粉末冶金原理课程设计文献综述泡沫铝的研究进展制备工艺及

《粉末冶金原理》课程设计文献综述泡沫铝的研究进展制备工艺及趋势学生：学号：11 专业：金属材料工程班级：机材A0941 授课教师：宋杰光机械与材料工程学院二O 一一十月文献综述前言随着现代科技和材料科学的发展，新型多孔材料的应用也越来越广泛。

泡沫铝是一种在金属铝基体中分布的有无数气泡的多孔质材料，它具有密度小、比表面积大、电磁波吸收性好、能量吸收性好、换热散热能力高、吸声性和隔音性好及优良的流通和过滤分离能力、耐热耐火、无污染、低吸湿性、能回收再利用等【——】优良性能1 3 。

在1940s 后期就美国有了对泡沫金属材料的研究，自1987 年日本九州工业技术研究所发明了泡沫铝的生产技术依赖，在世界范围内开始了该领域的研究。

目前，日本与德国在研究、生产和应用泡沫铝与其他金属泡沫方面居世界领先地位。

我国对泡沫铝的研究始于1980’s 后期，已取得一系列研究成果，但无突破性进展，未形成生产力【4】。

泡沫金属材料的制备大体可分为粉末冶金法、渗流铸造法、喷射沉积法、熔体发泡法和共晶定向凝固法等5。

目前研究的重点仍集中在制备过程的控制，研究的热点是如何获得稳定高质量的泡沫结构和简化生产过程、降低生产成本；应用的领域从高科技到民用工业，十分广泛【6】。

正文一泡沫铝的性能及应用由于制备工艺的不同，从结构看泡沫铝可分为闭孔结构的泡沫铝和开孔结构的泡沫铝。

结构不同导致的性能差异，使其具有不同的用途。

在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域得到了和将要得到广泛应用【7】。

与传统金属铝相比，泡沫铝有如下优越性：1 、密度小泡沫铝是一种轻质功能材料。

泡沫铝密度通常为1 8 0—4 8 0 k g／r n 3 、约为铝密度的l／l 0 、钛密度的1／2 0 、钢密度的1／3 0 及木材密度的l／3 。

一般建筑材料采用密度为2 0 0 —3 0 0 k g ／m的泡沫铝材，而用做消声材料时则用密度为3 2 0—4 2 0 k g／m3 的材料。

泡沫铝的密度可在很大范围内变化，目前所能获得的最大孔隙率可达9 7 ％，其尺寸从几个微米到几十个毫米。

一般规律是孔隙率越大，泡沫铝的密度越小。

2、耐热性强泡沫铝具有较高的耐热性。

一般铝合金的熔解温度范围在5 6 0—7 0 0℃，但泡沫铝即使加热到1 4 0 0℃也不熔解，而且在高温下不释放有害气体。

以此，在许多场合可以取代发泡树脂或石棉类制品用做隔热与耐热材料及各种热交换器的芯件。

还可用做航天设备的核心材料、高温填料、电磁屏蔽材料、阻燃器、慢【】性约束核聚变激光实验中的超热电子抑制材料等8 。

3、通透性好具有良好通透性的贯通孔泡沫铝可作为过滤材料，从液体或气体中将固体颗粒过滤出去。

通常，通透性随孔径的增加而增加，但它也受表面粗糙度的影响，而且受闭孔数目的的影响较大。

可用于各种液体、气体的过滤器和高温除尘器中。

4 、刚性强泡沫铝不具有密实金属那样的延展性，拉仲试验无法测出拉伸率，弹性模量约为铝合金的l／50— 1／100。

泡沫铝质脆，与铝合金不同，当发生大的变形时，其蜂窝组织产生破坏，反之，如果蜂窝组织不达到破坏强度，泡沫铝是不会产生变形的。

5 、比表面积大利用泡沫铝的大比表面积，可达到高的换热性，由此它可用做制造加热器和热交换器的良好材料。

另外，也可用做需要巨大表面化学反应的载体，如作为催化剂的载体、多孔电极、充电电池的极板材料、换热器、能量吸收器和催化剂的载体等。

6 、隔声性能强泡沫铝可通过气孔壁的振动来吸收声音的能量，用来消声、去除噪声。

一般情况下，通孔泡沫铝的吸声性能更好。

孔的尺寸影响其对整个声波频率范围的吸收性能，孔越小，吸声能力越大。

通过改变泡沫铝孔的尺寸和形状可以获得好的吸声性能。

可用于建筑行业中的内外装饰件、幕墙、间壁活动门板，制造高性能【】吸声板、隔声墙、各种消声器等9 。

7、具有吸收冲击能量的能力泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性，也不像高分子泡沫材料具有反弹作用，它有很好的减震性能，是制造抗冲击部件的良好材料。

