粉末松装烧结工艺对多孔铝棒组织、性能以及卷烟降温效果的影响

贾惠芳，刘允中，杨长毅，余开斌



粉末松装烧结工艺对多孔铝棒组织、性能以及卷烟降温效果的影响

贾惠芳，刘允中，杨长毅，余开斌

(华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术中心，广州 510640)

采用粉末松装烧结方法在不同烧结温度下制备多孔纯铝棒，研究粉末平均粒度与烧结温度对多孔纯铝棒的相对密度、硬度及显微组织的影响，并研究该铝棒对卷烟的降温效果。结果表明：纯铝棒材的相对密度和显微硬度随粉末的平均粒度增大呈先增大后略有减小再继续增大的趋势。在粉末平均粒度为48 μm、烧结温度为600 ℃以及保温时间为2 h的条件下，烧结态纯铝棒的相对密度达到61.7%，维氏硬度达到33.89。相对密度和显微硬度随烧结温度的升高而增大。将松装烧结的纯铝棒材应用于卷烟，制成复合卷烟，可使卷烟燃烧锥中心的最高温度降低超过100 ℃，而且滤嘴温度升高并不明显。

松装烧结；多孔铝棒；降温效果；卷烟；燃烧锥

多孔铝是一种以纯铝或铝合金为基体、内部分布气孔的金属基复合功能材料[1]，因其具有密度小，比表面积大、换热散热能力好、隔音、过滤及吸声性好等优异性能[2−3]，近年来受到广泛研究和重视，对其研究也从早期的工艺研究，到目前正在研发的功能结构一体化的新材料[4]。多孔铝的制备方法主要有粉末烧结法、铸造法、发泡法、沉积法等[5−7]。目前应用较为广泛的2种制备方法是渗流法和发泡法[8]。然而渗流法存在易产生残留物质、制品不完整等缺点，发泡法存在孔隙分布均匀程度和孔隙大小难以控制的缺点[8−9]。粉末冶金法则易于控制制备工艺和孔隙率，可制备各种尺寸与形状的多孔铝制品[10]。粉末冶金法分为成形粉末烧结法和松装粉末烧结法，使用松装粉末烧结法制备多孔纯铝棒材，制备工艺简单、成本低，而且，由于不添加任何粘结剂或造孔剂等，因此所得制品不含杂质。卷烟被点燃后，燃烧部分的固体物质形成一个锥体，称为燃烧锥。BASSILAKIS等[11]和SENNECA等[12]发现卷烟燃吸温度分布与卷烟燃烧产生的烟气成分关系密切，目前对卷烟燃烧锥温度的研究集中在理论研究上。孔浩森等[13−15]研究表明：适当降低卷烟燃烧锥温度，可减少卷烟燃烧时有害物质的释放量，且对香味物质释放量影响不大；同时，提高卷烟非燃烧部位的温度，有利于半挥发性香气组分的释放。因此，研究如何降低卷烟燃烧锥温度，对卷烟的降焦减害意义重大。现有报道中，对卷烟燃烧锥温度的降低主要是通过在卷烟纸或烟丝中添加添加剂来实 现[16−19]，这种方法对燃烧锥温度降低效果并不理想，且在卷烟燃烧过程中会发生化学反应，可能会生成其它对吸烟者有害的气体。本文利用金属优异的导热性，将金属铝应用于卷烟，旨在开发一种新的卷烟降温减害工艺，在卷烟降温减害的研究上具有突破性的意义。 本文在保护气氛下采用粉末松装烧结制备多孔纯铝棒材，研究烧结温度、粉末粒度等工艺参数对铝棒材密度、孔隙率、硬度及显微组织的影响，并将粉末松装烧结所得的纯铝棒应用于卷烟中，制成复合卷烟，研究卷烟燃烧过程中燃烧锥及滤嘴的中心温度的变化。以期为后期研究添加金属材料复合卷烟的传热规律及减害效果提供实验依据。

