王 輝，周向陽，龍 波，文 康，李 劼，蔣良興，賴延清

(中南大學 冶金科學與工程學院，長沙 410083)

泡沫鋁是一種新型超輕多孔功能結構材料，它結合了多孔結構的特性和金屬的性能。由于泡沫鋁的輕質結構及吸能等特性，使其在結構材料和功能材料方面有著廣泛的應用前景[1-4]。特別是開孔泡沫鋁，由于其獨特的孔連通結構，使得其成為由無數個減振吸聲單元構成的整體材料，當聲波由連通孔隙向主孔傳播時，出現了聲波傳播途徑的突然變化，從而導致了聲能的衰減；當聲波由主孔向兩個主孔之間連通位置傳播時，面積突然的變窄，會使在連通位置的摩擦加劇，聲能就轉化成摩擦熱能散失掉而使其具有良好的聲音吸收能力。另外，開孔泡沫鋁不可燃、不腐蝕、在高溫下能保持形狀穩定，所以在吸聲領域有著巨大的潛在應用[5-7]。

滲流法是制備開孔泡沫鋁的主要方法之一，但目前傳統真空滲流法存在“滲流不足”和“滲流過度”等缺陷，這些大大阻礙了多孔鋁材的應用發展。因此，研究新的滲流方法以及開孔泡沫鋁的聲學性能意義重大。為克服傳統滲流方法的缺陷，在前期工作中，本課題組研究了一種新穎的反重力滲流鑄造方法，該方法已經申報了國家發明專利[8]。本文作者采用反重力滲流鑄造法制備開孔泡沫鋁材料，重點對比研究反重力滲流鑄造和傳統真空滲流法制備開孔泡沫鋁的吸聲性能差異，并分析造成這些差異的原因。

1 實驗

1.1 開孔泡沫鋁材料制備

采用反重力滲流鑄造法與傳統真空滲流技術制備開孔泡沫鋁材料，填料粒子均選用可溶性 MOD，基體金屬為ZL102鋁合金。反重力滲流鑄造法制備開孔泡沫鋁材料的步驟包括：1) 將填充好填料粒子的滲流模具預熱到預設溫度；2) 將鋁合金熔體通過加壓裝置從下往上進入滲流模具中，通過增壓和保壓使鋁合金熔體充分滲入填料粒子中；3) 凝固冷卻后取出樣品，并將其置于超聲波水浴中除去填料粒子，便得到開孔泡沫鋁樣品。圖1所示為采用不同孔徑造孔粒子通過反重力滲流鑄造法所制備樣品的橫截面照片，很顯然，反重力滲流鑄造法所制備不同孔徑樣品的橫截面上看不到明顯的鑄造缺陷。傳統真空滲流法制備開孔泡沫鋁的工藝流程詳見文獻[9]。

1.2 樣品性能表征

1.2.1 表面形貌與孔特征表征

1) 采用高像素數碼相機(SONY, DSC-P10)觀測開孔泡沫鋁的截面宏觀形貌。

2) 孔隙的表征。開孔泡沫鋁包含有兩種孔隙，第一種是造孔粒子溶出留下的孔隙，第二種是由于工藝控制不當等原因導致滲流不足所造成。泡沫鋁中孔隙有兩種表征方法：一種是孔隙率(θ)，它指的是材料中所有孔隙體積與試樣總體積之比；另一種是空隙度(VC)，它表征的是第二種孔隙[10]。其計算公式分別表示如下：

式中：rρ為多孔材料的實際測量密度；bρ為基體材料ZL102鋁合金的密度；cρ為多孔材料的理論計算密度(理論計算密度為單位體積的堆積粒子空隙內滲入的鋁液質量)。

圖1 反重力滲流鑄造制備泡沫鋁的橫截面照片Fig.1 Section diagram of aluminum foam samples prepared by counter-gravity infiltration casting: (a) Particle size of 1.60-1.25 mm; (b) Particle size of 2.00-1.60 mm

