Karakteristik kinerja panel sandwich busa aluminium serat karbon berlapis tembaga dibandingkan dengan panel sandwich busa aluminium konvensional

Sandwich busa aluminiumPanel AFS memiliki kombinasi karakteristik struktural dan fungsional seperti kepadatan rendah, kekuatan spesifik tinggi, penyerapan energi yang baik, kapasitas redaman, dan perisai elektromagnetik. Sifat-sifat yang luar biasa ini membuat AFS memiliki potensi besar dalam bidang kedirgantaraan, transportasi, dan kelautan. Dibandingkan dengan logam biasaBusas, pelat logam luar AFS dapat secara efektif menyegel busa dan meningkatkan sifat mekanisnya secara menyeluruh, seperti kekuatan tarik dan tekukan. Secara umum, AFS dibuat dengan metode ikatan perekat, yang melibatkan pemasangan busa aluminium ke panel logam padat menggunakan perekat resin epoksi.

Meskipun metode ikatan perekat secara efektif meningkatkan peredaman struktural, metode ini disertai dengan keterbatasan, termasuk tantangan dalam daur ulang dan kerentanan terhadap kegagalan delaminasi dalam kondisi suhu tinggi atau korosif. Untuk mengatasi keterbatasan ini, upaya penelitian ekstensif telah didedikasikan untuk mencapai ikatan metalurgi antara panel dan lapisan inti.

Saat ini, metode persiapan utama untuk AFS yang bertujuan untuk mencapai ikatan metalurgi secara umum diklasifikasikan ke dalam tiga kategori: pengelasan, pembusaan leleh, dan metode metalurgi serbuk pengepakan gulung. Di antara metode-metode ini, metode metalurgi serbuk pengepakan gulung dianggap lebih unggul untuk mengendalikan struktur pori dan mencapai pembusaan suhu rendah. Pekerjaan kami sebelumnya menggunakan teknologi ini untuk membuat AFS berukuran besar dengan sifat ekspansi dan struktur seluler yang lebih baik untuk aplikasi industri.

Namun, karena sifat mekanis kompresif inti busa yang relatif rendah, peningkatan kekuatan mekanis AFS terbatas, sehingga peningkatan kekuatan inti busa lebih lanjut sangat penting untuk AFS.

Sampai saat ini, metode umum yang dilaporkan untuk meningkatkan sifat mekanik tekanbusa aluminiumadalah sebagai berikut: perlakuan permukaan, perlakuan panas, dan penguatan dengan menambahkan partikel, serat, elemen paduan, dll. Di antara mereka, serat karbon pendek dengan kepadatan rendah, modulus elastisitas tinggi, dan rasio aspek besar telah menarik perhatian luas sebagai bahan penguat yang menjanjikan. Selain itu, pelapisan logam permukaan serat karbon, dengan pelapisan elektro atau pelapisan kimia seperti pelapisan tembaga atau pelapisan nikel, lebih jauh meningkatkan kebasahan serat karbon dalam lelehan aluminium dan menghindari reaksi antarmuka yang berbahaya antara serat karbon dan lelehan aluminium. Serat karbon pendek sekarang banyak digunakan untuk memperkuat komposit matriks aluminium.

Bhav Singhetal. menyiapkan komposit matriks aluminium yang diperkuat serat karbon berlapis tembaga dengan metode pengecoran aduk. Muetal. membuat komposit matriks aluminium yang diperkuat dengan serat karbon berlapis nikel menggunakan metode pengecoran dua rol. Hasilnya menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam kekuatan tarik komposit dengan penambahan serat karbon. Namun, penelitian yang dilakukan terbatasbusa aluminium diperkuatdengan serat karbon berlapis tembaga. Cao et al. pertama kali menyiapkan busa aluminium yang diperkuat serat karbon berlapis tembaga melalui metode pembusaan leleh. Hasilnya menunjukkan bahwa 0,35 vol% Cf dapat menstabilkan busa aluminium dengan mencegah pecahnya lapisan cairan, dan semakin banyak jumlah serat yang ditambahkan ke busa semakin stabil. Mu et al. menunjukkan bahwa sifat peredam busa aluminium yang disiapkan dengan metode pembusaan leleh meningkat secara signifikan dengan penambahan Cf.

Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa penambahan Cf dapat menjadi strategi yang efektif untuk meningkatkan stabilitas pembusaan dan sifat mekanik busa secara bersamaan.busa aluminiumSelain itu, belum ada laporan tentang panel sandwich busa aluminium yang diperkuat serat karbon berlapis tembaga yang disiapkan melalui metode metalurgi serbuk, yang memotivasi para peneliti untuk melakukan studi lebih mendalam di bidang ini.

