泡沫金属的研究及其应用进展
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早期对泡沫铝金属的研究重点是放在发 泡技术上, 实际上是向液态金属, 主要是铝合 金、和其它低熔点金属, 如铅、锡锌等材料中 加入发泡剂, 经加热使发泡剂分解气体, 气体 的膨胀使金属成泡沫状, 冷却后成为泡沫金 属, 用于生产泡沫铝的发泡剂有 T iH 2、ZrH 2 和 CaH 2 等, 而M gH 2 和 E rH 2 等常用来生产 泡沫锌和泡沫铅。 21112 渗流铸造法
也叫电解沉积法, 即通过金属喷涂工艺, 硬化处理, 化学预镀三个步骤, 将金属覆盖在 聚氨基甲酸乙酯材料上, 再将脂原体用热分 解去除而得到泡沫金属。如泡沫镍, 目前主要 用于镍镉、镍氢电池的电极材料。 213 粉末冶金法
该法用于一些熔点较高的金属和合金, 如不锈钢、铜、铁、镍等发泡材料的制取, 可根 据需要使用不同形状的粉末 (不规则形状、针 形与球形混合粉末等)。将相应的发泡剂加入 粉末中, 先成型后烧结, 以使发泡剂分解蒸发 或挥发和溶解而得以去除, 从而得到泡沫金 属。 214 纤维冶金法
5 泡沫金属的发展趋势及应用前景
511 泡沫金属的发展趋势 泡沫金属特殊的结构、性能及广泛的应
用前景。 特别是高技术性能起了日本、美国、 前苏联及西欧各国的重视。 我国对泡沫金属 的研究起步较晚, 正迎头赶上并引起有关方 面的广泛重视。由于成本和技术原因, 泡沫金 属至今尚未在民用领域得到广泛的应用。 从 研究技术上看。 大孔径立体网状 (厘米) 及小 孔径 (微米)、低密度高空隙率的泡沫金属是 目前制备技术上突破的重点。
孔径: 5 nm～ 100 Λm
金
属
多孔陶瓷 (刚玉 玻璃)
孔径小透气能差
过 滤
强度低, 不耐高温
过滤, 催化剂载体绝热保 质脆, 强度低, 不耐热, 不
温
抗震
金 〗 属
粉末冶金 泡沫金属
孔径: 50 nm～ 100 Λm 空隙率: 15%～ 30% 难以得到大孔径和 高空隙率 孔径: (015～ 510)mm 空隙率: 40%～ 90% 工艺简单, 成本较低 可机械化生产
以较大孔径和高空隙率为特征的泡沫金 属, 是一种利用表面的物理特性产生特殊作 用的功能材料。 它的发明只有 50 年的历史, 因最初采用发泡法制备, 故称为多泡性金 属[1]。以后发展了渗流等技术, 并用于制备泡 沫金属故又称之为通气性金属。 更为合适的 名称应为多孔性泡沫金属, 通常称为多孔泡 沫金属, 泡沫金属根据用途不同分为通孔和 不通孔两大类。
用机械加工拉拔及其他工艺制备黑色金 属纤维, 再将纤维制成毡后加工, 然后烧结获 得泡沫金属。
1998, V o l. 26, №11
轻 合 金 加 工 技 术
3
215 喷溅沉积法 是一种生产致密网状结构泡沫金属的方
法, 采用溅射技术把有夹有惰性气体的粉末, 均匀地溅射到金属基体上, 然后加热至金属 熔化, 并保温一段时间, 使被夹在其中的气体 膨胀成孔, 冷却后就得到了致密网状的泡沫 金属。
以过滤为主, 也用于其它 场合, 但对要求大孔径和 高空隙率应用受到限制
工艺复杂, 成本高, 孔径 较小, 空隙率受限
粗滤, 消声, 散热电磁屏 蔽及其它用途
孔径较小 (015 mm ) 及低 空 隙率 (20% ) 泡沫金属 制作较困难
自美国的 E thyl 公司和罗尔公司 (LO R 公 司)。时至今日, 美、日、英、德、加拿大、独联体 等相继出现了几十个生产泡沫铝的技术专 利, 其中涉及的方法很多, 已可以用某些特殊 工艺, 将泡沫铝制成带材、管材和特殊复合材 料, 但从整体上看, 这种新型材料仍处于探索 阶段。 下面介绍几种常见的工艺方法: 211 铸造法 21111 金属液发泡法
收稿日期: 1998- 01- 10 赵增典, 男33 岁, 讲师 3 山东省自然科学基金资助课题( Y97F 09093)
2
轻 合 金 加 工 技 术
1998, V o l. 26, №11
