泡沫金属材料的调研

泡沫金属材料的调研

引言：人们很早就使用了泡沫材料, 如木头、砖头等。而对于金属泡沫材料, 却比较陌生。尽管在60 年代就有人提出了泡沫金属的概念, 但对其研究远远不够。直到90 年代左右, 随着人们对新型、轻型建筑材料的需求不断增加, 以及一些特殊应用场合对材料的要求, 美国、德国、澳大利亚等国家才逐渐开始对这一新型金属材料进行研究。研究工作主要集中在金属泡沫材料的生产方法及其性能上。相对而言, 对金属泡沫材料性能的研究比较成熟, 但对其生产方法的研究和其用途的开发, 目前仍在继续探索之中。

1、泡沫金属材料简介

所谓金属泡沫材料( 又称泡沫金属) , 即为内部含有许许多多球形或多面体形状气孔的金属材料, 气孔率一般应高于50%。实际上, 气孔率可达到60% ～90%。对于铝及铝合金, 其密度可达到( 0. 4～1. 0) g / cm3( 实心铝的密度为2. 7 g / cm3) 。金属泡沫材料的性能受下列三组参数的影响:母体金属( 又称基体金属) 的性能; 气孔的相对密度; 气孔的形态和分布。金属泡沫材料的气孔结构分为闭孔和开孔两种形式。闭孔结构是其内部气孔相互独立, 由母体金属分离, 每个气孔都是封闭的。开孔结构为内部气孔相互连接在一起, 单个气孔不是封闭的。在许多泡沫金属中, 内部同时存在闭式气孔和开式气孔。金属泡沫材料最明显的特点是重量轻、密度低。本文以泡沫铝为例, 介绍金属泡沫材料的性能及其与实心金属材料的差异。

2、泡沫铝的制备方法、性能及应用

泡沫铝是一种新型多功能材料,具有独特的结构和许多优异的性能 ,其应用前景可观,应用范围日益扩大。本文概述了泡沫铝的各种制备方法、性能及应用。结果表明：根据制备过程中铝的状态可以将制备方法分为三类:液相法、固相法、电沉积法；泡沫铝的性能研究方面主要研究了物理性能、力学性能、吸能特性、阻尼性能、吸声性能；泡沫铝主要应用为建筑材料、装饰材料、防音材料、抗振材料、型材及汽车制造业。国外对该领域的研究已相当深人、系统,与国外相比,我国对泡沫铝材料的研究起步较晚,研究尚处于实验范围内,所以,我国今后还应进一步加强泡沫铝材料的研究。

泡沫铝是一种在金属铝基体中分布有无数气泡的多孔质材料。目前，日本与德国在研究、生产和应用泡沫铝与其他金属泡沫方面居世界领先地位。我国对泡沫铝材的研究始于1980s后期，已取得了一系列的研究成果，但尚未取得突破性的成就，仍然处于起步阶段，未形成生产力。

3、 泡沫铝的制备方法

制备泡沫铝的方法有多种, 根据制备过程中铝的状态可以分为三大类:液相法、 固相法、 电沉积法。

3.1 液相法

通过液态铝产生泡沫结构, 可在铝液中直接发泡,也可用高分子泡沫或紧密堆积的造孔剂铸造来得到多孔材料。

3.1.1 熔体发泡法

在铝液中直接产生气泡可得到泡沫铝。通常,气泡由于浮力而快速上升到铝液表面,但可以加入一些细小的陶瓷颗粒增加铝液粘度阻止气泡的上升。当前,熔体发泡主要有两种方法:直接从外部向铝液中注入气体;在铝液中加入发泡剂。

