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1、1 国内外现状及发展趋势泡沫铝是一种新型结构材料,它是金属铝基体中分散着无数气孔的类似泡沫状的超轻金属材料,一般孔隙率为40%98%，泡沫铝集多种功能于一体,高孔隙率的多孔结构决定了泡沫铝具有许多优异的性能,如:透流性、吸声性、阻尼性、减振、电磁屏蔽性等;同时,泡沫铝还具有良好的力学性能,如比强度和刚度,因而是一种轻质结构材料;特别是泡沫铝独特的对压缩载荷的响应特征,而具有优异的吸能性,是一种比高分子泡沫材料性能更加优异的冲击吸能及防护材料。泡沫铝的这些优异的性能决定了其在民用、工业、交通、航空、航天及军事国防等领域有着非常广泛的应用前景，在世界上许多国家正获得日益广泛的研究和应用。国外泡沫铝
2、技术和产业的发展早在上世纪40年代后期,美国就首先对泡沫铝进行了研究,美国人.在1948年获得了有关泡沫铝的第一个专利。但由于发泡工艺与泡的尺寸很难控制,泡沫铝一直未得到发展和应用。上世纪80年代初,国际上兴起泡沫铝材料研制,发现泡沫铝材料具有重量轻、耐热、吸声、隔音、抗冲击、耐蚀等性能,又有很强的吸能本领和电磁屏蔽作用,在冶金、建筑、机械、交通运输、电子、通讯等方面均具有广泛用途,故在国际上越来越受重视。世界上一些先进的工业国家均在研究这种超轻量多用途的金属材料。上世纪90年代起,民用工业尤其是建筑业已开始组织生产,目前日本、美国、德国、加拿大等国已上市供应泡沫铝材。2 泡沫铝的制备及其力学
3、行为泡沫铝的制备方法世界上制造泡沫铝的方法大体可分为:直接发泡法、精密铸造法、气泡法、烧结法和电镀法等。直接发泡法是当前生产泡沫铝较普遍采用的方法,其基本原理是将某种发泡剂加入熔融的铝或铝合金中。发泡剂受热在高温下分解,释放出气体,滞留于熔体中,凝固后成为泡沫金属。该方法生产出的泡沫铝孔洞间相互独立可用作吸音缓冲材料,但其缺点是气孔分布均匀性差,加入发泡剂到发泡结束的时间间隔短,操作上困难,温度控制不易掌握。对于气泡分布不均匀以及尺寸过大问题,有以下几种解决方法:采用高速混合,使发泡剂粒子在极短时间内均匀分布在液体金属中。提高金属液的粘度可阻止已经均匀分散在铝熔体中的发泡剂上浮,能够使生成的气
4、泡滞留在铝液中而不逸出。适当增加搅拌时间可使发泡剂分散均匀。针对不同的合金成分与发泡剂采用与之相适应的搅拌温度和发泡温度。用此方法生产泡沫铝工序简单、易掌握、成本不高,并且该方法适宜于制造大型板材、块材,这也是目前研究最多的方法。国内大多数单位都是采用该方法研究和生产泡沫铝的,产品为闭孔结构。 2.2铸造法此法系以三维网状结构的聚氨脂泡沫等材料作模型,使熔融的金属液进入模型孔内,然后加热或用溶剂除去网状材料制造泡沫铝。该法制的泡沫铝孔洞之间相互连通,分布均匀,孔隙率高达70%左右。具有过滤、分离、排气等多种用途,且工艺简单、成本低,是目前广泛采用的方法之一。2.3粉末冶金法将铝粉和发泡剂粉末混
5、合后压制成坯体,对坯体进行预处理,然后加热发泡。在达到一定温度以后,坯体中的发泡剂2等受热分解放出2,在熔融的金属铝基体中形成气孔,冷却后得到多孔状的泡沫铝。2.4气泡法该法是将惰性气体从熔融金属底部吹入,使气体在铝基体中形成无数个气泡的制造方法,该法制造的泡沫金属,气孔间相互独立,成本低,但生产控制难度大。2.5烧结法这种方法是将粉末颗粒体空心金属珠或金属纤维与粘结剂混合后压制成形,再经烧结而成。所制的材料孔洞相互贯通,分布均匀,但孔隙度小,成本较高,难以在实际中推广应用。2.6电镀法该法是在泡沫树脂骨架上面镀一层金属的方法。用此法制造的泡沫金属,孔洞连通性好,分布均匀,孔隙度大,但制品厚度
