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泡沫金属的研究与应用进展(新型泡沫金属复合物令穿甲   (2019-5-13 9:39:23)  发表博文

  泡沫金属是一种在金属基体中形成无数三维空间网状结构的多孔金属材料,又称多孔性泡沫金属,由于它兼有金属特性和非金属的一些特殊物理性能,因而得到国内外的普遍关注。近 50 年来,在泡沫金属研制、应用开发方面及其结构性能的理论研究都有很大的进展。

  泡沫金属材料是由刚性骨架和内部孔洞组成,具有多孔、轻质、密度小、高比强度、减振、阻尼、吸声、散热、吸收能良好和电磁屏蔽等特性,它们在能量吸收器、消音器、过滤器、阻焰器、加热及热交换器、催化剂及催化剂载体、多孔电极、电磁屏蔽材料等领域呈现出广阔的应用前景。

  泡沫金属概述

  1.基本概念:多孔泡沫金属是一种金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料。概括起来,主要有如下分类方式: (1) 按孔径和

  孔隙率的大小分 为 两 类,多孔金属和泡沫金属。孔 径 小 于0. 3mm,孔 隙 率 在 45% ~ 90% 的,称 为 多 孔 金 属( porous metal) ; 而孔径在 0. 5 ~ 6mm,孔隙率大于90% 的,称为泡沫金属( foam metal)(2) 按孔的形状特征进行分类: 具有通孔结构的称为多孔金属,具有闭孔结构的称为胞状金属; (3) 该材料最初采用发泡法制备称为发泡金属,而后发展了渗流铸造等制备方法又称之为通气金属; (4) 按其基体的种类进行分类: 多孔泡沫铝,多孔泡沫铸铁,多孔泡沫铝合金,多孔泡沫镍等。

  2.结构参数:由于泡沫金属内部存在许多孔隙,孔隙的大小、多少、均匀性、连通及封闭都将影响它的性能。主要参数有孔径,总孔隙度和有效孔隙度,通孔度,密度及比表面积。

  孔径:孔径一般指孔隙的平均直径,这是泡沫金属的基本参数。泡沫金属的孔径一般较大,0. 1 ~ 10mm或更大( 一般粉末冶金金属孔径不大于 0. 3mm) 。

  总孔隙度和有效孔隙度:总孔隙度指所有孔隙的体积与总体积之比( 可用称重法求得) 。由于并非所有孔隙都相互连通,把连通的孔隙体积与总体积之比称为有效孔隙度。只有当所有孔隙都连通时,总孔隙度与有效孔隙度才相等。泡沫金属的孔隙度比较高,在 40% ~ 90%之间。

  通孔度:任何截面上,孔隙通道直径平均值与孔隙孔径平均值之比为通孔度。

  密度及比表面积:泡沫金属的密度低,一般只有同体积金属的 1 /10 ~ 3 /5 。它的比表面积则较大,为 10 ~ 40cm2 /cm3。

  泡沫金属的制造方法

  按照工艺技术的特点,可将泡沫金属材料的制备方法主要分为三大类,即固态金属烧结法、液态金属凝固法和金属沉积法 .固态金属烧结法包括金属中空球烧结法、金属粉末烧结法、浆料烧结法; 液态金属凝固法包括渗流铸造法、熔体发泡法、熔模铸造法、气体注入法; 金属沉积法包括气相蒸发沉积法、喷射夹气沉积法、喷雾夹带沉积法、电沉积法。

  烧结法:该方法是以金属颗粒或纤维作为原料,经过成形和烧结过程制造多孔质泡沫金属的方法。包括颗粒烧结法和纤维烧结法。

  电镀法:该方法是在具有三维网状结构的特殊高分子材料的骨架上,电镀各种金属,再经陪烧除去内部的高分子材料,而制得泡沫金属。这种泡沫金属被称为海绵金属,其空孔率可达到 98% 。

