泡沫铝

一、引言

现代工艺技术的发展，使得泡沫金属的制备技术日趋完善，制造成本不断降低。以泡沫铝为代表的泡沫金属是近年来发展较快的一种新型功能结构材料。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它具有减震、吸收冲击能、耐高温、隔声、吸声[1]、隔热、不燃烧、抗腐蚀、电磁屏蔽等物理性能[2-6]。最主要的是它可以将低密度、高刚度、冲击吸能性、低热导性、低磁导率和良好的阻尼性综合在一起[7]。在需要综合利用这些性能的领域内，泡沫金属有着广泛的应用前景[8-9]。

泡沫铝按照基体材料的不同，可将其分为泡沫纯铝和泡沫铝合金两类。由于泡沫铝合金同时具有纯铝和其它合金元素的性能，与泡沫纯铝相比其强度和吸能能力通常得到了提高。常见的泡沫铝合金有泡沫铝硅合金、铝镁合金和铝铜合金。按照孔结构的不同，可将泡沫铝分成开孔和闭孔两种[10]。

泡沫铝具有较高的压缩强度，同时具有较长的平台应力。压缩过程中的大量能量在近似恒定的应力下被吸收[11]，从而使得泡沫铝具有很强的吸能能力。关于泡沫铝吸能性能的研究文献很多。Pkarash等人[12]认为泡沫铝的能量吸收能力不仅与基体材料的弹塑性有关，还与其它一些耗散过程有关，如破碎的孔壁之间的摩擦。Beals等[13]通过对密度不均匀的Alcna 泡沫材料的测试分析，指出密度梯度是削弱泡沫材料能量吸收能力和效率的重要原因。在传统的管式吸能装置中，采用泡沫铝作为填充物可以提高结构的刚度和吸能能力，从而改进缓冲吸能装置的性能。国外许多文献都报道了由泡沫铝充当芯材的夹心式组合结构的静动态压缩力学行为的实验研究，国内该方面的文献比较少。

泡沫铝,是一种新型的功能材料, 其发明只有四十余年的历史。Sosnik 在1948 年提出利用汞做发泡剂, 在液态铝合金中气化制取泡沫铝的想法。在1956 年, Ellist根据这一想法成功地制造了泡沫铝。20 世纪60 年代, 美国Ethy l 公司已成为研制泡沫铝的科研中心基地。在1982 年以前所公布的有关泡沫铝的专利技术中, 多半来自美国的LOR 公司和Ethy l 公司。直到今天, 美国、日本、英国、加拿大等国相继研制出多种生产泡沫铝的方法, 并取得了多项技术专利, 已可将泡沫铝制成管材、带材等复合材料。我国对泡沫铝的研究近几年才起步,

80 年代后期, 贵州、大连等地的研究机构曾利用发泡法做过一些研究工作。

二、泡沫铝的制备方法

1. 铸造法

铸造法应用的很普遍, 目前, 泡沫铝的制备工艺

大多采用这种方法, 以下介绍几种相关的方法。

[14、15]

1) 金属液发泡法金属液发泡法早期采用的比

较普遍, 主要是向液态铝合金中加入TiH2、

ZrH2、CaH2 等发泡剂, 然后加热使发泡剂分解

成气体, 气体的膨胀使铝合金成泡沫状, 冷却后

即得到泡沫铝成品。

2) 渗流铸造法渗流铸造法是将液态铝合金渗

入到填料颗粒的间隙中而获得铝合金填料复合

体的一种方法。填料可以使用耐热而可溶的材料

( 如精盐) 。样品制成后, 填料粒子可从铸件中

浸洗掉, 从而获得具有连通空隙结构的泡沫铝。

渗流铸造法又可分为上压渗流铸造法

( 如图1 所示) 和负压渗流铸造法( 如图2 所

示) ,这两种方法的使用都可以得到通孔性良好

的泡沫铝样品, 并且填料粒子可以迅速去除, 并重复使用。上压渗流铸造法的工作原理如图1 所示,将嵌套内渗流颗粒紧实后, 连嵌套一起放入预热炉中预热到一定温度后取出并套上外套, 然后从上口倒入铝液并盖上加压盖板, 同时启动气阀, 铝液将会在气压驱动下渗入颗粒间隙中, 待冷却后取出样品并泡入水中去除

颗粒, 即得到样品。这种方法操作简单, 空隙

率平均可达70% , 便于大规模生产[16、17]。

3) 添加球料法添加球料法是在液态铝合金

中加入颗粒或中空球, 加以强化搅拌, 对仍处

在相对流动时的铝液进行铸造而得到铝合金-

颗粒复合体的一种方法。

4) 熔模铸造法熔模铸造法是先采用液态耐

火材料填充到海绵状塑料中的空隙中, 待耐

火材料硬化后加热使塑料气化而得到具有海

绵状空隙结构的铸型, 再向此铸型中加入液

态铝合金, 待液态铝合金冷却凝固后去除耐

火材料, 就得到了具有致密海绵状组织的泡

沫铝的一种方法。

2. 喷溅沉积法

喷溅沉积法采用了喷溅技术把夹有惰性气体的粉末均匀地喷射到铝合金金属上, 并加热到金属的熔点, 使夹在金属基体中的气体膨胀成孔, 待冷却后即得到具有致密网状的泡沫铝的一种方法。

3. 镀覆金属法

镀覆金属法也叫电沉积法, 这种方法就

是把泡沫塑料经粗化处理、敏化和活化处

理、化学预镀及电镀等多个步骤, 将铝覆

盖在泡沫塑料上, 然后加热使泡沫塑料分

解得到泡沫铝的一种方法[18]。其工艺流

程如图所示。在此工艺流程图中, 敏化与

活化处理两道工序起着非常重要的作用,

敏化处理是使粗化后的零件表面吸附一

层有还原性的离子, 以便在离子活化处理

时, 使零件表面形成一层有催化作用的贵

金属层, 从而使化学镀能自发的进行, 使

泡沫塑料成为导体, 进而促进电镀铝的成

功进行[18-20] 。

在活化过程中, 适当的升高温度能提高

活化效果。如果敏化与活化效果不好, 会

抑制化学镀的进行,不但镀层效果不好,

而且应力、塑性方面都会受到影响, 从而

影响电镀的效果镀液的分析:由于铝是一种非常活泼的金属, 在水溶液中, 它的电极电位比氢还负, 所以不能从含有水或其他任何游离氢离子的溶液中沉积出来, 而只能采用不含游离氢离子的非水溶液或熔融盐中电沉积出来[21]。镀覆金属法制取泡沫铝所采用的非水溶液有很多种。其中有将三氯化铝和氢化铝锂溶于沸点和闪点较高的四氢呋喃溶剂或二乙二醇二甲醚溶剂中配制而成的以氢化物为基的溶液。该种溶液可以在室温下进行, 它以较高的沉积速