泡沫金属制备技术研究进展

第22卷　第3期V ol 122　N o 13

材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering

总第89期Jun.2004

文章编号:10042793X (2004)0320452205

收稿日期:2003208225;修订日期:2003211212

基金项目:云南省自然科学基金重点资助项目2000E0003Z

作者简介:左孝青(1964-),男,副教授.研究方向:泡沫金属.E mail :zxqdzhhm @h

泡沫金属制备技术研究进展

左孝青1

,孙加林

2

(11昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明　650093;21昆明贵金属研究所,云南昆明　650221)

【摘　要】　本文对泡沫金属制备技术研究现状进行了综述,并就其发展的前沿问题进行了讨论,指出了泡沫金属制备技术的理论研究和工业化规模生产技术的发展方向,对泡沫金属的研究和开发具有重要意义。

【关键词】　泡沫金属;制备;综述中图分类号:T B383,T B34 文献标识码:A

R evie w on Foam Metal Manu facture T echniques

ZU O Xiao 2qing 1

,SUN Jia 2lin

2

(11I nstitute of Materials and Metallurgy E ngineering ,K unming U niversity of Science and T echnology ,K unming 650093,China ;21K unming Precious Metals I nstitute.K unming 650221,China)

【Abstract 】　The present manu facture techniques of foamed metals are reviewed and the problems of making foamed metals are

discussed in this paper.Ideals of further research and development of theory foundation and making metal foams ,especially on a large industrial scale ,are put forward.Therefore ,this research is very significant in the production of cellular metals.

【K ey w ords 】　cellular metals ;foamed metals ;manu facture ;review

1　前　言

泡沫金属是一种结构一功能一体化的结构和功能材料,具有低密度、高孔隙率、闭孔或开孔的结构特征,其性能表现有能量吸收、吸音、电磁屏蔽、低的热电导率、结构阻尼性能、高比刚度等,是不同结构仪器或装置的可选材料,在汽车、航空航天、建筑、包装、热交换、电池极板等领域有广泛的应用。

1948年S osnik 的专利技术

[1]

,使人类第一次有了金属

发泡体的概念。1950～1980年近30年里,泡沫金属研究基本处于不活跃阶段。1983年,G 1J 1DVIES 发表的论文[2]是泡沫金属系统化研究开始的标志,近20多年来,泡沫金属的研发十分活跃,是多孔材料的一个重要的组成部分和分支。L 1J 1G ibs on 和M 1F 1Ashby l988年出版了“多孔固体2结构和性能”专著

[3]

,该著作至今仍是多孔材料领域的重要论

著;2000年M 1F 1AShby 等[4]第一次系统地总结了泡沫金属的制备、性能和应用;2001年,J 1Banhart 的论文

[5]

对泡沫金

属的近期研究和发展工作进行了系统的总结;2002年,

H 1P 1Degischer 出版了最新的泡沫金属论著

[6]

,是目前泡沫

金属的研究成果的最新成果的总结;90年代后期,J 1Banhart

等创立了泡沫金属国际性学术机构,每年举办国际学术会

议等活动[7]。目前,欧洲、美国、日本等发达国家的研发活

动都十分活跃,已涌现出一批泡沫金属产品的公司(如

Shinko 2Wire ,Cymat ,Aluligy ,Schunk ,K arnan ,Neuman 2Alu foam

等)。

1980年以来,国内的东南大学

[8]

、哈尔滨工业大学[9]、

东北大学[10]、武汉科技大学[11]、昆明理工大学[12]、太原重型机械学院[13,14]等都在从事相关研究。东南大学等采用熔融金属发泡法,以T iH 2为发泡剂,Ca 为增粘剂,得到了气孔率大于80%的泡沫铝产品,并且在泡沫金属材料的性能测试方面[15,16]也作了大量工作,对泡沫金属热、声、阻尼性能的研究已具备了一定水平,并进行了泡沫铝的产业化尝试。

本文就泡沫金属的制备技术研究进展进行了详细的综述,并对发泡法制备技术的理论研究及前沿性发展问题进行了重点评述。

2　泡沫金属的制备技术进展

图1从泡沫孔的结构(开孔、闭孔)、金属的状态(液态、

粉末)和孔结构形成机制出发,对泡沫金属的制备技术进行了分类。

图1　泡沫金属的制备方法[17]

Fig.1　Processing techniques for cellular metals

闭孔泡沫可通过发泡工艺获得,其生产方法主要有:熔体发泡法、直接喷吹气体发泡法、金属粉末与发泡剂混合体致密化发泡法等。通孔泡沫可以通过渗流铸造、沉积、粉末松装烧结、添加造孔剂等工艺获得,其主要途径是首先获得多孔预制件,预制件可为盐(NaCl)的烧结体,或为多孔塑料、或为激光快速成型体等,利用多孔预制件进行渗流、沉积、烧结等工艺,可获得通孔金属泡沫。通孔泡沫的特点在于结构可控,但与发泡闭孔泡沫相比,其工艺过程相对复杂,增加了预制件成型工序和相关设备,且预制块(如NaCl 等)对型模和环境的不良作用很大,故生产的规模化前景不如发泡法。但通孔泡沫金属,附加值高,在功能应用上比闭孔泡沫有优势。

泡沫金属的制备可从固态、液态、气态出发而获得,从固态出发的方法有:粉末或纤维的烧结、气体存留、粉浆成型、空心球烧结、反应烧结、激光快速成型等;从液态出发的方法有直接喷吹气体、发泡机剂发泡、共晶定向凝固、粉末致密化发泡、多孔塑料的熔模铸造、空心球浇铸、喷射成型等;从气态出发的有气相沉积;另外还有电沉积等方法可以生产金属泡沫。

图1所示的众多制备方法中,甚至包含了激光快速成型技术(RP),涉及的领域非常广泛,其中具有工业化前景的方法主要是铸造法和粉末冶金法,尤以铸造法中的熔体发泡法和喷吹气体发泡法最可能实现规模化生产。铸造法生产泡沫金属,最大的优势在于低成本,但存在孔结构(即发泡剂或喷吹的气体在熔融金属中的均匀发泡和分散)控制困难的弱点,使其应用推广受到一定限制。铸造法生产泡沫金属,应进一步降低成本,稳定工业规模生产的工艺控制和质量,以获得与其它非金属泡沫市场竞争的优势。

目前金属泡沫以铝和铝合金泡沫为主,其它金属泡沫有镁、铜、钛、铅、锌、镍和钢泡沫等,但所占比例较小。

211　铸造法

21111　发泡法(熔融法)　该方法的工艺过程是:向熔融金属中加入增粘剂,使其粘度提高,然后加入发泡剂,发泡剂高温分解产生气体,气体膨胀使金属发泡,确保气泡相对稳定、不逸出,然后冷却下来或浇注发泡冷却,得到泡沫金属。常用的发泡剂为T iH

2

、Z rH

2

等金属氢化物,也有用CaC O

3作发泡剂的[18]。该方法最早的报道是1986年S1Akiyama 的专利[19],后J.I ljoon[20]进一步叙述了增粘剂对泡沫的稳定作用。

该方法工艺难度较大,产品的气泡均匀性及大小不易

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第22卷第3期左孝青,等.泡沫金属制备技术研究进展