Banyak penelitian telah dilakukan mengenai mekanisme nukleasi dan stabilitasbusa aluminiumdengan penambahan fase penguat. Perbedaan jumlah pori dan morfologi pori,

seperti ukuran, distribusi, dan bentuk, biasanya dikaitkan dengan mekanisme nukleasi dan stabilitas. Efek nukleasi heterogen dan mekanisme stabilisasi jaringan oksida dalam sistem metalurgi serbuk telah diselidiki secara mendalam. Serbuk paduan kuaterner yang terdiri dari Al–Si–Mg–Cu yang digunakan dalam makalah ini telah menunjukkan laju ekspansi yang luar biasa dan suhu pembusaan yang rendah, dengan suhu solidus 507 ◦C dan suhu liquidus 596 ◦C. Meskipun demikian, masih kurangnya penelitian mengenai mekanisme nukleasi, stabilitas, dan sifat mekanis kompresif dari serbuk padat yang mengandung komposisi paduan khusus ini, terutama ketika menggabungkan Cf. Dalam karya-karya sebelumnya, penyelidikan mekanisme nukleasi dan stabilisasi terutama dilakukan melalui metode non-in situ, yang melibatkan analisis tomografi sampel yang didinginkan dengan cepat setelah penghentian pembusaan. Sayangnya, nukleasi gelembung submikron terutama terjadi selama pemanasan prekursor dan mengembang dengan cepat dalam interval waktu mulai dari 100 ms hingga 1 d, yang sering kali menghadirkan tantangan untuk pengamatan waktu nyata. Teknik pencitraan sinar-X radiasi sinkrotron modern memiliki energi tinggi dan resolusi spasiotemporal, yang memungkinkan pengamatan in situ secara langsung terhadap proses nukleasi dan pertumbuhan busa aluminium pada suhu tinggi. Saat ini, hanya sedikit peneliti yang telah mengeksplorasi kinetika pembusaan bubuk paduan Al–Si–Mg dengan radiasi sinkrotron. Misalnya, García-Moreno dkk. melaporkan fenomena dinamis yang signifikan dalam busa aluminium cair, termasuk nukleasi dan pertumbuhan, penataan ulang gelembung, retraksi cairan, aglomerasi, dan pecahnya lapisan film. Kamm dkk. mempelajari proses nukleasi dan pertumbuhan busa aluminium AlSi8Mg4 dengan radiasi sinkrotron. Temuan mereka menunjukkan bahwa hidrogen yang dihasilkan melalui dekomposisi adsorbat pada permukaan bubuk logam merupakan mekanisme nukleasi signifikan lainnya. Namun, interaksi antara komponen prekursor rumit, dan dinamika pembentukan busa dapat dipengaruhi oleh komposisinya. Baik untuk sistem serbuk Al–Si–Cu–Mg maupun sistem serbuk Al–Si–Cu–Mg dengan penambahan Cf, pemahaman dan eksplorasi inisiasi dan pertumbuhan busa logam sangat penting untuk pengembangan struktural busa lebih lanjut guna meningkatkan sifat untuk aplikasi.

Dalam penelitian ini, Cf/AFS dan AFS dengan ikatan antarmuka metalurgi disiapkan dengan metode metalurgi serbuk pengepakan gulung. Evolusi gelembung Cf/AFS dan AFS diamati secara in situ dengan radiasi sinkrotron untuk mengungkap mekanisme Cf pada nukleasi, pertumbuhan dan penggabungan gelembung, serta stabilitas. Selain itu, Cf/AFS dan AFS dibusakan pada suhu 620 ◦C selama 15 menit dalam tungku ruang. Selanjutnya, distribusi ukuran pori, struktur mikro pori, dan sifat mekanis tekan dari sampel berbusa dikarakterisasi dan diuji. Berdasarkan penelitian tersebut di atas, struktur dan kekuatan tekan Cf/AFS dan AFS dievaluasi secara sistematis.

2.Bahans dan metode

2.1. Bahan baku

Enam bahan baku digunakan untuk menyiapkan AFS dan Cf/AFS: bubuk Al (ukuran rata-rata: 45 μm, kemurnian >99,70%), bubuk Si (ukuran rata-rata: 38 μm, kemurnian >99,50%), bubuk Cu (ukuran rata-rata: 38 μm, kemurnian >99,90%), bubuk Mg (ukuran rata-rata: 75 μm, kemurnian >99,70%), bubuk TiH2 (ukuran rata-rata: 45 μm, kemurnian >99,70%), dan serat karbon berlapis tembaga (ukuran rata-rata: 1～2 mm, ketebalan lapisan tembaga: 1,4 μm).

