1、第28卷第6期 2005年12月 鞍山科技大學學報 Journal of Anshan University of Science and Technology Vol.28 No.6 Dec.,2005 泡沫鋁的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望 程慧靜,張崇民,苗信成,袁皓,孫文剛 (鞍山科技大學材料科學與工程學院,遼寧鞍山114044) 摘要:泡沫鋁的多孔結(jié)構(gòu)和金屬特性使其在吸聲、減震、過濾及熱交換等方面具有優(yōu)異的性能。介紹了目 前國內(nèi)外泡沫鋁的研究進展和基本制備方法,描述了泡沫鋁的結(jié)構(gòu)及特殊性能,并分析了現(xiàn)存工藝、發(fā)泡機理 及性能分析等方面問題,對泡沫鋁在各個領(lǐng)域的應(yīng)用進行了展望。 關(guān)鍵詞:泡沫鋁;制

2、備;性能;應(yīng)用 中圖分類號:TG29·146·2文獻標識碼:A文章編號:1672-4410(2005)06-0409-06 1研究歷史 在傳統(tǒng)的工程材料中,孔洞常被認為是一種結(jié)構(gòu)上的缺陷,因為它們往往是裂紋形成和擴展的中 心,對材料力學性能產(chǎn)生不利影響。但是,當材料中的孔洞的數(shù)量增加到一定的程度且有規(guī)律地分布 時,就會因為這些孔洞的存在而具有一些特殊的性能,從而形成一個新的材料門類,這就是所謂的多孔 或泡沫材料1。目前的人造多孔材料包括多孔塑料、多孔陶瓷、多孔金屬等2。一般認為當多孔材料 的孔隙率在40%-98%時,可稱之為泡沫材料,但多數(shù)學者都將多孔材料和泡沫材料視為等同

3、的概念, 并不以孔隙率所區(qū)別3。泡沫金屬的歷史不長,在其發(fā)展歷程中,研制和開發(fā)大都以輕金屬鋁為主要 對象,這是由于鋁及其合金具有熔點低、鑄造性能好等特點4。 早在20世紀40年代后期,美國就首先對泡沫鋁進行了研究。最初是由Sonik提出利用汞在鋁中 氣化而制取泡沫鋁的想法,隨后Elliot于1951年成功生產(chǎn)出泡沫鋁,這標志著泡沫金屬研制的開始。 隨著材料科學的進步,到上世紀80年代后期已開發(fā)出一些有價值的泡沫金屬生產(chǎn)工藝。目前,日本與 德國在研究、生產(chǎn)與應(yīng)用泡沫鋁以及其它金屬泡沫材料方面居于世界領(lǐng)先地位。我國對泡沫鋁的研究 始于20世紀80年代后期,并已取得了一系列的研究成果5。 2制備方法

4、 制備多孔材料并不是很困難。人們已經(jīng)掌握了不同用途的多孔陶瓷和泡沫塑料的制備方法,但多 孔金屬的成熟工藝仍在探索之中。制備工藝的合理與否,不僅關(guān)系到能否成功地制備樣品,而且與實際 應(yīng)用密切相關(guān)。有關(guān)泡沫鋁制備方法的報道很多,大體可分為鑄造法等5種。 2·1鑄造法 鑄造法是制造泡沫鋁的一種主要工藝方法,具有工藝簡單、成本低廉等特點。鑄造法應(yīng)用很普遍, 鑄造法又分為滲流鑄造、添加球料和熔模鑄造等方法。 (1)滲流鑄造法。原理是迫使液態(tài)鋁進入粒子之間的孔隙,冷卻成形后形成泡沫金屬。工藝 過程 是把粒子放人模型中制成多孔體,預(yù)熱到一定溫度,然后澆注鋁溶液,經(jīng)加壓使金屬滲入到多孔體中,冷 卻凝

5、固后形成一個三維網(wǎng)狀連通的鋁基合體。最后對復(fù)合體進行加工,水處理,海綿鋁成型體便制成 了。采用此方法已能制出孔隙率80%左右,孔徑在0·056-0·3 mm的三維網(wǎng)狀連通孔的泡沫鋁合金材 收稿日期:2004-11-20。 作者簡介:程慧靜(1976-),女,山東濟南人。料。此方法所制備的泡沫鋁的孔直徑及其形狀主要決定于滲流顆粒的相應(yīng)參數(shù)6。 (2)添加球料法。在液態(tài)鋁合金中加入顆?；蛑锌涨?加以強化攪拌,對仍處在相對流 動時的鋁液進行鑄造得到鋁合金-顆粒復(fù)合體,溶解去除鋁合金基體中可溶性顆粒,從而得到 一種連通孔泡沫鋁7。 (3)熔模鑄造法。首先選用具有一定孔隙率的三維貫通

