多孔材料论文

多孔金属材料的制备及应用

在材料科学研究中,永不改变的话题是探索新材料。人们注意到许多天然材料因其多孔的结构而具备优良的性能,因此,人们发展出

了各种人造多孔材料。作为材料科学研究中较年轻的一员,多孔材料迅速成为近年来国际科学界关注的热点之一。多孔材料可分为金属和非金属两大类,也可细分为多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金属材料3 种不同的类型。多孔金属材料又称为泡沫金属,作为结构材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。而且,多孔金属材料往往兼有结构材料和功能材料的双重作用,是一类性能优异的多用途材料。目前,多孔金属材料已经在冶金、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。多孔金属材料作为多孔材料的重要组成部分,在材料学领域具有不可取代的地位。从20 世纪中叶开始,世界各国竞相投入到多孔金属材料的研究与开发之中,并相继提出了各种不同的制备工艺[1] 。根据制备过程中金属所处的状态可以将这些制备方法划分为以下几种: (1) 液相法, (2) 气相法, (3) 金属沉积法。

1 液相法

1.1 直接发泡法

早在19 世纪六七十年代,以直接发泡法制备多孔金属就已经获

得了成功。相关实验主要集中在Al 、Mg、Zn 等低熔点金属及其合金的闭孔金属材料的制备方面。经过研究者多年的实验和研究,直接发

泡法制备多孔金属材料的工艺日渐成熟,目前已广泛应用于工业生产领域。直接发泡法包括两类不同的工艺:

(1) 直接吹气法发泡法; (2) 金属氢化物分解发泡法。

(1) 直接吹气法发泡法

对于制备泡沫金属,直接吹气法是一种简便、快速且低耗能的金属发泡方法。该方法的工艺是首先向金属液中加入SiC、Al2O3等以提高金属液的粘度,然后使用特制的旋转喷头向熔体中吹入气体(如空气、氩气、氮气) [2] 。该法制备泡沫金属的工艺流程如图1 所示。

图1 直接吹气法发泡法制备泡沫金属材料的流程图[ 4]

Fig. 1 Direct foaming of melts with blowing agents[ 4] 该方法主要应用于泡沫铝的生产中。用这种工艺来生产泡沫铝,首先应在熔融铝液中加入一种高熔点材料的细小颗粒,这种难熔颗粒在铝液中既可以增加铝液粘度,又可以在气体和金属的界面上形成一层表面活性剂,从而保证气体能稳定地滞留在铝液中,并在凝固过程中不会导致泡沫塌陷。尽管有多种符合应用条件的难熔材料,但在实际生产中常选用碳化硅作为增加铝液粘度的增粘剂。在这一过程中,碳化硅可与铝液反应形成碳硅铝的合成物,并使铝液保持在相对较低

的搅拌温度[3] 。

(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。在制备过程中,为了防止不均匀现象的发生,也可以加入固体Ca来增加粘度,以避免气泡逸出。

1.2 铸造法

(1)熔模铸造法

熔模铸造法是先将已经发泡的塑料填充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金属分开,可得到与原发泡塑料的形状一致的金属泡沫[5]。采用这种方法制备多孔金属的成本较高,以多孔锌为例,每立方厘米的成本在10美元以上[6] 。

(2) 渗流铸造法

该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[7]。高压渗流法是将填料和调节性载体(均可燃) 按一定的比例混合均匀,把这种混合物在模子内压实,烘干后得到一定尺寸的预制块,将预制块放入高压渗流模内,加入熔融金属液,在一定的高压下,金属液体快速渗入预制块的孔隙之中,冷却后将可燃性预制块在一定温度下燃烧去除,就得到了三维网络状的金属

泡沫金属。低压渗流法则是将可溶性填料放置于预热炉的上部,通过进气口加压,使金属液体沿着型腔内壁上升至预热炉内并与填料颗粒混合,冷却后将颗粒溶解去除即可。填料有许多种,它可以是有机的或无机的颗粒,也可以是低密度的空心球。可溶性盐、泡沫玻璃球、氧化铝空心球[8～11] 可以作为无机填料颗粒。如果熔融的金属液凝固的速度足够快,高分子聚合物也可以作为有机填料颗粒。为了避免金属液提前凝固而不能充分的渗入,填料颗粒必须经过预热。

1.3溅射法

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[12] 。

2固相法

2.1粉末冶金(PM) 法

该方法的原理是将金属粉末与造孔剂按一定的配比混合均匀后,在一定的压力下压制成具有一定致密度的预制品。将预制品在真空烧结炉中进行烧结,制得复合材料烧结坯,将烧结坯以一定方法去除造孔剂,最后制得了多孔金属材料。

2.2 粉末发泡法

该方法的基本工艺是将金属或非金属粉末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具有一定致密度的预制品。

将预制品经过进一步加工,如轧制、模锻等,使之成为半成品[13] ,

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。

2.3金属空心球法

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。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;通常金属空心球的直径在0. 8～8mm ,壁的厚度在10～100μm。金属空心球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。

2.4 金属粉末纤维烧结法

烧结金属粉末多孔材料是采用金属或合金粉末为原料,通过压制

成型和高温烧结而制得具有刚性结构的多孔材料。其孔隙结构由规则和不规则的粉末颗粒堆垛而成,孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取

决于粉末粒度组成和加工工艺[14]。

3 金属沉积法

金属沉积法就是采用化学的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。

3.1 电沉积法

电沉积是用电化学的方法实现制备,它主要由4个步骤组成: (1)以泡沫有机物为基体,由于它不导电,故须在酸性条件下用强氧化

剂对有机物进行腐蚀,使其表面变得易于被水润湿并产生微痕,常用