表 1 泡 沫 金 属 与 其 它 多 孔 材 料 的 比 较
材料名称
特 征
用 途
缺 点
非
多孔塑料材料 (尼龙 聚四氟乙烯)
3 泡沫金属的结构参数及其结 构特征
311 结构参数[6 ][7 ] 泡沫金属的主要结构参数有孔径、空隙
率、开孔度、通孔率、密度及流通特性等。 应用目的不同, 对泡沫金属物理性能要
求不同, 与其密切有关的主要结构参数也不 同。 如吸声性能主要与孔径、空隙率、通孔率 及流通性能有关。 312 结构特征 31211 较大孔径 (015～ 515)mm 或更大 (一 般粉末冶金多孔金属孔径不大于 013mm )。 31212 高空隙率 40%～ 90% (一般粉末冶 金多孔金属空隙率不大于 30% )。 31213 密度小, 随空隙率的变化而变化, 密 度仅为同体积金属的 011～ 016 倍。 31214 高比表面积: (1 000～ 4 000) u e 。 31215 金属骨架的成份组织可调节, 保证金 属特征, 当作为结构功能材料时, 可通过结构 加固以提高强度。当孔隙中填入特殊材料时, 可以具备特殊性能。
根据应用对象的特点可以选择不同的制 备方法, 使其结构参数及性能在需要的范围 内变化。
4 泡沫金属的性能特征及性能 对结构的敏感性
泡沫金属的性能取决于分布金属骨架的 孔隙特征, 包括孔的类型 (通孔、闭孔)、孔隙
结构 (孔径、空隙率、通孔率、密度及流通性 能) , 也与金属骨架有关。 411 性能特征 41111 特高的阻尼性能
L i J ie
(Zibo Environm en t P ro tect ion B u reau, Zibo , 255012, Ch ina) Abstract Po rou s m eta l is a k ind of new funct iona l m a teria ls w ith b righ t develop ing fu tu re. P roduct ion m ethod s fo r th is k ind of m a teria ls, their st ructu ra l sen sit ive2 ness, st ructu ra l cha racterist ics, funct iona l cha racterist ics, develop ing tendecy, a s w ell a s their app lied field s, a re described Keywords po rou s m eta l ; m ak ing m ethod ; funct ion m a teria ls
4
轻 合 金 加 工 技 术
1998, V o l. 26, №11
到研究者的重视。 空隙率大于 63% 的泡沫铝可浮于水面,
低于 63% 则沉于水中。闭孔的泡沫铝导热系 数很低, 可作绝热材料, 通孔的泡沫铝, 由于 有大的比表面及复杂的三维流动而有好的散 热能力。 在自然对流的条件下, 随孔径、空隙 率的提高, 其散热能力也提高 。 强迫对流使 散热能力显著提高, 但孔隙结构的影响有限。 压缩性能对孔径不敏感, 就阻尼而言, 振幅是 阻尼的参量, 而频率则是不敏感量。对吸声性 能, 则随孔径减小, 空隙率的增大, 综合吸声 系数会增大趋势[7 ][9 ]。
泡沫金属由金属骨架及孔隙所组成, 组 织极不均匀, 应变强烈滞后于应力, 压缩应力 - 应变曲线中包括一个很长的平直线段, 因 而它是一种具有高能量吸收特性的轻质、高 阻尼材料。 41112 优良的热物理性能
通 孔 泡 沫 铝 ( 孔 径 2170 mm , 空 隙 率 73%～ 83% ) 的表观导热系数介于一般金属 (或合金) 及隔热材料之间。 导热系数随空隙 率的提高而下降, 并与传热条件有关。通孔泡 沫金属具有大的表面积, 并使散布其中的流 体产生复杂的三维流动, 所以具有良好的散 热能力 41113 优异的渗透及流通性能
