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1  泡沫金屬的性能

 1. 1  結(jié)構(gòu)特征

     泡沫金屬從結(jié)構(gòu)上可分為閉孔和通孔泡沫金屬兩種. 前者含有大量獨(dú)立存在的氣孔 ,而后者則是連續(xù)貫通的三維多孔結(jié)構(gòu). 其結(jié)構(gòu)表征參數(shù)主要有孔隙率、孔徑、通孔度 比重及比表面積等. 一般來說 ,多孔泡沫金屬材料具有如下幾個結(jié)構(gòu)特征: (1) 重量輕 ,比重小:泡沫金屬是金屬和氣體的混合物 ,比重僅為同體積金屬的 1/ 50～3/ 5 ; (2) 高孔隙率: 一般多孔泡沫金屬的孔隙率為 40 %～90 % ,而海綿狀發(fā)泡金屬材料的孔隙率可高達(dá) 98 % ; (3) 比表面積大:泡沫金屬的比表面積可達(dá) 10～40 cm²/ cm³ ; (4) 孔徑范圍較大:通過工藝控制 ,可獲得的孔徑在微米至厘米級之間.

 1. 2  性能

      影響泡沫金屬性能的因素有: (1) 基體金屬的性能; (2) 相對密度; (3) 孔結(jié)構(gòu)類型(開口或者閉孔) ; (4)

孔結(jié)構(gòu)的均勻性; (5) 孔徑大小; (6) 孔的形狀和孔結(jié)構(gòu)的各向異性性; (7) 孔壁的連接性; (8) 缺陷(如孔壁的不完整性等) ,以上因素中 ,相對密度對泡沫金屬性能的影響最大.

 1. 2. 1  機(jī)械性能

 1)  楊氏模量. 開孔泡沫與閉孔泡沫由于結(jié)構(gòu)的不同 ,其楊氏模量值相差很大. 開口泡沫的變形主要是 通過通孔的連接部分進(jìn)行的 ,閉孔泡沫由于閉孔間存在孔壁 ,所以相同密度的閉孔泡沫其楊氏模量值比開孔泡沫的大幾個數(shù)量級 ,孔尺寸、形狀對楊氏模量的影響較小.

式( 1) , (2) 中, E 為楊氏模量,ρ為密度,Φ為閉孔泡沫孔結(jié)構(gòu)中, 孔的連接部分占總實體部分的百分比, 下標(biāo) s 表示實體金屬的性能.另外 ,泡沫金屬的變形會引起其孔結(jié)構(gòu)的變化 ,最終導(dǎo)致楊氏模量的變化. 一般地 ,楊氏模量隨應(yīng)變的增加而減小.

2)  壓縮性能及能量吸收特性.  多孔金屬泡沫一般為韌性的 ,其壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線應(yīng)變嚴(yán)重滯后于應(yīng)力 ,包含一個很長的平緩段 ,是一種具有低、常壓應(yīng)力下高能量吸收特性的輕質(zhì)高阻尼及能量吸收材料 ,適合制作輕質(zhì)、耐高溫、阻燃的能量(如沖擊能量) 吸收器.

 3)  拉伸性能.  由于壁及連接邊的斷裂機(jī)制和相互關(guān)系的不確定性 ,泡沫金屬的抗拉強(qiáng)度很難估算.一般地 ,其抗拉強(qiáng)度與其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的平臺應(yīng)力相當(dāng).

 1. 2. 2  電性能及電磁屏蔽性能

 泡沫金屬具有獨(dú)特的導(dǎo)電性 ,使之能應(yīng)用于非金屬泡沫(陶瓷和塑料泡沫) 所不能勝任的導(dǎo)電環(huán)境(如電極材料) .

 泡沫金屬的電導(dǎo)性主要與泡沫基體的電導(dǎo)性有關(guān). 然而 ,泡沫金屬的電導(dǎo)率由于: (1) 其中大量非導(dǎo)電孔隙的存在; (2) 基體中的非導(dǎo)電物質(zhì)(如氧化物) ; (3) 與電壓降方向垂直排列的連接邊和孔壁對電導(dǎo)不起作用等因素的影響 ,比實體金屬的電導(dǎo)率要低得多. 泡沫金屬的電導(dǎo)率與相對密度的關(guān)系為:

式中,ρ/ ρ0  -  泡沫金屬的相對電導(dǎo)率;σ/ σ0  -  泡沫金屬的相對密度; Z -  常數(shù),約等于 1 ;t -  常數(shù),約等于 2.