(1) 直接注气法 各种泡沫铝合金都可用此法生产, 包括铸造铝合金A359,锻造合金 1061、3003、6061等。为了增加铝液粘度,需要加入碳化硅、氧化铝等颗粒。此方法的难点在于如何使颗粒被铝液润湿并均匀分布在液体中, 颗粒的体积分数通常为 10 % - 20 %, 颗粒尺寸为 5 - 20微米。然后把气体 (空气、氮气、氩气)通入铝液中,同时对液体进行搅拌使气泡细小并均匀分布,这一步工艺的好坏将直接影响产品质量。含有气泡的铝液将浮向液面,由于颗粒的存在,使液体中的气泡相对稳定。用转动皮带将表面半固态的泡沫拉出就得到泡沫铝板。这种方法优点是可以连续生产,可获得低密度、大体积的产品。缺点是要对泡沫板材进行剪切,造成泡沫开孔,同时由于颗粒的加入,使胞壁变脆,对力学性能产生不利影响。

(2) 加发泡剂法 用发泡剂代替气体注入亦可得到泡沫铝。首先在680摄氏度的铝液中加入金属钙, 对于实际生产, 一般加入量为 1.5 % - 3.0 %( w t),搅拌几分钟增加液体粘度,钙的加入对铝液粘度的影响。钙也可用碳化硅等颗粒代替。粘度合适后,加入TH 2。在恒压下, TH 2分解出 H2,液体膨胀泡沫化, 冷却后即可得泡沫铝。TH 2可被 ZrH 2等发泡剂代替。这种方法的优点是可制得非常均匀的泡沫,并且气孔平均尺寸和铝液粘度以及泡沫铝密度和粘度之间存在关系,使孔径可控。

3.1.2 固-气共晶凝固法

近年来开发的一种新方法,依据是在H2中一些金属可形成共晶系统。在高压H2下能获得含氢的均匀铝液,如果降低温度通过定向凝固将发生共晶转变, H2在凝固区域内含量增加,并且形成气泡。因为体系压力决定共晶组成, 所以外部压力和氢含量必须协调好。最终孔的形状主要取决于氢含量、铝液外部压力、凝固的方向和速率、金属液的化学成分,通常沿凝固方向形成管状孔, 孔直径 10um -10mm, 长度 100um -300mm。

3.1.3 铸造法

(1) 熔模铸造 熔模铸造工艺：先准备开孔的高分子泡沫, 用耐热材料填充高分子泡沫。耐热材料可用莫来石、酚醛树脂、碳酸钙混合物或石膏等, 然后通过加热除去高分子泡沫并将铝液铸入模型中来复原高分子泡沫的结构,这一步可以采用加压和加热模型

的方法使细小孔洞得到充分填充,最后用水溶等方法除去耐热材料,即得到与原高分子泡沫相同结构的泡沫铝。此法的难点在于如何使铝液充分填充到模型中, 以及如何在不破坏泡沫铝结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种泡沫金属,并且可以得到开孔结构,生产重复性好,有相对稳定的密度。

(2) 渗流铸造 在无机或有机颗粒周围铸入铝液可制得多孔铝。无机材料可用蛭石、泥球、可溶性盐等,有机材料可用高分子颗粒。采用这种方法时,造孔剂堆积密度要高,以保证颗粒之间互相接触,以便将来除去,为了防止铝液在铸入时过早凝固,要将造孔剂预热。由于铝液具有大的表面张力,使得铝液很难成功铸入颗粒间隙中,所以可以先将造孔剂块体抽真空, 然后加压渗透。待铝液凝固后,可用水溶法或热解法除去造孔剂。此法的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小, 缺点是最大孔隙率不超过 80%。

3.2 固相法

用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料。因为大部分固相法通过烧结使铝颗粒互相联结,铝始终保持在固态,所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。

3.2.1 散粉烧结法

这种生产方法包括三个过程: 粉末准备, 粉末压缩, 粉末烧结。此方法多用于制备泡沫铜。由于铝粉表面具有的致密氧化膜将阻止颗粒烧结在一起,因此用散粉烧结法制备泡沫铝相对困难。这时可以通过变形手段破坏氧化膜,使颗粒更易粘结在一起; 或加入镁、 铜等元素在 595 ~ 625摄氏度烧结时形成低共熔合金。用散粉烧结制备的泡沫金属优点是工艺简单、成本低, 缺点是孔隙率不高、材料强度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。

