泡沫金属—从基础研究到应用

泡沫金属—从基础研究到应用

John Banhart

材料科学部，哈恩-迈特纳研究所，柏林，德国

材料科学部，柏林科技大学，柏林，德国

Email：banhart@hmi.de

1 前言

固态金属泡沫，特别是基于轻金属，有许多不同性能的有趣组合，比如在联结中具有高强度的同时还具有低比重，或者高抗压强度与良好的能量吸收特性相结合。基于这个原因，人们对这些材料的兴趣仍然在不断增长中。泡沫金属的发展在评论文章和会议记录中有介绍[1-5]。有一个专门的网页提供最新的信息[6]。本文仅局限于闭孔铝合金泡沫的研究，其具有良好的市场推广潜力。我们将首先回顾不同的制造路线，讨论基础研究的重要性，然后再讨论其应用。

表1泡沫金属基本发泡路线和铝基泡沫制造商

直接发泡合金融化

合金发泡

产生气泡

泡沫收集

泡沫固化间接发泡制备发泡预制品

预制品再熔化

泡沫生成

泡沫固化

制造商(产品) Cymat, 加拿大(SAF)

Foamtech, 韩国(Lasom)

Hutte Kleinreichenbach

(HKB), 奥地利(Metcomb)

Shinko-Wire, 日本(Alporas)

(Distributor:Gleich, 德国)

制造商

(产品)

alm, 德国(AFS)

Alulight, 奥地利(alulight)

Gleich-IWE, 德国

Schunk, 德国

2 制备工艺

泡沫铝的制备主要有两种方法（见表1）。直接发泡法是通过向熔融金属中注入气体而产生泡沫，以使其中包含均匀分散的非金属颗粒。另外，钛金属氢化物可以被添加到熔体中，

其分解后具有相同的效果。

间接发泡法是通过加入均匀分散的发泡剂颗粒，大多为钛或锆的氢化物，而形成由铝混合物组成的固体预制品。通过熔化，使预制品膨胀并形成泡沫。

2.1 熔体注气直接发泡法

通过注入气体使铝或者铝合金发泡的技术，已经进入了商业开发阶段[7]。碳化硅，氧化铝或其他陶瓷颗粒需要与合金混合而使之发泡。增强颗粒的体积分数一般为10%至20%，平均粒径为5至20微米。气体（通常是空气）是通过特别设计的注射器注入，其中一些可以旋转或振动。由此产生的泡沫在液体顶部积累，并可以从那里被拉走，例如，通过皮带输送机，之后就可以进行冷却和固化。

泡沫材料既可以从铸造机中出来后就被使用，而具有一个封闭的外表面，也可以在发泡成型后切割成所需的形状。这种发泡工艺的优点包括，泡沫可被大量的生产和达到较低的密度。加拿大Cymat公司生产的泡沫材料，叫做“稳定泡沫铝（SAF）”就采用的这种方法。

最近，熔体发泡法已经被都位于奥地利的轻金属性能中心（LKR）和在Kleinreichbach 的冶金厂工作的科学家彻底改变了。其关键是一种可以使泡沫具有均匀孔径的气体注入新概念。此外，通过将泡沫填充入模具，可以制造出具有封闭外表面的复杂形状泡沫金属部件。这种类型的泡沫铝，叫做“Metcomb”的商业开发正在进行。

2.2 预制品发泡处理

泡沫铝预制品材料可以通过多种方法制备：

•通过铝粉和钛金属氢化物混合后，压缩这种混合物。例如，通过热压、挤压和粉末轧制，加工成致密的预制品[9]。如果需要特定的泡沫合金成分，金属粉末需要按相应的混合物成分进行添加（'"Foam-in-Al"或"Aluligh t"工艺），

•通过把制备预制品的粉末混合物制成坯料，并加热坯料到半固体状态，然后进行触变铸造制成部件预制品的形状[10],

•通过在熔融态铝合金凝固前，向熔体中加入发泡剂。在这种情况下，可以在压铸机中[11]或普通坩埚中完成。然而，发泡剂粉末必须进行预处理，以防止它们过早分解[12](“Formgrip”工艺)。

•通过液态铝喷射工艺，使沉积物存在于发泡剂上。

用上述任何方法获得的泡沫铝预制品，都可以通过熔化形成泡沫。一种基于间接发泡法的泡沫生产，现在正处于小规模商业的开发阶段。进行商业开发的公司有：提供轻质金属材料的ShunK公司（吉森，德国），alm（萨尔布吕肯德，德国），Innovativer Werksoffeinsatz 公司，iwe公司(施特拉尔松，德国)和奥地利公司Alulight(Ranshofen)。