 另外 ,泡沫金屬還具有電磁屏蔽效應(yīng) ,有資料表明 ,鋁泡沫(Alulight ) 的電磁屏蔽效果與相同厚度的鋁板材相當(dāng) ,并優(yōu)于相同質(zhì)量的硅鋼片.

1. 2. 3  熱性能

1)  熔點(diǎn). 泡沫金屬的熔點(diǎn)與基體材料的基本相同 ,但受泡沫中非金屬相(氧化物、增粘劑等) 的影響 ,

使泡沫金屬的熔點(diǎn)溫度高于理論熔點(diǎn). 高溫長時的氧化 ,甚至?xí)古菽X完全氧化為泡沫陶瓷.

2)  熱膨脹系數(shù).  泡沫金屬的熱膨脹系數(shù)與基體材料的熱膨脹系數(shù)大致相同.

3)  熱導(dǎo)率.  泡沫金屬的熱導(dǎo)率比基體材料的熱導(dǎo)率低得多. 與導(dǎo)電性一樣 ,泡沫金屬的導(dǎo)熱性主要

與泡沫基體的導(dǎo)熱本性有關(guān) ,氣體、輻射、對流的作用較小 ,但其精確計算要比其電導(dǎo)率復(fù)雜. 熱導(dǎo)率主要

構(gòu)成因素有:基體的導(dǎo)熱、氣體的導(dǎo)熱、對流及輻射 ,并受表面氧化物的影響. 通常情況下 ,僅僅考慮基體材

料的導(dǎo)熱 ,常用與相對密度的關(guān)系表達(dá)泡沫金屬的熱導(dǎo)率.

式中,λ_s - 泡沫金屬的熱導(dǎo)率,λ0 - 基體材料的熱導(dǎo)率,ρ- 泡沫金屬的密度,ρ0 - 基體材料的密度, t - 常數(shù)(根據(jù)滲透理論, 3 維泡沫取值 2) .

1. 2. 4  聲學(xué)性能

 1)  隔音、吸音性能.  控制噪音的方法主要有兩種:隔音和吸音. 泡沫鋁由于密度較低 ,質(zhì)量小 ,因此 ,在隔音上應(yīng)用并不理想. 泡沫鋁的吸音特性與泡沫的厚度、密度、孔徑及表面狀態(tài)有關(guān). 一般地 ,吸音系數(shù) 單一泡沫結(jié)構(gòu)具有較好的吸音效果 ,但比不上玻璃纖維類傳統(tǒng)吸音材料 ,特別是在低頻(1 000 Hz) 以下 ,其吸音系數(shù)要低得多. 然而 ,可利用泡沫金屬與其他吸音材料的組合 ,或從吸音結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)等方法 ,獲得高性能吸音器 ,如 AlSi₁₂泡沫 + 玻璃纖維 + 空氣墊的組合 ,表現(xiàn)出了優(yōu)越的吸音特性.

在要求吸音、耐高溫、防潮、耐久性環(huán)境中 ,泡沫鋁比傳統(tǒng)吸音材料有優(yōu)勢.

2) 結(jié)構(gòu)阻尼性能. 當(dāng)某結(jié)構(gòu)的本征頻率與外界聲波或震動頻率發(fā)生共振時 ,聲波或震動會被該結(jié)構(gòu)所衰減. 結(jié)構(gòu)阻尼衰減的原因是內(nèi)摩擦導(dǎo)致的震動能向熱能的轉(zhuǎn)換 ,產(chǎn)生的熱量通過周圍環(huán)境散發(fā). 泡沫

金屬的阻尼特性隨孔壁厚的減小、泡沫結(jié)構(gòu)中的缺陷數(shù)量的增多、泡沫中陶瓷相的增加而增大^{[ 12 ]} .

2  泡沫金屬的應(yīng)用

目前 ,通過現(xiàn)有金屬材料的多孔化以實現(xiàn)高性能、多功能化 ,開發(fā)高附加價值的泡沫金屬材料產(chǎn)品受到了廣泛的關(guān)注. 泡沫金屬的應(yīng)用應(yīng)考慮其“多性能特點(diǎn)組合”的優(yōu)勢 ,如“低密度 + 能量吸收特性”“、低密度 + 吸音特性 + 耐熱 + 不吸水”等. 多孔泡沫金屬的應(yīng)用主要有防火和吸(隔) 音板、沖擊能量吸收材料、建筑板(如超輕結(jié)構(gòu)組元 ,三明治結(jié)構(gòu)材料) 、半導(dǎo)體氣體擴(kuò)散盤、緊湊熱交換器和核心裝置、液流控制裝置、熱交換和熱絕緣器、過濾器、聲音和能量的吸收裝置等. 泡沫金屬在航空、航天、船舶、電子、汽車制造、建筑、包裝、裝飾材料、體育器材等領(lǐng)域中的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大中.

