Quy trình kỹ thuật tạo rỗng khi sản xuất bọt kim loại

1.3.4. Phun khí vào kim loại

Phương pháp này dễ thực hiện và chi phí sản xuất thấp hơn. Vấn đề là cần kiểm sốt nhiệt độ tạo bọt nóng chảy và thời gian xử lý cần thiết trong quá trình chế tạo. Bọt kim loại sản xuất bằng phương pháp phun khí vào kim loại có kích thước lỗ rỗng khác nhau và mật độ lỗ rỗng lớn (lên đến > 90%). Khí từ bên ngồi được bơm vào đáy của kim loại nóng chảy để tạo ra bọt khí. Khí được sử dụng ở đây có thể là khơng khí, hơi nước, oxy, cacbonic hoặc khí trơ.

1.3.5. Đúc thẩm thấu

Trong q trình đúc thẩm thấu các hạt rỗng vơ cơ hoặc hữu cơ được sắp xếp sẵn trong khn đúc, kim loại nóng chảy được đưa vào thẩm thấu giữa các hạt rỗng. Các kim loại rỗng thu được sau khi loại bỏ các hạt rỗng bằng cách hịa tan trong dung mơi hoặc bằng quy trình xử lý nhiệt. Các hạt vơ cơ có khả năng chịu nhiệt và có thể hịa tan trong dung mơi như NaCl, bóng đất sét nung, bóng cát, bóng bọt thủy tinh...

1.4. Tính chất biến đổi trơn của vật liệu FGM rỗng

Trong các tài liệu, các nhà nghiên cứu sử dụng các phương pháp luận khác nhau để nhận được các thuộc tính biến đổi trơn của vật liệu FGM rỗng. Mặc dù vậy các tác giả đều cho rằng các đặc trưng cơ học vật liệu có thể khơng thay đổi (phân bố lỗ rỗng đều) hoặc biến thiên theo quy luật hàm cosine (phân bố lỗ rỗng không đều) theo phương chiều dày. Dưới đây, trong khuôn khổ luận án ta xét tấm bằng vật liệu FGM rỗng - bọt kim loại (open-cell metal foam) với ba quy luật phân bố: Phân bố đều, phân bố không đều đối xứng và phân bố không đều bất đối xứng.

11

Mô đun đàn hồi kéo - nén, mô đun đàn hồi trượt và khối lượng riêng của vật liệu FGM rỗng (metal foam) phụ thuộc vào mật độ phân bố lỗ rỗng, và biến thiên liên tục theo chiều dày tấm. Các quy luật này đã được đề cập đến trong một số nghiên cứu và có dạng sau [17, 24, 25, 71, 114, 126]:

Phân bố đều (xem Hình 1.5a): E ( z ) E 1 e  1 0 G ( z ) G 1 e  1 0  ( z ) 1 e   1 0 1 1 2 2 2    1 e  1 e0 e0 0  

Phân bố không đều - đối xứng (xem Hình 1.5b):  E ( z ) E   e  z  11 0 cos      h     z  G ( z ) G  11 e 0 cos   h        z  ( z) 1 e cos    1 m h    

Phân bố không đều - bất đối xứng (xem Hình 1.5c): E ( z ) E [1 e cos( z )]  1 0 2 h 4   z  G ( z ) G [1 ecos(  )]  1 0 2 h 4    ( z ) [1 e cos( z   )]  1 m 2 h 4 

Các hệ số mật độ lỗ rỗng e0 ,em được tính theo cơng thức (1.4):

(1.1)

(1.2)

e  1E 2 1G2  0  e 1 0 E G 0 1 1 e  1  2  1 1 e (0 e 1) m  0 m 1 trong đó:

E1: Giá trị lớn nhất của mô đun đàn hồi kéo - nén vật liệu

G1: Giá trị lớn nhất của mô đun đàn hồi trượt vật liệu 1: Giá trị lớn nhất của khối lượng riêng

E2: Giá trị nhỏ nhất nhất của mô đun đàn hồi kéo - nén vật liệu

G2: Giá trị nhỏ nhất của mô đun đàn hồi trượt vật liệu

2 : Giá trị nhỏ nhất của khối lượng riêng

(1.4)

Trên thực tế với vật liệu FGM rỗng thì hệ số Poisson phụ thuộc vào mật độ phân bố lỗ rỗng, biến thiên liên tục theo chiều dày tấm theo các quy luật như E , G,

trong (1.1) - (1.3). Tuy nhiên trong các nghiên cứu về vật liệu FGM nói chung và vật

liệu FGM rỗng nói riêng, để đơn giản hệ số Poison đều được các tác giả giả thiết là không đổi theo chiều dày [52, 71, 72, 91, 114]. Vì vậy trong luận án, hệ số Poisson cũng được coi là không thay đổi theo tọa độ chiều dày tấm.

(a) Phân bố đều (b) Phân bố không đều - (c) Phân bố không đều -

đối xứng bất đối xứng

Hình 1.5. Các dạng phân bố lỗ rỗng theo tọa độ chiều dày tấm và biến thiên của các đặc trưng cơ học (E, G,) tương ứng

13

1.5. Ứng dụng của vật liệu GFM rỗng

Hiện nay vật liệu FGM rỗng có nhiều tiềm năng để sử dụng trong các kết cấu (chịu lực và không chịu lực) so với các loại vật liệu truyền thống do các ưu điểm:

Ưu điểm của kết cấu chịu lực Ưu điểm của kết cấu khơng chịu lực

Giảm trọng lượng

Tối ưu hố độ cứng (đặc biệt là độ cứng chống uốn

Tiêu tán năng lượng lớn Chịu được tải trọng va chạm Điều chỉnh tần số dao động

Tăng khả năng cách nhiệt Cải thiện khả năng cách âm

Lưu thơng khơng khí/chất lỏng trong vật liệu

Che chắn bức xạ điện từ

Hạn chế bóc tách do sự giãn nở vì nhiệt Bọt kim loại có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng lớn, ứng dụng rất tốt đối với các kết cấu chịu uốn vì độ cứng chống uốn cao hơn so với thép truyền thống khi có cùng trọng lượng. Bọt kim loại được sử dụng phần lớn trong các lĩnh vực: hàng không vũ trụ, điện tử và truyền thông, vận tải, năng lượng nguyên tử, y tế, bảo vệ mơi trường, luyện kim, máy móc, xây dựng, điện hóa học, hóa dầu và cơng nghiệp sinh học. Bọt kim loại có thể được chế tạo thành các bộ trao đổi nhiệt, bộ tản nhiệt, chất chống cháy, bộ giảm âm, bộ đệm giảm xóc, các bộ phận cấy ghép người, lá chắn điện từ và vật liệu cấu trúc nhẹ. Chúng đóng một vai trị quan trọng trong sự phát triển khoa học và cơng nghệ và có thể thúc đẩy nền kinh tế quốc gia.

Phát huy lợi thế của vật liệu, bọt kim loại có thể sử dụng làm tấm sandwich (Hình 1.6), tường, sàn (Hình 1.7) với bề mặt thép lõi bọt kim loại (tấm sandwich dày 16mm với lớp bề mặt dày 1 mm, lõi bọt thép dày 14mm có độ cứng chống uốn bằng tấm thép dày 10mm, trong khi giảm được 35% khối lượng). Bọt kim loại còn được sử dụng để chế tạo bộ phận giảm chấn trong xe đua (Hình 1.8), cần trục nâng của xe cẩu (Hình 1.9), các chi tiết trong tên lửa (Hình 1.10), thiết bị làm lạnh cơng nghiệp, vật liệu cách nhiệt, cách âm, ống xả…[103]