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1、F9905103 吕静多孔材料家族的一颗明珠泡沫材料的制备技术近年来，随着现代科学技术特别是纳米技术的迅速发展，微观有序的材料以其种种特异的性能引起了人们的重视，许多研究人员投入这一领域。在各种各样的有序材料当中，三维长程有序的多孔性材料取得了很大进展。人们很早就认识了多孔性材料。长期以来，人们一直利用其质轻、多孔的特点将其用作结构材料、载体材料、吸附材料和阻隔材料等等。多孔材料大致上可分为三类：大孔材料(macroporous material)平均孔径在50nm以上、介孔材料(mesoporous material)平均孔径在250nm之间、微孔材料(microporous materia
2、l)平均孔径在2nm以下（这类材料在新兴的光于晶体、光电开关等光电子器件的制造领域可望发挥很大的作用）。在多孔材料的家族中，金属多孔材料作为极其重要的一员，是一种具有渗透性好，孔隙和孔径可控，形状稳定，耐高温，抗热震，能再生，可加工等特殊性能的功能材料。它的基本性能有孔径，孔隙度，透过性能，力学性能等金属多孔材料广泛应用于航空，航天，原子能，石化，冶金，机械，医药，环保等行业的过滤，分离，消音，布气，催化，热交换等工艺中。近年来，各领域对金属多孔材料的需求大大促进了其发展。一.多孔材料的种类多孔金届材料目前可分为粉末烧结多孔材料、金届纤维毡、复合金属丝网材料及泡沫金届材料。图1为这几种材料的主
3、要孔径分布。11粉末烧结多孔材料 60年代，随着应用领域的拓宽和应用环境的更高要求， 出现了Hastelloyl，Inconel、钛、不锈钢等抗腐蚀、耐高温的粉末烧结多孔材料和特殊用途的多孔钨、钽及难熔金属化合物多孔材料。到目前为止，大量生产与应用的粉末烧结多孔材料主要是青铜、不锈钢，镍及镍合金、钻等。12金属纤维毡金届纤维毡材料的孔隙度可达90以上，全部为贯通孔，塑性和冲击韧性好，容尘量大，用于许多过滤条件苛刻的行业，被称为“第二代多孔金届过滤材料”。1。3复台金属丝网材料复合金属丝网材料强度高、滤速大，易制成小直径长管元件。在发达国家，其制作工艺已相当成熟。 目前，复合金属丝网的层数己从2
4、层发展到了20多层，宽度达1200mm，精度从2Am到500vm，且网的种类繁多。14泡沫金属材料 泡沫金属材料既具有一般多孔材料所具有的轻质等特性，又具有优良的机械性能和热、电等物理性能，并且比聚合泡沫更易于再生，扩大了多孔材料的应用范围。近年来，新工艺发展使得泡沫金属的质量大有好转，而且新材科的应用条件也改变了很多，人们对泡沫金属尤其是泡沫铝台金的发展开始感兴趣。例如：在汽车工业里，由于安全和保护环境方面的日趋增加的需求，人们开始考虑利用泡沫金属。 本文着重讲述泡沫金属的制造工艺和特性。二泡沫金属的制备。21 泡沫金属制备工艺及其发展 泡沫金属的制备工艺从聚合泡沫的制备得到启发，并由于其独
5、特的金属性能而得到更大的发展。泡沫金属根据其内部孔隙结构的不同可分为通孔和闭孔两种，其制备方法可归纳为：22 闭孔泡涂金属的制各221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映人空气