2. 1  能量吸收輕量結(jié)構(gòu)應(yīng)用

閉孔泡沫(如鋁泡沫) 由于制備成本相對低,因此在結(jié)構(gòu)應(yīng)用上受到了廣泛的關(guān)注,如承受較低壓載荷下的能量吸收件等. 理論上講,泡沫金屬由于孔壁上約束的減少 ,在應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線上 ,有很長的波動平臺段 ,會產(chǎn)生大的塑性應(yīng)變,具有顯著的能量吸收特性. 然而,實際構(gòu)件的表現(xiàn)并非如此 ,如在剪切帶中的過早失效 ,以及彎曲導(dǎo)致的拉伸應(yīng)力下低的拉伸強(qiáng)度等. 令人鼓舞的是 ,已經(jīng)證明如果能夠在10～1 mm尺度上獲得均勻細(xì)小的泡沫孔結(jié)構(gòu),問題就可以得到解決. 因此,相應(yīng)的制備技術(shù)的研究開發(fā)就顯得非常必要和迫切.

多孔泡沫金屬輕質(zhì)、能量吸收及阻尼性能 ,緩沖器和吸震器是重要的用途 ,如汽車的結(jié)構(gòu)件(防沖擋、門欄、乘員室構(gòu)件) ;航空儀表的保護(hù)外殼 ,航天飛機(jī)的起落架;此外 ,還有提升機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的安全緩沖器、高速磨床防護(hù)罩吸能內(nèi)襯;活動建筑(房) 等. 也可考慮用于電梯的輕形結(jié)構(gòu)件、包裝材料、泡沫三明治復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零件、體育器材、裝飾、水上結(jié)構(gòu)件、太空船結(jié)構(gòu)件等.

2. 2  功能應(yīng)用

2. 2. 1  生物醫(yī)學(xué)材料

利用 Ti 或 Co - Cr 合金泡沫與人體的生物相容性 ,可用于人體骨骼或牙齒的替代材料 ,Mg 泡沫也有望作為人工骨頭的材料,多孔 Ni - Ti 形狀記憶合金由于好的機(jī)械性能、耐腐蝕性能和形狀記憶效應(yīng) ,也可作為人體骨骼的替代物.

2. 2. 2  過濾分離材料

與粉末冶金微孔金屬相比 ,通孔泡沫金屬的孔徑和孔隙率較大 ,可用于過濾液體、空氣或其它氣流中的固體顆粒或某些活性物質(zhì). 泡沫金屬過濾器主要用于從液體〔石油、汽油、致冷劑、聚合物熔體、含水懸浮液〕、空氣或其它氣流中濾掉固體顆粒.

2. 2. 3  熱交換器材料

通孔銅和鋁泡沫可作為熱交換器材料. 通孔規(guī)則排列的孔結(jié)構(gòu) ,在不降低熱交換效率的前提下 ,可減小壓力降 ,在微電子等高(熱) 能量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景.

2. 2. 4  催化載體

由于金屬泡沫在韌性和熱導(dǎo)率方面的優(yōu)勢 ,是催化載體材料的又一選擇,如將催化劑漿料涂于薄

的泡沫金屬片表面 ,后通過成型(如軋制) 和高溫處理 ,可以用于電廠廢氣氮氧化物(NO _X ) 等的處理.

2. 2. 5  液體的存儲與傳輸

與傳統(tǒng)的粉末冶金材料(如自潤滑軸承) 相比 ,泡沫金屬的液體存儲量更大 ,應(yīng)用范圍更廣:水的存儲

和緩慢釋放進(jìn)行濕度控制;香水的存儲和緩慢蒸發(fā)等;在壓力的驅(qū)動下 ,泡沫中的液體還可作毛細(xì)運(yùn)動等.

2. 2. 6  消音材料、噪音控制

由于成本和效率方面的優(yōu)勢 ,熔模鑄造法或沉積法制備的泡沫可以取代現(xiàn)有的消音器材料 ,目前已制備出最大直徑100 mm的泡沫消音器.開口剛性泡沫可以用于噪音控制,對閉孔金屬泡沫的噪音控制作用 ,也進(jìn)行了研究. 半圓柱狀的 Alporas 泡沫鋁和鋼背或混凝土背組成的吸音裝置已開發(fā)應(yīng)用于高速公路橋、地鐵的噪音控制. 泡沫金屬克服了石棉、玻璃棉等消音材料長期使用易老化、吸水后消聲性能下降的缺點(diǎn) ,耐熱性好 ,在高溫下不釋放有害氣體 ,不吸濕 ,是一種優(yōu)良的環(huán)保型消音及噪音控制材料.