泡沫金属适合作为高频率的电磁波的电 磁兼容、屏蔽材料。 41115 采用特殊结构可具有特殊性能
采用特殊结构可提高强度, 采用管子与 泡沫金属组合结构可用于热交换; 在孔隙中 填入电磁波高吸收材料, 可用于隐身。 412 性能的结构敏感性
泡沫金属作为一种利用固体表面的物理 特性产生特殊作用的功能材料, 具有结构敏 感性及工况敏感性, 但这一特性至今尚未得
将颗粒或中空球加入金属液中, 加以强 化搅拌, 并冷却到足够的粘稠度, 如需要注入 模型中, 则在金属液凝固之前, 仍处于相对流 动时进行铸造, 可以得到金属- 颗粒复合体。 21114 熔模铸造法
此法采用流态耐火材料填充海绵状塑料 中的孔隙, 待耐火材料硬化后, 加热使塑料气 化而获得海绵状孔隙结构的铸型, 将液体金 属浇入此铸型中, 冷却凝固后去除耐火材料, 就得到了具有海绵状组织的泡沫金属。 212 镀覆金属法
渗流制造是将金属液渗入填料颗粒的间 隙而获得金属填料复合体, 所使用的填料颗 粒有可溶性[3 ]和不可溶性[4 ] 之分。 当使用耐 热而可溶的填料 (如原始精盐) 时, 制造后粒 子可从铸件中浸洗掉, 从而获得具有连通孔 隙的泡沫金属, 其空隙率可达 70% 左右; 当 使用松散的非可溶填料 (如多孔陶土球, 泡沫 玻璃, 空心刚玉球, 泡沫碳等无机填料) 时, 则 可获得金属- 颗粒复合体。 21113 添加球料法
1 泡沫金属与其它多孔材料的比较
泡沫金属与其它多孔材料相比, 有许多
特点, 如表 1 所示。
2 泡沫金属的制备方法
泡沫金属作为多孔金属材料的一个分 支, 已有 40 余年的发展史。So sn ik 于 1948 年 最早提出利用汞在铝中气化而制取泡沫铝合 金的想法[1]。 E llist 发 展 了 这 一 想 法, 并 于 1956 年成功地制造了泡沫铝[2]。60 年代美国 乙烷公司 (E thyl 公司) 已成为研制泡沫铝的 中心。据报导, 日本 1982 年以前所公布的 20 个有关泡沫铝的技术专利中, 有一半是来
泡沫金属有应用前景的主要领域有: 51211 利用高阻尼特性的领域: 缓冲器和吸 振器是最重要的用途之一, 例如汽车的防冲 撞和机载设备 (事故记录夹持器) , 电子设备 轻载减振垫, 宇宙飞船起落架减震元件等, 此
1998, V o l. 26, №11
轻 合 金 加 工 技 术
1
泡 沫 金 属 的 研 究 及 其 应 用 进 展3
赵增典 张 勇 ( 山东工程学院化学工程系 山东省淄博市 255012) 李 杰 ( 山东省淄博市环境保护局 山东省淄博市 255012)
【摘要】 详细介绍了新型结构功能材料—泡沫金属的制备方法, 并针对其性能 特征和结构敏感性叙述了泡沫金属的各种优异特性和应用领域, 指出了泡沫金属材 料是一种具有广阔应用前景的新型结构功能材料。
通孔泡沫铝用作过滤器、消声器等场合 都与流体或气体流通特性有关, 采用表观渗 透系数 k 表征流体流通能力[5]。 研究表明, k 值随孔径、空隙率的增大而提高, 流通压力的 提高也使渗透系数提高。 41114 优异的吸声[ 6 ] 及电磁屏性能
当声波射入泡沫金属表面时, 会发生漫 反射。进入孔内的声波使泡沫金属骨架振动, 释放能量而消耗声能, 通过孔径变化的孔隙 中膨胀消音, 它又具有微孔消音特性, 因而是 一种优异的吸声材料, 可制作各种消声器。
关键词 泡沫金属 制备方法 功能材料
The Study and Appl ica tion Progress of Porous M eta l
Zhao Zengd ian Zhang Yo ng
(Eng ineering D ep a rtm en t, Shandong In st itu te of Eng ineering, Zibo , 255012, Ch iБайду номын сангаасa)