2.2 Pembuatan Cf/AFS

Skema metode metalurgi serbuk pengepakan rol diilustrasikan dalamGbr. 1Selama tahap pencampuran, bubuk paduan kuaterner AlSi6Mg4Cu4 disiapkan, dengan bubuk Al, Si, Cu, dan Mg dalam proporsi masing-masing 86 wt%, 6 wt%, 4 wt%, dan 4 wt%, . 1 wt% bubuk TiH2 teroksidasi (perlakuan panas di udara selama 1,5 jam pada 470 ◦C) ditambahkan sebagai agen peniup yang melepaskan H2 dengan cepat pada suhu leleh yang mengembangkan lelehan. Selain itu, 0,5 wt% serat karbon dimasukkan sebagai fase penguat. Khususnya, untuk meningkatkan keterbasahan dan mencegah reaksi berbahaya seperti Al4C3 pada antarmuka lelehan serat-aluminium selama pembusaan, serat karbon dilapisi tembaga melalui pelapisan listrik. Proses pelapisan listrik dijelaskan dalam Ref.Gambar 2menunjukkan serat karbon berlapis tembaga yang diperoleh melalui proses pelapisan tanpa listrik. Lapisan tersebut memiliki cakupan permukaan serat yang seragam dan berkesinambungan.(Gambar 2(a)–(b))Selanjutnya, komposisi paduan yang berbeda yang digunakan dalam penelitian ini disiapkan dengan mencampur serbuk tersebut dengan dan tanpa Cf secara menyeluruh dalam mixer tiga dimensi selama 3 jam. Serbuk yang tercampur merata tersebut dienkapsulasi dalam rongga tertutup, diikuti dengan prosedur penggulungan dingin dan panas.

Tahap penggulungan dingin secara efektif mengevakuasi udara dari dalam rongga dan ruang interstisial di antara partikel melalui serangkaian lintasan ganda dan cekungan kecil. Tahap penggulungan panas memastikan bahwa prekursor mencapai kepadatan relatif yang melebihi 98% melalui ko-deformasi panel dan bubuk, yang memfasilitasi proses pembusaan berikutnya. Parameter proses penggulungan terperinci dijelaskan dalam Ref. Prekursor berbusa AFS dan Cf/AFS diperoleh melalui proses yang disebutkan di atas. Akhirnya, kedua prekursor berbusa dipanaskan pada 620 ◦C selama 15 menit untuk membuat spesimen Cf/AFS dan AFS, yang digunakan untuk analisis ukuran pori, karakterisasi mikrostruktur, dan uji sifat mekanis kompresif.

2.3. Karakterisasi dan metode pengujian

2.3.1. Karakterisasi mikrostruktur

Morfologi mikrostruktur Cf/AFS dan AFS diteliti dengan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (SEM, Zeiss Ultra Plus). Spektroskopi dispersif energi (EDS) digunakan untuk mengidentifikasi komposisi berbagai fase dalam dinding sel sampel berbusa. Potongan memanjang sampel diperoleh dengan memotong spesimen berbusa menggunakan mesin pelepasan elektro (EDM, DK7745). Setelah ini, potongan memanjang spesimen dilapisi dengan cat lalu diampelas dan dipoles masing-masing menggunakan amplas grit 800 dan 1500. Akhirnya, diameter sel ekuivalen (Dmean) dari penampang spesimen yang dipoles ditentukan menggunakan perangkat lunak analisis gambar, Image Pro Plus 6.0.

Gbr. 1.Skema metode metalurgi serbuk gulung pengepakan.

Gbr. 2.Gambar SEM dari (a) serat karbon berlapis tembaga, dan (b) menunjukkan tampilan yang diperbesar dari daerah yang ditandai dengan kotak merah di (a). Gambar (c) dan (d) adalah hasil EDS dari titik A di (b).

Gbr. 3.Diagram skema pengaturan percobaan radiasi sinkrotron.