1 实验

1.1 多孔铝棒材的制备

用于制备多孔铝棒的原材料为气体雾化高纯铝粉，纯度大于99.7%。粉末呈近球形，5批原料粉末的平均粒度分别为1，10，48，150和380 μm。采用氩气作为保护气体，用管式气氛保护炉进行烧结，烧结温度分别取525，550，575，600和625 ℃。

1.2 性能检测

用游标卡尺和电子天平分别测量样品的尺寸和质量，计算样品的密度和相对密度。在Quanta 200型扫描电子显微镜上观察和分析样品的显微组织，在HVS−100显微硬度计上测量纯铝棒材的维氏硬度。将松装烧结的多孔铝棒置于卷烟中，制成新型复合卷烟，如图1所示。采用定制的Omega热电偶线和Testo735-2数字显示仪分别测量抽吸时未添加多孔铝棒的空白对照组卷烟和复合卷烟组的燃烧锥温度及滤嘴的温度。图1中T1为燃烧锥测量点，距离点火端40 mm，T2为滤嘴测量点，距离滤嘴端20 mm。其它实验参数如下：大气压为100.9 kPa，环境温度为21.8 ℃，环境湿度为64.4%；抽吸参数为：抽吸容量为35 mL，抽吸时间为2 s，抽吸周期为60 s。

图1 多孔铝棒与卷烟组成的复合装置

2 结果与分析

2.1 粉末平均粒度的影响

图2所示为当烧结温度为600 ℃，保温时间为2 h时，粉末平均粒度对烧结多孔铝棒的相对密度和显微硬度的影响。由图2可见，在1~380 μm范围内，随粉末平均粒度增大，松装烧结多孔铝棒的相对密度在56.3%~62.1%之间，呈现先增大后减小，然后再增大的趋势，其显微硬度也呈现相同的趋势。当粉末平均粒度为1 μm时，多孔铝棒的相对密度和显微硬度均较低。在1~48 μm范围内，随粉末平均粒度增大，多孔铝棒的相对密度逐渐增大。当粉末平均粒度为48 μm时，粉末松装烧结所制得的多孔铝棒的相对密度和硬度分别为61.7%和33.89。当粉末平均粒度继续增大到150 μm时，多孔铝棒的相对密度略有减小，硬度也有所下降，但下降并不明显。

图2 粉末平均粒度对多孔铝棒相对密度及维氏硬度的影响

当烧结温度为600 ℃，保温时间为2 h时，粉末平均粒度对松装烧结制备的多孔铝棒显微组织的影响如图3所示。可以看出，随粉末平均粒度增大，松装烧结所得多孔铝棒的孔隙尺寸逐渐增大，但数量却逐渐减少。图3(a)和(b)中孔隙数目明显多于图3(d)和(e)中的孔隙数目，但前者的孔隙尺寸却明显小于后者。图3(c)，(d)和(e)中烧结颈形成较多，粉末颗粒结合较好。当粉末平均粒度为1 μm时，由于粉末平均粒度较小，粉末之间的孔隙较多，且粉末颗粒表面存在氧化膜，在烧结时粉末颗粒之间难以形成冶金结合，从而导致样品相对密度和显微硬度较低。随粉末平均粒度增大，粉末颗粒数量减少，粉末颗粒间烧结颈形成率较高。同时，单个粉末颗粒的表面积增大，颗粒间的孔隙增大，相邻粉末颗粒间边界也逐渐变大，导致相邻粉末颗粒间原子扩散更难进行，对烧结颈的形成起阻碍作用。因此，烧结颈的形成同时受这两种相反作用力的影响。当粉末平均粒度增大到48 μm时，由于孔隙数量减少所起的作用占据主导地位，因此相对密度和维氏硬度达到最大值。当粉末平均粒度继续增大到150 μm时，相邻粉末颗粒间原子扩散速率的降低起主要作用，多孔铝棒的相对密度和硬度略有下降。这也印证了图2中松装烧结所制得的多孔铝棒相对密度和显微硬度随粉末平均粒度的变化规律。