从已有的文献看, 泡沫金属一直是结构 材料的课题研究, 专业的局限性限制了它的 发展。 近几年内人们才逐步认识到它是一类 新型功能材料。与国外的研究不一样, 国内的 研究工作十分重视学科交叉领域的高技术性 能研究, 在此基础上伺机发展以重要应用为 目标的泡沫金属制备技术, 为其在高技术领 域应用做好准备。 512 泡沫金属的应用前景
也叫电解沉积法, 即通过金属喷涂工艺, 硬化处理, 化学预镀三个步骤, 将金属覆盖在 聚氨基甲酸乙酯材料上, 再将脂原体用热分 解去除而得到泡沫金属。如泡沫镍, 目前主要 用于镍镉、镍氢电池的电极材料。 213 粉末冶金法
该法用于一些熔点较高的金属和合金, 如不锈钢、铜、铁、镍等发泡材料的制取, 可根 据需要使用不同形状的粉末 (不规则形状、针 形与球形混合粉末等)。将相应的发泡剂加入 粉末中, 先成型后烧结, 以使发泡剂分解蒸发 或挥发和溶解而得以去除, 从而得到泡沫金 属。 214 纤维冶金法
5 泡沫金属的发展趋势及应用前景
511 泡沫金属的发展趋势 泡沫金属特殊的结构、性能及广泛的应
用前景。 特别是高技术性能起了日本、美国、 前苏联及西欧各国的重视。 我国对泡沫金属 的研究起步较晚, 正迎头赶上并引起有关方 面的广泛重视。由于成本和技术原因, 泡沫金 属至今尚未在民用领域得到广泛的应用。 从 研究技术上看。 大孔径立体网状 (厘米) 及小 孔径 (微米)、低密度高空隙率的泡沫金属是 目前制备技术上突破的重点。
孔径: 5 nm～ 100 Λm
金
属
多孔陶瓷 (刚玉 玻璃)
孔径小透气能差
过 滤
强度低, 不耐高温
过滤, 催化剂载体绝热保 质脆, 强度低, 不耐热, 不
温
抗震
金 〗 属
粉末冶金 泡沫金属
孔径: 50 nm～ 100 Λm 空隙率: 15%～ 30% 难以得到大孔径和 高空隙率 孔径: (015～ 510)mm 空隙率: 40%～ 90% 工艺简单, 成本较低 可机械化生产
以较大孔径和高空隙率为特征的泡沫金 属, 是一种利用表面的物理特性产生特殊作 用的功能材料。 它的发明只有 50 年的历史, 因最初采用发泡法制备, 故称为多泡性金 属[1]。以后发展了渗流等技术, 并用于制备泡 沫金属故又称之为通气性金属。 更为合适的 名称应为多孔性泡沫金属, 通常称为多孔泡 沫金属, 泡沫金属根据用途不同分为通孔和 不通孔两大类。
用机械加工拉拔及其他工艺制备黑色金 属纤维, 再将纤维制成毡后加工, 然后烧结获 得泡沫金属。
1998, V o l. 26, №11
轻 合 金 加 工 技 术
3
215 喷溅沉积法 是一种生产致密网状结构泡沫金属的方
法, 采用溅射技术把有夹有惰性气体的粉末, 均匀地溅射到金属基体上, 然后加热至金属 熔化, 并保温一段时间, 使被夹在其中的气体 膨胀成孔, 冷却后就得到了致密网状的泡沫 金属。
以过滤为主, 也用于其它 场合, 但对要求大孔径和 高空隙率应用受到限制
工艺复杂, 成本高, 孔径 较小, 空隙率受限
粗滤, 消声, 散热电磁屏 蔽及其它用途
孔径较小 (015 mm ) 及低 空 隙率 (20% ) 泡沫金属 制作较困难
自美国的 E thyl 公司和罗尔公司 (LO R 公 司)。时至今日, 美、日、英、德、加拿大、独联体 等相继出现了几十个生产泡沫铝的技术专 利, 其中涉及的方法很多, 已可以用某些特殊 工艺, 将泡沫铝制成带材、管材和特殊复合材 料, 但从整体上看, 这种新型材料仍处于探索 阶段。 下面介绍几种常见的工艺方法: 211 铸造法 21111 金属液发泡法
收稿日期: 1998- 01- 10 赵增典, 男33 岁, 讲师 3 山东省自然科学基金资助课题( Y97F 09093)
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轻 合 金 加 工 技 术
1998, V o l. 26, №11
表 1 泡 沫 金 属 与 其 它 多 孔 材 料 的 比 较
材料名称
特 征
用 途
缺 点
非
多孔塑料材料 (尼龙 聚四氟乙烯)
3 泡沫金属的结构参数及其结 构特征