2. 2. 7  電池電極材料

開口的鉛泡沫作為鉛酸蓄電池的骨架 ,取代現(xiàn)有的鉛網(wǎng)格 ,可以減輕電池的重量; Ni 泡沫電極在

可充電 NiCd 或 NiMe H 電池中已有了實際的應(yīng)用.

2. 2. 8  阻火器

高熱導(dǎo)率的鋁、銅泡沫可以用來阻止火焰的傳播. 據(jù)報道 ,開口泡沫可以對傳播速度為550 m/ s的火焰進(jìn)行有效的攔截.

2. 2. 9  水凈化

多孔金屬可以減少水中溶解的離子濃度. 污水通過通孔泡沫時 ,離子與金屬泡沫的骨架發(fā)生氧化還原反應(yīng). 如用鋁泡沫對 Cr 離子(6 價) 的凈化.

3  泡沫金屬的性能研究及應(yīng)用發(fā)展

3. 1  結(jié)構(gòu) —性能關(guān)系研究

泡沫金屬是一種結(jié)構(gòu)敏感性材料 ,其力學(xué)性能、電磁性能、熱性能都與結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系 ,最近的研究

情況及研究方法主要有:

1) B . Illerhaus^{[ 35 ]}等人用320 kV 的 XRD 管 ,采用 3D micro to mograp hy 技術(shù)對鋁泡沫和空心鐵球的變形形貌進(jìn)行了無損測量 ,可以測量泡沫結(jié)構(gòu)分布、平均孔壁厚等 ,類似的 XC T ( Co mp uted X - ray To2 mograp hy) 報道還有文獻(xiàn)等 ,為泡沫金屬變形過程的實時觀察提供了手段.

2)  從有限元(如 ABAQ U S 等) 、邊界元數(shù)值模擬角度進(jìn)行泡沫金屬孔結(jié)構(gòu)(含結(jié)構(gòu)分布) 和力學(xué)性能

(如應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系) 的關(guān)系、泡沫金屬材料器件的優(yōu)化設(shè)計的研究.

3)  從實體金屬的變形理論出發(fā) ,通過參數(shù)的變換 ,用于泡沫金屬的力學(xué)性能研究;

4)  從分形理論對結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究;

5)  從微觀、介觀的不同角度對理想和真實泡沫結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究.

因此 ,從孔結(jié)構(gòu)的個體 - 孔單元及不同單元組合出發(fā) ,采用先進(jìn)的方法手段和理論 ,結(jié)合應(yīng)用對象 ,研

究孔結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)分布及其形貌對材料性能及器件使用性能的影響規(guī)律 ,對泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 ,為高性能金屬泡沫及其產(chǎn)品的研制提供理論基礎(chǔ)和依據(jù) ,是目前泡沫金屬性能研究的必然發(fā)展趨勢.

3. 2  應(yīng)用

泡沫金屬的研究開發(fā)已有 50 多年的歷史 ,但真正的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用并不多 ,國內(nèi)這一現(xiàn)象尤為明顯.

除了制備技術(shù)、性能、成本等因素外 ,泡沫金屬的應(yīng)用發(fā)展應(yīng)考慮其“多性能特點(diǎn)組合”的優(yōu)勢 ,可考慮通過

以下方法實現(xiàn):

1)  數(shù)值模擬分析 ,進(jìn)行材料多功能使用性能的綜合優(yōu)化設(shè)計;

2)  材料性能比較 ,如金屬泡沫與有機(jī)泡沫的性能比較 ,進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計;

3) 與實體金屬混用(如泡沫鋁芯三明治板) ,可提高金屬泡沫的力學(xué)性能、材料的性能各向同性性及可靠性. 因此 ,需要開發(fā)金屬泡沫與實體金屬的連接技術(shù) ,研制低成本一體化制備技術(shù) ,考慮材料的腐蝕、

構(gòu)件(如汽車構(gòu)件) 的幾何尺寸及尺寸精度等問題; 4) 開發(fā)高性能泡沫及其低成本連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù) ,提高泡沫金屬的性/ 價比 ,提高金屬泡沫比之于其他

非金屬泡沫(如有機(jī)泡沫) 的競爭力;

 5)  采用系統(tǒng)化的新材料新投資評估體系 ,如材料投資方法學(xué) ( IM M ,  Invest ment  Met hodology for  new Materials) ,對可能的應(yīng)用及投資等進(jìn)行科學(xué)的評估 ,縮短投資開發(fā)周期 ,降低風(fēng)險 ,促進(jìn)泡沫金屬材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展.