51.泡沫铝的熔体发泡法制备及其应用

第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集泡沫铝的熔体发泡法制备及其应用周君，熊汉青，王志国，王志峰，赵维民（河北工业大学材料科学与工程学院，天津300130）摘要：泡沫铝是一种密度小、比刚度强的新型复合材料，具有良好的力学性能和物理性能，而且还具有阻尼、吸音隔音、阻燃、电磁屏蔽等特殊性能。

采用熔体发泡法制备泡沫铝，工序简单，成本低，易于操作。

随着现代科学技术的发展，泡沫铝作为结构功能材料被广泛应用在工业、建筑及其他高科技领域，并越来越受到人们的关注。

关键词：泡沫铝；性能；熔体发泡法；应用Preparation of Foam Aluminum by Foaming in Meltand Its ApplicationZHOU Jun,XIONG Han-qing,WA NG Zhi-guo,WANG Zhi-feng,ZHAO Wei-min (School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China) Abstract:Foam aluminum is a kind of new type composite materials with low density and big specific strength.Meanwhile,it has good mechanical properties,physical performance,damping,sound absorption, sound insulation,flame retardant,electromagnetic shielding and other special performance.The melt foaming method of foam aluminum is simple process,low cost and easy to operate.Along with the develop原ment of modern science and technology,foam aluminum as a structure functional material is widely used in industry,construction and high-tech fields.It is more and more concerned by people.Key words:foam aluminum;properties;melt foaming method;application多孔金属材料（Cellular metals）是一种新型的材料，它是由相互贯通或者封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成[1]。

典型的孔结构有两种：一种是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构，一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构。

泡沫铝是第一种结构多孔材料[2]，已经有60多年的研究历史。

早在20世纪40年代，美国的科学家就开始了用熔体发泡法制备泡沫铝的研究，并获得了首个泡沫铝的专利，为以后泡沫铝的研究和发展奠定了基础[3]。

随后日本、德国、加拿大等国家也开始了泡沫铝的研究，都取得了很大的进展。

20世纪70年代初，日本藤井清隆等人开始研究泡沫铝材料。

1978年，日本九州工业实验所的上野英俊等人研究出利用火山灰作为发泡剂制造泡沫铝的方法。

自1983年以来，以日本九州工业实验所为主的一些研究单位对泡沫铝的研究已十分活跃，并在熔体发泡法方面取得重大进展[4]。

进入20世纪90年代以后，很多国家都加大了在泡沫铝研究方面的投入，最值得注意的是德国布莱梅夫雷霍弗实用材料研究所(IEAM)在粉末冶金法生产泡沫铝上取得了突破[5]。

我国泡沫铝的研究起步较晚，虽然经过十多年的研究发展，但是与国外的技术水平相比还有一定的差距。

目前我国的中国科学院、东北大学、清华大学、昆明理工大学等都在致力于泡沫铝的研究，并作者简介：周君，硕士，地址：中国天津市丁字沽1路8号河北工业大学，E-mail：602443562@泡沫铝的熔体发泡法制备及其应用在理论、性能研究方面处于国际水平，如对泡沫金属结构参数的测定、降噪性能、吸声性能、阻尼性能等[6-9]。

泡沫铝与一般的实体金属相比较，其内部是由许多孔洞构成的，好像蜂窝一样的结构，其孔洞的大小可以通过工艺控制。

泡沫铝按孔的形状可以分为开孔式和闭孔式两种，如图1所示。

开孔式的泡沫铝可以通过沉积、粉末烧结、渗流铸造[10-11]等工艺制的，闭孔式可以通过熔体发泡法、金属粉末与发泡剂混合体致密化发泡法、直接喷吹气体发泡法等制得[12-13]。

开孔式泡沫铝的生产过程比闭孔式的复杂，一般需要增加预制件成型工序和相关设备，其生产的前景没有闭孔式广阔。

1泡沫铝的熔体发泡法制备制备泡沫铝的方法很多，例如固态金属烧结法、金属沉积法、液态金属凝固法[14-15]等，其中熔体发泡法[16]的生产工艺和设备较为简单，操作方便，成本低。

熔体发泡法制备的工艺过程[17]是通过向铝熔体中加入增粘剂提高其粘度，然后加入发泡剂使其在高温下分解产生气体，通过气体膨胀使金属发泡，接着冷却或浇注得到泡沫金属。

常用发泡剂[18]为TiH 2、ZrH 2、CaH 2和火山灰等。

这种方法中大量气泡集中在中部，而靠近表面的气泡小且结构致密。

解决上述问题常采用高速搅拌和选择合适增粘剂[19]的方法，该方法制备出来的泡沫铝属于闭孔泡沫铝，孔的结构[20]及孔隙率与金属液的粘度及泡沫化的时间有关。

这种方法制备泡沫铝，气孔的平均尺寸、铝液的粘度、泡沫铝的密度、粘度之间都存在一定的关系，其孔径可控。

经过长久的试验研究，这种方法是目前最成熟的生产工艺，但仍存在发泡剂发泡时间间隔短、发泡温度不易控制、气泡分布不均匀、产品重现性差等不足。

采用熔体发泡法的工艺方法，往往要经过多次的试验才能确定其工艺参数。

增粘剂、发泡剂的含量、搅拌速度、时间和发泡的温度都是影响泡沫铝质量的因素，必须准确的控制好每一个工艺参数才能得到优质的产品。

本试验主要是以纯铝为原材料，熔化后加入增粘剂(金属钙Ca)，发泡剂(氢化钛TiH 2)进行试验研究。

试验的设备如图2、3所示，基本的生产工艺流程为：将铝锭在650~800益温度内熔化，增粘剂的含（a ）开孔（b ）闭孔图1泡沫铝的两种结构图2熔炼发泡炉图3搅拌示意图第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集量1.5%~4%，搅拌8~10min ，发泡剂的含量0.5%~2%，搅拌时间30~50s ，保温自然冷却。