6、的泡沫海綿材料做母體材料,用易于去除 的耐火材料充入海綿狀泡沫中,經(jīng)干燥硬化后形成預(yù)制型;再經(jīng)焙燒后使耐火材料硬化并使泡沫海綿氣 化分解;將預(yù)制型置于金屬模具中,澆入金屬液,并對其施加一定的壓力或進行真空吸鑄,使金屬液充填 于鑄型的孔隙中;冷卻后清除掉成塊的耐火材料,即可獲得三維網(wǎng)狀通孔泡沫鋁。這種熔模鑄造法制備 工藝所生產(chǎn)的泡沫鋁具有良好的三維貫通性,且該工藝適用范圍大,無腐蝕性,在制造流體透過性產(chǎn)品 方面有著良好的前景8。 2·2熔體發(fā)泡法 熔體發(fā)泡法以其工藝簡單、成本低廉、適宜制造大型板、塊材而極具開發(fā)潛力。其基本原理主要是 將鋁或鋁合金熔化,隨后加入增粘劑使鋁熔體的粘度增加,

7、以防止氣泡從熔體中溢出,然后加入發(fā)泡劑, 最后經(jīng)冷卻使熔體中的氣體滯留在熔體內(nèi)部。工藝過程為:鋁的熔化鋁液的增粘發(fā)泡劑混合保 溫發(fā)泡發(fā)泡體冷卻。其中增粘、混合、發(fā)泡和冷卻這四個工藝過程對制備孔徑和孔隙率可控、結(jié)構(gòu)均 勻的泡沫鋁至關(guān)重要。近幾年的許多專家和學者對熔體發(fā)泡法工藝提出了很多改進方法。 (1) SiC顆粒增強法。在普通的鋁合金中加入高強度、高硬度的陶瓷顆粒,例如SiC,制成鋁基復(fù)合 材料。由于SiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料熔體自身粘度大,發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體能夠滯留在熔體中, 因此不需要采取任何增粘措施,且粘度僅由溫度控制。此方法的使用主要解決了不同爐次熔體增粘難 以保持一致性及熔體粘度

8、難以控制的問題,并可相對降低對攪拌時間、攪拌速度的要求,同時提高了泡 沫鋁的抗拉和抗壓強度9。 (2) TiH2焙燒法。將TiH2粉在一定溫度條件下進行鈍化焙燒,以降低發(fā)泡劑在鋁熔體中的分解 速度。使用經(jīng)過預(yù)處理的TiH2,可以獲得較為充分的攪拌時間,提高發(fā)泡劑 分散的均勻程度10。 (3)氧化物包覆法。利用化學方法對TiH2顆粒進行包覆。根據(jù)非均勻相沉淀包覆原理,將經(jīng)過改 性的TiH2粉加入到鋁無機鹽溶液中,通過化學反應(yīng)生成氧化鋁前驅(qū)體/TiH2復(fù)合粉體,在350下煅 燒取得Al2O3/TiH2發(fā)泡劑復(fù)合粉體。Al2O3/TiH2發(fā)泡劑復(fù)合粉體在600之前比未包覆的TiH2,總 釋氫量減少2

9、0%,可以對發(fā)泡劑的發(fā)泡過程起到一定的控制作用11。 (4)金屬包覆法。用高壓氫還原法、電鍍法和真空噴鍍法等將熔點高于1 000的金屬Ni、Cr或 Cu等包覆到TiH2表面,外包覆金屬一般為50%(質(zhì)量數(shù),下同)左右。由于高熔點的外包覆金屬的隔 離作用,TiH2的起始反應(yīng)溫度提高,分解速度減緩,使發(fā)泡劑和鋁熔體攪拌混合時間延長,從而充分混 合12。 此外,還有物理改進法,即通過研磨混合來改變TiH2的放氣性質(zhì),以及將TiH2和MnO2混合后高 溫加熱,使TiH2表面生成氧化膜等方法13。 2·3沉積法 (1)噴濺沉積法。采用了噴濺技術(shù)把加有惰性氣體的粉末均勻地噴射到鋁合金金屬上,并加

