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活性炭复合泡沫材料

来源:韩研活性炭网 作者:韩研活性炭网 2018-12-29

  活性炭颗粒与AZ91合金组合以制造活性炭复合泡沫材料。这种新型轻质泡沫具有非常低的密度,并且活性炭与AZ91基质之间未发生化学反应。在准静态压缩载荷条件下评价泡沫的机械性能,并且显示出制造的活性炭复合泡沫对能量吸收的趋势。

  泡沫材料由于其低密度能对声音和能量的吸收特性,引起了我们的注意。金属泡沫是多孔材料的一种。由于它们有用的机械性能,在一些行业中广泛使用。镁由于其高生物相容性和低于其他类型金属材料的密度,可能是生产金属泡沫材料的候选者之一。本研究的目的是使用活性炭填料颗粒制造创新的活性炭与镁的复合泡沫。在环境压力下,镁和活性炭在任何温度下都不会产生稳定的化合物。因此,使用活性炭用作AZ91镁合金基质中的填料。使用粒状和多孔活性炭颗粒代替并保留在材料中以产生复合泡沫。

  活性炭是性价比高的碳质材料,具有低堆积密度,高比表面积和优异的化学稳定性。它广泛用于水处理,以吸收饮用水中的杂质。AZ91镁合金(9重量%Al,1重量%Zn,0.5重量%Mn,余量Mg)用作金属复合泡沫的基质。活性炭复合泡沫材料的制造,首先将石墨模具填充在四个单独的填料和振动步骤中,在每个步骤中使用等量的活性炭颗粒。这种压实方法使整个样品高度的密度梯度最小化。在该步骤之后,将不锈钢网插入模具的开口端以将活性炭颗粒保持在适当位置。组装在充满氩气的手套箱内进行,以最小化系统中的氧气水平。为此,将AZ91合金块插入石墨坩埚内,并将填充的石墨模具倒置在坩埚内。然后将钢帽放在模具顶部以在渗透铸造期间收集过量的熔体。在下一步中,这些部件位于不锈钢套管内。最后,将组件放入电炉内并在660℃的温度下保持45分钟,同时使用保护性氩气氛以防止镁合金在铸造过程中氧化燃烧。通过施加0.02MPa的压力迫使金属熔体渗入填充的活性炭颗粒床。在大气条件下冷却模具后,手动从模具中取出生产的样品。图1显示了使用的设置的示意图。

  图1.反重力渗透铸造技术示意图。

  图2a显示AZ91活性炭复合泡沫样品。所有样品均为圆柱形,直径为28.83±0.02mm,高度为42.33±0.19mm。圆柱形泡沫样品的密度通过将它们的总质量除以它们的宏观圆柱体积来计算。使用扫描电子显微镜进行所制备的复合泡沫的微观结构研究。SEM分析首先用于分析基质和填料之间的界面。为此,使用车床机器在其中心轴附近纵向切割一个样品。为了避免AZ91基质和填料的损坏或污染,首先在未抛光的表面上进行SEM研究。此外,进行X射线衍射以鉴定AZ91活性炭复合泡沫的化学组成。第二次SEM分析解决了AZ91支柱的微观结构,因此需要抛光表面(见图2b)。

  图2.(a)AZ91活性炭复合泡沫的宏观结构,(b)铸态支柱的微观结构。

  AZ91基质和活性炭的反向散射SEM图像显示在图3中一个。与其他研究中提到的填料不同,活性炭在生产过程中不会与镁合金发生强烈反应。活性炭颗粒保持完整,没有可见的机械损伤。检测到填料和基质之间界面处的反应层的一些迹象(参见图3a)。横跨该反应层的EDS线扫描(图 3b)表明存在镁和氧,这很可能归因于支柱的表面氧化。由于其高比表面积,活性炭在室温下容易从空气中吸收氧气,并在铸造过程中在高温下释放。尽管存在保护性氩气氛,这可以解释部分基质氧化。应该强调的是,在该反应层中没有检测到碳。活性炭复合泡沫样品的XRD分析显示MgO的衍射峰,这进一步验证了EDS分析的结果。没有检测到镁碳化物,因此可以排除基质和填料颗粒之间可能的反应(图 3c)。

  图3.(a)AZ91基质和活性炭之间界面的SEM图像,(b)EDS线扫描,(c)活性炭复合泡沫的XRD图。

  活性炭复合泡沫材料的压缩应力-应变曲线示于图4中一个。它们的形状非常适合金属泡沫,并具有连续的伪弹性,平台和致密化区域。所有应力-应变曲线显示伪弹性区域的逐渐应力增加直至峰值,随后由于剪切带形成而产生应力下降(参见图4a)。在高应变下,发生活性炭泡沫的致密化,并且通过急剧的应力增加可见。由于使用的制造方法,活性炭颗粒的体积分数被认为在所有生产的复合泡沫中是恒定的。所有样品的变形机制也相同。

  图4.(a)具有不同密度的活性炭复合泡沫材料的压缩应力-应变曲线,和(b)密度为1.15g/cm-3的活性炭复合泡沫材料的宏观变形。

  生产的轻质活性炭复合泡沫材料的平均密度为1.14g/cm-3。对AZ91镁基体和活性炭填料界面的微观结构研究证实没有任何严重化学反应。所产生的AZ91活性炭复合泡沫塑料的变形行为表现出脆性变形行为以及在准静态压缩下的一些桶形迹象。测量的机械性能参数显示了所产生的复合泡沫之间的一致性。然而,一些机械性能的任何变化很大程度上可归因于泡沫的变形机制。

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