试验中发泡剂遇到高温熔液会迅速的分解，产生大量的氢气，当发泡剂加入的过多或者熔液的粘度太大，产生的气体不易流动，容易在中心形成大的孔洞；发泡剂过少或者溶液的粘度较小时，产生的氢气大部分逸出熔液，会产生实体部分。

本试验的工艺参数如表1所示，试验的结果如图4所示。

由图4可以看出，a 图增粘剂的量过大，使溶液的粘度增加，发泡剂搅拌不均匀，气泡分布在模具的周围，中心形成实体；b 图气泡得分布有所改善，但是气孔的大小不一，中心有较大的气孔；c 图气孔较均匀，中心存在少量大的气孔；d 图气孔的大小一致且分布均匀，试验的结果较好。

利用熔体发泡法制备泡沫金属，其核心问题是对气泡的均匀化和样品孔结构的控制。

针对这一问题，国内外材料工作者提出了许多改进的方法：一种是发泡剂的选择及预处理；一种是发泡剂和铝液的润湿性以及发泡剂在铝液中的均匀分布[21]。

例如：本试验使用发泡剂TiH 2的直径较小，大约为300目，高温加入后会立即分解产生氢气，控制孔洞的形态较难。

对TiH 2进行氧化处理后，表面会生成一层氧化膜（TiO 2），延缓气体释放的时间，可以较容易地控制工艺过程。

(c)(d)图4泡沫铝试样（a ）（b ）泡沫铝的熔体发泡法制备及其应用2泡沫铝的应用由于泡沫铝特殊的蜂窝式结构，它具有许多优良的性能：轻量化、表面积大、比刚度大、比强度大，另外它还具有阻尼、耐燃烧、吸声隔音、电磁屏蔽等特殊的物理性能。

随着科技工业的快速发展，泡沫铝被广泛地应用在航空、建筑、石油化工、汽车、电子、装饰材料等高科技领域，具有良好的发展前景[22-23]。

在汽车工业方面，泡沫铝用来制造一些零部件，如轿车的盖板，车门和底板等，减轻车身的质量，降低油耗。

国外研究表明，采用泡沫铝材构件，汽车构架（图5）的刚度得到加强。

在汽车制造中约有20%的车身结构可采用泡沫铝制造，一辆中型轿车用AFS(Aluminum Foam Sandwich)制造零件可减重27.2kg 左右，同时使结构系统简化，零部件数量至少可减少1/3，降低了汽车的成本[24]。

用泡沫铝制造的发动机支架（图6）和构件具有良好的吸音减震作用，提高汽车的稳定性能。

一些大的汽车制造公司正在研发使用泡沫铝作为保险杠的材料，撞击发生时有较好的抗击能力，可以最大限度地吸收冲击能，把破坏的危害减到最低的程度，保证驾驶者的安全。

泡沫铝被应用在汽车领域主要是以三明治式的泡沫铝夹板的形式，就是用金属板把泡沫铝夹在中间，如图7所示，这样有助于变形加工，生产更加复杂的零件。

德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车的顶盖板的刚度,比原来的钢构件大7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。

此外，还有更高的吸收冲击能与声能的效果。

用三明治式泡沫铝材制造的某些汽车零件的质量，只有原钢件质量的1/2，而其刚度却为钢件的10倍，保温绝热性能比铝高95%，对频率大于800Hz 的噪声有很强的消声能力。

泡沫铝材还是一种热稳定的不可燃的材料，也是一种抗破坏的耐用材料，并可以完全回收与再收利用[25]。

目前，“安静性”已成为船舶重要的技术性能和战术性能指标。

船舶的减振降噪成为各国都极其重视的研究项目，其中利用吸声材料控制噪声是一种重要的降噪方法。

泡沫铝由铝质骨架和气孔组成，图5泡沫铝合金汽车支架图6汽车的发动机支架图7泡沫铝夹板第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集它质轻并具有一定的强度，具有吸声、耐火、防火、减震、防潮、无毒等诸多优良的特性。

因此，泡沫铝研究引起了造船界的高度重视，成为各国材料界竞相研究的热点。

日、美、德等国研制的泡沫铝已在船舶、铁路、公路等领域获得应用[26]。

高速公路上的吸音隔板，射击场的围板也可以使用泡沫铝，避免噪音对周围环境的影响，减轻城市噪音污染（图8）。

在建筑装饰方面，泡沫铝一般用作吸音耐燃材料，既轻量化又能达到特殊的要求。

音乐厅、讲堂、剧场、舞蹈教室等的面壁多为泡沫铝材料，在演出时观众可以感受到优美的音效效果（图9）。