3.2.2 粉浆烧结

把金属粉浆、发泡剂、活性添加剂混合后注入模子中逐渐升温,在添加剂、发泡剂影响下,浆开始变粘,并随产生的气体开始膨胀。如果工艺参数控制得当, 经烧结后就可得到一定强度的泡沫金属。对于铝粉,可以用正磷酸加氢氧化铝充当发泡剂。该法存在的主要问题是制得的泡沫材料强度不高并有裂纹。如果把粉浆直接灌入高分子泡沫中,通过升温把高分子材料热解,烧结后同样可制得开孔泡沫材料。

3.2.3 填加造孔剂法

Bram等人用高分子球、镁颗粒、尿素作为造孔剂制备了多孔钛。由于铝表面致密的氧化层使颗粒之间在烧结时结合困难,所以用此法制备泡沫铝并不多。由于镁的加入可以有效消除氧化层的影响, 赵玉园等用类似方法制得泡沫铝, 称为烧结溶解法。基本过程为：①将铝粉、氯化钠颗粒、少量镁粉混合； ②将混合粉压制成块； ③对压制的预制块进行烧结； ④烧结件在水中溶去氯化钠。

3.2.4 粉末冶金法

由于此法的原料是金属粉末, 所以有的文献将其列入固相法。但此法实际的发泡阶段是在液相, 因此也有文献将其列入液相法。本文将其列入固相法讨论。粉末冶金法自发明以来,备受人们关注,许多泡沫铝性能的研究均用此法制备试样,例如热处理性能、

压缩性能等。首先把铝粉、发泡剂混合后压制成致密的预制块, 预制块中不能存在残留气孔或缺陷, 否则将对产品质量造成很大影响。然后将预制块放入炉中加热,加热至铝熔点温度附近,发泡剂开始分解,释放的气体将使铝预制块膨胀,形成多孔结构。发泡时间依据发泡温度和预制块大小而定,一般从几秒钟到几分钟。这种方法适于制备各种泡沫金属,如纯铝和各种铸造、锻造铝合金,以及锡、青铜、铅等其它金属。发泡剂一般用TH 2 等金属氢化物,加入量通常

电沉积法是以泡沫塑料为基底,经导电化处理后,电沉积铝制成。可通过浸涂导电胶、磁控溅射锡膜或化学镀膜等方法使泡沫塑料导电。由于铝的电极电位比氢还负,所以不可以采用铝盐水溶液电镀,可采用烷基铝镀液。用电沉积法生产的泡沫铝具有孔径小,孔隙均匀,孔隙率高等特点,其隔热性能和阻尼特性优于铸造法生产的泡沫铝。

4、 泡沫铝的优良性能

泡沫铝的性能主要取决于分布在三维骨架间的孔隙特征,即气孔的形态和分布,包括孔的类型 （通孔或闭孔）、孔的形状、孔的分布、孔的结构（孔径、孔隙率、比重等）。 吸声性能好，声学性能稳定，环保、质轻、美观、防火、不怕水、物理性能好； 罩等，可直接面对噪声源，不需要任何防护面板及其他的吸声填料；

成二次污染的绿色环保新型高科技产品； 易加工，可以轻易加工成各种形式的吸声体、清声器、隔声结构、声屏障、消音房、隔声 制备泡沫铝板材的边脚料以及泡沫铝板材破损或更新后，可全部进行回收利用，是一种不对环境造 泡沫铝板材是目前世界上无纤维性材料的前沿和更替产品，与玻璃纤维、矿棉、岩棉等相比较，不会由于日洒雨淋造成老化后变成粉尘飞扬对大气环境造成二次污染的严重性。泡沫铝板材表面易于清洗，清洗后仍能够保持良好的吸声性能； 泡沫铝吸声板具有很高的防火燃性，泡沫铝的导热系数很低，仅为纯金属的l/5-l/150．可用作绝热材料；其耐热温度远远超过其熔点，在高温下不释放有害气体，在 780摄氏度高温暴晒下，形状不会崩塌，属 2014年全国注册建造师考试建设工程造价管理 建设工程计价 建设工程造价案例分析 建设工程技术与计量 A级不燃性材料。泡洙铝还具有良好的耐候性、耐蚀性以及抗老化性，纤得起风吹雨打日晒； 泡沫铝板材可涂覆不同色彩的涂层，具有美观和不褪色的特点； 泡沫铝具有很高的电磁波屏蔽性能，一般屏蔽材料或结构的屏敲系数为30~90dB，而泡沫铝则可达到80～110dB； 泡沫铝板材具有优异的加工性能，可任意裁切、打孔、弯