10、熱到 金屬熔點,使夾在金屬基體中的氣體膨脹成孔,待冷卻后即得到具有致密網(wǎng)狀的泡沫鋁。此方法所得產(chǎn) 品的孔體積分數(shù)可以通過控制沉積中惰性氣體的分壓來控制,夾雜氣體的質(zhì)量分數(shù)可以在0·001 5%- 0·23%范圍變化14。 (2)電沉積法。用泡沫塑料為基底,經(jīng)導(dǎo)電化處理后為陰極,工業(yè)純鋁板為陽極,在烷基鋁溶液中 電鍍制成泡沫鋁。其工藝流程如圖1所示。在此工藝中將泡沫塑料經(jīng)去脂、粗化、活化、還原等公益處 理后,放到化學鍍銅液中均勻地沉積上一層銅,沖洗、烘干后即可放到烷基液槽中電鍍鋁。采用此電沉 積法制備的泡沫鋁具有容易控制孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑小、孔隙均勻、孔隙率高等特點。其隔熱性能和

11、阻尼特 ·410·鞍山科技大學學報第28卷性優(yōu)于鑄造法生產(chǎn)的泡沫鋁;其吸聲性能與聲頻率有關(guān),聲頻率在1 000-2 000 Hz之間時,平均吸聲系 圖1生產(chǎn)泡沫鋁的電沉積技術(shù) Fig.1Electric deposition technique of foamed aluminium 數(shù)為0·751,是一種很好的吸聲降噪材料15。 (3)氣相蒸發(fā)沉積法。在較高壓的惰性 氣氛中(102-103Pa)緩慢蒸發(fā)金屬鋁,蒸發(fā)出 來的金屬原子在前進過程中與惰性氣體發(fā)生 一系列的碰撞、散射作用,迅速失去動能,從而 部分凝聚起來形成金屬煙;金屬煙在自身重力 作用及惰性氣流的攜帶

12、作用下沉積,且在下行 過程中繼續(xù)冷卻降溫,最后達到基底;因其溫 度繼續(xù)冷卻降溫,原子難以遷移或擴散,故金 屬煙微粒只是疏松地堆砌起來,形成多孔泡沫 結(jié)構(gòu)。用這種技術(shù)生成的泡沫鋁與具有宏觀 結(jié) 構(gòu)的泡沫鋁不同,它是由大量亞微米尺度的金屬微粒和微孔隙所構(gòu)成,其密度約為母體金屬鋁密度的 1%,最小為0·5%16。 (4)熔融鹽電鍍鋁。以泡沫塑料為電極陰極,鋁板為陽極,在含有鋁鹽的熔融鹽中通過電沉積過程 而制成的一種多孔泡沫鋁。此法制成的泡沫鋁孔隙率高、孔隙均勻17。 2·4粉末冶金法 粉末冶金法在近幾年得到重視。德國Fraunhofer應(yīng)用材料研究所在這方面進行了深入研究并取得

13、了突破性成就,已能制備出三明治式的復(fù)合泡沫鋁材料18。我國也有一些研究機構(gòu)在進行這方面研 究,并取得了一定的進展19,20。冶金法制備原理是將鋁粉或鋁合金粉與一種發(fā)泡劑粉末混合,將這種 混合物壓制成密實的金屬基體,然后對其加熱升溫。當溫度升至鋁粉或鋁合金粉的熔點以上,發(fā)泡劑產(chǎn) 生的氣體在熔融狀態(tài)的鋁或鋁合金內(nèi)部形成無數(shù)的氣孔,冷卻這種鋁基體后,即可得到泡沫鋁產(chǎn)品21。 在利用粉末冶金法制備泡沫鋁的工藝過程中,制坯壓力對泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)有影響。增大壓制力使 得金屬坯致密,可以得到孔結(jié)構(gòu)均勻的泡沫鋁材料。圖2所示為采用粉末冶金發(fā)泡法制得的閉孔泡沫 鋁樣品。從圖2a中可見,孔洞基本呈多邊形,孔洞大小、

