泡沫金属材料制备技术

泡沫金属材料制备技术

1.引言

金属泡沫或金属多孔材料是８０年代后期国际上迅速发展起来的一种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，如比重小、刚度大、比表面大、减震性能好、消声效果好、电磁屏蔽性能高等，使其在一些高技术领域获得了广泛应用[1-3]。泡沫铝合金材料是一种在铝合金基体中分布有大量微小气孔结构的超轻型铝合金材料。其开发研究始于20世纪40年代，最早的泡沫铝制备工艺是Sosnick于1948年提出的在铝熔体中以气化汞为气体来源制备泡沫铝合金的做法，该工艺还申请了美国专利[2]。1956年，美国科学家Elliot完善了泡沫铝制备理论，并提出以可热分解气体的发泡剂来代替汞，从而给泡沫金属材料的工艺发展指明了方向，同年他采用熔体发泡法成功制造出泡沫铝。随后人们开发使用了多种发泡剂如TiH2、ZrH2、ErH2、MgH2等。到了20世纪80年代末90年代初，泡沫铝材料的研究取得重大突破，日本九州工业研究所于1991年开发出泡沫铝工业化生产的工业路线。1992年M. F. Ashby第一次系统总结了泡沫金属的制备、性能和应用。90年代以来，国外科研机构和大学推出了多种制备高性能泡沫铝的工艺方法，如德国不来梅德夫雷霍夫实用材料研究所研制的粉末发泡法，德国的连续喷吹气体制备泡沫铝法（DE4139020），日本日立造船技术研究所的发泡法等。目前已经实现了采用金属发泡法和渗流铸造法来生产各种尺寸规模的泡沫铝部件，从高速列车到航天飞机的一系列领域都可以找到泡沫铝的身影[1]。

国内研究机构对泡沫铝的研究起步于20世纪80年代中期，目前国内主要的研究机构有东南大学、东北大学、昆明理工大学、大连理工大学等。我国学者研制了一些具有独创性的生产工艺，并进行了大量的理论和实验研究。其中东南大学材料系开展研究的时间最早，尤其在粉末冶金法制备泡沫铝工艺方面的成就较突出。

金属泡沫材料既可作为许多场合的功能材料，也可作为某些场合的结构材料，而一般情况下它兼有功能和结构双重作用，是一种性能优异的多用途工程材料。

金属泡沫材料具有一定的强度、延伸率和加工性能，可用于结构材料。目前多用在汽车工业、航空工业以及建筑工业中。一般来说，作为结构材料使用的金属泡沫材料需要闭孔结构，而作为功能材料使用的多孔材料则需要通孔结构。多孔材料的应用领域主要取决于以下几方面因素[3]：

(1) 组织形貌：孔隙类型（通孔或闭孔）、孔隙率、孔隙尺寸范围以及内表面面积；

(2) 冶金因素：金属或合金的显微组织；

(3) 工艺因素：多孔材料的加工性能以及它们与传统材料构成的复合材料的加工性能；

(4) 经济因素：生产成本以及大量生产的可行性如何。

汽车是金属泡沫材料最有希望也是最大的应用领域。目前，轻质、高刚度同时具有吸能和隔音性能的铝泡沫材料已经在汽车上得到应用，如顶盖板、底盖板以及滑动顶板等需要高刚度以避免扭曲变形和振动的构件。德国汽车制造商Karmann在跑车上采用三明治式复合泡沫铝板取代锻造钢板制造汽车的横壁板和后板，重量下降25%而刚度提高700%。另外，金属泡沫材料还具有吸能和隔音等多重功能[3-5]。

在航空领域，多孔网状金属一般用作轻质、传热的支撑结构，可用于机翼金属外壳的支撑体、导弹的防外壳高温坍塌支撑体、雷达镜的反射材料等[2]。如果采用定向凝固方法把发动机叶片制成多孔结构，不仅不会恶化叶片的力学性能(在叶片的受力方向上孔洞不会造成应力集中)，而且还将极大减轻发动机重量，提高叶片的冷却能力，将有效地提高发动机性能。

