金属多孔材料的制备及应用

金属多孔材料的制备及应用
于永亮，张德金，袁勇，刘增林
(粉末冶金有限公司)
摘要:在归纳分析目前国内外各种制备多孔材料新技术的基础上，阐述了多孔材料在过滤、电极材料、催化载体、消音材料、生物和装饰材料方面应用及未来发展前景。

关键词:多孔材料功能结构制备方法金属加工
0前言
多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。

由于多孔材料具有相对密度低、比强度高、比表面积大、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，其应用范围远远超过单一功能的材料。

近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。

目前，金属多孔材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。

从20世纪中叶开始，世界科技较发达国家竞相投入到多孔金属材料的研究与开发之中，并相继研发了各种不同的制备工艺。

1金属多孔材料的制备工艺
1.1粉末冶金(PM)法［1］
该方法的原理是将一种或多种金属粉末按一定的配比混合均匀后，在一定的压力下压制成粉末压坯。

将成形坯在烧结炉中进行烧结，制得具有一定孔隙度的多孔金属材料。

或不经过成形压制，直接将粉末松装于模具内进行无压烧结，即粉末松装烧结法。

1.2纤维烧结法［2］
纤维烧结法与粉末冶金法基本类似。

用金属纤维代替金属粉末颗粒，选取一定几何分布的金属纤维混合均匀，分布成纤维毡，随后在惰性气氛或还原性气氛保护的条件下烧结制备金属纤维材料。

该法制备的金属多孔材料孔隙度可在很大范围内调整。

作者简介:于永亮(1981－)，男，2006年7月毕业于中南大学粉末冶金专业。

现为莱钢粉末冶金有限公司技术科助理工程师，主要从事生产技术及质量管理工作。

1.3发泡法［3］
1)直接吹气法。

对于制备泡沫金属，直接吹气法是一种简便、快速且低耗能的方法。

2)金属氢化物分解发泡法。

这种方法是在熔融的金属液中加入发泡剂(金属氢化物粉末)，氢化物被加热后分解出H2，并且发生体积膨胀，使得液体金属发泡，冷却后得到泡沫金属材料。

3)粉末发泡法。

该方法的基本工艺是将金属与发泡剂按一定的比例混合均匀，然后在一定的压力下压制成形。

将成形坯经过进一步加工，如轧制、模锻等，使之成为半成品，然后将半成品放入一定的钢模中加热，使得发泡剂分解放出气体发泡，最后得到多孔泡沫金属材料。

1.4自蔓延合成法［4］
自蔓延高温合成法是一种利用原材料组分之间化学反应的强烈放热，在维持自身反应继续进行的同时产生大量孔隙的材料合成方法。

该方法放热反应可迅速扩展(即自蔓延)，在极短时间内即可完成全部燃烧反应。

同时因为反应时的温度高，故容易得到高纯度材料。

这种方法主要是依靠反应过程中产生的液体和气体的运动而得到多孔结构，因此其孔隙大多是相互连通的，采用这种方法制备的多孔材料孔隙度可达到60%以上。

然而，由于在自蔓延高温合成过程中，其热量释放和反应过程过于剧烈，容易导致材料的变形和开裂，同时不利于材料的孔结构控制和近净成形。

1.5铸造法［5］
1)熔模铸造法。

熔模铸造法是先将已经发泡的塑料填入一定几何形状的容器内，在其周围倒入液态耐火材料，在耐火材料硬化后，升温加热使发泡塑料气化，此时模具就具有原发泡塑料的形状，将液态金属浇注到模具内，在冷却后把耐火材料与
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莱钢科技2011年6月
金属分开，可得到与原发泡塑料的形状一致的金属泡沫。

2)渗流铸造法。

该方法的原理是先把填料放于铸模之内，在其周围浇铸金属，然后把填料去除掉，得到泡沫金属材料。

渗流铸造法可根据渗透压力的不同分为高压渗流法和低压渗流法。

1.6溅射法［6］
溅射法可以制备多孔金属(合金)材料。

该方法的原理是在反应器内维持可控的惰性气体压力，在等离子的作用下，通过电场的作用将金属沉积在基体上，与此同时，惰性气体的原子也一并沉积，升高温度，金属熔化时惰性气体发生膨胀形成一个个的空穴，冷却后即为泡沫金属。

分解放出气体发泡，最后得到多孔泡沫金属材料。

1.7金属空心球法［7］
该方法是将一个个的金属空心球通过烧结粘结到一起而形成多孔结构。

目前所用的金属空心球原料是以铜、镍、钢或者钛为基体的，球的直径在0.8 8mm，壁厚在10 100μm。

金属空心球可以通过化学合成和电沉积的方法在高分子球的表面镀上一层金属，然后把高分子球去除而得到，可以用来制备通孔或闭孔、排列规则或不规则的多孔金属材料。

1.8金属沉积法［8］
金属沉积法是采用化学或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在易分解的有机物上，可分为电沉积和气相沉积两种。