2.3.2. Pengamatan busa in situ dengan radiasi sinkrotron

Diagram skematik dari pengaturan percobaan radiasi sinkrotron digambarkan dalamGambar 3Percobaan dilakukan pada garis sinar 4W1A dari Fasilitas Radiasi Sinkrotron Beijing (BSRF, Institut Fisika Energi Tinggi Beijing, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Tiongkok). Tidak seperti pencitraan kontras serapan konvensional, makalah ini menggunakan pencitraan kontras fase dengan Sumber Cahaya Radiasi Sinkrotron. Pendekatan ini mengatasi keterbatasan pencitraan serapan tradisional, yang tidak efektif untuk memvisualisasikan zat yang menyerap lemah. Proses pembusaan spesimen dilakukan dalam tungku pembusaan yang dirancang khusus, yang menampilkan jendela persegi berukuran 15 mm x 15 mm yang diposisikan tegak lurus terhadap arah berkas sinar-X. Ukuran sampel, seperti yang digambarkan dalam Gambar 3, berukuran 15 mm × 15 mm × 2 mm. Sampel ditempatkan dalam cetakan pembusaan yang terdiri dari sejumlah lembar keramik. Selama proses pembusaan, sinar-X dapat melewati sampel dan ditangkap oleh kamera perangkat berpasangan muatan (CCD). Sumber sinar-X yang dipilih beroperasi pada intensitas 20 Kev, dan ukuran tampilan maksimum 7,4 mm × 7,4 mm digunakan untuk memungkinkan pengamatan komprehensif terhadap keseluruhan proses pembentukan busa.

Perlu dicatat bahwa sampel yang diamati diposisikan dengan cara tegak lurus terhadap arah penggulungan dan arah tangensial. Baik prekursor yang mengandung 0,5 wt% Cf maupun yang tidak mengandung 0,5 wt% Cf, panel sampingnya dilepas dari kedua sisi sampel menggunakan EDM. Efek Cf pada karakteristik pembusaan busa aluminium diteliti. Lebih jauh, prekursor dengan komposisi yang berbeda dibusakan dalam tungku pemanas yang sama pada suhu yang telah ditetapkan sebesar 620 ◦C.

2.3.3. Uji sifat mekanik kompresi

Spesimen kompresi dipotong menjadi spesimen silinder dengan tinggi 23 mm dan diameter 20 mm dengan EDM, dan setiap arah dipastikan mencakup setidaknya 10 pori lengkap untuk menghindari efek ukuran. Uji kompresi kuasi-statis dilakukan dengan mengikuti standar ISO13314–2011 dan GB/T31930–2015, menggunakan mesin uji material universal elektron AG-XPLUS dengan kapasitas beban maksimum 100 KN. Tiga sampel diuji untuk setiap kelompok, dan kurva tegangan-regangan kompresif dalam makalah ini menunjukkan hasil rata-rata yang diperoleh dari tiga sampel yang diuji. Semua pengujian dilakukan di bawah kendali perpindahan, dengan mempertahankan kecepatan cross-head konstan sebesar 2 mm/menit (sesuai dengan laju regangan awal 10− 3 s− 1) pada suhu ruangan.

Gbr. 4.Gambar radiasi sinkrotron yang berevolusi berdasarkan waktu dari proses pembusaan Cf/AFS: (a) prekursor yang tidak berbusa pada momen t0 380 ◦C; (b)–(c) pelarutan unsur tembaga dan nukleasi tipe II selama peleburan prekursor; (d)–(g) nukleasi heterogen dan proses pertumbuhan gelembung; dan (h)–(i) penggabungan dan pecahnya gelembung.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Perilaku berbusa in situ di bawah radiasi sinkrotron

3.1.1. Evolusi busa Cf/AFS

Gambar 4menampilkan serangkaian gambar radiasi sinkrotron yang menggambarkan proses pembusaan Cf/AFS. Gambar asli Cf/AFS(Gambar 4 (a))ditangkap ketika matriks berada dalam keadaan padat pada suhu 380 ◦C, dan waktu ini ditetapkan sebagai t0. Dibandingkan dengan komponen lain dalam prekursor, Cf tampak hitam dalam matriks yang didominasi abu-abu kaya aluminium. Hal ini dapat dikaitkan dengan kandungan tembaga yang tinggi pada permukaan serat, seperti yang ditunjukkan padaGambar 2(c)–(d), yang memiliki massa atom relatif terbesar dibandingkan dengan komponen prekursor lainnya. Selain itu, sebagian besar Cf diamati tersebar dan terpisah, daripada berkelompok bersama, seperti yang ditunjukkan padaGambar 4(a)Ini berarti bahwa dengan penambahan Cf sebesar 0,5 wt%, proses pengadukan selama 3 jam dapat secara efektif mencapai keadaan dispersi yang diinginkan.

