Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4052
Main Title: Untersuchung von metallischen Filmen als Modellsystem für Metallschäume
Translated Title: Investigation of metallic films as a model system for metal foams
Author(s): Heim, Korbinian Jochem-Max
Advisor(s): Banhart, John
Referee(s): Tsatsaronis, George
Banhart, John
Körner, Carolin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit greift die von wässrigen Schaumsystemen her bekannte Idee auf, die Stabilität strukturell komplexer, durch Gasinjektion hergestellter Schäume durch ein einfaches Modellsystem einzelner Filme zu beschreiben. Um dies für Metallschäume zu bewerkstelligen, wurden verschiedene Drahtrahmenskelette in Schmelzen getaucht, wobei sich nach dem Herausziehen aus dem flüssigen Metall ein in deren Mitte befindlicher metallischer Film aufspannt. Dieser Film, der als Imitat einer realen Zellwand angesehen werden kann, erlaubt es, Stabilisationsmechanismen differenzierter zu untersuchen und konkreter zu beschreiben als es in dem abgeschlossenen und komplexeren System eines Metallschaums möglich wäre. Experimente mit einem einzelnen Drahtrahmen zeigten, dass Filme selbst bei kleinsten Drahtrahmengrößen (6 mm) und höchsten Partikelgehalten (20 Vol.%) ohne Sauerstoff nicht stabilisiert werden können. Wurde hingegen ein Sauerstoffgehalt von lediglich 1500 ppm O2 eingestellt und der Legierung 0,6 Gew.% Mg zugegeben (AlSi9Mg0,6), so konnten Filme selbst ohne Partikel stabilisiert werden, was für Schäume bis dato nicht möglich war. Die Notwendigkeit von Sauerstoff und die Stabilisation alleine durch dessen Präsenz war unerwartet und ist in durch Gasinjektion hergestellten metallischen Schäumen unbekannt. Hält man Filme hingegen im flüssigen Zustand und läßt Drainage zu, so sind wiederum sehr wohl Partikel von Nöten. Diese Umstände bringen das Modelsystem näher an die Metallschäume zurück und erlauben es, konkretere Schlussfolgerungen aus diesem System zu ziehen. All diese Experimente zeigen, dass neben Partikeln und Sauerstoff auch Magnesium eine bedeutende Rolle spielt. Dies steht in engem Zusammenhang mit der beschleunigten Oxidation in der Anwesenheit von Magnesium. Denn nur wenn eine ausreichend hohe Sauerstoffkonzentration in Kombination mit einem ausreichenden Magnesiumanteil vorliegt, kann eine kontinuierliche Oxidschicht rasch genug geformt und der Film stabilisiert werden. In-situ Röntgenradiographie zeigte, dass die steife, unbewegliche Oxidhaut die Bewegung von Partikeln behindern und diese an einer festen Position fixieren kann. Nur durch diesen ausreichenden Halt ist es möglich, dass interzellulare Kräfte aufgebaut werden können, die eine Zellwand stabilisieren. Experimente mit der Gasinjektion in Metallschmelzen bestätigten, dass stabile Schäume nur bei Verwendung eines sauerstoffreichen Injektionsgases unter atmosphärischen Bedingungen stabil sind. Wird hingegen auch hier jeglicher Kontakt mit Sauerstoff durch Einstellen einer Argonblase um die Probe vermieden, so wird keine stabile Schaumstruktur beobachtet, selbst bei dem höchsten Partikelgehalt. Legierungen frei von jeglichen zugegebenen keramischen Partikeln zeigten hingegen zumindest für eine kurze Zeit eine schaumähnliche Struktur. Diese Resultate zeigen, dass Erkenntnisse von einfachen Modellen auf Metallschäume übertragen werden können und lassen den Schluss zu, dass einzelne, flüssige Filme von den selben Gesetzmäßigkeiten bestimmt werden wie die Strukturelemente in metallischen Schäumen. So konnte das Wissen, dass Partikel für eine erfolgreiche Schaumentstehung von Nöten sind, durch die Erkenntnis erweitert werden, dass Sauerstoff und die damit einhergehende Bildung einer steifen und zugleich elastischen Oxidhaut eine noch bedeutendere Stellung einnimmt und die Basis jeglicher Stabilisation von metallischen Schäumen ist.
In the present thesis, a methodology known for aqueous foams is applied to metallic foams: to study the stabilisation mechanism of foams created by gas injection into liquids by considering the much simpler model system of a single film. For this, various wire frame skeletons of different shapes were immersed into a metallic melt containing alloying elements and stabilising particles and withdrawn, during which a liquid film is generated. Such an individual film, which can be thought to represent a single film in a foam allows us to investigate and describe stabilisation mechanisms more precisely and concisely than would be possible in a foam, which is an assembly of many different films. Experiments using a single wire frame have shown that films cannot be stabilised without the presence of oxygen even at the smallest wire frame diameter (6 mm) and highest particle concentration (20 vol.%) applied. However, if just 1500 ppm O2 were present in the surrounding atmosphere and the alloy contained 0.6 wt.% Mg (AlSi9Mg0.6), stable films could be created even without any particles, which is hitherto not possible for metallic foams. The necessity of oxygen and stabilisation based exclusively on its presence was unexpected and entirely unknown for metal foams made by gas injection. If, however, the films were kept in a liquid state and drainage was not inhibited, it was again found that particles were required for film stability. Such conditions more closely align our model system with that of a metallic foam, allowing more accurate conclusions about these systems to be extracted. Furthermore, all experiments demonstrated that beside particles and oxygen magnesium plays a major role. This was shown to be associated to the accelerated oxidation of magnesium containing alloys. A continuous oxide layer can only be formed if a sufficiently high amount of oxygen in combination with an adequate magnesium concentration is present, which is required to stabilise a film. Rigid and immobile oxide skins hinder the movement of particles and fix them at local positions as it could be detected by in-situ X-ray imaging. Only such fixed particles are able to create intercellular forces to stabilise a cell wall. Experiments on metal foams made by gas injection proved that stable foams can only be formed when using an oxygen-rich blowing gas. If foaming is carried out in an argon atmosphere no stable foams can be created, even with the highest particle concentration (20 vol.% SiC). In contrast, alloys not containing any additional particles exhibit at least a foam-like structure for a short period of time if an oxygen-rich gas was used. These results indicate that the conclusions drawn from single-film experiments may be applied to metallic foams in general, particularly regarding the stabilisation mechanisms. Therefore, the knowledge that particles are required for a successful foam formation can be extended by the finding that oxygen and the accompanying formation of a solid and elastic oxide skin is even more important and is the basis of any stabilisation mechanism in metallic foams.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-51471
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4349
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4052
Exam Date: 27-Jan-2014
Issue Date: 13-May-2014
Date Available: 13-May-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Einzelne Filme
Metallschäume
Oxidation
Partikelverstärkte Aluminium Legierungen
Stabilisation
Metal foams
Oxidation
Particle reinforced aluminium alloys
Single films
Stabilisation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
heim_korbinian.pdf12.91 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.