金属多孔材料的力学性能及制备方法研究进展

金属多孔材料的力学性能及制备方法研究进展

姓名:李国灿专业:材料科学与工程班级:材料092 学号:200910204212

摘要:综述了金属多孔材料的几种常见的力学性能的研究进展，并对固相法、液相法、电沉积法、气相沉积法等金属多孔材料的主要制备方法进行了总结。同时，指出当前金属多孔材料发展方向以及前景。

关键词:金属多孔；制备方法；力学性能；发展方向

1 引言

金属多孔材料是一类具有功能和结构双重属性的特殊的工程材料。近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。金属多孔(泡沫金属)材料是20世纪80年代后期国际上迅速发展起来的，是由刚性骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能，如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高，使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。近年来随着金属多孔材料的应用领域不断扩大，对金属多孔材料的性能提出了更高的要求。例如高温气体除尘用的过滤材料要求具有优良的高温强度、良好的耐高温气体腐蚀能力、可再生等要求因此对金属多孔材料力学性能的研究是十分有必要的。为了得到不同性能的多孔金属，各种制备方法被相继提出，如直接发泡法，精密铸造法，气泡法，烧结法和电沉积法等。

2 金属多孔材料的学性能测试方法与结果

2.1 金属多孔材料的环拉强度

针对过滤管在使用过程中受到径向冲击力的受力状态，设计了环拉强度及其检测方法。其示意图如图l所示。样品采用等静压成型的中Φ50 mm×2 5 mm的管样，2个半圆柱状拉伸模套在多孔管内壁，从拉伸模通孔处施加一对向外的拉力。

图1金属多孔材料环拉强度检测方法示意圈

环拉强度由以下公式计算:

δ：环拉强度：

F：破坏金属多孔环时的瞬时力：

S：多孔圆环受力面积。

环拉试验采用等静压成型管和美国PALL公司的相应产品进行对照试验。结果如袁1所示。

表l表明按国标等静压成型的金属多孔管材的环拉强度达到了PALL公司同等绂样品的环拉强度。

表1 等静压成型管与PALL公司样品管的环拉强度对比

2.2 弯曲性能

金属多孔材料的弯曲性能是指金属多孔材料在不被破坏的条件下能弯曲的最大角度。由于轧制成型的多孔板(带)材通常需要在卷管机上卷制成管材，因此对多孔材料的弯曲性能的研究是有必要的，弯曲角直接决定了卷管的最小直径。但是目前并没有对金属多孔材料弯曲性能的统一标准。本实验模拟弯曲过程的受力状态，采用如图2所示的方法进行研究。试验过程是将宽度为30 mm的试样两点支撑在压力试验机平台上，试样中部正对压头，缓慢加压，试验时观察试样底部中间部位，当出现裂纹时立即停止。

图2弯曲性能实验示意图

根据材料的弯曲强度实验结果，当弯曲角度为58°时可以制各的晟小圆管直径为120 mm。基本符合实际卷管直径大小。说明可以用弯益性能来表征金属多孔材料在实际卷管的虽大内应力。

3.3 金属多孔材料的剪切强度

金属多孔材料的剪切强度是指金属多孔片材抗剪切破坏的能力。目前没有对金属多孔材料剪切强度的统一标准。本实验根据实际工况过程中的受力情况，自行设计剪切装置(实验

方法如图4所示)。试验时将金属多孔材料加工为庐Φ60 mm×5 mm的片样，用上冲头向下加力，直到多孔试样破坏为止，用试样所承受的晟大压力计算剪切强度。

图3剪切强度检测方法示意图

3 金属多孔材料制备方法

3.1 从液态(熔融)金属开始制备

3.1.1 熔体发泡法

在一定的条件下金属熔体中可生成气泡，并且一般情况下多数气泡由于浮力作用会迅速

上升到液体表面而溢出。为了使更多气泡留在熔体中，可在其中加入增粘剂来阻碍气泡的上浮。19世纪60至70年代，人们就已经尝试用这种方法制备铝、镁、锌及其合金的泡沫材料。过去的10年中，又涌现出了大量的新思路、新工艺，其中有两种熔体发泡工艺特别具有发展前景：其一是直接将气体通入金属熔体中，其二是将发泡剂加入熔体中，发泡剂分解释放大量气体。