  加压铸造法:先在型内填充颗粒,再采用加压铸造法把液态金属压入颗粒的间隙中而制造泡沫金属的方法称为加压铸造法。其中包括溶出法,多孔质颗粒分散法,中空三维骨架法。用水溶性颗粒作为填充粒子,当加压铸入到水溶性颗粒间的液态金属凝固后,再用水把水溶性颗粒溶出,使可得到金属泡沫体,这种方法称为溶出法。把液态金属压铸到有中空骨架三维网眼结构的陶瓷中制造泡沫金属的方法,称为中空三维骨架法。

  发泡法:通过向金属液中加入发泡剂或吹入气泡使金属发泡的方法称为发泡法,其中包括溶解度差法,粉末冶金法,无重力混合法,金属液直接混合法( 熔化,增粘,混合,发泡,冷却) 。溶解度差法就是利用溶解于金属液中的气体,凝固时因溶解度的急剧下降而释放这一现象来制造泡沫金属。粉末冶金法是把金属粉末和发泡剂粉末混匀,并加热到金属熔点以上的温度,使之发泡。这种方法既适于铝,镁等熔点低的金属,又适于像铜那样熔点较高的金属。无重力混合法是在无重力下的宇宙空间制造泡沫金 属 的 方 法。美国和日本正在从事这方面的研究。金属液直接混合法是把发泡剂直接加入到金属液中使之发泡的方法。是制造泡沫金属的最基本方法。

  泡沫金属的研究现状

  泡沫金属的制备(以金属铝为例):泡沫铝的制备方法有: 铸造法( 金属液发泡法,渗流铸造法,添加球料法,熔模铸造法) 、沉积法、粉末冶金发泡法、熔体发泡法、中空球烧结法、二次发泡法、固-气共晶凝固法等 .

  (1)铸造法

  渗流铸造法是将经过预先处理的填料颗粒放入相应的模具内并压实,之后在压力的作用下使得金属液流入到颗粒之间的缝隙中,然后溶除预制体颗粒,从而得到多孔的泡沫铝材料。熔模铸造法是指把已准备好的泡沫塑料装入具有一定形状的模具中,并向其中加入液态的耐火材料,耐火材料在硬化过程中会使泡沫塑料达到气化的条件,之后把液态的金属熔融液浇铸到模具中,当液体冷却之后即可达到耐火材料与金属分离的目的,从而得到与模具形状一样的泡沫铝材料。

  (2)沉积法

  原子溅射沉积法、金属气相蒸发沉积法、电化学沉积法及反应沉积法等方法都属于沉积法 。

  (3)粉末冶金发泡法

  粉末冶金发泡法是指将铝或是铝合金的粉末和发泡剂( 一般为 TiH2 ) 根据一定的比例进行配制并均匀混合,使其在给定的压力之下被压缩成较为致密的预制胚体,之后通过轧制、模锻或挤压等方法将其加工为半成品,然后放入规定形状的钢模内,温度被加热到预制体的熔点,与发泡剂产生的气泡混合得到闭孔泡沫铝材料。

  (4)熔体发泡法

  熔体发泡法中主要应用的两种方法是直接吹气法和发泡剂发泡法,它的发泡过程是在液相中完成。前者是向金属熔融液中均匀混合分散 SiC、Al2O3等,利用特制的旋转喷头对底部吹入气体形成气孔后进行冷却和凝固。后者是将发泡剂和金属熔融体混合均匀,使得气体膨胀得到泡沫金属。

  (5)中空球烧结法

  中空球烧结法是利用金属中空球烧结,从而达到其进行扩散和结合,兼有通孔和闭孔的多孔泡沫铝材料得以制备出。

  (6)二次发泡法

  二次发泡法综合了粉末冶金和熔体发泡法的优点,是一种新型的制备方法。主要是通过向金属熔体中均匀混入增粘剂,使其达到适宜的温度和粘度之后,使得预先处理好的发泡剂( TiH2 ) 在其中均匀分散,在其分解前注入成型模具,冷却后就可得到发泡先驱体,其中的 TiH2 在加热到一定的温 度 时,就 会 分 解 并 发 泡,从而制得泡沫铝材料。