泡沫铝具有优曲、粘结、铆接、插装，可以做成各种形式的吸声体，安装方便；

3泡沫铝的市场分析

多功能泡沫铝材料是国家鼓励的高新技术产品，它是一种功能性材料，具有重量轻、隔音、吸音、减震、隔热等诸多特性，同时还具有金属铝固有的防火、防潮、无毒、无异的压缩性能和能最吸收能力，用于汽车等需要吸收冲击能量的场合；

味、耐蚀、抗老化等性能。国防和国民经济建设等诸多领域有着极广的应用前景，已成为当今世界材料科学高技术领域的重要研究内容之一。先进国家已将泡沫铝材料广泛地应用于军事、建筑、交通运输、机械、电子和通讯等行业上。我国开展此项研究始于80年代后期，产业化和市场化方面才刚刚起步，但其潜在的需求很大。 泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车与其他交通运输工具的 良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：其 芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。用三明治式泡沫铝材制造的某些汽车零件的质量，只有原钢件质量的 1 / 2，而其刚度 却为钢件的 10倍，保温绝热性能比铝高95％，对频率大于800Hz的噪声有很 强的消声能力。泡沫铝材还是一种热稳定的不可燃的材料，也是一种抗破坏的耐用材料，并可以完全回收与再生利用。据测算，汽车车身构件约有 20％可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可 减重 27 . 2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结 构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少 1 / 3。 泡沫铝夹心板材料应用在汽车、坦克、装甲车、机动战车、军用汽车、地铁列车、高速火车上制作壳体及间隔墙，既吸音、隔音、占空间小、强度高、保温、又减轻自重；用泡沫铝夹心板可以制作高架铁轨、高速公路、铁路、城市轻轨列车的隔音屏，制作地铁地道和车 站的顶棚吸音板等，防止噪声对环境的污染；用在潜水艇上可以吸音、隔音，潜艇运行时无声音，不易被对方发现。在建筑上做间隔墙、地板、天花板、吸音板等，用其夹心板材料做活动房，大型厂房等的墙和屋顶，性能优良、美观； 工业用泡沫铝夹心板制作噪声设备的隔音装置，减少噪声 污染；在电讯方面，可以制作性能优良的音响材料、吸音材料、隔音材料、抛物面天线等。该产品应用领域十分广泛，尤其在汽车、交通领域具有显著的经济效益和社会效益。 泡沫铝材料的国内市场需求主要为交通运输、军工、工业用材、建筑 业等行业。

5 、泡沫铝的应用

5.1 建筑材料

由于泡沫铝的单位体积重量轻,防音防振、耐火不燃、保温等性能,所以能用它来建造不承重的内墙壁、间壁墙、门、天花板、外面的装饰材料等。也能够利用到任何要求气密、通气性能好的建筑中。要用来做表面装饰时,也能做到泡沫塑料、大理石和其他装饰材料的效界、在电子计算机室、理化试验室等的配线配管经常变动的情况下,适于建造所谓的移动地板。对于这个目前用的是蜂窝结构材料、压铸材料等,但可以用泡沫铝代替。大型建筑物的外装,在高层上是极力避免使用重量大的材料的,泡沫铝正好适合这种需要。这不仅是重量轻,而且可使外表设计 自由。对强度有特殊要求时,可以利用加入钢筋制做的泡沫铝。

3.2 装饰材料

泡沫铝可以采用任意设计来做为建筑物内外和其他的装饰材料,也能够做成具 有如石质、大理石、木材、玻璃等材料的式样。由于用它造成的雕刻物、塑像和其他物件造

型即大又轻,搬运起来是极容易的。

5.3 防音材料

能够有效地利用其做为壁面来调整广播、音乐、讲堂、剧场等的音响效果。在产业部门适合做为发电室、发动机试验室、飞机场的防音、发音机械的平台等材料。日常生活中被用来做为唱机、立体摄影机的结构零件,室内冷却器的防音、旅馆等的防音部件等。

