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新材料的發展是新時代技術革新的關鍵, 為保護環境、節約能源提供了新的途徑 ,與國民經濟和現代化建設有著密切的聯系。泡沫金屬材料既具有一般多孔材料所具有的輕質等特性 ,又具有優良的機械性能和熱、電等物理性能 ,并且比聚合泡沫更易于再生, 擴大了多孔材料的應用范圍。近年來 ,新工藝發展使得泡沫金屬的質量大有好轉,而且新材料的應用條件也改變了很多, 人們對泡沫金屬尤其是泡沫鋁合金的發展開始感興趣。例如 :在汽車工業里, 由于安全和保護環境方面的日趨增加的需求 ,人們開始考慮利用泡沫金屬。

1    泡沫金屬制備工藝及其發展

泡沫金屬的制備工藝從聚合泡沫的制備得到啟發, 并由于其獨特的金屬性能而得到更大的發展。泡沫金屬根據其內部孔隙結構的不同可分為通孔和閉孔兩種 ,其制備方法可歸納為 :

泡沫金屬分為：

1、 閉孔泡沫金屬分為熔體發泡法、粉體發泡法、加中空球料法、濺射噴鍍法。

2、  通孔泡沫金屬分為滲流鑄造法、熔模鑄造法、燒結法、鍍覆金屬法。

1．1       閉孔泡沫金屬的制備

1 .1.1    熔體發泡法

該法的原理是在金屬液中加入發泡劑, 使其受熱產生分解, 在溶液中形成氣泡 , 然后冷卻凝固。

其缺點是發泡過程難以控制 , 溶液中的發泡劑分解產生氣泡, 氣泡逐漸上浮并在上浮過程中合并長大, 引起制品中氣泡分布不均勻且局部氣泡尺寸過大。

解決此問題的方法有^[ :(1)高速攪拌 ,使發泡劑充分分布在金屬液中;(2)增加溶體粘度, 阻止氣泡的上浮運動 , 進而提高發泡劑在熔體中的均勻分布。增加粘度的方法有非金屬粒子分散法、加入合金元素法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金屬液中吹入空氣、氧氣或水蒸氣并攪拌, 使在短時間內生成氧化物 ,此方法效率較高, 得到的粘度也大。

目前最常用的方法是向熔液中加入合金元素,攪拌使熔體中生成大量細微的氧化物固相質點, 從而增加熔體粘度 , 此方法比熔液氧化法簡單。

熔體發泡法對發泡劑的一般要求是:發泡劑與熔液混合均勻前應盡可能少分解 , 在停止混合至開始凝固前的一定時間間隔內要充分分解并有足夠的發氣量。目前 ,國內外一般采用金屬氫化物 ,TiH2 或 ZrH2 作為發泡劑。日本有采用火山灰作發泡劑制得泡沫金屬的報道, 其發氣起始溫度比 TiH2 低, 且發氣量比 TiH2 小 , 但價格較便宜。

熔體發泡法制備泡沫金屬的過程有:熔體增粘處理、泡沫化、均勻化和凝固過程。后三個過程同時進行 ,受許多工藝因素的影響 ,在實際操作中很難控制。其發展的方向是引入計算機模擬技術,用以處理實物研究中難以解決的問題。

1 .1.2    粉體發泡法

粉體發泡法制備工藝如圖 1 所示。首先混合一定比例的金屬粉末和發泡劑粉末, 壓實得到密實的預制品 ,然后在基體金屬的熔點附近進行熱處理 ,使發泡劑分解 ,釋放出的氣體迫使壓實的預制品膨脹成為泡沫金屬。

發泡劑粉末和金屬粉末通過混合、壓縮、預制品、發泡、制品。

粉體發泡工藝的關鍵是壓實工藝的選擇, 可分為冷壓和熱壓兩種。

冷壓法要求有兩次壓縮過程來破壞金屬顆粒的氧化膜使其聯結在一起 ,此工藝成本高,只能利用擠壓法, 且要求發泡劑的分解溫度高于壓實溫度。

目前 ,國外采用熱壓工藝 ,主要有軸向壓縮和擠壓 , 前者適用于實驗室 , 而后者適用于工業應用。在壓縮過程中要保證:(1)溫度要足夠高, 使金屬顆粒之間的聯結主要靠擴散作用形成;(2)壓強要足夠大,防止發泡劑在發泡之前就分解 ,這樣得到的預制品中,金屬顆粒彼此聯結,密封了發泡劑氣體粒子。因此, 可以利用分解溫度低于壓實溫度的發泡劑 ,并且只有一次壓縮過程 ,降低了成本。