1.2.2 多孔鋁的吸聲性能表征

材料的吸聲性能通常以吸聲系數來表示[11]。聲波入射到材料表面時的入射聲能(Ei)中的一部分被反射(即反射能Er)，另一部分被材料吸收，被材料吸收部分能量占入射聲能(Ei)的比率，即為吸聲系數，表示為[12]

聲波入射能被完全反射的情況出現在Ei=Er時，此時α=0；當Er=0，α=1，表示材料是全吸收的。吸聲系數的變化范圍在0～1之間，吸聲系數越大材料的吸聲效果越好。

聲波的入射角度對吸聲系數的影響很大，因此，吸聲系數的測量有垂直入射吸聲系數、無規入射吸聲系數或斜入射吸聲系數之分。垂直入射吸聲系數通常通過駐波管法測試，對多孔鋁聲學性能的研究也通常采用該法[13]。

本研究所用吸聲系數測量系統購自北京聲振聯合高新技術研究所，設備型號為SZZB，結構原理如圖2所示。該測試儀主要由駐波管、聲源系統與接受系統等部分組成。駐波管的截面為圓形，內表面平滑無縫。聲源系統由聲頻信號發生器、功率放大器與揚聲器等組成；揚聲器必須以純音信號激發，激發信號一般由聲頻信號發生器發聲，經功率放大后再反饋到揚聲器。接受系統由探測器和輸出指示裝置構成；探測器的主體為一個可移動的傳聲器；指示裝置由信號放大器、衰減器、濾波器和指示器組成。

本研究的測試試樣用電火花線切割從制備的多孔鋁鑄件上切取，試樣尺寸為d93 mm×20 mm。

圖2 駐波管吸聲測試儀結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of standing-wave-tube sound absorption tester

2 結果與討論

2.1 不同頻率段吸聲系數對比

表1所列為傳統真空滲流法與反重力滲流鑄造所制備的開孔泡沫鋁樣品的結構參數，其厚度均為 20 mm，其中T1～T4樣品采用傳統真空滲流鑄造，A1～A4樣品采用反重力滲流鑄造。從表1中可以看出，兩種方法所制備樣品的孔隙率和空隙度均隨著造孔粒子粒徑的增大而減小；相同粒徑范圍內，反重力滲流鑄造制備樣品的孔隙率和空隙度明顯低于傳統真空滲流鑄造制備的樣品。

圖3給出表2中樣品在不同頻率段的吸聲系數變化。由圖3可知，兩種方法所制備開孔泡沫鋁樣品均具有良好的吸聲性能，所有樣品在不同頻率段的吸聲系數變化趨勢基本一致；所有樣品在高頻段的吸聲系數均高于低頻段的，不同頻段的吸聲系數波動較大。

表1 用于聲學性能測試樣品的結構參數Table1 Structure parameters of aluminum foam samples prepared for sound absorption test

圖3 傳統真空滲流法和反重力滲流法制備的樣品在不同頻率段的吸聲系數Fig.3 Sound absorption coefficients of samples prepared by traditional vacuum infiltration casting(a) and counter-gravity infiltration casting(b) in different frequency regions

圖4中顯示了同一孔徑造孔粒子、不同方法所制備開孔泡沫鋁樣品在不同頻率段的吸聲系數之間的差異，圖中“A1-T1”、“A2-T2”、“A3-T3”與“A4-T4”分別指的是造孔粒子粒徑為1.60～2.00 mm、1.25～1.60 mm、1.02～1.25 mm和0.80～1.00 mm、通過反重力滲流鑄造與傳統真空滲流法所制備樣品在不同頻率段的吸聲系數差。很顯然，在低頻段，兩種鑄造方法所獲得樣品的吸聲系數差別不大；但在高頻段，反重力滲流鑄造所得樣品的吸聲系數明顯優于傳統真空滲流法所制備樣品，造成這個差別的根本原因是相鄰孔洞的連通性不同。

圖4 不同滲流法制備的樣品在不同頻率段的吸聲系數差Fig.4 Differences of sound absorption coefficients of samples prepared by different infiltration casting in different frequency regions