311 结构参数[6 ][7 ] 泡沫金属的主要结构参数有孔径、空隙
率、开孔度、通孔率、密度及流通特性等。 应用目的不同, 对泡沫金属物理性能要
求不同, 与其密切有关的主要结构参数也不 同。 如吸声性能主要与孔径、空隙率、通孔率 及流通性能有关。 312 结构特征 31211 较大孔径 (015～ 515)mm 或更大 (一 般粉末冶金多孔金属孔径不大于 013mm )。 31212 高空隙率 40%～ 90% (一般粉末冶 金多孔金属空隙率不大于 30% )。 31213 密度小, 随空隙率的变化而变化, 密 度仅为同体积金属的 011～ 016 倍。 31214 高比表面积: (1 000～ 4 000) u e 。 31215 金属骨架的成份组织可调节, 保证金 属特征, 当作为结构功能材料时, 可通过结构 加固以提高强度。当孔隙中填入特殊材料时, 可以具备特殊性能。
根据应用对象的特点可以选择不同的制 备方法, 使其结构参数及性能在需要的范围 内变化。
4 泡沫金属的性能特征及性能 对结构的敏感性
泡沫金属的性能取决于分布金属骨架的 孔隙特征, 包括孔的类型 (通孔、闭孔)、孔隙
结构 (孔径、空隙率、通孔率、密度及流通性 能) , 也与金属骨架有关。 411 性能特征 41111 特高的阻尼性能
L i J ie
(Zibo Environm en t P ro tect ion B u reau, Zibo , 255012, Ch ina) Abstract Po rou s m eta l is a k ind of new funct iona l m a teria ls w ith b righ t develop ing fu tu re. P roduct ion m ethod s fo r th is k ind of m a teria ls, their st ructu ra l sen sit ive2 ness, st ructu ra l cha racterist ics, funct iona l cha racterist ics, develop ing tendecy, a s w ell a s their app lied field s, a re described Keywords po rou s m eta l ; m ak ing m ethod ; funct ion m a teria ls
4
轻 合 金 加 工 技 术
1998, V o l. 26, №11
到研究者的重视。 空隙率大于 63% 的泡沫铝可浮于水面,
低于 63% 则沉于水中。闭孔的泡沫铝导热系 数很低, 可作绝热材料, 通孔的泡沫铝, 由于 有大的比表面及复杂的三维流动而有好的散 热能力。 在自然对流的条件下, 随孔径、空隙 率的提高, 其散热能力也提高 。 强迫对流使 散热能力显著提高, 但孔隙结构的影响有限。 压缩性能对孔径不敏感, 就阻尼而言, 振幅是 阻尼的参量, 而频率则是不敏感量。对吸声性 能, 则随孔径减小, 空隙率的增大, 综合吸声 系数会增大趋势[7 ][9 ]。
泡沫金属由金属骨架及孔隙所组成, 组 织极不均匀, 应变强烈滞后于应力, 压缩应力 - 应变曲线中包括一个很长的平直线段, 因 而它是一种具有高能量吸收特性的轻质、高 阻尼材料。 41112 优良的热物理性能
通 孔 泡 沫 铝 ( 孔 径 2170 mm , 空 隙 率 73%～ 83% ) 的表观导热系数介于一般金属 (或合金) 及隔热材料之间。 导热系数随空隙 率的提高而下降, 并与传热条件有关。通孔泡 沫金属具有大的表面积, 并使散布其中的流 体产生复杂的三维流动, 所以具有良好的散 热能力 41113 优异的渗透及流通性能
泡沫金属适合作为高频率的电磁波的电 磁兼容、屏蔽材料。 41115 采用特殊结构可具有特殊性能
采用特殊结构可提高强度, 采用管子与 泡沫金属组合结构可用于热交换; 在孔隙中 填入电磁波高吸收材料, 可用于隐身。 412 性能的结构敏感性
