泡沫金属的研究与发展

泡沫金属的研究与发展

1泡沫金属的概念及特点

泡沫金属指孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔金属材料。含有泡沫状气孔的金属材料与一般烧结多孔金属相比，泡沫金属的气孔率更高，孔径尺寸较大，可达7毫米。由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相和气孔分散相或连续相组成的两相复合材料，因此其性质取决于所用金属基体、气孔率和气孔结构，并受制备工艺的影响。通常，泡沫金属的力学性能随气孔率的增加而降低，其导电性、导热性也相应呈指数关系降低。当泡沫金属承受压力时，由于气孔塌陷导致的受力面积增加和材料应变硬化效应，使得泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性。多种金属和合金可用于制备泡金属材料，如青铜、镍、钛、铝、不锈钢等。由于泡沫金属的密度小、孔隙率高、比表面积大从而使其具有非泡沫金属所没有的优异特性：例如阻尼性能好,流体透过性强,声学性能优异热导率和电导率低等等。作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，其至在航空航天技术中有着广泛的用途。

2泡沫金属的用途

2.1电极材料

随着高档电器(便携式计算机、无绳电话等)的迅速发展,可重复使用的高体积比容量、高质量比容量的充电电池的消耗也越来越大。高孔隙率(>95%)的泡沫金属对提高电池的这些性能提供了用武之地。例如用电沉积法生产的泡沫镍作为电极材料用于N i-Cd电池的电极时，电极的气液分离好、过电压低，能效可提高90%，容量可提高40%，并可快速充电，在电池行业中，镍镉电池、镍氢电池、可充电碱性电池一致趋向于采用泡沫镍作为正负极板以提高容量，这是电池行业的一个突破。对电池电极用泡沫镍的性能参数要求已有较为深入的研究。

2.2催化剂

化学反应尤其是有机化学反应中，催化剂常常起着非常重要的作用，催化剂的表面积也是越大越好，高孔隙率使得泡沫金属具有大的比表面积，化工行业中可直接使用泡沫镍作镍催化剂，或将泡沫镍制成催化剂载体,高孔隙率的泡沫金属作为支撑物有可能使催化剂高度分散发挥更大的作用，其性能远远优越于陶瓷催化剂载体。

2.3流体压力缓冲材料

泡沫金属可装在气体或液体管道中，当其一侧的流体压力或流速发生强烈波动时，泡沫金属材料可以通过吸收流体的部分动能和阻缓流体透过的作用，从而使泡沫金属体另一侧的波动大大减小，此效应可用于保护精密仪表。

2.4机械振动缓冲材料

在将泡沫金属垫在振动部位的接合部时，利用多孔泡沫材料的弹性变形可吸收一部分机械冲击能。据报道,密度比为0.05～0.15的泡沫铝可吸收的能量为20～180M J m，强大的能量吸收能力使得它有可能用于汽车的保险杠甚至于航天器的起落架,也可用作制造升降运输系统的缓冲器、磨矿机械的能量吸收衬层、汽车乘客坐位前后的可变形材料以改善安全性，优异的减振性能也使泡沫技术有可能用作火箭和喷气发动机的支护材料。

2.5消音材料

因为声波也是一种振动，故声音透过泡沫金属时，可在材料内发生散射、干

涉,声能被材料吸收，所以泡沫金属也可用于声音的吸收材料，即消音材料。这种消音材料在气体管道和蒸汽管道中都可获得应用。

2.6阻燃、防爆材料

泡沫金属既有很好的流体穿透性又可有效地阻止火焰的传播且自身有一定的耐火能力，于是可放置在输运可燃性液体或气体的管道中以防止火焰的传播，因为流体在输运速度增加时可能会着火(声速在接近爆炸限时会产生约150×105Pa的压力)，实验表明：6mm厚泡沫金属就可阻止碳氢化合物燃烧速度为210m sec的火焰，其作用机理可以解释为当火焰中的高温气体或微粒穿过泡沫金属材料时，由于发生迅速地热交换，热量被吸收和散失，致使气体或微粒的温度降到引燃点以下，于是火焰的传播被阻止。

2.7自发汗冷却材料

把固体冷却剂熔化渗入由耐热金属制成的多孔骨架中，在经受高温时这种材料内部的冷却剂会发生熔化和气化而吸收大量的热能，从而使材料在一定时间内保持冷却剂气化温度的水平，逸出的液体和气体会在材料表面形成一层液膜或气膜,可把材料与外界高温环境隔离，此过程可一直进行到冷却剂耗尽为止，由于冷却机理相当于材料本身“发汗”故有自发汗冷却材料之称。

2.8发散冷却材料

发散冷却是一种先进的冷却技术，它是迫使气态或液态的冷却介质通过多孔材料，使之在材料表面建立一层连续、稳定的隔热性能良好的气体附面层，将材料与热流隔开，得到非常理想的冷却效果。以液氢—液氧发动机推力室喷注器面板为例:采用发散冷却后，它的一面为-150℃的氢气,另一面为3500℃的燃气，而材料的热面温度仅在80～200℃之间，用于发散冷却的多孔材料，渗透量必须能够准确地控制在合理的范围内,透气均匀，孔道曲折小，介质流动通畅，并且要满足作为防热结构材料的基本要求，具有一定的强度、刚度和韧性，选用抗氧化性能好的材质，以防止意外氧化堵孔，烧结金属丝网多孔泡沫材料是其最佳选择。

2.9过滤材料

把泡沫金属制备成适当的形状，它就可以作为过滤材料从流体(如水、溶液、汽油、润滑油、冷冻剂、聚合物熔体)中滤出固体或悬浮物。常用的泡沫金属的材质为青铜或不锈钢。在腐蚀性很强的流体中，则需采用贵金属(如A u)。

3泡沫金属材料的制备方法

按照制备工艺，可以将泡沫金属材料的制备方法进行分类：真空气相沉积、气相分解、电沉积、含有机支撑物烧结、简单烧结、粒状物料周围浇铸、熔模铸造、溅射法、金属沉积法、烧结法、铸造法、熔融金属发泡法。

3.1熔体发泡法

该法的原理是在金属液中加入发泡剂，使其受热产生分解，在溶液中形成气泡，然后冷却凝固。其缺点是发泡过程难以控制，溶液中的发泡剂分解产生气泡，气泡逐渐上浮并在上浮过程中合并长大，引起制品中气泡分布不均匀且局部气泡尺寸过大。

解决此问题的方法有：(1)高速搅拌,使发泡剂充分分布在金属液中；(2)增加溶体粘度,阻止气泡的上浮运动，进而提高发泡剂在熔体中的均匀分布。增加粘度的方法有非金属粒子分散法、加入合金元素法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金属液中吹入空气、氧气或水蒸气并搅拌,使在短时间内生成氧化物,此方法效率