Pada t0+194s (seperti yang terlihat diGambar 4(b)), sejumlah besar gelembung putih berbentuk hampir bulat dengan diameter berkisar antara 90 μm hingga 180 μm dapat diamati dalam matriks aluminium abu-abu (ditandai dengan panah merah). Jumlah gelembung terus meningkat dalam waktu 46 detik, seperti yang ditunjukkan padaGambar 4(c). Selain itu, perubahan penting lain yang terjadi dalam matriks adalah bahwa beberapa gelembung kecil cenderung terbentuk pada permukaan Cf dengan dimulainya pelarutan Cu (ditandai dengan kotak putus-putus merah). Fenomena ini kemungkinan besar disebabkan oleh nukleasi tipe II yang terjadi dalam bubuk padat yang mengandung tembaga. Secara luas diakui bahwa penambahan Cu secara signifikan menurunkan suhu leleh paduan. Hal ini menghasilkan pelelehan lokal di sekitar partikel bubuk individual dalam prekursor bubuk yang mengandung bubuk tembaga selama proses pemanasan, menghasilkan sejumlah besar lelehan eutektik kuartener Al–Si–Mg–Cu pada suhu yang lebih rendah. Kolam lelehan eutektik kuartener cenderung menjadi daerah yang lemah dalam paduan dan lebih rentan terhadap nukleasi. Akibatnya, gelembung lebih mungkin untuk berinti dan tumbuh di dekat tembaga yang dilapisi pada permukaan serat. Lebih jauh, fraksi cairan rendah dalam matriks pada saat ini menyebabkan gas dari dekomposisi TiH2 mudah terakumulasi dalam matriks aluminium. Nukleasi tipe II secara efektif dapat menghindari akumulasi gas yang memaksa matriks fraksi cair rendah terpisah dan menyebarkan retakan melalui cairan, sehingga mengakibatkan hilangnya jumlah hidrogen secara parah.

Gambar 4(d)menunjukkan gelembung-gelembung awalnya berinti dan tumbuh pada daerah Cf saat matriks meleleh seluruhnya, dan lokasi gelembung sesuai dengan lapisan berlapis tembaga yang menghilang (ditandai dengan kotak putus-putus merah). Telah ditetapkan dengan baik bahwa penambahan fase sekunder meningkatkan jumlah situs nukleasi heterogen, sehingga mengurangi penghalang energi untuk pembentukan gelembung-gelembung baru dalam lelehan paduan. Sementara itu, laju nukleasi terkait dengan total area nukleasi heterogen per satuan volume. Akibatnya, dapat diamati bahwa gelembung-gelembung awalnya berinti di situs-situs tempat serat karbon berada dan mengembang sepanjang serat karbon. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam fraksi lelehan, banyak gelembung baru terus muncul dariGambar 4(e)–4(g). Namun, laju penggabungan dan pecahnya gelembung lokal lambat, yang menunjukkan bahwa gelembung memiliki stabilitas tinggi. Pada t0+426s, jumlah gelembung meningkat secara signifikan, dan

volume prekursor menunjukkan ekspansi besar(Gbr. 4(h)). Lebih jauh lagi, terjadinya penggabungan beberapa gelembung (ditandai dengan panah merah), dimana gelembung-gelembung kecil diserap oleh gelembung-gelembung yang lebih besar karena pematangan Ostwald, adalah proses yang tidak dapat dihindari selama evolusi busa logam [40]. Fenomena pematangan ini juga menghasilkan munculnya sejumlah kecil gelembung-gelembung besar dan tidak beraturan (ditandai dengan panah merah diGambar 4(i)).

Gbr. 5.Gambar evolusi waktu dari proses berbusa AFS pada berbagai tahap: (a) prekursor yang tidak meleleh pada momen t0 380 ◦C; (b) pelarutan unsur tembaga dan nukleasi tipe II selama peleburan prekursor; (c) proses nukleasi dan pertumbuhan gelembung; dan (d)–(f) penggabungan dan pecahnya gelembung.

3.1.2. Evolusi busa AFS

Gambar 5 menunjukkan serangkaian gambar radiasi sinkrotron yang mengilustrasikan proses berbusa AFS. Mirip dengan Cf/AFS, gambar awal untuk urutan radiasi sinkrotron diambil saat AFS berada dalam fase padat pada suhu 380 ◦C (lihatGambar 5(a)). Ketika matriks dipanaskan di atas suhu solidus, gelembung putih kecil terlihat diGambar 5(b) dan (c), yang dihasilkan dari dekomposisi TiH2 dan terjadinya nukleasi tipe II di wilayah kaya Cu. Namun, jumlah gelembung yang dihasilkan dan kepadatan distribusinya dalamGambar 5(c)jauh lebih rendah dibandingkan denganGambar 4(c)Hal ini menunjukkan bahwa Cf/AFS menyediakan lebih banyak saluran untuk pelepasan gas lebih awal selama nukleasi, mencegah pembentukan retakan berlebihan pada matriks aluminium dengan fraksi cairan rendah.