2.2 造成兩種滲流鑄造方法制備泡沫鋁孔洞連通性差異的原因分析

圖5所示為兩個相鄰球形造孔粒子沿球心剖開的截面示意圖。假設造孔粒子的直徑均相同，那么粒子溶出后相鄰孔洞的連通性(Ⅰ)可用下式表達：

圖5 兩個相鄰球形造孔粒子沿球心剖開的截面示意圖Fig.5 Section diagram of two adjacent spherical particles

式中：d為兩個相鄰造孔粒子溶出后所得兩個孔洞交接處的孔的直徑，也就是圖5中B點到F點的距離；D為填料粒子的直徑。

圖5中的O點為兩個相同半徑圓心O1O2的中點，與兩圓相切，即OO1=OO2=D/2，B是球形粒子之間熔融合金表面ABA′的底部。在滲流過程中，殘留的空氣在以x軸為軸旋轉ABA′-EFE′所圍的空間里；這個空間即造孔粒子溶出后相連通的位置，其大小以及ABA′表面與EFE′表面的形狀取決于熔體表面的張力γ、熔體和粒子的潤濕角θ以及通過ABA′表面或EFE′表面的壓降ΔP。在熔體溫度與滲流溫度都相同的情況下，熔體表面的張力γ以及熔體-粒子的潤濕角θ都是確定的，那么只有ΔP是真正影響造孔粒子溶出后相連空間的主要因素。對傳統真空滲流鑄造而言，因為沒有反重力鑄造的保壓過程，即傳統鑄造工藝的ΔP值小于反重力鑄造工藝的，從而使得傳統鑄造方法所得樣品的連通空間較反重力鑄造法所得樣品的大，也就出現了表1所示樣品空隙度的明顯差異。較小的連通通道對吸收高頻信號是有益的[14]，因此，出現了反重力滲流鑄造所制備樣品的高頻吸收性能優于傳統真空滲流鑄造所制備樣品的測試結果。

2.3 不同結構參數下反重力滲流鑄造制備樣品的平均吸聲系數分析

滲流鑄造法制備泡沫鋁材料用造孔粒子的粒徑、樣品的孔隙率以及厚度均對其吸聲性能有重大影響，平均吸聲系數是由125、250、500、1 000、2 000和4 000 Hz這6個頻率處的吸聲系數求得。表2中列出了采用不同粒徑造孔粒子、通過反重力滲流法所制備樣品的平均吸聲系數，很明顯，隨著粒子粒徑的增大，其平均吸聲系數降低，說明小孔徑樣品的吸聲性能明顯優于大孔徑樣品的。圖6所示為孔隙率、厚度與平均吸聲系數的關系曲線，樣品制備過程中選用粒徑范圍為0.80～1.00 mm的造孔粒子。從圖6中可以看出，孔隙率大的樣品明顯比孔隙率小的樣品具有更高的吸聲系數；樣品厚度的增大有利于提高泡沫鋁的吸聲系數。這些研究結果表明，反重力滲流鑄造法與傳統真空滲流鑄造法所制備樣品，在造孔粒子粒徑、孔隙率以及樣品厚度對吸聲性能的影響趨勢具有一致性[15]。

表2 不同造孔粒子粒徑所對應的平均吸聲系數Table2 Average sound absorption coefficient of samples prepared with different particle size

圖6 孔隙率和樣品厚度與平均吸聲系數的關系Fig.6 Relationships between average sound absorption coefficient and porosity(a) and thickness(b) of samples

3 結論

1) 兩種滲流鑄造法所制備的開孔泡沫鋁材料均具有良好的吸聲性能，所有樣品在不同頻率段的吸聲系數變化趨勢基本一致，高頻段的吸聲系數均高于低頻段的，不同頻段的吸聲系數波動較大。

2) 兩種滲流鑄造法所制備的開孔泡沫鋁材料在低頻段的吸聲系數差別不大；但在高頻段，反重力滲流鑄造所得材料的吸聲系數明顯優于傳統真空滲流法所制備材料的吸聲系數，這是因為反重力滲流法使泡沫鋁中相鄰孔洞的連通空間減小。

3)在反重力滲流鑄造制備的開孔泡沫鋁材料中，孔徑越小，吸聲性能更好，大孔隙率樣品的吸聲性能優于小孔隙率樣品的，增大泡沫鋁厚度有利于提高其吸聲性能。

[1]ZHANG C J, FENG Y, ZHANG X B.Mechanical properties and absorption of aluminum foam-filled square tubes[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(8):1380-1386.