图3粉末粒度对多孔铝棒显微组织的影响

2.2 烧结温度的影响

烧结温度对多孔铝棒相对密度和维氏硬度的影响如图4所示。由图4可见，当烧结温度在525~625 ℃范围内时，随烧结温度升高，多孔铝棒的相对密度和维氏硬度逐渐升高，其中相对密度的变化范围为60.4%~62.2%，维氏硬度的变化范围为20.20~48.93。在烧结温度低于550 ℃和高于600 ℃时，多孔铝棒的相对密度和维氏硬度变化较快。这是由于较高的温度利于粉末烧结，可以提高粉末颗粒之间的结合，进而提高烧结态样品的性能。当烧结温度较低时，粉末颗粒之间烧结颈很难或较少形成，烧结样品难以产生冶金结合，粉末之间以机械结合为主，样品中很难形成密实的骨架，因此样品的密度和硬度都较低[20]。随烧结温度升高，烧结颈逐渐产生，并逐步增多和长大，进而加强粉末颗粒之间的冶金结合，多孔铝棒的相对密度和维氏硬度也随之逐渐变大；而当烧结温度高于600 ℃时，原子扩散显著加快，会加速烧结颈的形成，使得多孔铝棒的密度和硬度都有较大幅度升高。在烧结温度为625 ℃时，多孔铝棒的相对密度达到62.2%，维氏硬度达到48.93。

图4 烧结温度对多孔铝棒相对密度和硬度的影响

烧结温度对多孔铝棒材显微组织的影响如图5所示。可以看出，当烧结温度较低时，基本不存在烧结颈，图5(a)和(b)中试样基本以粉末颗粒状态存在。烧结温度达到575 ℃时，烧结颈逐渐出现，且随烧结温度升高逐渐增多。图5(d)中，当烧结温度为625 ℃时，多孔铝棒的孔隙尺寸均一，分布均匀，样品已经形成较完整的骨架。烧结温度从600 ℃升至625 ℃时，粉末颗粒之间普遍形成烧结颈。这是由于烧结温度较低时，粉末相邻颗粒之间的原子扩散速率很慢，来不及形成有效的冶金结合，因此试样基本以粉末颗粒状态存在。随烧结温度升高，粉末相邻颗粒之间的原子扩散速度加快，粉末相邻颗粒之间更容易发生冶金结合，形成烧结颈，当烧结温度逐渐升高至625 ℃时，原子扩散加速，粉末颗粒之间烧结颈迅速增多，粉末颗粒之间的孔隙逐渐封闭，封闭孔隙会随烧结温度升高和保温时间延长球化并缩小，孔隙分布和孔径尺寸越来越均匀，样品逐步形成较密实的骨架[17]。

2.3 复合卷烟的降温效果

图6所示为实验组和对照组卷烟在抽吸状态下的燃烧锥中心温度和滤嘴中心温度变化情况。从图6(a)可以看出，空白对照组卷烟的燃烧锥中心温度高达750 ℃，而添加多孔铝棒后，复合卷烟的燃烧锥中心最高温度降低幅度超过100 ℃。文献[9]中在烟丝中添加乙酸甲，可使卷烟燃烧锥最高温度降低54 ℃，本文中降温幅度明显增大，且通过改变多孔铝棒的制备工艺，可有效控制降温幅度。从图6(a)和(b)中可以看出，添加多孔铝棒的复合卷烟的燃烧速率也有所降低，从而提高了总抽吸口数。从图6(b)中可以看出，添加多孔铝棒后卷烟滤嘴中心的最高温度相对于对照组卷烟由60 ℃升至68 ℃，升高幅度并不显著，因此不会出现因多孔铝棒的添加而导致滤嘴过烫的情况。这是由于添加多孔铝棒的复合卷烟在燃吸时，一方面，靠近燃烧锥一端的多孔铝棒受热时温度升高吸收了一部分热量，且多孔铝棒具有良好的热传导作用，燃烧锥的更多热量可通过传导传热的方式，由多孔铝棒和烟丝传导到未燃烧的烟丝和滤嘴处，从而可降低卷烟燃烧锥的温度，并适当提高未燃烧处烟丝和滤嘴的温度。而且由于多孔铝棒的相对密度低，没有充分冶金结合，铝棒中未形成完整的骨架，因此滤嘴处从燃烧锥获得的热量有限，且远离燃烧锥部位的铝棒通过自身热传导也吸收了部分热量，这两个原因都导致滤嘴处温度升高并不明显。另一方面，由于卷烟烟支中填充了多孔铝棒，烟支与空气的接触面积增加，因此一定程度上增加了燃烧过程中烟丝与空气之间的辐射散热和对流散热，这也适当可降低卷烟燃烧锥的温度。而且由于多孔铝棒的力学性能较低，因此在卷烟燃吸过程中，多孔铝棒的前端易在抽吸时随烟灰的掉落而掉落，对吸烟者的视觉感受基本没有影响。

