МикроКТ в исследовании механических и энергопоглощающих свойств алюминиевой пены с закрытыми порами

Алюминиевая пена представляет собой пористый металлический материал, сочетающий в себе свойства пористых материалов и металлов, он широко используется в автомобилестроении и аэрокосмической промышленности из-за своей низкой плотности и высокого энергопоглощения, и многие ученые по всему миру провели исследования механических свойств и поглощения энергии пеноалюминия.

Команда под руководством профессора Чэнь Фаньсю из Технологического университета Циндао провела углубленное исследование механических свойств алюминиевой пены с использованием рентгеновской трехмерной микроКТ высокого разрешения и вспомогательных систем испытаний на месте (in-situ) от Sanying Precision. Путем проведения экспериментов по нагружению на месте алюминиевых пенопластов с закрытыми порами плотностью 0,217 г/ см³, 0,347 г/ см³, 0,414 г/ см³ и 0,588 г/см³ соответственно. Влияние параметров пористой структуры, таких как пористость, распределение пор по размерам и сферичность, на механические свойства и свойства поглощения энергии алюминиевой пены были исследованы слой за слоем, выявив различия в механических свойствах алюминиевой пены различной плотности.

Исследованная алюминиевая пена представляет собой алюминиевую пену с закрытыми порами, произведенную Shanghai Yinfu Hardware Products Co., Ltd. методом вспенивания из расплава, подложка - промышленный чистый алюминий 1060, пенообразователь - TiH₂, размер образца - Φ30. мм× 30 мм. Схема проведения нагружения изображена на рисунке 1.

Для проведения неразрушающего сканирования цилиндрических образцов из пеноалюминия четырех различных плотностей с разрешением 25,2 мкм использовалась рентгеновская трехмерная микроКТ высокого разрешения серии nanoVoxel-2000 производства компании Tianjin Sanying Precision Instrument Co., Ltd, изображенная на рисунке 2. Фирменное программное обеспечение для реконструкции было применено для получения трехмерного реконструированного изображения. На рисунке 3 изображены фотографии и реконструированные объемы исследуемых образцов.

Процесс разрушения алюминиевой пены при нагрузке (рис. 4) показывает, что при деформации 0,1 алюминиевая пена находится в упругой деформации практически без изменения структуры. Алюминиевая пена медленно разрушается по мере увеличения деформации, и форма ячеек постепенно меняется. Коллапс ячейки обычно начинается с наиболее слабого участка и образует зону локальной деформации, которая постепенно расширяется по мере увеличения деформации. При деформации 0,7 внутренняя структура алюминиевой пены полностью изменяется. Алюминиевая пена плотностью 0,58 г/см3 со временем полностью разрушается.

Распределение пор по размерам является еще одним важным фактором, влияющим на механические свойства и поглощение энергии алюминиевой пены. Этот фактор так же может быть посчитан численно по данным рентгеновской компьютерной томографии. Диаграмма частотного и численного процентного распределения эквивалентного диаметра пор пузырьковых отверстий, полученная с использованием алгоритма водораздела, показывает, что количество пор в пеноалюминии в основном определяется по мелким порам. Чем выше плотность алюминиевой пены, тем меньше эквивалентный диапазон распределения пор по размерам. Эквивалентный диапазон распределения пор по размерам для алюминиевой пены с плотностью 0,588 г/см³ уменьшается вдвое по сравнению с алюминиевой пеной с плотностью 0,217 г/см³, и форма ячейки становится ближе к сферической по мере увеличения плотности.

Сферичность определяет, является ли форма ячейки пеноматериала стандартной. Алгоритм водораздела используется для сегментации ячеек в алюминиевой пене, а площадь поверхности и объем каждой ячейки рассчитываются и подсчитываются. Диаграмма рассеяния распределения сферичности ячеек пеноалюминия (рисунок 5 - диаграмма с четырьмя плотностями. (A) 0,217 г/см³, (B) 0,347 г/см³, (C) 0,414 г/см³, (D) 0,588 г/см³) показывает, что чем выше плотность пеноалюминия, тем плотнее распределение сферичности и тем лучше сферичность. Увеличение пористости сопровождается появлением пузырьков более неправильной формы. Сферичность ячеек связана с явлениями вспенивания и выделения в процессе затвердевания алюминиевой пены. Распределение сферичности четырех алюминиевых пенопластов в основном сосредоточено в верхней половине, что указывает на то, что структура приготовленной алюминиевой пены относительно однородна.

В качестве выводов можно задекларировать, что параметры пористой структуры (пористость, распределение пор по размерам, сферичность), а также механические свойства и поглощение энергии при нагружении на месте могут быть проанализированы методами сканирования и 3D-реконструкции алюминиевых пенопластов различной плотности с помощью микротомографа Sanying NanoVoxel-2000.

Подробнее о томографах Sanying.

Узнать цену на систему томографии nanoVoxel-2000.