可用于汽车刹车器、夹紧装置以及航空航天设备中的保护封套和缓冲器。

其阻尼性的大小与气孔孔径【10】的大小有关。

可用于升降机和传送器的安全垫、高磨床防护装置的减震吸能内衬、高精密机床的底座等。

8、良好的吸音性泡沫铝具有独特的孔隙结构必然产生优良的吸声性能，尤其在中、低频率时。

这是由于泡沫铝的孔隙的惯通性、体积膨胀性及孔壁的良好导热性，必将补偿由于声波频率降低、振动衰减及孔壁摩擦阻力减小所引起的不良吸声性，可使泡沫铝在中、低频率下取得优良的吸声效果，尤其在低于l000 Hz 左右的频率范围。

随着孔径的减小、孔隙率的增大，吸声性能有规律的提高【11、。

】【12、13】9、其他性能泡沫铝还具有气敏性、催化性、良好的保温性，同时还具有电磁屏蔽性能，对高频电磁波有良好的屏蔽作用，能够使电磁干扰降低80％以上。

5 mm 厚、孔隙率为90％的闭孔泡沫铝，在60—1000 MHz。

电磁屏蔽性能为35-75 db，可用于电磁屏蔽室罩、电子仪器外壳、无线电录音室、电磁屏蔽等场合。

由于泡沫铝具有如此众多的特性，预计其在航空航天、电讯及环境保护等新领域中必将有很好的应用前景。

二、泡沫金属的制造方法1 烧结法该方法是以金属粒子或纤维作为原料，经过成形和烧结过程制造多孔质泡沫金属的方法。

（1）粒子烧结法把适当尺寸的金属粒子进行成形和烧结的方法称为粒子烧结法。

这种方法因制作简便，原料价格便宜，故广为采用。

制造这类泡沫金属，主要使用黄铜粉或铁粉，其泡沫体的最大空隙率为50左右，常作为过滤或吸声材料使用，浸油处理后可作为含油轴承材料。

（2）纤维烧结法以纤维为原料制作的泡沫金属，过去称为毡状金属，其制造方法与粒子烧结法大体相同。

其原料可根据用途的要求，选择长纤维或短纤维。

以短纤维为原料时，采用金属型成形；以长纤维为原料时，利用特种编织机制成无纺布状，再通过烧结而成为泡沫金属。

在该方法中，作为原材料的纤维初期曾尝试采用金属切屑，其后则采用捆拉法制得的不锈钢细长纤维，最近又开发了高频振动切削短纤维。

2 电镀法该方法是在具有三维网状结构的特殊高分子材料的骨架上，电镀各种金属，再经焙烧除去内部的高分子材料，而制得泡沫金属。

这种泡沫金属被称为海绵金属，其空隙率可达到。

该方法是制造大空隙率泡沫金属的最为简单的方法。

用这种方法制得的泡沫金属富有可挠性，可进行弯曲、切断和深冲等加工。

其中，镍和镍合金系的泡沫金属，已在许多方面得到应用。

为提高其强度和耐磨性，向这类泡沫金属中压铸铝液的工作也在进行之中。

3 加压铸造法先在型内填充粒子，再采用加压铸造法把液态金属压入粒子的间隙中而制造泡沫金属的方法称为加压铸造法。

其中包括：（）溶出法用水溶性粒子作为填充粒子，当加压注入到水溶性粒子间的液态金属凝固后，再用水把水溶性粒子溶出，便可得到金属泡沫体，这种方法称为溶出法。

水溶性粒子，大都为氯化钠，而液态金属，则大都为铝及其合金。

一般，这种泡沫金属的空隙率最高为65左右。

水溶性粒子被封存在内部时，即使进行切削等二次加工，切削加工表层的孔也不会破坏。

（2）多孔质粒子分散法该方法是用多孔性粒子代替水溶性粒子，填充铸型后进行加压铸造而制造泡沫金属。

金属凝固后，填充粒子也被封存在内部，故空孔为独立气孔。

多孔质的粒子，一般为中空玻璃球、泡沫岩、珍珠岩和多孔质碳粒等。

（3）中空三维骨架法把液态金属压铸到有中空骨架三维网眼结构的陶瓷中制造泡沫金属的方法，称为中空三维骨架法。