Jumlah situs nukleasi AFS yang lebih sedikit dan kemungkinan pertumbuhan gelembung abnormal yang lebih tinggi dibandingkan dengan Cf/AFS dapat diamati dariGambar 5(d)–(f). Evolusi gelembung AFS tidak teratur, dan ukurannya menunjukkan fluktuasi yang lebar karena adanya gelembung berukuran mikrometer dan gelembung besar berukuran milimeter yang tidak normal (ditandai dengan panah merah). Selain itu, ketidakstabilan dan ketidakhomogenan ini selama proses nukleasi awal dapat mengakibatkan perbedaan yang signifikan dalam struktur pori akhir dan sifat mekanis antara AFS dan Cf/AFS.

3.2. Analisis Makrostruktur

Untuk menyelidiki perbedaan morfologi pori makroskopis dan diameter pori antara AFS dan Cf/AFS, dua struktur sandwich disiapkan dalam kondisi laboratorium pada suhu berbusa 620 ◦C selama 15 menit. Struktur makro dan distribusi ukuran sel AFS dan Cf/AFS ditunjukkan pada Gambar 1.Gbr. 6Perbandingan penampang vertikal dari dua sampel struktur sandwich menunjukkan bahwa busa Cf/AFS memiliki sel yang lebih halus dan lebih sedikit cacat seperti pecahnya atau penggabungan sel (lihatGambar 6 (b)). Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan padaGambar 6(a), AFS menunjukkan homogenitas pori yang buruk dengan adanya beberapa pori yang sangat besar. Sementara itu, diameter pori ekuivalen untuk AFS dan Cf/AFS masing-masing adalah 2,9 ± 0,2 mm dan 1,9 ± 0,1 mm, yang menunjukkan bahwa diameter pori semakin disempurnakan dengan penambahan Cf (lihatGambar 6(c) dan (d)).

Evolusi struktur pori dipengaruhi oleh dua mekanisme kompetitif: dekomposisi TiH2 dan penggabungan dan pecahnya busa. Dekomposisi TiH2 berkontribusi pada peningkatan jumlah nukleasi, porositas, dan laju ekspansi, sedangkan penggabungan dan pecahnya gelembung mengurangi jumlah pori dan meningkatkan diameter pori. Pengurangan peristiwa penggabungan dan pecahnya gelembung berkontribusi untuk memperoleh struktur seluler yang lebih baik. Oleh karena itu, stabilitas busa yang tinggi diperlukan untuk mempertahankan homogenitas struktur pori selama proses pembusaan. Untuk Cf/AFS, penambahan Cf sangat meningkatkan keterbasahan serat dengan lelehan aluminium. Mirip dengan busa aluminium bertulang Cf yang dilaporkan [44] yang disiapkan dengan metode pembusaan leleh, penambahan Cf menstabilkan busa aluminium dengan mencegah pecahnya dinding sel dan mengurangi penggumpalan. Sementara itu, Cf dapat menciptakan struktur seperti jaring di dinding sel, yang menghasilkan gaya pemisahan dan mencegah pecahnya gelembung, sehingga meningkatkan struktur sel, stabilitas busa, dan keseragaman distribusi pori.

3.3. Karakterisasi mikrostruktur

Gambar 7(a)menunjukkan struktur mikro dinding sel setelah berbusa dengan AFS. Seperti yang dilaporkan untuk busa paduan AlSi6Cu4Mg4, Al–Si eutektik, Mg2Si, Al2Cu, dan Al5Cu2Mg8Si6, hadir dalam paduan, yang sesuai dengan temuan yang diperoleh dari analisis EDS diGambar 7(b)Fase-fase getas ini menurunkan sifat-sifat mekanis busa aluminium dengan melemahkan dinding pori atau bertindak sebagai sumber retakan selama deformasi. Oleh karena itu, meningkatkan sifat-sifat mekanis dinding pori melalui penambahan fase-fase penguat merupakan strategi yang layak dan efektif.

Untuk Cf/AFS, hal ini dapat diamati dariGambar 7(c) dan (d)bahwa Cf terdistribusi di dalam dinding sel atau di tepi dinding sel, menunjukkan bahwa Cf memiliki keterbasahan yang sangat baik dengan lelehan aluminium. Selain itu, hal ini terlihat (lihatGambar 7(d)) bahwa sejumlah kecil fase endapan Al2Cu terbentuk di antarmuka antara serat dan lelehan aluminium. Fenomena ini berkontribusi untuk mencapai ikatan yang kuat antara serat dan matriks. Perkembangan reaksi difusi ini dapat diamati secara intuitif dalamGambar 4(a)–(c). Perlu dicatat bahwa, fase yang diendapkan tidak sepenuhnya mengelilingi serat karbon, dan keadaan serta jumlah distribusi ini bermanfaat untuk Cf/AFS. Berdasarkan penelitian Lv et al, pada material komposit matriks aluminium yang diperkuat Cf, ditunjukkan bahwa jumlah fase yang diendapkan yang tepat dapat memengaruhi dan mengatur kekuatan ikatan antarmuka.