2多孔金属材料的应用
由于多孔金属材料具有轻质、比表面积大等特点，又集结构材料和功能材料的特点于一身，所以多孔金属材料的应用范围很广。

就目前来看，其应用主要有以下几个方面。

2.1过滤与分离
多孔金属材料具有优良的渗透性，因此过滤与分离是其应用的一大热点。

多孔金属材料的孔道对液体有阻碍作用，从而能从液体中过滤分离出固体或悬浮物。

使用最广的金属过滤器材料是多孔青铜和多孔不锈钢。

目前，在过滤与分离的功能上，多孔金属材料已在宇航工业、化工行业、冶金工业、原子能工业上得到了广泛的应用。

2.2电池电极材料
利用高孔隙率的多孔金属材料作电极是电池电极行业的一大发展。

泡沫镍可以作为电化学反应堆中的电极材料，还可以作为可充电的NiCd电池。

具有非常高的比表面积的多孔粉末冶金材料已被用作燃料电池。

2.3催化载体材料
泡沫金属在韧性和热导率方面的优势，是催化载体材料的又一选择。

如将催化剂浆料涂于薄的泡沫金属片表面，然后通过成形(如轧制)和高温处理，可以用于电厂废气的处理。

2.4消音材料
多孔金属材料具有较好的能量吸收的性能，因此是一种很好的消音材料。

泡沫铝由铝质骨架和气孔组成，它质轻并具有一定的强度，具有吸声、耐火、防火、减震、防潮、无毒等优良的特性。

因此，泡沫铝是一种综合性能良好的多孔性吸声材料。

目前日、美、德等国研制的泡沫铝已在船舶、铁路、公路等领域获得应用。

2.5生物材料
因为多孔材料具有开放多孔状结构，允许新植入骨细胞组织在内生长及体液环境下的传输，尤其是多孔材料的强度及杨氏模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配。

多孔钛对人体无害且具有优良的力学性能和生物相容性，已被用作植入骨用生物材料。

多孔镁因其具有生物降解及生物吸收特性也被列入植入骨用生物材料的行列。

2.6装饰材料
泡沫金属材料作为一种新材料，不仅被工业界的人士所重视，而且也受到了设计师和艺术家们的重视。

与普通材料相比，在装饰领域，泡沫金属材料可以给人们一种独特的视觉效果。

以金、银为基体的泡沫材料被认为是一种有很大潜力的珠宝材料，它可以给人们带来意想不到的利润。

泡沫铝已被用来制作奇特的家具、钟表、灯具等。

2.7其他用途
金属多孔材料的孔道对电磁波有很好的吸收能力，因此可以用作电磁屏蔽材料;在石油化工、冶金等工业中，青铜、镍、蒙乃尔合金、不锈钢等粉末烧结多孔材料可应用于流体分布板;最近大量应用的是在自动化系统中作为信号的控制延时器;金属多孔材料还可作为灯芯材料;用多孔青铜作铸模中的排气塞，可提高铸锭质量;用多孔钛作为海水钓鱼鱼饵;在日本，多孔铁已被用作一种去臭材料;由于具有质量轻和能量吸收的特点，金属多孔材料还可以应用在运动器械等领域。

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于永亮，等:金属多孔材料的制备及应用第3期(总第153期)
3结语
近年来，金属多孔材料引起了研究者的极大兴趣，各种制备方法及应用领域不断地完善和发展。

然而其制备工艺除了固体颗粒普通成形烧结法，粉末松装烧结法，以及自蔓延高温合成法等工艺外，大多数金属多孔材料的制备工艺仍然复杂，如添加物脱除法，颗粒铸造法，包铸法，电沉积法，以及真空蒸镀法等，生产周期长，并且同样存在有机添加组元的脱除问题。

发泡法和气泡法虽然不存在此问题，但由于工艺本身的特点，其相应材料的孔结构参数的可控性差。

金属多孔材料的出现解决了陶瓷材料固有的严重脆性和难加工性，但是，由于金属材料的高温强度不足，抗氧化性能差，以及抗酸碱盐的酸腐蚀性能差，这些材料缺点在一定程度上阻碍了金属多孔材料的进一步发展和应用。

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特邀编辑:刘世民
Preparation and Application of Metal Porous Materials
Yu Yongliang，Zhang Dejin，Yuan Yong，Liu Zenglin
(Powder Metallurgy Co．，Ltd．)
Abstract:Based on generalization and analysis of new various technologies preparating porous materials，application and future development prospects in aspects of filtering，electrode material，catalytic carrier，acoustic material，biological and decoration materials were introduced．
Key words:porous materials;functional structure;preparation methods;
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metalworking
F550－Z35结构钢板成功冶炼
象征着莱钢目前最高级别船体及海洋平台用结构钢板F550－Z35于2011年5月20日，在银山型钢炼钢厂成功冶炼。

莱钢超高强度船板钢F550－Z35是在继F460－Z35试制成功的基础上又一重大突破。

F550－Z35强度级别更高(屈服强度≥550MPa)，同时还要保证良好的－60低温冲击韧性、良好的探伤性能、良好的Z向性能、良好的焊接性能等，这就对生产工艺控制提出了更高的要求。

2011年5月20日，型钢炼钢厂按照超高强度船板钢F550－Z35成分、工艺设计要求，顺利对F550－Z35钢种进行了冶炼，成分控制满足内控要求，同时满足了低S、P、H、N、O的控制要求，铸坯质量良好。

技术中心研发人员对此次冶炼进行了全程跟踪与数据采集。

此次超高强度船板钢F550－Z35的顺利冶炼，为后续认证实物准备奠定了良好的基础。

(技术中心麻衡)
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莱钢科技2011年6月。