14、分布均勻。圖2b顯示了泡沫鋁孔壁的結(jié)構(gòu)特 征,可見孔壁連接處為三角形,除連接點處,其余部分厚薄基本均勻22。 圖2泡沫鋁的顯微組織 Fig.2Micrographs of aluminum alloy foams 2·5燒結(jié)溶解法 燒結(jié)溶解法(SDP)是近幾年發(fā)展起來的一種新工藝,是上述常用方法的一個重要補充。所用原材 料為鋁粉和NaCl鹽粉,用少量促進燒結(jié)底添加劑,工藝過程包括混粉、壓坯、燒結(jié)和溶鹽四個階段。此 工藝對鹽粉底顆粒形狀及大小有特殊的要求,因為它將決定最終所得泡沫鋁的孔洞形貌和尺寸,典型的 ·411·第6期程慧靜,等:泡沫鋁的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望粒徑在

15、0·1-3 mm23。 燒結(jié)溶解法具有可以精確控制泡沫鋁的空洞形狀、尺寸和孔隙率及其分布等特點,是生產(chǎn)均勻或梯 度微細開孔中密度泡沫鋁的有效方法。 目前,國內(nèi)研制泡沫鋁所采用的方法主要有直接發(fā)泡法和精密鑄造法。在上述眾多的制備方法中, 除特殊要求外,作為工業(yè)化大生產(chǎn)最有前途的是熔體發(fā)泡法。它的工藝簡單、成本低廉。由于生產(chǎn)特殊 用途泡沫鋁材的需要,粉末冶金法等生產(chǎn)方法也在迅速的發(fā)展起來24。 3材料的性能及應(yīng)用 由于制備工藝的不同,從結(jié)構(gòu)看泡沫鋁可分為閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁和開孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁。前者含有 大量獨立存在的氣泡,而后者則是連續(xù)貫通的三維孔結(jié)構(gòu)。泡沫鋁的性能主要取決于分布在三維骨 架

16、 間的孔隙特征,即孔的形態(tài)和分布,包括孔的類型、孔的形狀、孔的分布、孔的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的性 能差異,使其具有不同的用途。在冶金、化工、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領(lǐng)域得到了和 將要得到廣泛應(yīng)用25。與傳統(tǒng)的金屬鋁相比,泡沫鋁具有如下些特征。 3·1密度小 泡沫鋁是一種輕質(zhì)功能材料。泡沫鋁密度通常為180-480 kg/m3,約為鋁密度的1/10、鈦密度的 1/20、鋼密度的1/30及木材密度的1/3。一般建筑材料采用密度為200-300 kg/m3的泡沫鋁材,而用 做消聲材料時則用密度為320-420 kg/m3的材料。泡沫鋁的密度可在很大范圍內(nèi)變化,目前所能獲得 的

17、最大孔隙率可達97%,其尺寸從幾個微米到幾十個毫米。一般規(guī)律是孔隙率越大,泡沫鋁的密度越 小。 3·2耐熱性強 泡沫鋁具有較高的耐熱性。一般鋁合金的熔解溫度范圍在560-700,但泡沫鋁即使加熱到 1 400也不熔解,而且在高溫下不釋放有害氣體。以此,在許多場合可以取代發(fā)泡樹脂或石棉類制品 用做隔熱與耐熱材料及各種熱交換器的芯件。還可用做航天設(shè)備的核心材料、高溫填料、電磁屏蔽材 料、阻燃器、慢性約束核聚變激光實驗中的超熱電子抑制材料等26。 3·3通透性好 具有良好通透性的貫通孔泡沫鋁可作為過濾材料,從液體或氣體中將固體顆粒過濾出去。通常,通 透性隨孔徑的增加而增加,但它也

18、受表面粗糙度的影響,而且受閉孔數(shù)目的的影響較大?？捎糜诟鞣N液 體、氣體的過濾器和高溫除塵器中。 3·4剛性強 泡沫鋁不具有密實金屬那樣的延展性,拉伸試驗無法測出拉伸率,彈性模量約為鋁合金的1/50- 1/100。泡沫鋁質(zhì)脆,與鋁合金不同,當發(fā)生大的變形時,其蜂窩組織產(chǎn)生破壞,反之,如果蜂窩組織不達 到破壞強度,泡沫鋁是不會產(chǎn)生變形的。 3·5比表面積大 利用泡沫鋁的大比表面積,可達到高的換熱性,由此它可用做制造加熱器和熱交換器的良好材料。 另外,也可用做需要巨大表面化學反應(yīng)的載體,如作為催化劑的載體、多孔電極、充電電池的極板材料、 換熱器、能量吸收器和催化劑的載體等。 3&