[2]BANHART J.Manufacture, characterisation and application of cellar metals and metal foams[J].Progress in Materials Science,2001, 46: 559-632.

[3]BANHART J.Metal foam: Production and stability[J].Advanced Engineering Materials, 2006, 8(9): 781-794.

[4]MORI K I, NISHIKAWA H.Cold repeated forming of compact for aluminium foam[J].Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(12): 1580-1586.

[5]AMSTERDAM E, GOODALL R, MORTENSEN A, ONCK P R,HOSSON J T.Fracture behavior of low-density replicated aluminum alloy foams[J].Materials Science and Engineering A,2008, 496(1/2): 376-382.

[6]秦福德, 童明波, 何思淵, 張勇明, 何德坪.航空航天返回過程的輕質能量吸收器[J].東南大學學報: 自然科學版, 2009,39(4): 790-794.QIN Fu-de, TONG Ming-bo, HE Si-yuan, ZHANG Yong-ming,HE De-ping.Light energy absorber in aeronautic and astronautic recovery[J].Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2009, 39(4): 790-794.

[7]RADFORD D D, MCSHANE G J, DESHPANDE V S, FLECK N A.The response of clamped sandwich plates with metallic foam cores to simulated blast loading[J].International Journal of Solids and Structures, 2006, 43(7/8): 2243-2259.

[8]周向陽, 李 劼, 劉宏專, 丁鳳其, 衷水平, 尚保衛．一種滲流鑄造法制備泡沫金屬的滲流裝置: 中國,200710034420.1[P].2007-02-12.ZHOU Xiang-yang, LI Jie, LIU Hong-zhuan, DING Feng-qi,ZHONG Shui-ping, SHANG Bao-wei.A device for preparation of foam Metal by infiltration casting: CN ZL200710034420.1[P].2007-02-12.

[9]尚保衛.通孔泡沫鋁的新工藝制備及其力學聲學性能研究[D].長沙: 中南大學, 2008: 13-22.SHANG Bao-wei.Study on new technology preparation of open-cells aluminum foam and its mechanical and sound absorption property[D].Changsha: Central South University,2008: 13-22.

[10]ROHATGI P K, KIM J K, GUPTA N, SIMON A, DAOUD A.Compressive characteristic of A356/fly ash cenosphere composites synthesized by pressure infiltration technique[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2006,37(3): 430-437.

[11]錢軍民, 李旭祥.聚氯乙烯樹脂基泡沫吸聲材料的制備[J].工程塑料應用, 2000, 28(6): 10-12.QIAN Jun-min, LI Xu-xiang.Preparation of acoustic PVC matrix microporosity composite[J].Engineering Plastics Application, 2000, 28(6): 10-12.

[12]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京: 機械工業出版社, 2002, 399.MA Da-you.Noise and vibration control engineering manuals[M].Beijing: China Machine Press, 2002: 399.

[13]余 歡, 方立高, 嚴青松.多孔鋁合金的制備及其吸聲系數測定[J].南昌大學學報, 2000, 22(4): 10-13.YU Huan, FANG Li-gao, YAN Qing-song.The fabrication of porous aluminum alloys and the testing of the sound absorbent property[J].Journal of Nanchang University: Engineering &Technology, 2000, 22(4): 10-13.

[14]BERCHEM K, MOHR U, BLECK W.Controlling the degree of pore opening of metal sponges, prepared by the infiltration preparation method[J].Materials Science and Engineering A,2002, 323(1/2): 52-57.

[15]王 月, 付自來.真空滲流法制備的通孔泡沫鋁的吸聲性能[J].材料開發與應用, 2000, 15(3): 12-15.WANG Yue, FU Zi-lai.The sound absorbing property of open-pore foamed aluminum made by vacuum infiltration[J].Development and Application of Materials, 2000, 15(3): 12-15.