Gbr. 6.Potongan vertikal sampel representatif (a) AFS dan (b) Cf/AFS. Plot diameter ekivalen versus fraksi area yang sesuai dengan (a) dan (b) digambarkan dalam (c) dan (d), masing-masing. Garis kontinu padat dalam (c) dan (d) menunjukkan kecocokan log-normal. Regresi (R2) menunjukkan kecocokan yang baik.

Gbr. 7.Gambar SEM (a) dan (b) menunjukkan struktur mikro yang sesuai denganGbr. 6(a) AFS danGbr. 6(b) Cf/AFS, masing-masing, selanjutnya,Gbr. 7(b) dan (d) menunjukkan perbesaran lokalGbr. 7(a) dan (c), masing-masing.

3.4. Mekanisme stabilisasi busa Al–Si–Mg–Cu oleh Cf

Berdasarkan analisis yang disebutkan di atas, representasi skema mekanisme berbusa untuk Cf/AFS dan AFS dirangkum dalamGbr. 8Perbedaan signifikan antara Cf/AFS dan AFS dalam tahap nukleasi, pertumbuhan gelembung, dan tahap penggabungan, dan tahap pemadatan bertahap, seperti yang diilustrasikan dalamGambar 8(a) dan (b).

Gbr. 8.Diagram skema perilaku berbusa Cf/AFS dan AFS: (a) Cf/AFS; dan (b) AFS.

Pada tahap nukleasi busa paduan AlSi6Cu4Mg4, gelembung cenderung berinti di dalam cairan eutektik kuartener yang mengelilingi partikel tembaga, daripada berinti di lokasi partikel TiH2. Jenis nukleasi ini di wilayah terlemah prekursor (nukleasi tipe II) menyediakan lebih banyak saluran keluar untuk gas yang dilepaskan oleh dekomposisi TiH2, menghindari akumulasi gas dan menyebabkan retakan menjalar di lelehan aluminium. Penambahan serat karbon berlapis tembaga tampaknya selanjutnya menciptakan lebih banyak saluran untuk melepaskan H2. Namun, karena lelehan aluminium tidak memiliki fraksi cair yang cukup pada tahap ini, sulit bagi gelembung kecil tersebut untuk memiliki sumber H2 yang cukup untuk terus tumbuh. Akibatnya, gelembung kecil ini pecah di dalam lelehan saat suhu naik. Ketika prekursor meleleh sepenuhnya, H2 yang dilepaskan dari reaksi dehidrogenasi TiH2 yang hebat akan berinti dan tumbuh dengan cepat berdasarkan titik nukleasi. Cf menyediakan banyak situs nukleasi heterogen untuk pembentukan gelembung, yang sangat meningkatkan laju nukleasi. Pada saat yang sama, keberadaan Cf secara efektif menghambat kontak dan penggabungan gelembung primer dan menghindari pembentukan gelembung besar yang tidak normal.

Selama tahap pertumbuhan dan penggabungan gelembung, penambahan Cf secara signifikan meningkatkan stabilitas busa. Alasannya adalah Cf dan lelehan aluminium memiliki daya basah yang baik, dan serat dapat dengan mudah terperangkap di antara dua antarmuka gas-cair untuk membentuk struktur jaringan (seperti yang ditunjukkan padaGambar 7(c)). Saat lapisan cairan menipis, serat dapat menghasilkan tekanan pemisahan untuk menahan isapan dari batas dataran tinggi, sehingga mencegah lapisan cairan pecah. Jadi Cf/AFS membutuhkan waktu berbusa lebih lama dibandingkan dengan AFS, dengan stabilitas lebih tinggi yang dapat mempertahankan keseragaman struktur pori selama evolusi busa.

Selama tahap pemadatan lambat, gelembung-gelembung dalam Cf/AFS tidak lagi tumbuh dan serat-serat tertanam dalam dinding sel (ditandai dengan kotak putus-putus merah). Retensi serat ini mencegah penyerapan gelembung-gelembung kecil oleh gelembung-gelembung yang lebih besar, seperti yang terlihat pada pematangan Ostwald, dan menghambat pecahnya dinding sel akibat perluasan pemadatan. Hasilnya, Cf/AFS menunjukkan struktur pori yang lebih homogen dan lebih sedikit cacat pori dibandingkan dengan AFS.