6、、氧气或水蒸气并搅拌，使在短时间内生成氧化物，此方法效率较高，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，搅拌使熔体中生成大量细微的氧化物固相质点，从而增加焙体粘度，此方法比熔液氧化法简单。 熔体发泡法对发泡剂的一般要求是：发泡剂与熔液混合均匀前应尽可能少分解，在停止混合至开始凝固前的一定时间间隔内要充分分解并有足够的发气量。目前，国内外一般采用金属氢化物TiH2或ZrH2作为发泡剂。日本有采用火山灰作发泡剂制得泡沫金属的报道，其发气起始温度比T1H2低，且发气量比Ti比小，但价格较便宜。熔体发泡法制备泡沫金属的过程有：熔体增粘处理、泡沫化、均匀化和凝固过程。后三个过程同时进行，受
7、许多工艺因素的影响，在实际操作中很难控制。其发展的方向是引入计算机模拟技术，用以处理实物研究中难以解决的问题。222粉体发泡法粉体发泡法制备工艺如图2所示。首先混合一定比例的金属粉末和发泡剂粉末，压实得到密实的预制品，然后在基体金属的熔点附近进行热处理，使发泡剂分解，释放出的气体迫使压实的预制品膨胀成为泡沫金属。粉体发泡工艺的关镶是压实工艺的选择，可分为冷压和热压两种冷压法要求有两次压缩过程来破坏金属颗粒的氧化膜使其联结在一起，此工艺成本高，只 图2 粉体发泡流程图能利用挤压法，且要求发泡剂的分解温度高于压实温度。 目前，国外采用热压工艺，主要有轴向压缩和挤压，前者适用于实验室，而后者适用于工
8、业应用。在压缩过程中要保证：(1)温度要足够高，使金属颗粒之间的联结主要靠扩散作用形成；(2)压强要足够大，防止发泡剂在发泡之前就分解，这样得到的预制品中，金属颗粒彼此联结，密封了发泡剂气体粒子。因此，可以利用分解温度低于压实温度的发泡剂，并且只有一次压缩过程，降低了成本。 粉体发泡法的发泡剂选用范围比较广，可以利用金属氢化物，如T1H2或ZrH2；碳酸盐，氢氧化物和一些容易挥发的物质，如水银混合物、粉碎的有机物质等。粉体发泡法比熔体发泡法实际操作客易控制，合理选择发泡参数发泡时间和温度，可以得到不同密度值的泡沫金属。23 通孔泡沫金属的制备231 渗流铸造法 将液态金属渗入可去除的填料顾中的
9、渗流铸造法是目前国内外制备泡沫金属的重要方法。 渗流铸造法中预制型的制作对最终产品的质量有着直接的影响，填料颗粒能否被除去是制得通孔的关键，要顺利除去填料顾粒，必须使其处于连续的状态，通常采用两种方法：1将填料颗粒松散装人型腔中，加压使顾粒联结。(2)将颗粒加粘结剂和水混匀后填人石墨中紧实，然后焙烧，此工艺得到的预制块孔隙形状圆滑，互相连通，但工艺较复杂。日本采用NaclKCl盐粒烧结的方法制得预制块，国内一般采用Nacl盐粒子作为填料颗粒。 图4 渗流铸造法充型方式示意图渗流铸造法采用加压的方式使熔液渗入，加压方式有：固体压头加压法、气体加压法、差压法、真空吸铸法(如图3所示)。差压法和真空
10、法可以得到高质量的泡沫金属，因为在压力下金属液的渗流距离比较长，结晶出的金属骨架比较致密，使得泡沫金属具有较高的机械性能。232焙模铸造法该法与渗流铸造法所不同的是预制型的制作，使耐火材料充人泡沫海棉中，风干、硬化、焙烧后使海棉分解，可形成三维网状的预制型，浇人液态金属，凝固后除去耐火材料，即可获得通孔泡沫金属。三泡沫金属的特性31发泡材料的特性变化 在固体中引入气孔后，物质的特性会有何变化？如果将泡沫的密度用气孔的形状、尺寸来表示： =VSS+Vgg (1)式中的S和g分别为团体和气体的密度。VS和Vg分别为固体和气孔的体积百分率。由g0,VS=1-Vg可推出：， =VSS=(1-Vg) S