3 基础研究

泡沫金属材料的历史很有意思，可以追溯到20世纪40年代[13]。在20世纪50年代末到70年代的首次科研浪潮中，大量的专利被发表，许多发泡处理的改进方法被人提出。除了参与研究公司的专利外，任何专利从未被公布过。因此，许多细节都被遗忘了。这使得现在很难评估，是否所有的想法在提出后被真正的执行过。

开始于80年代后期的第二次科研活动浪潮，导致了一些旧科技的重新建立和新科技的发现。最开始的公司，比如Alcan公司，Hydro Aluminium公司和Shinko Wire公司，进行内

部研究，但是随着对出版物态度的改变，自70年代以来，一些出版物出现了，有的甚至来自于公司的实验室。位于Briemen的Fraunhofer科研机构，在重新改良了一种老式粉基金属发泡工艺后，于1990年参与到这个领域中。从一开始，这个研究机构就开展和公布了与泡沫制备相关的工作。然而，其工作任然不是基础性的，问题的处理大多是以不断探索和反复尝试的方法解决的，而不是系统的探究技术的背景。这在工业驱动的研究中十分典型。继90年代中期的美国研究计划和不久后的德国国家资助研究网站后，开始了大量的对泡沫金属的基础研究。那时的情况是，基础研究正在试图追赶上早已存在的工业生产技术的步伐。如今，基础研究出版物的数量每年都在增加。目前（2005年年中）至少有550种泡沫金属材料的期刊出版物存在[6]。

泡沫金属物理学是一个活跃的研究领域。研究的任务是弄清如何使金属泡沫稳定和稳定性如何才能改善。其目的是使产品更加可靠，并提高泡沫金属的性能。人们已经认识到，在液态金属中存在的，大小在几十纳米到几十微米范围内的非金属颗粒对泡沫金属的稳定性至关重要。然而，其稳定的机制仍在讨论中。类似于液态泡沫物理学，高温胶体化学已经被创造出来用于这个领域的研究[14]。

第二个重要的领域是结构与性能关系的研究。直觉上似乎很明显，具有光滑孔壁的均匀金属泡沫，具有最佳的金属力学性能，但是仍然缺乏实际的证据。由于有很多宏观和形态学参数来用来描述泡沫金属，比如泡沫金属密度、孔径分布、孔径方向、孔壁曲率、孔壁缺陷，并且微观结构同样发挥了重要作用，比如颗粒大小分布、杂质含量、老化情况，因此简单易懂的代表性实验证据很难找到。

第三，泡沫金属结构模型对解释实验数据至关重要，并可以帮助设计工程师应用材料。不同层面上的模拟都已被使尝试过，从泡沫结构的微观模型本身开始，通常用简单的几何结构来代表真实的泡沫结构，并对全部组成部分进行模拟，其中的泡沫是由一个有效的媒质中间体代替的。

除了这些领域外，还有很多有趣的科研领域，例如，接合、切割或泡沫金属涂层。基础研究的例子可以在MetFoam会议的会议记录[2-4, 15]中找到，也可以从两本手册[5, 16]中找到。

4 应用

4.1 一般概念

泡沫金属有许多适用于汽车制造业的性能。自从泡沫金属被第一次研制开发后，汽车制造业对它们产生了极大的兴趣。其潜在的应用还存在于轮船制造、航空航天业和民用工程中[1]。其主要功能可分为如下部分：

•轻质结构：泡沫铝可用于优化工程构件在特定质量下的弯曲刚度。平泡沫板的弯曲刚度大致与泡沫铝密度呈负相关。轻质结构利用的是负载变形曲线中准弹性和可逆的部分。

•能量吸收：由于其具有高孔隙度，当压力在材料抗压强度内时，泡沫铝发生变形时可以吸收大量机械能。因此，泡沫金属可以在发生碰撞情况下，作为冲击能量吸收体而限制速度增加。这种方法利用了负载变形图表中不可逆变形的水平状态。由于泡沫金属可以具有比高分子基泡沫更高的破坏强度，高达20MPa，如今它们可以在以前泡沫无法涉及的领域中找到应用。

•声学与热控：泡沫铝在特定条件下，可以减少振动和吸收声音。此外，它们的热传导率低，并能承受高温。这些特性并不突出，例如，高分子泡沫材料可以更好的吸收声