图5 烧结温度对高纯铝棒材显微组织的影响

图6 卷烟抽吸状态下的燃烧锥温度和滤嘴温度变化

3 结论

1) 在粉末平均粒度为1~380 μm范围内，松装烧结多孔铝棒的相对密度和维氏硬度随粉末平均粒度升高而稍有增大。当粉末平均粒度增大至48 μm时，多孔铝棒的相对密度和维氏硬度分别为61.7%和33.89。当粉末平均粒度继续增大时，多孔铝棒的相对密度和维氏硬度则先略有减小，然后继续增大。

2) 松装烧结制备出的多孔铝棒相对密度较小，力学性能较低。当烧结温度为525~625 ℃时，松装烧结多孔铝棒的相对密度随烧结温度升高而稍有增大，变化范围为60.4%~62.2%；维氏硬度随烧结温度的变化趋势和相对密度随烧结温度的变化趋势基本相同，其变化范围为20.20~48.93。

3) 将松装烧结的多孔铝棒与卷烟制成复合卷烟，可使卷烟燃烧锥中心最高温度降低幅度超过100 ℃，降温效果明显优于现有的卷烟降温技术，且可通过调节多孔铝棒的制备工艺参数，有效控制降温幅度；而滤嘴处温度升高幅度很小，且多孔铝棒的前端易在抽吸时随烟灰掉落，基本不影响吸烟者的视觉感受。

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(编辑 高海燕)

Effects of powder loose sintering process on microstructures and properties of porous aluminum sticks and cooling in cigarette combustion cone

JIA Huifang, LIU Yunzhong, YANG Changyi, YU Kaibin

(National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming Technology for Metallic Materials,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Powder loose sintering was used to prepare porous pure aluminum stick samples. The effects of average particle size and sintering temperature on relative density, hardness and microstructure of sticks were studied. The cooling effect caused by porous pure aluminum sticks in the cigarettes was measured. The results show that the relative density and hardness of aluminum sticks increase with increasing average particle size firstly, then decrease slightly, and increase again finally. When the average particle size is 48 μm with the sintering temperature of 600 ℃ and the holding time of 2 h, the relative density of porous pure aluminum sticks is 61.7% and the micro-hardness is 33.89. The relative density and hardness of aluminum sticks increase with increasing sintering temperature. The porous pure aluminum sticks prepared by powder loose sintering were used in cigarettes. The highest temperature of the combustion cone decreases by more than 100℃, while the temperature of the filter tip changes little.

loose sintering; porous aluminum stick; cooling effect; cigarette; combustion cone

TG146.2

A

1673−0224(2016)06−878−07

广东中烟工业有限责任公司科技计划项目(粤烟工05XM-OK(2014)010)

2016−03−09；

2016−05−11

刘允中，教授，博士。电话：020-87110081；E-mail: yzhliu@scut.edu.cn