泡沫铝研究综述

泡沫铝研究综述班级:材科102班姓名：***学号：*********指导教师：***泡沫铝研究综述吴凯青岛理工大学摘要：泡沫铝是一种新型的轻质结构功能材料。

本文首先介绍在制造泡沫铝的过程中起了至关重要的作用的发泡剂。

泡沫铝中气源主要分为H2源和C02气源，氢化物发泡剂应用较为普遍；其次对泡沫铝动态压缩力学性能的实验测量技术进行了总结；另外分析总结了泡沫铝随着气孔孔径的减小，它的力学性能、电磁屏蔽效能、吸音性能的变化；最后，介绍了泡沫铝作为结构材料、功能材料及功能结构一体化材料应用的研究现状。

关键词：泡沫铝；发泡剂；力学性能；冲击荷载；小孔径Abstract:Foam aluminum is a new lightweight structure and function of materials. This paper describes the process in the manufacture of aluminum foam played a crucial role in the blowing agent. Aluminum foam in the gas source is divided into H2gas supply sources and CO2, hydrides foaming more general; followed by dynamic compression of aluminum foam mechanical properties of experimental measurement techniques are summarized; another analysis summarizes the aluminum foam with pore size decreases, its mechanical properties, changes in electromagnetic shielding performance, acoustic performance; Finally, the research status of aluminum foam as a structural material, structural and functional integration of functional materials materials applications.Keywords:Foam aluminum；Vesicant；Mechanical Properties；Impact load；Small Aperture引言泡沫铝是一种新型的轻质结构功能材料，粉末冶金法是一种制备泡沫铝的重要的方法。

在泡沫铝内部含有大量分布可控的孔洞，并以孔洞作为复合相的新型复合材料，具有良好的吸能、减震、缓冲、隔音吸声、隔热、电磁屏蔽、质量轻、高比能等优良的物理和力学性能。

另外，研究小孔径泡沫铝对泡沫铝的发展有重要意义，当泡沫铝气孔细化到lmm左右时，可分散细化缺陷，使泡沫铝的结构均匀性提高，而泡沫铝孔结构的均匀化可使其形变的不均匀性降低。

研究表明，平均孔径的减小可以使泡沫铝力学性能、能力吸收性能等得到提升。

因此，研究小孔径泡沫铝、全面提升泡沫铝性能是当今泡沫铝的重点研究方向之一。

正因为泡沫铝有如此多有意的性能，近些年来它在航空航天、汽车、船舶、建筑、装潢、环保、医药等领域被广泛使用。

1.泡沫铝发泡剂铝的熔点为660℃，通常低温发泡剂不适合金属铝的发泡。

在泡沫铝的生产中应用较多的是无机类热分解型发泡剂。

概括起来主要是氢化物型和碳酸盐型。

1．1氢化物发泡剂在众多的氢化物中，TiH2和ZrH2被认为是最佳的发泡剂[1]，原因是它们在400～600℃释放出发泡气体——氢气，这与铝金属的熔点(660℃)和铝合金的熔点(577℃)比较接近[1]。

工业生产中，由于成本和资源等因素，TiH2应用比较普遍，因此国内外发泡剂研究通常集中在TiH2方面。

可以利用未经处理的TiH2所释放的氢气在铝熔体中直接发泡，Banhart[2]发现TiH2在氩气保护下加热到390℃开始缓慢地释放氢气，释气过程可分为3个阶段：快速分解阶段、匀速分解阶段和减速分解阶段。

然后当温度达到铝或者铝合金熔点以上时，TiH2分解产生的氢气就会在熔融铝或者铝合金内形成无数气泡，冷却这种金属即得到泡沫铝。

东北大学先进材料制备中心的姚广春教授采用这种方法制备泡沫铝，以氢化钛作为发泡剂[3]，现在已能批量生产泡沫铝材，并申请了国家发明专利[4]。

1．2碳酸盐发泡剂V．Gergely在铝金属熔体中加入3．5％的CaC03作为发泡剂，搅拌40～90s后，室温下冷却制备泡沫前驱体，在650～750℃保温15min，发泡剂分解，制备出孔径均匀、高孔隙的泡沫铝材料，与TiH2相比，CaCO3更适合泡沫铝的制备。

原因在于CaCO3的分解温度较TiH2明显滞后，从而推迟了发泡时间，使操作易于控制。

2.泡沫铝力学性能材料的力学性能往往与应变率有关，随着应变率提高，材料的屈服极限、强度极限都会随之提高，而其延伸率会降低，并出现屈服滞后和断裂滞后等现象。

在泡沫铝动态实验测量中，还应注意减小因横向惯性引起的弥散效应，从而保证一维应力波初等理论在其理论计算中的使用。

控制其弥散效应常用的方法是确保泡沫铝试件为圆柱形，其直径一般为35 mm，其高度在10 ～ 20 mm。

泡沫铝在动态压缩作用下的应力-应变曲线与准静态作用下的明显不同，即随着加载速率的增大，其屈服应力也随之增大。

但无论是准静态下还是动态下，泡沫铝的应力-应变曲线都呈现出明显的3 个阶段，即弹性上升阶段、平台阶段和密实阶段。

3.小孔径泡沫铝常规熔体发泡法制备的泡沫铝平均孔径一般为3～6mm，孔径较大，在泡沫铝孔隙率相近的情况下，实验研究表明，孔径的减小可使泡沫铝的弹性模量、屈服强度、隔音抗噪、能量吸收性、电磁屏蔽等各方面性能都提高[5-7]。

