泡沫铝性能及制备技术

国内发展情况

自上世纪80年代中期起中国东南大学、东北大学、 中国科学院、北京科技大学、昆明理工大学、济 南大学、广西大学、洛阳第725研究所（船舶材 料研究所）等都先后做过许多研究，在泡沫金属 制备方面对发泡法和渗流法研究的较多且大体赶 上国外发达国家水平，可对连续生产工艺的研究 仍处于起步阶段。
泡沫铝的应用

耐高温材料：泡沫 铝耐热性强，一般 铝合金的熔点在 560～700℃，但泡 沫铝即使加热到1 000℃也不会熔化， 因此可以用作航天 设备的核心材料、 阻燃器和各种耐热 隔热材料。
泡沫铝的应用

催化载体材料：由于金属 泡沫在韧性和热导率方面 的优势，所以泡沫铝常用 作催化载体材料。如将催 化剂浆料涂于薄的泡沫金 属片表面，后通过成型 (如轧制)和高温处理，可 以用于电厂废气氮氧化物 (NOx)等的处理。




1948年美国科学家A.索尼克获得世界第一个有关 泡沫铝的专利。

1951年埃利奥特制作出了泡沫铝。
20世纪60年代美国埃希尔公司成立了泡沫铝研发 中心。

1991年日本九州工业金属研究所研发成功泡沫铝 工业化生产工艺。
1999年，首届世界金属泡沫金属学会议在德国不 莱梅召开。 基马特公司在泡沫铝板生产领域居世界领先水平。
泡沫铝性能及制备技术
泡沫铝的发展背景

泡沫铝既具有多孔材料所具有的轻质特性，又具有金属所 具有的优良的力学性能和热、电等物理性能，而且还有如 渗透、阻尼、能量吸收、电磁屏蔽、保温、耐火阻燃、吸 音隔音、比表面积大等多种特殊功能，因此，在建筑、交 通运输、机械、电子、通讯和军工等行业应用广泛
国外发展情况
泡沫铝作为电磁屏蔽材料的优点

超轻质量，低密度（300kg/m3~1000kg/m3） 综合吸声、耐高温、低热导率、良好的阻尼性能 等。 可以成型为各种复杂的形状，是实体金属所不能 比拟的。

泡沫铝的最大磁透率
泡沫材料制备工艺
熔体发泡法

典型的熔体发泡法商业生产泡沫铝的工艺如下图所示，名 为阿波拉斯法（Alporas process）。发泡剂用吹入法添加， 制得的泡沫铝的密度为铝密度的7%~9%，气泡直径约为 4.5mm，可根据需求将泡沫锭坯切割成板材。

泡沫铝的热导率
泡沫铝的线膨胀系数
泡沫铝的声学性能

泡沫铝是一种具有高能量吸收特性的轻质高阻尼 材料，平均吸声系数0.4~0.52.

泡沫铝可以通过孔壁的震动来吸收声音的能量， 当声音透过泡沫铝时，由于声波也是一种震动， 可以在材料内部发生散射、干涉和漫反射，将声 音吸收在其气孔中，使内部骨架震动，声能部分 转化为热能并且通过热传递而消耗掉，从而能吸 声与消声。
熔体发泡法

下图为熔体转移发泡法制得的泡沫铝数码照片。该泡沫铝 材的表观密度0.46g/cm3,孔隙率为83%，孔径3mm~5mm,孔 壁厚度0.2mm~0.3mm .
熔体发泡法

泡沫的孔隙率既与发泡剂TIH2的加入量有关，也与发泡剂 粒度有关。分别见图11和图12所示，最佳加入量为 1.5%~2.5%，粒度为38um~74um。

金属沉积法

电沉积法：电沉积法是采用电化学法制备泡沫金 属材料，也叫镀覆金属法，其原理是：已预处理 过的泡沫塑料为阴极，工业纯铝板为阳极，在烷 基铝溶液中电镀制成泡沫铝。具体工序为：泡沫 塑料准备—预处理—电化学沉积—后处理—泡沫 铝加工。

采用电沉积法生产的泡沫铝具有容易控制孔隙结 构、孔径小、孔隙均匀、孔隙率高的特点，且其 隔热和阻尼特性优于铸造法制造的泡沫铝。但该 法工序长、操作繁琐、成本高、制品厚度有限， 故其推广应用受到限制。
泡沫铝的应用