11、 (2) /S=1-Vg (3) /S称为相对密度，它是一种重要的构造参数。 图4中表示了致密体和泡沫的密度、杨氏模量、热传导系数、强度的变化范围。由图可见，利用泡沫材料时，其特性范围比致密体有所扩大，因而使设计的自由度增大了。实际上 以单一的材料参数作为选材的依据是少见的。如要减轻承受集中负荷而要求有一定刚性的恳臂梁的重量，其最佳的办法是选择适当的杨氏模量E和密度并使参数E1/2/为最大。根据力学计算龙沫体和致密体的参数E1/2/是相等的。如果用薄板夹住软性泡沫体的两面，就可以大大改善其杨氏模量E。因此(成本及加工特性除外)若只限定力学功能，选择泡沫材料是最好的。 图4 致密体与泡沫体的特征
12、范围 32泡沫金属的特性 研究最多且用途最广的是泡沫金属的吸能性。到目前为止，聚合泡沫和蜂窝结构是用于吸能的主要材料，而通过选择基体金属、孔隙结构和密度值来控制变形特征，可使泡沫金属成为理想的吸能材料。由于泡沫金属在不达到最大应力或破坏的情况下可以吸收冲击能，所以可按用做为吸能器和包装材料。同有机泡沫材料相比，如果需要较高的破坏应力，并要求能吸收同样或更多的能量，泡沫金属很有优势。 图5所示为泡沫金属的压缩变形特征，可以看出，应力一应变曲线中有一很长的乎稳段，具有乎稳的变形应力，因此比处在同一水平的致密金属吸收的能量多。“其核吸收的能量大部分转化为不可逆的塑性变形能量，而处于同一应力水平的致密
13、金属将发生线性弹性应变，去除载荷后将释放出所吸收的能量。 泡沫金属有吸能率为在压缩变形过程中，变形量为s时实际吸收的能量与理想吸能器所吸收的能量之比： =s0F(s)dsFmax(s)s式中吸能率；S变形量；Fmax(s)变形量为s时的最大力。 图5 泡抹金属压缩应力应变曲线和吸能率曲线由于材料在压缩时的应力是变化的，所以吸能率在变形过程中也是变化的，并与压缩曲线的性质有关。密度和合金成分合适的泡沫铝在变形达到60时，吸能率可以达到90。密度、孔隙结构、孔隙均匀性影响着压缩过程中的乎稳线的长度。从图5可以看出，在应力应变曲线中乎稳段的末端，吸能率随变形时量的增加而减小，所以最好在此时对泡沫金属
14、加载，可使吸能率最大。吸能率是选择吸能材料的一个有利参数，然而光靠吸能率是不够的，还要考虑泡沫金属的吸能能力。 泡沫金属的吸能能力是密度的函数，图6所示为泡沫金属在变形量S为20、40和60时单位体积所吸收的吸能量，可以看出，吸能能力随密度增大而增大。 图6 泡沫金属吸收能力与密度关系曲线四泡沫材料的应用汽车工业 用泡沫铝和夹心泡沫板可制成重量轻刚度大的结构。如挡板，汽车后行李箱盖和滑动车顶。 在能量吸收方面，工程师可利用最大冲击能耗散控制汽车冲撞部分的变形。可能的应用方面包括仍向和前向冲撞防护零件。一般来说填充泡沫导致纵断面弯曲时，需要较高的变形力，从而当它受到轴向撞击时，可吸收较高的能量。
15、潜在的应用还有保险杠，卡车下侧保护器，及其它承受巨大变形的零件。在汽车工业中，吸声和热绝缘也是重要的性能。在很多情况下，吸声的元件，同时必须抗热。泡沫聚合物或将泡沫聚合物与铝板综合起来的零件，不能解决这个问题，因为它们抗热性差，也不能回收使用。但是，泡沫铝可以改进这些性能，满足设计的严格要求。航天工业 泡沫金属夹心板可能代替现在航天工业中用的蜂窝结构。泡沫金属的优点是泡沫材料各向同性，阻燃，保持材料的整体性。用轧制法包覆金属，直接产生金局键合，可以不必将粘结材料放入夹心扳中去。建筑工业 很多应用结构要求重量轻，刚度好的阻燃件或支撑件。泡沫夹心板可减小板材的重量，从而减少了电梯的能量消耗。金属泡沫的另一个应用是在混凝土墙中固定插人物。用起泡材料填充插入物与混凝土之间的间隙，然后加热，起泡材料膨胀，将间隙填满，提供足够高的泡沫密度。其它应用 其他金属制成的泡沫还有一些特殊的应用，例如铅镍泡沫可制造电池，而金或银的泡沫可用于艺术品和宝石。改变工艺流程，还可以制成开放式泡沫。这种材料在某