3.1力学性能吴照金等[5]对不同平均孔径下泡沫铝的弹性模量、应力应变曲线的研究表明，当泡沫铝孔隙率在0．85左右时，随着平均孔径的减小，其弹性模量提高。

屈服强度增加，但应力平台区略有减小；在孔隙率相近时，泡沫铝的弹性模量、屈服强度等力学性能都会遵循以上规律，即平均孔径越小，力学性能越好。

这是因为在泡沫铝孔隙率基本不变的情况下，平均孔径减小则孔数增多，导致孔壁变薄，试样组织中的气固界面较大，界面强化效应增强，而且平均孔径减小会使缺陷细化，并最终导致弹性模量、屈服强度等力学性能指标增大。

3.2电磁屏蔽效能风仪等[7]研究了泡沫铝的电磁屏蔽性能，发现泡沫铝电磁屏蔽性能较好，是一种优良的电磁屏蔽材料，当泡沫铝孔隙率相近时，孔径越小，孔的个数越多，电磁波在泡沫铝内部多重反射的次数变多，吸收损耗增大，而反射损耗也随着孔径的减小而增大，因此总的电磁屏蔽效能随着泡沫铝孔径减小而增大。

3.3吸音性能泡沫铝具有良好的吸音降噪性能[8-10]，根据小孔消音的理论[8]，随着泡沫铝平均孔径的减小，其比表面积大幅增加，吸音降噪效果越明显。

Banhart等[9]认为随着平均孔径的减小，泡沫铝的吸音降噪能力将大幅提高，这是因为泡沫铝的平均孔径越小，其比表面积越大，则声波的漫反射和折射的通道也就越长越复杂，声波与空隙壁的碰撞次数越多，发生反射和折射的路径就越长，吸附的声能就越多，吸音降噪的效果也就更佳。

因此，泡沫铝平均孔径的减小可以使泡沫铝的吸音降噪能力提高。

4.泡沫铝应用研究现状4.1泡沫铝作为结构材料的应用泡沫铝内部存在大量孔隙，使其具有质轻及比强度高等特性。

泡沫铝是较理想的轻质复合夹层板或夹芯管的填充材料，用作三明治复合板的填充物，不仅质轻，而且强度和刚度较高，泡沫铝填充物可有效改善复合板材在静态和动态载荷下的变形模式，使其抗弯强度、抗压强度、刚度及吸能等性能都大幅度提高。

用三明治泡沫铝夹层材料制造的某些汽车零件的质量只有原钢件质量的1／2，而其比刚度却为钢件的1O倍，保温绝热性能比实体铝高95 ，因此，泡沫铝将会成为重要的汽车材料。

在航空航天领域，波音公司已经在尝试用泡沫钛和泡沫铝夹层材料制成直升飞机的尾架，这种夹层材料可以制成弯曲甚至三维的形状，使其在航空航天技术中具有很好的应用前景。

在建筑行业，泡沫铝或其它泡沫金属可以制成轻、硬、耐火的元件、栏杆或支撑体。

4.2泡沫铝作为功能材料的应用4.2.1吸能材料及减震材料利用泡沫铝良好的能量吸收及阻尼性能，可将其制作成优良的能量吸收材料及减震材料，例如汽车的保险杠、宇宙飞船的起落架、升降机、传送器安全垫及高速磨床防护罩吸能内衬等。

将泡沫铝充人中空钢材或铝材外壳中，使用在汽车的防撞壳、防撞管、保险杠和底盘之间的吸能元件上，不仅能使这些部件在负载期间具备良好的变形行为，极大地提高吸能速度，而且有助于减轻车体质量、缩短防撞壳长度、减小防撞壳体积。

汽车的发动机和另外一些部件可用泡沫金属制造或增强，可以同时获得较高的刚性和较轻的质量[11]。

在航空航天领域，泡沫铝可用于制作能量吸收材料，如返回舱、登月舱的缓冲材料。

4.2.2吸声材料泡沫铝能承受一定的压力，且具有加工性能好、不怕潮、易清洗、耐高温、阻燃、不会释放有毒气体、无污染、易回收等优点，集结构、功能于一体，能制成各种形式的吸声材料。

可广泛用于无线电录音室、建筑及自动办公设备等，既可作外表装饰，又兼作吸声材料。

泡沫铝对频率大于800 Hz的噪声有很强的消声能力，因此它还可用于空压机的消声器材、公路的防声壁、机械防声屏、音响室、工厂防声墙以及其它需要降低噪声的场合。

4.2.3电磁屏蔽材料泡沫铝的电磁屏蔽性能与频率有关，高频磁场通过泡沫铝时会产生感应电势从而形成感应涡流，与原磁场反向，形成涡流磁场的抵消作用，从而起到电磁屏蔽作用，屏蔽效果远优越于导电性涂料及导电性材料。

泡沫铝用作电磁屏蔽材料，能够降低8O 以上的电磁干扰，其屏蔽性能远比纯铁、含铜粉涂料等材料优越，特别是在电磁波高频区有更好的屏蔽性，在0．015kHz-1．5 GHz的频率范围内的电磁屏蔽性能可达75 dB以上口，故可以用来建造电子装备室，制作电子设备及电磁兼容器件、电子仪器屏蔽材料等。

4.2.4其他应用在化学工业中，泡沫铝等泡沫金属因具有大的表面积，可作为催化剂的载体，增加催化剂与反应气体或液体的接触面积，其性能远比陶瓷催化剂载体优越[12]。

另外，通孔泡沫铝大的孔隙率使其可以作为反应物进行化学反应的容器。

通孔泡沫金属具有一定的支撑能力、大的比表面积，这提供了广阔的界面电荷传递空间，而且它的导电性能良好，因此是一种优良的电极材料[13]，适用于各种蓄电池、燃料电池、空气电池和太阳能电池。