泡沫金属作为一种利用固体表面的物理 特性产生特殊作用的功能材料, 具有结构敏 感性及工况敏感性, 但这一特性至今尚未得
将颗粒或中空球加入金属液中, 加以强 化搅拌, 并冷却到足够的粘稠度, 如需要注入 模型中, 则在金属液凝固之前, 仍处于相对流 动时进行铸造, 可以得到金属- 颗粒复合体。 21114 熔模铸造法
此法采用流态耐火材料填充海绵状塑料 中的孔隙, 待耐火材料硬化后, 加热使塑料气 化而获得海绵状孔隙结构的铸型, 将液体金 属浇入此铸型中, 冷却凝固后去除耐火材料, 就得到了具有海绵状组织的泡沫金属。 212 镀覆金属法
渗流制造是将金属液渗入填料颗粒的间 隙而获得金属填料复合体, 所使用的填料颗 粒有可溶性[3 ]和不可溶性[4 ] 之分。 当使用耐 热而可溶的填料 (如原始精盐) 时, 制造后粒 子可从铸件中浸洗掉, 从而获得具有连通孔 隙的泡沫金属, 其空隙率可达 70% 左右; 当 使用松散的非可溶填料 (如多孔陶土球, 泡沫 玻璃, 空心刚玉球, 泡沫碳等无机填料) 时, 则 可获得金属- 颗粒复合体。 21113 添加球料法
1 泡沫金属与其它多孔材料的比较
泡沫金属与其它多孔材料相比, 有许多
特点, 如表 1 所示。
2 泡沫金属的制备方法
泡沫金属作为多孔金属材料的一个分 支, 已有 40 余年的发展史。So sn ik 于 1948 年 最早提出利用汞在铝中气化而制取泡沫铝合 金的想法[1]。 E llist 发 展 了 这 一 想 法, 并 于 1956 年成功地制造了泡沫铝[2]。60 年代美国 乙烷公司 (E thyl 公司) 已成为研制泡沫铝的 中心。据报导, 日本 1982 年以前所公布的 20 个有关泡沫铝的技术专利中, 有一半是来
泡沫金属有应用前景的主要领域有: 51211 利用高阻尼特性的领域: 缓冲器和吸 振器是最重要的用途之一, 例如汽车的防冲 撞和机载设备 (事故记录夹持器) , 电子设备 轻载减振垫, 宇宙飞船起落架减震元件等, 此
1998, V o l. 26, №11
轻 合 金 加 工 技 术
1
泡 沫 金 属 的 研 究 及 其 应 用 进 展3
赵增典 张 勇 ( 山东工程学院化学工程系 山东省淄博市 255012) 李 杰 ( 山东省淄博市环境保护局 山东省淄博市 255012)
【摘要】 详细介绍了新型结构功能材料—泡沫金属的制备方法, 并针对其性能 特征和结构敏感性叙述了泡沫金属的各种优异特性和应用领域, 指出了泡沫金属材 料是一种具有广阔应用前景的新型结构功能材料。
通孔泡沫铝用作过滤器、消声器等场合 都与流体或气体流通特性有关, 采用表观渗 透系数 k 表征流体流通能力[5]。 研究表明, k 值随孔径、空隙率的增大而提高, 流通压力的 提高也使渗透系数提高。 41114 优异的吸声[ 6 ] 及电磁屏性能
当声波射入泡沫金属表面时, 会发生漫 反射。进入孔内的声波使泡沫金属骨架振动, 释放能量而消耗声能, 通过孔径变化的孔隙 中膨胀消音, 它又具有微孔消音特性, 因而是 一种优异的吸声材料, 可制作各种消声器。
关键词 泡沫金属 制备方法 功能材料
The Study and Appl ica tion Progress of Porous M eta l
Zhao Zengd ian Zhang Yo ng
(Eng ineering D ep a rtm en t, Shandong In st itu te of Eng ineering, Zibo , 255012, Ch iБайду номын сангаасa)
从已有的文献看, 泡沫金属一直是结构 材料的课题研究, 专业的局限性限制了它的 发展。 近几年内人们才逐步认识到它是一类 新型功能材料。与国外的研究不一样, 国内的 研究工作十分重视学科交叉领域的高技术性 能研究, 在此基础上伺机发展以重要应用为 目标的泡沫金属制备技术, 为其在高技术领 域应用做好准备。 512 泡沫金属的应用前景