因陶瓷骨架耐热，即使铸入如铸铁这样的高熔点金属，骨架也不会消失，金属液凝固后这些骨架仍残存在金属中，故包围基体金属的陶瓷泡沫金属的内部存在孔洞。

这种泡沫金属已做成真空吸附平台用以减小冲击。

（4）发泡法通过向金属液中加入发泡剂或吹入气泡使金属发泡的方法称为发泡法。

其中包括：①粉末冶金法把金属粉末和发泡剂粉末混匀，并加热到金属熔点以上的温度，使之发泡。

这种方法既适于铝、镁等熔点低的金属，又适于像铁、铜那样熔点较高的金属。

②无重力混合法该方法是在无重力下的宇宙空间制造泡沫金属的方法。

由于无重力，故没有地球上所碰到的气泡浮力、增粘和发泡剂等难题，只要把氩气等惰性气体吹入金属液中便可，美国和日本正在从事这方面的研究。

③金属液直接混合法把发泡剂直接加入到金属液中使之发泡的方法，称为金属液直接混合法。

这种方法虽然对某些金属尚有困难，但可以说是制造泡沫金属的最基本方法〔14〕。

三、泡沫铝材的生产工艺及组织性能1、泡沫铝材的生产工艺制造泡沫铝的方法很多，但从发泡孔的形成原理上可分为三类：（1）金属氢化物发泡法泡沫铝材料在过去之所以未得到广泛而有效的应用，主要是因为其生产成本【15】高质量（孔隙率、孔的形状及各种性能等）不稳定。

用粉末冶金法制造泡沫铝材料，首先将铝粉或铝合金粉与少量的发泡剂混匀，如发泡剂为金属氢化物，用量通常不超过1 。

将混匀的混合物压制成无残余通（开）孔的密实块体。

常用的压实方法有：单轴向压制、挤压、粉末轧制。

压实后还要做进一步的加工，诸如轧制、模锻或挤压，以使其成为半成品。

然后，将此种可发泡的半成品加热到接近或高于混合物熔点的高温。

在加热过程中，发泡剂分解，释放出大量的气体（氢），迫使致密的压实材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。

泡沫铝材的密度或其孔隙率可通过发泡剂添加量或其他工艺参数如加热温度、加热速度等调控。

可用加工好的毛坯制取形状复杂的泡沫铝零件，方法是：将毛坯置于钢模内，加热、发泡与膨胀成近成品尺寸的零件。

制取这种泡沫铝材的大致工艺参数为：纯铝粉或铝合金粉99，氢化钛粉1；在钢容器内20mpa 的压力下，压实成无孔隙的块体；模锻成板块；600oc、700oc 发泡后冷却。

如要制备三明治式复合材料，可在泡沫材的外表胶粘金属薄板。

若需要纯金属式的连接，则不用胶粘法，而在发泡前用轧制法将加工好的泡沫块体与外层的金属板轧压焊合，如轧制包铝材料那样。

粉末冶金法虽然工艺较复杂，但产品质量高，性能稳定，便于商业化生产，德国已用此法为汽车工业提供泡沫铝合金车身板及其零部件。

同时可用此法制备形状复杂的近成品尺寸的工件，机械加工量大为减少，制造周期缩短，工件的再现性高。

（2）上压渗流铸造法上压渗流铸造法通常是用食盐做渗流颗粒，但由于它含有结晶水，在预热过程中会因脱水而破裂，使本已选定粒度的盐粒成为大小不等的颗粒，从而使泡孔直径变化很大，孔洞不均，还给颗粒溶解带来一定的困难。

为此山东工程学院的赵增典等经过研究，筛选一种比食盐好得多的新型渗流颗粒，具有可耐10000c 的高温不变形、水溶性强、可重复使用等特点。

生产时，先将渗流颗粒装入嵌套内，稍加压实后，连同嵌套装于加热炉内，预热一定时间后取出，在外装上钢套，浇注铝熔体，然后迅速盖上加压板，同时施加气压，铝熔体在气压作用下流入颗粒间隙内，冷却后取出，泡于水中，待颗粒溶解后，就可得到所需的泡沫材料。