粉體發泡法的發泡劑選用范圍比較廣, 可以利用金屬氫化物,如 TiH2 或 ZrH2 ;碳酸鹽, 如Ca- CO3 、Na2CO3 ;K2CO3 ;氫氧化物:如 AL(OH)3 和一些容易揮發的物質 ,如水銀混合物、粉碎的有機物質等。日本、德國利用 TiH2 成功地制取了內部為孔隙結構而表層致密的泡沫金屬復合結構。

粉體發泡法比熔體發泡法實際操作容易控制,合理選擇發泡參數(發泡時間和溫度),可以得到不同密度值的泡沫金屬。

1 .2   通孔泡沫金屬的制備

1 .2.1       滲流鑄造法

將液態金屬滲入可去除的填料顆中的滲流鑄造法是目前國內外制備泡沫金屬的重要方法。

滲流鑄造法中預制型的制作對最終產品的質量有著直接的影響 , 填料顆粒能否被除去是制得通孔的關鍵,要順利除去填料顆粒 ,必須使其處于連續的狀態 ,通常采用兩種方法:(1)將填料顆粒松散裝入型腔中,加壓使顆粒聯結。(2)將顆粒加粘結劑和水混勻后填入石墨中緊實 ,然后焙燒,此工藝得到的預制塊孔隙形狀圓滑, 互相連通 ,但工藝較復雜。日本采用 NaCl -KCl 鹽粒燒結的方法制得預制塊 , 國內一般采用 NaCl 鹽粒子作為填料顆粒。

滲流鑄造法采用加壓的方式使熔液滲入, 加壓方式有 :固體壓頭加壓法、氣體加壓法、差壓法、真空吸鑄法(如圖 2 所示)。差壓法和真空法可以得到高質量的泡沫金屬 ,因為在壓力下金屬液的滲流距離比較長,結晶出的金屬骨架比較致密,使得泡沫金屬具有較高的機械性能, 缺點是需要一套抽氣/真空系統及一套上下罐體。

滲流鑄造法中若不除去填料顆粒 ,可以得到所需的復合結構,日本用此法制得了SBAC 制品。

1 .2.2 熔模鑄造法

該法與滲流鑄造法所不同的是預制型的制作,使耐火材料充入泡沫海棉中,風干、硬化、焙燒后使海棉分解 ,可形成三維網狀的預制型,澆入液態金屬,凝固后除去耐火材料 ,即可獲得通孔泡沫金屬。

目前, 日本和國內太原重型機械學院均用此法成功制取了泡沫鋁試樣 ,此方法制得的試樣對母體材料具有繼承性, 孔隙三維貫通、結構均勻,并不受材質、形狀和大小的限制,能提供制造各種用途的通孔泡沫金屬 ,缺點是金屬骨架強度低 ,工藝較復雜。

2    泡沫金屬的性能研究

泡沫金屬由于其多孔結構而表現出一些有趣的特性,綜合了基體金屬和其結構的性能。

作為結構材料 ,泡沫金屬的機械性能主要取決于其密度和基體金屬的性能。例如 , 密度高的泡沫金屬其壓縮強度也高 ,而基體強度高的泡沫金屬其壓縮強度也高。

這些性能通常符合一條規律:

A(ρ)=c ×ρⁿ 式中:A ——— 性能指標;c——— 常數 ;ρ——— 密度; n ——— 指數(通常為 1 .5 ～ 2)。

作為功能材料, 其具有吸聲、過濾、隔熱、阻燃、減振、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等各種物理性能。

其中, 研究最多且用途最廣的是泡沫金屬的吸能性。

到目前為止 ,聚合泡沫和蜂窩結構是用于吸能的主要材料, 而通過選擇基體金屬、孔隙結構或破壞的情況下可以吸收沖擊能, 所以可被用做為吸能器和包裝材料。同有機泡沫材料相比 ,如果需要較高的破壞應力 ,并要求能吸收同樣或更多的能量 ,泡沫金屬很有優勢。

泡沫金屬的壓縮變形特征 ,可以看出 ,應力 —應變曲線中有一很長的平穩段 ,具有平穩的變形應力, 因此比處在同一水平的致密金屬吸收的能量多。其被吸收的能量大部分轉化為不可逆的塑性變形能量 ,而處于同一應力水平的致密金屬將發生線性彈性應變, 去除載荷后將釋和密度值來控制變形特征 ,可使泡沫金屬成為理想的吸能材料。由于泡沫金屬在不達到最大應力放出所吸收的能量。

