闭孔泡沫铝材料的制备技术及其应用

东北大学

研究生考试试卷

考试科目：新材料制备技术

课程编号：y09521086

专业：有色金属冶金

姓名: ***

学号：1100865

目录

1 多孔金属材料 (1)

1.1多孔材料 (1)

1.2金属材料 (1)

1.3多孔金属材料 (1)

2 闭孔泡沫铝 (2)

2.1闭孔泡沫铝材料的性能 (2)

2.2闭孔泡沫铝材料的应用 (3)

3 闭孔泡沫铝材料的制备 (5)

3.1理论基础 (5)

3.1.1 氢化钛分解 (5)

3.1.2 熔体黏度 (6)

3.1.3 氢气在铝液熔体中的溶解度 (6)

3.2闭孔泡沫铝材料的制备方法 (7)

3.2.1 熔体发泡法制备泡沫铝材料 (7)

3.2.2 粉末法制备泡沫铝 (9)

3.2.3 其他制备方法 (10)

参考文献 (12)

闭孔泡沫铝材料的制备技术及其应用

1 多孔金属材料

1.1多孔材料

多孔材料是一种有相互贯通的或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞边界或其表面由支柱或平板构成。自然界中的多孔材料有很多，常见的有蜂窝、海绵、骨骼、软木、珊瑚等。一般，在传统工程材料中，孔洞被认为是一种结构缺陷，然而，这些多孔材料在自然界中能够稳定存在，并表现出一些优异性能。千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用，现代技术的发展使得人类仿生这些多孔材料，制备出各种各样的人造多孔材料，如泡沫塑料、泡沫陶瓷和泡沫金属等。这些新型的泡沫材料越来越多地被用作绝缘、缓冲、吸能、吸声等材料，从而发挥了其多孔结构决定的独特性能。

典型的泡沫材料孔结构有两种：一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料；另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, 通常称之为“泡沫”材料。

多孔材料的性能很独特，相对连续介质材料而言, 多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好、阻尼、吸能性能等优点。

1.2金属材料

金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料、金属间化合物和特种金属材料等。

金属材料与人类文明的发展和社会的进步有着十分密切的关系。铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已广泛应用于各个行业，金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料，其性能一般有：比重大、熔点高、导电导热性能好、高强度、塑性变形、可回收、耐高温等。

易加工

1.3多孔金属材料

多孔金属材料也称泡沫金属材料，即金属内部弥散分布着大量的有方向性的或随机的孔洞。由于对孔洞的设计要求不同，孔洞可以是泡沫型的，藕状型的，蜂窝型的等。

如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界，即孔洞之间是相通的，则称这种材料为开孔泡沫金属材料；如果孔洞表面也是实心的，即每个孔洞与周围的孔洞完全隔开，则称之为闭孔泡沫金属材料；而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。

多孔金属材料是近十几年内发展起来的新材料，它具有泡沫材料和金属材料的特性，是许多普通金属材料所无法具备的。一般闭孔泡沫金属材料具有比重小，刚性、比强度好，吸振、吸音性能好等特点；开孔泡沫金属材料除了具有上述特点之外，还具有浸透性、通气性好等特点。正因为多孔金属材料具有结构材料利功能材料的特点，所以被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。多孔金属材料具有很好的开发前景和广阔的用途，它的开发是人类社会发展的必然趋势。日本材料学家中峙英雄认为，二十一世纪前五十年多孔金属材料的研究和应用将会受到人们很大的关注。

2 闭孔泡沫铝

随着交通运输、电子通讯、汽车制造和航空航天等工业的迅猛发展，在人类的经济和物质文化水平提高的同时，地球资源日益枯竭，各个国家对于材料的循环使用及其节能减排等要求越来越高。而此时现存的一些传统固态泡沫材料，如聚合物泡沫和蜂窝铝板等已凸显出其自身的局限性(强度低和抗高温性能差等)，已经远远不能满足当今社会发展的需要，这使得泡沫金属尤其是泡沫铝材料的研究又重新进入到科学家和一些企业的视野。

泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征。

泡沫铝分为闭孔泡沫铝和开孔泡沫铝，用途较广国内研究较多的还是闭孔泡沫铝。闭孔泡沫铝是一种集结构与功能为一体的新型复合材料，具有轻质、高比刚度、高能量吸收及优良的电磁屏蔽和阻尼等优点。

2.1闭孔泡沫铝材料的性能

1. 力学性能

泡沫铝材料比重小，比强度大。由于金属材料中存在大量的孔洞，所以材料的比重显著减小，密度为金属铝的0.1-0.4倍，而其抗弯比刚度为钢的1.5倍。如果是铝合金或镁合金的多孔材料，它们的比重可以小于l，只要材料的外表是致密的，那么它们可以浮出水面。在机械设计时经常不用圆棒而采用空心管等材料，所有这些都是改变宏观形状因子以达到节省材料的措施。由于多孔金属材料比重小，比强度大，所以它可以构件的形式广泛应用于机械工具和交通运输工具上。如果将多孔材料轧制成板材，那么可以制作汽车，机器的蒙皮，以取代目前所用的板材。

2. 声学性能

隔声性能：声波频率上800-4000HZ之间时，闭孔泡沫铝的隔声系数达0.9以上。应用泡沫铝的这种特性，再加上它的易安装性能，泡沫铝材料可以被安装在高处而无需机械起重设备，如：天花顶棚、墙壁和屋顶等，用来做隔声板、消音器等隔声吸音材料。

3. 吸能性能

鉴于多孔金属材料具有很好的能量吸收特性，孔隙率为84%的泡沫铝发生50%变型时，可吸收2.5MJ/M3C以上的能量。所以它可以来制造能量吸收器，减震缓冲器等应用于机械工程和车辆工程。当它们受到突然的冲击时，避免造成车毁人亡的恶性事故。

4. 电磁屏蔽性能

泡沫铝材料具有很好的电磁波吸收特性、对气体敏感特性等特点，电磁波频率在2.6-18GHZ之间时，泡沫铝的电磁屏蔽量可达60-90dB。所以它在通讯工程，环保工程等领域有广泛的应途。

5.其他性能

良好的热学性能：孔隙率为80-90%的闭孔泡沫铝导热系数相当于大理石。通孔泡沫铝由于其孔洞相互连通，在强制对流条件下具有良好的散热性。易加工：切割、钻孔、胶结方便；经模压可弯曲成所需形状；能用有机或无机漆进行表面处理；可以两面蒙皮，构成大尺寸的轻质、高刚度板。可以采用机械方法或直接用螺钉连接和固定，也可以用粘接剂粘贴在墙或天花板上。金属薄板-泡沫铝-金属薄板形成的“三明治”结构继承了泡沫铝的优异性能，并具有很高的抗弯强度，可用作新型建材、机车车辆的高刚度结构件等。更值得一提的是，日本材料工作者利用仿真技术，正在开发多孔金属材料的人工骨骼。据称该材料具有生物材料的特性，所以是人体理想的骨骼材料。

2.2闭孔泡沫铝材料的应用

闭孔泡沫铝是一种集结构与功能为一体的新型复合材料，具有轻质、电磁屏蔽、良好的隔声吸音和高的能量吸收等特性，在交通运输、汽车制造、电子通讯和航空航天等工业部门有着广阔的应用前景。

1．建筑装饰材料

由于泡沫铝的单位体积重量轻,比普通彩钢夹芯板密度小；载荷能力高；防音防振、隔音能力强；不燃烧；使用寿命长等特点,所以能用它来建造不承重的内墙壁、间壁墙、门、天花板、外面的装饰材料等。要用来做表面装饰时,也能做到泡沫塑料、大理石和其他装饰材料的效果。大型建筑物的外装,在高层上是极力避免使用重量大的材料的,泡沫铝正好适合这种需要。这不仅是重量轻,而且可使外表设计自由。对强度有特殊要求时,可以利用加入钢筋制做的泡沫铝。

泡沫铝可以采用任意设计来做为建筑物内外和其他的装饰材料,也能够做成