吸声材料：泡沫铝隔声性能强，可以通过孔壁的 振动吸收声音的能量，孔越小吸收声音的能力越 强，可用于制造建筑等行业用的吸音板和消声器。 试验证实，泡沫铝消声器在频率为630 Hz时，噪 声最大可降低6.4 dB，而频率在4.0 kHz时，噪声 可降低23dB。由于成本和效率方面的优势，熔模 铸造法或沉积法制备的泡沫可以取代现有的消音 器材料，目前已制备出最大直径100 mm的泡沫 消音器。
基马特/海德鲁法 直接注入气体法

该方法直接向铝 熔体中注入气体 （氮气、氩气、 空气等）制作泡 沫铝的工艺。铝 的体积分数为 2.5%~30%，基材 为356铝合金，而 增强材料为 10%~20%的SiC
粉末冶金法（PM）

粉末冶金法是制造泡沫金属的主要工艺之一，很多金属 （铝、锡、铁、金、锌、铅等）及其合金都可以用此方法 发泡。其工艺流程如图14所示。
泡沫铝形貌
泡沫铝的性能

力学性能 热学性能 声学性能 电磁性能
泡沫铝在静态压缩的应力-应变曲线
泡沫铝抗拉强度与其气泡率的关系
泡沫Al-Mg合金的力学性能
泡沫铝的缓冲性能
泡沫铝的热学性能

泡沫铝的热导率仅为纯铝的1/5~1/500，是一种 优秀的绝热保温材料。

闭孔泡沫铝导热系数很低可用作绝热材料；而开 孔泡沫铝由于大的比表面积及复杂的三维流动而 具有高的散热能力，应用与散热材料及热交换器 原件。 泡沫铝在发泡过程中生成了氧化铝骨架，加热到 1400℃也不融化，可望成为耐热结构材料。
粉末冶金法（PM）

与熔体发泡法相比，粉末冶金法易于操作，控制； 通过合理选择发泡时间和发泡温度，可以得到不 同密度的泡沫金属。但是泡沫冶金法的生产成本 比熔体发泡法的高，而且难以制备大体积的坯件。 泡沫冶金法泡沫铝的密度一般小于铝密度的50%， 是因为在固态铝粉中产生的氢气泡宜产生合泡现 象，如果在半固态下发泡，可避免合泡，制备气 孔率高的粉末冶金泡沫铝。
泡沫铝隔音墙
泡沫铝的应用

抗冲击材料：泡沫铝具有 良好的吸收冲击能力。泡 沫铝没有方向性和反弹能 力，因此具有很好的减震 性能，是良好的抗冲击部 件材料，可用于航空设备 的保护套和缓冲器、汽车 刹车器、精密机床的底座 及各种安全垫等。另外， 将其设计成吸能器能大大 提高舰船机械设备的冲击 防护能力，所以泡沫铝在 国防建设中具有广泛的应 用。
金属沉积法

喷射沉积法：喷射沉积是采用喷溅技术把加有惰 性气体的粉末均匀地喷射到铝合金上，并加热到 铝合金的熔点，使加在其中的气体膨胀并形成一 个个均匀分布且致密的小孔，冷却后即得到具有 致密网状的泡沫铝制品。 通过控制沉积中惰性气体的分压，可以控制所得 产品的孔隙体积分数。

复模渗流铸造法

复模渗流铸造法是一种制造低密度高孔隙率材料 的工艺。采用这种方法时，首先要制备最后可去 除的预制块。预制块材料必须具有足够的耐火性， 与铝熔体接触时能够保持高度化学稳定性。可根 据不同要求，选用NaCl、可燃树脂、砂粒等作为 预制块材料，通过烧结使其均匀分散在模具内； 然后加压将铝熔体渗入模具中的预制块，渗流完 成后使熔体凝固；最后，根据预制块材料不同， 通过溶解、燃烧或振动等方法将预制块去除，即 可得到高孔隙率的“金属海绵”。“金属海绵” 呈通孔结构，是一种比较特殊的铝，与其他泡沫 铝有着本质的区别。
泡沫铝的研究前景

泡沫铝具有密度小、隔音、吸音、隔热等多种功 能，随着技术的进步，泡沫铝将会有广泛的应用 前景。在进一步的研究中，应重点解决以下问题。 1）提高性价比。在制备工艺上研究简单可靠、 稳定的泡沫铝生产工艺，降低生产成本。 2）提高规模化生产能力。应重点研究泡沫铝的 连续化制备工艺，实现泡沫铝生产的工业化及规 模化。 3）提高产品质量。改进制备工艺和制备参数， 制备在结构和形态上具有良好均匀性的泡沫铝。