6、有限,成本高,故其推广应用受限制。目前,国内研制泡沫铝所采用的方法主要有直接发泡法和精密铸造法。在上述众多的制备方法中,除特殊要求外,作为工业化大生产最有前途的是熔体发泡法,它的工艺简单,成本低廉。由于生产特殊用途泡沫铝材的需要,国外的粉末冶金法等生产方法也得到了迅速的发展。3泡沫铝材料的性能密度小 由于泡沫铝中存在大大小小的气泡,因此它具有较小的密度,其密度范围在0.20.5/3,与铝比较,泡沫铝的密度约为铝的十分之一。耐热性好 泡沫铝具有较高的耐热性,温度达到基体合金的熔点也不熔化,因而泡沫铝可望成为耐热的结构材料。刚性强 泡沫铝不像密实金属那样具有延展性,拉伸试验无法测出拉伸率,弹性模量
7、约为铝合金的1/501/100。泡沫铝质脆,与原料合金不同,当发生大的变形时,其蜂窝组织产生破坏;反之,如果蜂窝组织不达到破坏强度,泡沫铝也不产生变形。抗冲击性好泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性,也不像高分子聚合材料具有反弹作用,它有很好的吸收冲击性能和减震性能,是制造抗冲击部件的良好材料,也是精密仪器的理想包装材料。良好的吸音性 泡沫铝在低频范围具有良好的吸音效果,尤其在低于1000左右的频率范围。具有透过性能 泡沫铝可制成具有连通气孔和封闭气孔两种。具有连通气孔的泡沫铝材料可以过滤液体和高温气体除尘。具有保温性能 泡沫铝材料的导热系数与纯铝相比要小得多,大约为纯铝的1/400,因而具有较好
8、的保温性能。其它性能 泡沫铝的电阻率约为铝的100倍。此外,泡沫铝还具有良好的电磁屏蔽性能、耐蚀性能等。4 泡沫铝材料的用途 由于泡沫铝材料具有一系列优良独特的性能,它被期望成为一种多功能、多用途材料加以广泛应用。建筑方面可以作装饰材料、屏蔽墙、天花板、地板,用泡沫材料既隔音、美观、保温,又不燃烧可防火。交通运输方面3可以做汽车、铁路运输、车辆以及飞机的缓冲部件,可以作各种包装箱的材料。用泡沫铝材料,既轻又减震,缓冲效果比较好。泡沫铝还可用于汽车、火车的箱体及隔墙,既隔音又保温。用泡沫铝还可做高速公路护栏、路标牌、隔音壁等。化工方面具有连通气孔的泡沫铝可用来制作高温液体过滤材料和高温气体隔热、
9、除尘的过滤材料,还可作热交换材料。电讯方面目前,随科学技术和电子工业的迅猛发展,各种电子仪器设备的应用也日益增多。由此而产生的电磁辐射也日益强烈。在计算机房中采用泡沫铝做屏蔽,可很好地起到屏蔽作用,有效地防止信息干扰及泄漏。5今后要研究的问题泡沫铝材料从提出到现在已经几十年了,主要的研究工作在近20年中取得了较大进展,但它要与传统的材料竞争,进行扩大化生产还有待进一步研究。就目前国内情况看,今后一段时期的研究将集中在以下几个问题:(1)研究成本低、简单、可靠和稳定的生产泡沫铝材料工艺,特别是制造量大、市场前景广阔的板材、块材生产工艺。(2)进一步解决气孔均匀问题。(3)优化各种工艺参数和操作条
10、件。(4)进一步研究泡沫铝的各种性能及其影响因素。(5)研究扩大应用范围。【5】泡沫铝以其独特的结构而具有许多优异的性能, 它不仅具有多孔材料所具有的轻质特性,还具有金属所具有的优良的力学性能和热、电等物理性能913,如渗透、阻尼、能量吸收、高比表面积、电磁屏蔽等性能。现在,泡沫铝的应用主要有:防火和吸音板、冲击能量吸收材料、建筑板、半导体气体扩散盘、热交换器、电磁屏蔽物等方面。可用于冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域1416,应用范围不断扩大。2 泡沫铝的制备方法2 1铸造法铸造法在制造泡沫铝中应用较为普遍,且制备方法较为成熟,以下介绍几种相关的方法13,17,18。3
