來源：韓研活性炭網 作者：韓研活性炭網 2023-01-15
活性炭顆粒與AZ91合金組合以制造活性炭復合泡沫材料。這種新型輕質泡沫具有非常低的密度，并且活性炭與AZ91基質之間未發生化學反應。在準靜態壓縮載荷條件下評價泡沫的機械性能，并且顯示出制造的活性炭復合泡沫對能量吸收的趨勢。
泡沫材料由于其低密度能對聲音和能量的吸收特性，引起了我們的注意。金屬泡沫是多孔材料的一種。由于它們有用的機械性能，在一些行業中廣泛使用。鎂由于其高生物相容性和低于其他類型金屬材料的密度，可能是生產金屬泡沫材料的候選者之一。本研究的目的是使用活性炭填料顆粒制造創新的活性炭與鎂的復合泡沫。在環境壓力下，鎂和活性炭在任何溫度下都不會產生穩定的化合物。因此，使用活性炭用作AZ91鎂合金基質中的填料。使用粒狀和多孔活性炭顆粒代替并保留在材料中以產生復合泡沫。
活性炭是性價比高的碳質材料，具有低堆積密度，高比表面積和優異的化學穩定性。它廣泛用于水處理，以吸收飲用水中的雜質。AZ91鎂合金(9重量%Al，1重量%Zn，0.5重量%Mn，余量Mg)用作金屬復合泡沫的基質。活性炭復合泡沫材料的制造，首先將石墨模具填充在四個單獨的填料和振動步驟中，在每個步驟中使用等量的活性炭顆粒。這種壓實方法使整個樣品高度的密度梯度最小化。在該步驟之后，將不銹鋼網插入模具的開口端以將活性炭顆粒保持在適當位置。組裝在充滿氬氣的手套箱內進行，以最小化系統中的氧氣水平。為此，將AZ91合金塊插入石墨坩堝內，并將填充的石墨模具倒置在坩堝內。然后將鋼帽放在模具頂部以在滲透鑄造期間收集過量的熔體。在下一步中，這些部件位于不銹鋼套管內。最后，將組件放入電爐內并在660℃的溫度下保持45分鐘，同時使用保護性氬氣氛以防止鎂合金在鑄造過程中氧化燃燒。通過施加0.02MPa的壓力迫使金屬熔體滲入填充的活性炭顆粒床。在大氣條件下冷卻模具后，手動從模具中取出生產的樣品。圖1顯示了使用的設置的示意圖。
圖1.反重力滲透鑄造技術示意圖。
圖2a顯示AZ91活性炭復合泡沫樣品。所有樣品均為圓柱形，直徑為28.83±0.02mm，高度為42.33±0.19mm。圓柱形泡沫樣品的密度通過將它們的總質量除以它們的宏觀圓柱體積來計算。使用掃描電子顯微鏡進行所制備的復合泡沫的微觀結構研究。SEM分析首先用于分析基質和填料之間的界面。為此，使用車床機器在其中心軸附近縱向切割一個樣品。為了避免AZ91基質和填料的損壞或污染，首先在未拋光的表面上進行SEM研究。此外，進行X射線衍射以鑒定AZ91活性炭復合泡沫的化學組成。第二次SEM分析解決了AZ91支柱的微觀結構，因此需要拋光表面(見圖2b)。
圖2.(a)AZ91活性炭復合泡沫的宏觀結構，(b)鑄態支柱的微觀結構。
AZ91基質和活性炭的反向散射SEM圖像顯示在圖3中一個。與其他研究中提到的填料不同，活性炭在生產過程中不會與鎂合金發生強烈反應。活性炭顆粒保持完整，沒有可見的機械損傷。檢測到填料和基質之間界面處的反應層的一些跡象(參見圖3a)。橫跨該反應層的EDS線掃描(圖 3b)表明存在鎂和氧，這很可能歸因于支柱的表面氧化。由于其高比表面積，活性炭在室溫下容易從空氣中吸收氧氣，并在鑄造過程中在高溫下釋放。盡管存在保護性氬氣氛，這可以解釋部分基質氧化。應該強調的是，在該反應層中沒有檢測到碳。活性炭復合泡沫樣品的XRD分析顯示MgO的衍射峰，這進一步驗證了EDS分析的結果。沒有檢測到鎂碳化物，因此可以排除基質和填料顆粒之間可能的反應(圖 3c)。
圖3.(a)AZ91基質和活性炭之間界面的SEM圖像，(b)EDS線掃描，(c)活性炭復合泡沫的XRD圖。
活性炭復合泡沫材料的壓縮應力-應變曲線示于圖4中一個。它們的形狀非常適合金屬泡沫，并具有連續的偽彈性，平臺和致密化區域。所有應力-應變曲線顯示偽彈性區域的逐漸應力增加直至峰值，隨后由于剪切帶形成而產生應力下降(參見圖4a)。在高應變下，發生活性炭泡沫的致密化，并且通過急劇的應力增加可見。由于使用的制造方法，活性炭顆粒的體積分數被認為在所有生產的復合泡沫中是恒定的。所有樣品的變形機制也相同。
圖4.(a)具有不同密度的活性炭復合泡沫材料的壓縮應力-應變曲線，和(b)密度為1.15g/cm-3的活性炭復合泡沫材料的宏觀變形。
生產的輕質活性炭復合泡沫材料的平均密度為1.14g/cm-3。對AZ91鎂基體和活性炭填料界面的微觀結構研究證實沒有任何嚴重化學反應。所產生的AZ91活性炭復合泡沫塑料的變形行為表現出脆性變形行為以及在準靜態壓縮下的一些桶形跡象。測量的機械性能參數顯示了所產生的復合泡沫之間的一致性。然而，一些機械性能的任何變化很大程度上可歸因于泡沫的變形機制。
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