在建筑领域，金属泡沫材料一般用于制造质量轻、硬度高、有耐火性能要求的元件或结构件。

另外，在生物材料方面，钛等多孔材料由于与人体组织有良好的相容性且对人体无害而广泛应用，如骨科、牙科等。如果采用定向凝固的方法制造多孔人工骨，除了有利于骨组织的生长，还能通过孔隙率来调整弹性模量，使其与人骨相近，同时具有很好的减振效果，在保证力学性能的同时能实现结构和性能上与人骨的进一步亲和[6]。

还可以采用金属泡沫材料，特别是烧结方法制备的泡沫铜来制造轴承，具有价格低、结构简单的优点，适用于多种场合。目前已在电动马达、小发动机等要求传递力矩较小的轴上使用[7]。

过滤与分离方面，金属泡沫材料具有优良的渗透性，适合于制备多种过滤器。利用通孔多孔金属的孔隙对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或分离作用。多孔金属过滤器可用于从液体（如石油、汽油、致冷剂、聚合物熔体和悬浮液等）或空气和其它气流中滤掉固体颗粒[2]。

金属泡沫材料具有很大的比表面积，也适合于制造热交换器件，通孔体适用于换热器、加热器和散热器。闭孔金属泡沫材料的导热系数很低，仅为纯金属的1/5～1/150，可用作绝热材料，其强度及耐热性能（泡沫金属，尤其是泡沫铝的耐热温度远远超过其熔点）优于相应的传统材料。

在化学工业中，催化剂的效率依赖于催化剂与气体或液体接触的表面积，传统上常采用孔隙率很高的材料或者多孔陶瓷材料。金属泡沫材料由于比表面大且有较高的强度、韧性和导热性能，可以取代这些传统材料而用作催化剂载体。如基于金属泡沫材料的催化剂可用于碳氢化物的深度氧化、乙醇的选择性氧化、石油化工中的己烷重组等反应工程。

金属泡沫材料还可用于吸声材料。吸声材料需要同时具有优良的吸声效率、透声损失、透气性、耐火性和结构强度[2]。金属泡沫材料被广泛用于建筑和自动办公设备等，兼具装饰的功能。在汽车上，可用于既要求高吸声性能又要求良好绝缘性能的零部件。

金属泡沫材料也可在流体流量控制领域得到广泛应用。一般认为，用粉末冶金方法制备的材料制造的流体限流器比传统的千分尺限流器具有更高的可靠性和精确度[3]。金属泡沫材料已用于风洞的流体校直器以及气体或液体的计量器、自动化系统中的信号控制延时器等。

金属泡沫材料还具有优异的电磁波吸收性能，可用于电磁屏蔽、电磁兼容器件。

关于金属泡沫材料的应用主要存在两个制约，一是金属泡沫材料的生产成本高，在一般的民用领域不能得到广泛应用；而是金属泡沫材料的生产工艺复杂，难以控制，要得到孔结构均匀和可再生的金属泡沫非常困难。

2. 金属泡沫材料的制备方法

铝合金泡沫金属的制备方法有很多，根据金属或合金被处理时物理状态的不同，获得金属泡沫材料的制造方法可以划分为四类[3]：液相法、粉末固相法、离子法（金属离子溶液）以及气相法（金属蒸气或气态金属间化合物），其中气体吹入法、熔体发泡法、粉末冶金法以及渗流铸造法是最常用的制备方法。

2.1 连续气体吹入法

连续气体吹入法是加拿大Alcan国际有限公司在20世纪80~90年代开发的，其原理是在液态金属中加入很细的陶瓷粉末或能与液态金属反应生成稳定颗粒的合金元素作为增稠剂以提高

液态金属的粘度，阻止金属中的气泡逸出[3,5]，以制备金属泡沫材料的方法。气体吹入法的原理如图1所示。

首先在熔融的金属中加入增稠剂，加入增稠剂的体积百分数一般为10～20％，颗粒的平均尺寸为5～20μm。常用的增稠剂包括碳化硅、氧化铝以及氧化镁颗粒。增稠剂颗粒尺寸和加入量有一个适当的范围，太高或者太低均会影响金属泡沫材料的制备。随后，通过一个可以震动的喷嘴通入空气、氮气、氩气或者它们的混合气体，并不停搅拌。搅拌的作用是在液态金属中形成细小的气泡，并使气泡均匀分布。由于增稠剂的作用，产生的气泡在上升的过程中不能聚集长大，上升到泡沫－液体界面时被收集起来，通过传送带予以冷却，冷却下来后可以进行切割，可以获