5.4 抗振材料

对于用做汽车缓冲器及其他附带零件,以把冲撞减缓下来达到安全目的,泡沫铝是最好的材料。与此相反,也能用来做为对于沿路的诸设备发生冲撞时的缓和振动材料。做为重量大而又贵重的物件的运搬、安装等的防振材料是理想的。阿波罗11号的 LM在月球表面着陆时起落架下用的就是这种材料。适应着陆时月面的凹凸,并以泡沫铝的破坏来缓和振动。也适用做为贵重物品的垫板材料。

5.4 型材

由于泡沫苯乙烯模型及其他高温下使用的大型模型在操作上必需减轻重量,所以能用这种材料。试制汽车和其他大型的模型时,历来用的是蜂窝结构及其他材料,但是它有成本高的缺点,而泡沫铝则价格低又容易整形,并且在模形变化时,对于重复试制是非常适合的。

5.5 在汽车制造业上的应用

泡沫铝优良的性能,决定了它具有广泛的用途和广阔的应用前景。尤其是在汽车制造业上的应用,泡沫铝被认为是一种大有前途的未来汽车与其他交通运输工具的良好材料。为了保护地球环境和自然资源,欧洲、北美、日本等发达国家已制订出法律法规来提高汽车的燃油效率。减轻自重是提高燃油效率的最佳方法,减轻汽车自重的方法：（1）改进结构,（2）轻量化材料。前者已大致到了尽头,只有后者才有潜力可挖。这样就为泡沫铝材料的开发应用提供了很好的机会。欧洲经济共同体实行的光明欧洲计划就是研究泡沫铝在汽车上的应用。自重减小 1kg，燃油效率可提高0.01km/L。目前国外已有全铝汽车出现,与铝相比泡沫铝材料具有更轻量化的特点,可以更好地提高燃油效率。

国外研究表明,采用泡沫铝材构件,汽车构架的刚度得到加强。在汽车制造中约有20 %的车身结构可采用泡沫铝制造,一辆中型轿车用泡沫铝制造零件可减重27.2 kg 左右,同时使结构系统简化,零部件数量至少可减少 1 / 3 ,降低了汽车成本。泡沫铝材料是一种良好的能量吸收体,单位体积吸收的能量可达6-9M J,强大的能量吸收能力说明了它作为汽车保险杠缓冲材料的优越性。在汽车冲击区使用泡沫铝制成的合适元件,可控制最大能耗的变形,例如,在中空钢材或铝材外壳中充入泡沫铝,可使这些部件在负载期间具备良好的变形行为。泡沫铝材料用于汽车乘客座位前后的可变形材料可以改善安全性。泡沫铝耐热、阻燃,同时,在受热状态下不会释放有毒气体,所以在交通运输工具中采用泡沫铝材料来代替泡沫塑料或发泡树脂材料,可以提高使用寿命,减少维修,同时也消除了传统材料在车辆事故中所产生的有害气体,大大降低了交通事故中的损失和人

员伤亡,同时也起到了环保作用。

6、结语

本文概述了泡沫铝的各种制备方法、性能及应用。根据制备过程中铝的状态可以将制备方法分为三类:液相法、固相法、电沉积法；泡沫铝的性能研究方面主要研究了物理性能、力学性能、吸能特性、阻尼性能、吸声性能；泡沫铝主要应用为建筑材料、装饰材料、防音材料、抗振材料、型材及汽车制造业。目前,对泡沫铝的研究虽然比较深人、系统,而且在某些领域已得到了广泛的应用,但是还没有完全达到工业化使用的需求,尤其是在应用方面的汽车工业中几乎都未达到完善的成熟阶段。国外对该领域的研究已相当深人、系统,与国外相比,我国对泡沫铝材料的研究起步较晚,研究尚处于实验范围内,所以,我国今后还应进一步加强泡沫铝材料的研究。

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