11、 2 1 1渗流铸造法渗流铸造法是将高温液态金属铝在一定的压力下渗入填料颗粒的空隙中,凝固后去除包围在铝合金中的可溶性颗粒,即得到具有连通孔结构的泡沫铝。此方法又可分为上压渗流铸造法和负压渗流铸造法。上压渗硫铸造法较负压渗流铸造法具有工艺操作简单、预热速度快、生产率和成品率高、安全系数大、设备投资小、便于机械化生产等优点19。其中,填料颗料的选择与处理十分关键,它具有以下特点:足够的耐热性,在浇注温度下不熔化;足够的强度和刚度,在渗流压力作用下不会破碎和变形;良好的去除性,在铝液凝固后三维孔洞中的填料颗粒,能用溶剂或水溶液将其完全去除;化学稳定性,不与铝液发生反应20。这种方法操作简单,孔隙率
12、平均可达70%,便于大规模生产21,22。目前,渗流法不仅应用于制造泡沫铝,而且用于锌、镁、铅、锡和铁等泡沫材料的生产,可用于制造复杂形状的零件18。2 1 2添加球料法添加球料法是在液态铝合金中加入颗粒或中空球,加以强化搅拌,对仍处在相对流动时的铝液进行铸造,而得到铝合金与颗粒复合体,然后溶解去除铝合金基体中的可溶性颗粒,而得到的一种连通孔泡沫铝。2 1 3熔模铸造法首先,选用具有一定孔隙率的三维贯通的泡沫海绵材料做母体材料,然后用易于去除的耐火材料冲入海绵状泡沫中,经干燥硬化后形成预制型,再经焙烧后使耐火材料硬化并使泡沫海绵气化分解,然后将预制型置于金属模具中,浇入金属液,并对其施加一定的
13、压力或进行真空吸铸,使金属液充填于铸型的孔隙中,冷却后清除掉成块的耐火材料,即可获得三维网状通孔泡沫铝。这种熔模铸造法制备工艺所生产的泡沫铝具有良好的三维贯通性,且该工艺适用范围大,无腐蚀性,在制造流体透过性产品方面有着良好的前景23。2 1 4发泡法分气体发泡法与金属液发泡法两种。气体发泡法是向熔融的金属熔体内吹入气体而使金属熔体发泡,发泡用的气体可以是氧气、氩气、空气、水蒸气、二氧化碳等。其技术关键是熔体应具有合适的粘度,金属的成分应保证足够宽的发泡温度区间,所形成的泡沫应具有足够的稳定性,以保证泡沫在随后的收集和成型过程中不破碎。气体发泡法是目前生产泡沫金属最廉价的方法,泡沫的尺寸范围很
14、大,泡沫铝制品的孔隙率可达97%。金属液发泡法早期采用比较普遍,主要是向液态铝合金中加入2、2、2等发泡剂,然后加热使发泡剂分解放出气体,气体的膨胀使铝合金成泡沫状,然后冷却即得到泡沫铝成品。这种方法制备出来的泡沫铝属于闭孔泡沫铝,孔的结构及空隙率与金属液的粘度及泡沫化的时间有关,控制熔化过程中金属液的粘度及泡沫化的时间,可以控制孔隙率及孔的结构2426,但孔洞相互独立、大小及分布不均,控制复杂。2 1 5共晶凝固法气体在熔融状态的金属中具有一定的溶解度,并且随压力的增大和温度的升高而增加,当气体在金属的溶解度达到预定值后,金属与气相进行共晶凝固而获得所需要的泡沫铝,通过精确控制冷却条件(压力
15、、冷却速度、散热方向)可以获得各种孔隙形状的各向同性和各相异性的高孔隙度泡沫铝18。2 2沉积法2 3粉末冶金法2 3 1粉体发泡法粉体发泡法是混合铝粉与一种发泡剂(2),在一定温度下轴向压缩,得到具有气密结构的预制品,加热预制品使发泡剂分解释放出气体, 迫使预制品膨胀而得到泡沫铝的一种方法。混合、压制和发泡是粉体发泡法的三个重要环节,同时调整发泡工艺中的参数(发泡剂用量、发泡温度、发泡时间)可以得到不同孔结构的泡沫铝29。22 3 7烧结溶解法烧结溶解法是近几年来发展起来的一种制造泡沫铝的新方法。是将铝粉与填料颗粒通过混合、加压、烧结、溶解等工序来制取通孔泡沫铝的一种方法。具有可以精确控制孔洞形状、尺寸和孔隙率及分布等特点,具有较好的质量价格综合指数30。是生产均匀或梯度微细开孔的中密度泡沫铝的有效方法,所制泡沫铝在吸能、吸音等领域有着广泛的应用前景。3泡沫铝的性能及应用1密度小 由于泡沫铝是在铝基体中存在大大小小的气孔,因此它具有较小的密度。泡沫铝的密度可在很大范围内变化,目前所能获得的最大孔隙率可达97%,其孔隙尺寸从几个微米到几十个毫米,一般规律是孔的尺寸越大,泡沫铝的密度越小。可用于包装箱,尤其是空运集装箱。3 2耐热性强 泡沫铝具有较高的耐热性,即使达到合金的熔点也不熔解,一般铝合金的熔解温度范围在560700,但泡沫铝即使加
