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研究生:詹弘毅
研究生(外文):Hung-Yi Chan
論文名稱:氣體釋壓誘引金屬發泡之研究
論文名稱(外文):Producing metal foams by pressure-induced phase separation
指導教授:林惠娟林惠娟引用關係梁明在
指導教授(外文):Huey-Jiuan LinMing-Tsai Liang
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:材料科學與工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:58
中文關鍵詞:壓力誘引相分離金屬發泡超臨界流體錫鉛合金鋅合金
外文關鍵詞:PIPSmetal foamsSCFSn-Pb alloysZn alloys
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本研究的目的乃是將PIPS的發泡技術應用到金屬發泡上,並探討其製程條件,包括熔融金屬溫度、氣體壓力,以及氣體種類等對合金發泡及凝固組織的影響。合金試樣首先置入高壓高溫爐中,然後加熱至其固相線之上的溫度,同時高壓高溫爐可視氣體壓力使用範圍選擇性地由管狀爐、熱油壓機或儲槽罐組合而成,將CO2或H2氣體加壓進入高壓高壓爐中。熔融合金在高溫高壓狀態下持續一小時後,予以急速洩壓並淬冷至冷水中以嘗試獲得金屬發泡體。在研究當中發現,氣泡在5Sec之內便已大致完全停止成長,隨著時間的增長,其密度會些微上升;推論是因為氣泡結構體的崩解或排液所造成。Pb-Sn合金使用CO2氣體時,在180℃下,發現壓力越大(100bar∼300Bar),則密度越低,孔洞越多,孔徑越大;推論是因為加壓之後可增加CO2在液態金屬中的溶解度所致。然而在190℃之下,孔徑隨壓力的變化並不顯著。微觀組織的觀察進一步發現,富錫相的孔洞較多,顯示富錫相與CO2的親和力較高。然而Pb-Sn合金在205℃與210℃使用H2氣體時,隨壓力增加(2Bar∼10Bar)其密度並沒有顯著變化,而微觀結構的觀察也沒有顯著的泡孔產生。推論是因為在低壓的情況下,H2的溶解度並不足以產生大量泡孔。當Zn合金在375℃∼400℃,使用H2氣體(2Bar∼10Bar),其密度的變化也不顯著。但本研究另外發現其共晶組織的直徑會隨壓力的增大而變小,是一值得進一步研究的課題。

The purpose of this study is to employ the technique of PIPS (pressure-induced phase separation) in foaming metallic alloys. The effects of the temperature of the molten metal, the gas pressure, and the various kinds of gases on the density and the microstructure of the solidified metal are investigated. The metal sample is loaded into a high-pressure furnace, which could be optionally made of stainless tube, hot press, or pressure vessel, and heated up to their solidus. In the meanwhile, either the pressurized carbon dioxide or hydrogen gas is purged into the high-pressure furnace. After the molten metal is hold at the designed pressure and temperature for one hour, the gas in the furnace is rapidly depressurized. Then, the alloy is quenched into in cold water to study the feasibility in the production of metal foam by the PIPS. It is presumed that the bubbles, created after depressurization, in the liquid molten stops growing within five seconds. It is found that extending the growing time leads to bubble’s merge and collapse and/or drainage, which results in the decrease of the density of the solidified alloys. When carbon dioxide is applied to Pb-Sn alloy at 180℃, the number and the size of the bubbles increases and the density of the solidified alloys decreases while the gas pressure increased from 100 to 300bar. It is presumed that the solubility of carbon dioxide in the molten alloys increases with gas pressure. However, the change of density, bubble size, and number of bubble with gas pressure at 190℃ is not significant as that found in 180℃. This temperature effect needs further study. From their microstructure observed in SEM, it is found that much of the bubbles is located in the Tin-rich phase. It is presumed that the interaction between carbon dioxide and Tin is much stronger than that of Lead. When hydrogen is applied to Pb-Sn alloy at 205 and 210℃, the density of the solidified alloys is not affected by the gas pressure in the range of 2 to 10bar, and no significant bubbles is observed in their microstructure. It is presumed that the solubility of hydrogen gas in this pressure range is too low to create significant number of gas bubbles in the molten metal. This is confirmed by replacing Pb-Sn alloy by Zinc alloy, which also shows that the density of Zinc alloy is not affected by the pressure of the hydrogen gas in the same range of pressure. Interestingly, it is observed that the size of the eutectic structure of the Zinc alloy decreases while the pressure of the hydrogen gas increases. This observation is worth further study.