  (7)固-气共晶凝固法

  固-气共晶凝固法也是一种新型的制备方法,它首先是通过低共熔点将充入氢气的液体金属冷却,在定向冻结时气态氢析出,在低共熔点发生金属凝固和气孔形核,然后气孔长大,得到藕状孔结构的多孔金属材料。

  泡沫金属的应用

  多孔泡沫金属的性能特点及其应用

  多孔泡沫金属材料自问世以来,作为结构材料,它具有轻质、高比强度的特点,作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能,因此它在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用。具体应用如下: 利用其减振、阻尼性能,做缓冲器、吸振器,例如宇宙飞船的起落架、升降机传送安全垫,各种包装箱,特别是空运包装箱,机床床身、底座、减小齿轮振动和噪声的阻尼环、高速磨床吸能内衬,该应用也可看作是对多孔泡沫金属的吸音、隔音性能的应用; 利用其电磁屏蔽、轻质和优良的吸音、隔音性能,已将其用于制作建筑业的隔音板、电子仪器外壳和电屏蔽室等结构; 利用其多孔性已将其应用于化学过滤器、供净化水使用的气化处理器、自动加油的含油轴承、带香味的装饰品等,利用其轻质、高比强度的特点,用其制作浮水器、运动器材( 如雪橇等) 、航空航天飞行器的相应零件。据有关资料报道,用多孔泡沫金属材料制造飞行器,不但有减轻重量、节省能源的好处,而且还有一个优点,即当空间站结束其使命时可以让它重返大气层,在大气层中迅速彻底地燃烧,化成气体,减少空间垃圾; 利用其散热性能,已用其制作了散热器; 利用其吸收冲击、减振、阻尼性能,已用其制作汽车、火车侧面与前部的防冲部件,军事装甲车冲击防护材料等。泡沫金属的应用进展过滤和分离器、多孔电极材料、热交换器、催化基体材料、减振消声材料、电磁屏蔽材料、生物医用多孔材料等。

  泡沫金属铝的应用

  随着舰船对安静性、轻量性的要求越来越高,对材料的要求不断提高,尤其对超轻型结构及多功能材料提出了新的要求。泡沫铝作为一种新型多功能材料,具有重量轻、比刚度高、吸声隔音、隔热、防震、耐冲击及优良的电学性能和可回收性等特点,在海陆空武器装备及民用等领域具有巨大的应用前景。泡沫铝作为结构材料的应用和泡沫铝作为功能材料的应用: 吸能材料及减震材料、吸声材料、电磁屏蔽材料、热交换材料及隔热材料、过滤材料。利用泡沫铝的低密度、高刚度、隔音性能、隔热性能、防火性能、吸能性能和受热时不放毒气等性能,广泛适用于轨道交通行业,如车厢和集装箱中隔热隔音、吸能和防火、防毒部件。利用泡沫铝的隔音性能、吸音性能和吸能性能,用于城市建设中的环保领域,如: 隔音屏; 汽车制造业用在吸能元件和吸音元件上,如: 保险杠和消音器。利用泡沫铝的低密度、高刚度、低导热性能,广泛应用于节能性建筑,如: 隔热墙体和防火隔热门,节能型移动房。泡沫铝的吸音和防磁性能,也可应用在军工行业上,如: 装甲车、潜艇外壳夹芯板。在机械制造业、航空工业等领域上,泡沫铝可用来做隔热隔音、防震、吸能元件。泡沫铝这种功能材料已经在发达国家进行产业化生产,如美国、日本、加拿大、德国、韩国等。我国已有几十个单位在研究泡沫铝的产业化生产,部分已经投入规模化生产,能生产出有使用价值的产品。

  综上所述,泡沫金属的应用相当广泛,它可以应用在建筑、航空、计算机、交通工具及包装工业等很多领域,而且随着泡沫金属生产工艺的不断完善及对其研究开发的不断深入,泡沫金属的应用领域还在不断的扩大。因此,对泡沫金属进行研究开发有着重大的实际应用价值。

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关键词:泡沫 
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