泡沫金屬有吸能率為在壓縮變形過程中, 變形量為 s 時實際吸收的能量與理想吸能器所吸收

∫^sF(S′)dS′

的能量之比:η= ⁰_{Fmax (S )S}

式中 :η——— 吸能率;S ———變形量 ;Fm ax(S)———變形量為 S 時的最大力。

由于材料在壓縮時的應力是變化的, 所以吸能率在變形過程中也是變化的, 并與壓縮曲線的性質有關。密度和合金成分合適的泡沫鋁在變形達到 60 %時 ,吸能率可以達到 90 %。密度、孔隙結構、孔隙均勻性影響著壓縮過程中的平穩線的長度。從圖 3 可以看出 ,在應力應變曲線中平穩段的未端 ,吸能率隨變形時量的增加而減小 ,所以最好在此時對泡沫金屬加載, 可使吸能率最大。

吸能率是選擇吸能材料的一個有利參數, 然而光靠吸能率是不夠的 ,還要考慮泡沫金屬的吸能能力。

泡沫金屬的吸能能力是密度的函數 ,圖 4 所示為泡沫金屬在變形量 S 為 20 %、40 %和 60 %時單位體積所吸收的吸能量 ,可以看出,吸能能力隨密度增大而增大。

3    泡沫金屬的應用情況

用途取決于性能 ,泡沫金屬優良的性能, 決定了其具有廣泛的用途。

目前, 泡沫金屬的一些性能在日本得到了一些應用。例如 ,泡沫鋁的吸音性能被用在北海道觀光列車的發電室、工廠的降噪裝置, JR 新干線的列車座位利用了泡沫鋁的復合結構 ,而且泡沫表面的獨特的裝飾性也被用在建筑業。

通孔沫金屬被用做過濾材料、熱交換器、過濾器和催化劑載體 ,也被用做電極材料。

泡沫金屬在交通運輸行業中將占據重要地位。例如在汽車工業中, 由于日趨增加的安全、舒適和環境保護的需要而使得汽車的重量逐漸增加,相應增加了燃料費用。而利用輕而硬的泡沫金屬結構 ,有利于減輕汽車重量。

泡沫金屬的吸能性能可以使汽車、火車的碰撞中變形得到控制, 這個性能還可以用做減震器,用于卡車座的保護裝置、容易被扭曲和壓縮的柱座和其它一些部件。

在汽車制造中 ,使消音器材既隔音又耐熱也是一個很突出的問題 , 利用通孔泡沫金屬就可以很好的解決 ,不必再使用例如鋁板和聚合泡沫的組合的一些組合材料。而泡沫金屬的降噪、吸音可以很好地保護環境。

泡沫金屬在建筑業中也有廣泛的用途, 它非常有助于減少電梯的能量消耗。現代的電梯由于它的高頻的加速和減速 ,利用輕型結構是一個很有利的方法。

在建筑業中 ,也可利用粉體發泡法泡沫金屬的預制型性能。例如 ,在混凝土墻中固定插座 ,在塞進插座前,先把一片預制鋁材塞進孔中,然后加熱使其膨脹,若泡沫鋁的密度足夠大,生成的泡沫將會使插座和混凝土緊密聯結。

泡沫金屬還有一些特殊用途 , 例如:以金、銀為基體的泡沫金屬外觀美麗、以金、銀為基體的泡沫金屬外觀美麗, 可考慮用做珠寶的潛在的新材料;對鋼、鈦等金屬發泡技術的開拓 ,使得可以利用這種材料的耐高溫、高強度和其它性能,例如泡沫鈦由于它的極強的物質適應性可用于修復術。

泡沫金屬可以進行切削加工及壓力加工, 可用粘結和壓制的方法制成用途更為廣泛的夾芯結構等。

泡沫金屬發展至今, 在制備工藝方面取得了重大進展 ,但也只是局限在實驗室范圍內,還沒有完全達到工業應用的需求 ,而且相應的基礎理論研究也還有許多不足之處。

今后泡沫金屬的發展首先應該加強基礎研究,通過多學科滲透的基礎研究指導制備工藝的發展 ,同時應注意基礎研究、制備與應用相結合,使泡沫金屬的性能得到充分、廣泛的應用,為社會的發展、科學的進步作出貢獻。