總目錄
中文摘要Ⅰ
英文摘要II
誌謝V
總目錄VI
圖目錄VIII
表目錄X
第一章 緒論……………………………………………………….1
1-1 前言………………………………………………………….1
1-2 研究背景與動機…………………………………………….2
1-3 研究目的與內容…………………………………………….2
第二章 文獻回顧………………………………………………….3
2-1金屬發泡之文獻回顧………………………………………..3
2-1-1金屬發泡之製程…………………………………………3
2-1-1-1熔融發泡法(Foams made from melt)………….3
2-1-1-2 粉末冶金發泡法(Foams made from powder)…3
2-1-1-3 吹射法發泡(Foams made by sputtering)……4
2-1-1-4 沈積法發泡(Foams made by deposition)……4
2-1-1-5 各種發泡金屬製程比較…………………………..5
2-1-2金屬發泡機構……………………………………………5
2-2超臨界流體文獻回顧……………………………………….7
2-2-1超臨界流體之簡介………………………………………7
2-2-2超臨界流體之優點………………………………………8
2-2-3超臨界流體發泡…………………………………………8
2-2-4壓力誘引相分離原理…………………………………….8
第三章 實驗方法…………………………………………………21
3-1實驗設計……………………………………………………..21
3-1-1管狀爐(0-80Bar)系統…………………………………21
3-1-2油壓機(80-100Bar)系統………………………………..22
3-1-3儲槽罐系統………………………………………………22
3-1-3-1 CO2系統(100-300Bar)………………………….22
3-1-3-2 H2系統(2-10Bar)………………………………….23
3-2發泡金屬密度量測…………………………………………..24
3-3顯微組織觀察………………………………………………..24
3-4實驗流程……………………………………………………..25
第四章 結果與討論………………………………………………30
4-1 固/液相線溫度量測………………………………………30
4-2 長泡時間對密度的影響……………………………………31
4-3 不同浸置壓力對密度的影響……………………………..32
4-3-1 Pb-Sn合金………………………………………………32
4-3-1-1 CO2氣體…………………………………………..33
4-3-1-2 H2氣體……………………………………………..34
4-3-2 Zn合金……………………………………………………34
4-4不同浸置溫度對密度的影響…………………….………..35
4-5操作條件對凝固組織的影響………………….……….…..36
第五章 結論………………………………………………………55
第六章 未來工作建議…………………………………………….56
參考文獻…………………………………………………………..57
附錄 表A-1
圖目錄
圖2-1 熔融發泡製程……………..………………………………13
圖2-2 粉末冶金製程..………..………………………………..13
圖2-3 吹射法發泡製程…………………………………………..14
圖2-4沈積法發泡製程……………………………………………14
圖2-5沈積法發泡用的聚氨酯與發泡AZ91成品………………..15
圖2-6以鹽粒子為堆積床之發泡金屬…………………………….15
圖2-7各種發泡金屬製程所得之氣孔比較……………………….16
圖2-8各種發泡金屬製程氣孔直徑與密度比較….…………….16
圖2-9發泡的不同階段與時間的關係……………………………17
圖2-10 發泡鋁合金在過熱後的衰退情形….………………….18
圖2-11超臨界流體P-T示意圖…………………………………..18
圖2-12改變溫度、壓力時,混合自由能與成分的變化圖..…..19
圖2-13 PIPS在不同路徑下的分率與成品型態…..…………….20
圖3-1管狀爐設備示意圖…………………………………………26
圖3-2 CO2加壓系統設備圖………………………………………27
圖3-3儲槽罐設備設備圖(H2)…………………………………28
圖3-4懸吊法示意圖……………………………………………….28
圖3-5實驗流程圖………………..………………………………29
圖4-1Pb-Sn合金的DTA量測結果………………………………….37
圖4-2 Pb-Sn合金的TGA量測結果…………………..…………..37
圖4-3 Zn合金的DTA量測結果……………………………….……38
圖4-4 Zn合金的TGA量測結果………………………………..…38
圖4-5不同長泡時間與Zn合金密度之關係(400℃-8bar)…….…39
圖4-6 Zn合金不同長泡時間之共晶組織圖………………….….39
圖4-7 CO2壓力與Pb-Sn合金密度之關係……………………….40
圖4-8 Pb-Sn合金在無加壓下,從220℃急速凝固之顯微組織圖40
圖4-9 Pb-Sn合金在180℃下不同CO2壓力洩壓之顯微組織圖….41
圖4-10 Pb-Sn合金在190℃下不同CO2壓力洩壓之顯微組織圖…42
圖4-11 H2壓力與Pb-Sn合金密度之關係………………………..43
圖4-12 Pb-Sn合金在205℃下不同壓力洩壓之顯微組織圖…..44
圖4-13 Pb-Sn合金在210℃下不同壓力洩壓之顯微組織圖…..45
圖4-14在390℃及2bar壓力洩壓下,不同倍率的Zn合金共晶組織46
圖4-15 Zn合金在無加壓下,從390℃快速凝固之顯微組織圖…47
圖4-16 在不同溫度下,H2壓力與Zn合金密度之關係圖……..48
圖4-17不同溫度洩壓對Zn合金密度之關係圖……………………48
圖4-18 Zn合金在375℃下不同壓力洩壓之共晶組織圖……….49
圖4-19 Zn合金在380℃下不同壓力洩壓之共晶組織圖……….50
圖4-20 Zn合金在385℃下不同壓力洩壓之共晶組織圖………..51
圖4-21 Zn合金在390℃下不同壓力洩壓之共晶組織圖……….52
圖4-22 Zn合金在400℃下不同壓力洩壓之共晶組織圖………..53
圖4-23 在不同溫度下,H2壓力與Zn合金共晶組織直徑之關係圖54
圖4-24 在不同H2壓力下,溫度與Zn合金共晶組織直徑之關係圖54
表目錄
表2-1 各種發泡方法的比較………………………………………11
表2-2 不同發泡商品的氣孔結構列表……………….………….11
表2-3 氣體液體與超臨界流體的物理性質…..……………….12
表3-1 比重所量測的體積及其測試方法………………………..26

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