19、#183;6隔聲性能強 泡沫鋁可通過氣孔壁的振動來吸收聲音的能量,用來消聲、去除噪聲。一般情況下,通孔泡沫鋁的 吸聲性能更好?？椎某叽缬绊懫鋵φ麄€聲波頻率范圍的吸收性能,孔越小,吸聲能力越大。通過改變泡 沫鋁孔的尺寸和形狀可以獲得好的吸聲性能?？捎糜诮ㄖ袠I(yè)中的內(nèi)外裝飾件、幕墻、間壁活動門板, 制造高性能吸聲板、隔聲墻、各種消聲器等27。 3·7具有吸收沖擊能量的能力 ·412·鞍山科 技大學學報第28卷泡沫鋁不像蜂窩材料那樣具有方向性,也不像高分子泡沫材料具有反彈作用,它有很好的減震性 能,是制造抗沖擊部件的良好材料?？捎糜谄噭x車器、夾緊裝置以及航空航天設(shè)備中

20、的保護封套和緩 沖器。其阻尼性的大小與氣孔孔徑的大小有關(guān)28?？捎糜谏禉C和傳送器的安全墊、高磨床防護裝置 的減震吸能內(nèi)襯、高精密機床的底座等。 3·8良好的吸音性 泡沫鋁具有獨特的孔隙結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生優(yōu)良的吸聲性能,尤其在中、低頻率時。這是由于泡沫鋁的孔 隙的慣通性、體積膨脹性及孔壁的良好導(dǎo)熱性,必將補償由于聲波頻率降低、振動衰減及孔壁摩擦阻力 減小所引起的不良吸聲性,可使泡沫鋁在中、低頻率下取得優(yōu)良的吸聲效果,尤其在低于1 000 Hz左右 的頻率范圍。隨著孔徑的減小、孔隙率的增大,吸聲性能有規(guī)律的提高29。 3·9其他性能30,31 泡沫鋁還具有氣敏性、催化性、良好的保溫

21、性,同時還具有電磁屏蔽性能,對高頻電磁波有良好的屏 蔽作用,能夠使電磁干擾降低80%以上。5 mm厚、孔隙率為90%的閉孔泡沫鋁,在60-1 000 MHz電 磁屏蔽性能為35-75 db,可用于電磁屏蔽室(罩)、電子儀器外殼、無線電錄音室、電磁屏蔽等場合。 由于泡沫鋁具有如此眾多的特性,預(yù)計其在航空航天、電訊及環(huán)境保護等新領(lǐng)域中必將有很好的應(yīng) 用前景。 4現(xiàn)存問題及今后研究方向 泡沫鋁材料出現(xiàn)已經(jīng)有幾十年的歷史了,但在研究、制備及應(yīng)用方面真正有較大進展也只有在近 20年。就目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀看,在今后一段時期內(nèi)泡沫鋁的研究將集中在以下幾方面: (1)有關(guān)泡沫鋁的發(fā)泡機理及理論體系還不夠完善,對

22、在高溫條件下的泡沫鋁熔體傳熱、傳質(zhì)參數(shù) 還很缺乏。泡沫鋁在制備時具有高溫和多相特性,在生產(chǎn)中取樣、觀測和監(jiān)測都存在困難,實驗手段有 待提高。(2)需要研究出成本低、簡單、可靠和穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝,特別是制造量大、市場前景廣闊的板 材、塊材生產(chǎn)工藝。(3)需要進一步解決氣孔均勻問題,優(yōu)化各種工藝參數(shù)和操作條件。(4)進一步研 究泡沫鋁的各種性能和影響其性能的諸因素。(5)對泡沫鋁的熱力學和動力學方面研究還需進一步深 入,將計算機應(yīng)用于對泡沫鋁性能的分析中目前幾乎還是個空白。 泡沫鋁要與傳統(tǒng)材料競爭,進行大規(guī)模的生產(chǎn),并使其在建筑、化工、交通運輸、電訊、汽車制造、航 天航空等多種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用還有

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