3.5. Sifat Mekanik

Kurva tegangan-regangan tekan untuk Cf/AFS dan AFS dengan porositas yang hampir sama (masing-masing 83,2% dan 81,4%) disajikan dalamGambar 9(a)Kurva tegangan-regangan tekan menunjukkan karakteristik tiga tahap yang jelas, yang meliputi daerah elastis linier, daerah plateau, dan daerah densifikasi. Kekuatan luluh tekan AFS dan Cf/AFS masing-masing adalah 8,44 MPa dan 11,87 MPa. Kekuatan luluh tekan Cf/AFS meningkat sebesar 40,6% dibandingkan dengan AFS. Sementara itu, kapasitas penyerapan energi Cf/AFS lebih baik daripada AFS pada regangan yang sama, seperti yang ditunjukkan padaGambar 9(b)Kapasitas penyerapan energi AFS dan Cf/AFS masing-masing sekitar 3,3 MJ/m3 dan 6,1 MJ/m3. Kapasitas penyerapan energi Cf/AFS meningkat hingga 84,8% dibandingkan dengan AFS.

Gbr. 9.Kurva tegangan-kereta tekan dan kurva kapasitas penyerapan energi dari Cf/AFS dan AFS: (a) kurva tegangan-kereta tekan; (b) kurva kapasitas penyerapan energi.

Penambahan Cf secara signifikan meningkatkan sifat mekanik inti busa. Diketahui bahwa sifat mekanik inti busabusa aluminiumberhubungan erat dengan struktur pori dan sifat mekanik penyangga. Analisis makrostruktural menunjukkan bahwa penambahan Cf memperbaiki ukuran pori, memperbaiki distribusi pori, dan mengurangi cacat pori. Mirip dengan temuan Sasikumar et al. dan Yangetal. diameter pori kecil dan distribusi pori sempit lebih bermanfaat untuk meningkatkan kekuatan tekan dan efisiensi penyerapan energi. Selain itu, efek mikrostruktur pada sifat mekanik busa terutama disebabkan oleh Cf yang tertanam di dinding pori busa. Difusi dan pelarutan serat karbon berlapis tembaga dalam matriks aluminium dapat mencapai ikatan antarmuka yang lebih kuat antara serat dan matriks aluminium, yang berkontribusi pada pemindahan beban. Serat karbon modulus tinggi yang dijepit di dinding pori dapat membatasi deformasi dinding pori di bawah beban kompresi dan meningkatkan kapasitas menahan beban. Semua faktor ini mendukung Cf/AFS untuk mencapai kekuatan luluh dan kapasitas penyerapan energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan AFS.

4. Kesimpulan

Cf/AFS dan AFS disiapkan dengan metode metalurgi serbuk pengepakan dan penggulungan dalam penelitian ini. Perilaku berbusa dari Cf/AFS dan AFS diamati secara dinamis melalui radiasi sinkrotron untuk

menyelidiki pengaruh Cf pada pembentukan inti dan pertumbuhan gelembung. Selain itu, Cf pada morfologi pori, distribusi pori, dan sifat kompresi busa aluminium dianalisis secara menyeluruh. Kesimpulan utamanya adalah sebagai berikut:

(1) Pengamatan in situ radiasi sinkrotron menunjukkan bahwa proses pembusaan Cf/AFS dan AFS menunjukkan tiga tahap berbeda: nukleasi gelembung, pertumbuhan dan penggabungan gelembung, dan pemadatan.

Dibandingkan dengan AFS, proses pembusaan Cf/AFS menunjukkan stabilitas dan keseragaman gelembung yang lebih tinggi. AFS lebih rentan membentuk pori-pori yang sangat besar dan kasar selama proses evolusi pori. Selain itu, perbedaan tersebut disebabkan oleh efek nukleasi heterogen dari Cf, yang mencegah pecahnya dinding gelembung dan mengurangi koalesensi sekaligus meningkatkan laju nukleasi.

(2) Penambahan 0,5 wt.% Cf menyempurnakan diameter pori ekivalen dari 2,9 ± 0,2 mm menjadi 1,9 ± 0,1 mm, sehingga secara signifikan mengurangi cacat pori kasar. Pada saat yang sama, struktur mikro menunjukkan sifat pembasahan Cf yang baik, yang didistribusikan di sepanjang dinding pori dan antarmuka gas-padat, sehingga meningkatkan stabilitas busa.

(3) Dibandingkan dengan AFS, kekuatan luluh tekan dan kapasitas penyerapan energi Cf/AFS meningkat masing-masing sekitar 40,6% dan 84,8%. Temuan penelitian ini dapat memberikan ide untuk penguatan panel sandwich busa aluminium dengan antarmuka ikatan metalurgi yang berpotensi untuk aplikasi teknik di bidang industri otomotif dan kedirgantaraan.

Artikel dari Jurnal Penelitian dan Teknologi Material