3.1.2 固体一气体共晶凝固法

这种方法是乌克兰科学家1993年在专利中提出来的，依据是H：能于金属液体形成共晶

系统。在高压H2下(5×106Pa)能获得含氢的均匀金属液，如果降低

温度通过定向凝固将发生共晶转变，H：在凝固区域内含量增加，并且形成气泡。因为体系

压力决定共晶组成，所以外部压力和氢含量必须协调好。最终孔的形状主要取决于氢含量、金属液外部压力、凝固的方向和速率(一般速度为0.05mm/s～5mm/s)、金属液的化学成分。该方法制得的多孔材料具有平行于凝固方向拉长的圆柱状孔洞，气孔的尺寸一般不均匀，且对设备的要求比较高。

3.1.3 粉体发泡法

该法是将金属粉末或合金粉末与发泡剂粉末按一定的配比混合均匀，再将其压制成密实的预制品，然后升温到基体金属的熔点附近，使发泡剂分解释放出

的气体迫使压实的预制品膨胀成为泡沫金属。常用的发泡剂有TiH2、ZrH2等，一般氢化物的含量不高于3％，如果制备泡沫铁，则用碳化物(如SrC03)做发泡剂。该法可以制备形状复杂的半成品尺寸的工件，若在其表面粘结或轧制成金属板则可以得到三明治式的复合材料。

3.1.4 熔铸法

①熔模熔铸法：该法是先将泡沫塑料发泡成型，再将其浸入到液态耐火材料中，使耐火材料填充泡沫塑料孔隙。在耐火材料硬化后，加热升温使泡沫塑料气化分解，形成一个具有原泡沫塑料形状的三维骨架，将液态金属液浇注到模具内，凝固后除去耐火材料，就可获得具有三维网状的通孔金属多孔材料。所用的耐火材料一般为酚醛树脂、碳酸钙或石膏的混合物。此法的难点在于如何使金属液充分填充到模型中，以及如何在不破坏金属多孔结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种金属多孔材料，并且可以得到开孔结构，生产重复性好，有相对稳定的密度。

②渗流铸造法：该法是将可燃性粒子、可溶性粒子或低密度的中空球状颗粒放置于铸模内，然后浇注使熔融金属液渗入其中形成复合体，冷却凝固后用适

当的方法除去复合体中的颗粒载体，从而得到多孔金属材料。由于界面张力缘故，金属有时不能进入到粒状物料周围的缝隙中，因此需要在熔体表面施加压力或使模具具有适当的负压才可达到浇注目的。

该法是目前制备通孔金属多孔材料最为有效的方法之一，可用于制备多孔不锈钢、多孔铸铁、多孔镍、多孔铝、多孔铜等以及它们的合金。它的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小，缺点是最大孔隙率不超过80％。

3.1.5 喷雾发泡法

该法是将金属熔体雾化成小液滴并在基底沿一定形状(若相关参数控制得当可形成片状、管状等)形成沉积层。然后使氧化物、碳化物或纯金属粉末被小液滴润湿并通过化学反应而沉积在基底上。由于金属粉末会在雾化了的熔体中分解并释放大量气体，凝固后在沉积层中就会产生大量气孔。采用该法已制成泡沫铁，该方法的缺点是气孔分布不均匀，气孔率最高只有60％。

3.2 从固态金属粉末开始制备

3.2.1 金属粉末或纤维烧结法

粉末烧结是把适当尺寸的金属粒子填入模具成形，然后进行无压烧结从而获得多孔烧结