泡沫金属的发展现状_研究与应用

第20卷第6期粉末冶金技术Vol120,No16

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2002年12月PowderMetallurgyTechonologyDec12002

文献综述　　泡沫金属的发展现状、研究与应用

陈学广3

3

3

　赵维民　马彦东　胡爱文

(河北工业大学材料学院,天津　300130)

摘　要:　详细论述了国内外泡沫金属的发展情况、研究现状与应用状况,从而为我国生产新型多功能材料提供可靠的工艺与理论参考依据。

关键词:　泡沫金属;功能材料;泡沫铁;孔隙度;粉末冶金

PresentState,ResearchandApplicationsofFoam

MetalsDevelopment

ChenXueguang,ZhaoWeimin,MaYandong,HuAiwen

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology300130)

Abstract:Development,researchandapplicationsoffoamthereliablebasisoftheoryandtechnologyforproducingnewKeywords:foamedmetals;;powdermetallurgy

1　前言

泡沫金属是一种在金属基体中形成无数气泡的

多孔性金属材料,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。

从泡沫金属的出现到20世纪70～80年代,研究主要集中在泡沫金属的制备工艺。如解决制备泡沫金属铝时的增粘问题[4]。另外,气泡核心机理的提出及应用对泡沫金属的制备又是一次很大的突破,这种理论就如同金属凝固过程中加入形核剂一样,使泡沫金属的直接成型成为可能[5,6]。

现在对泡沫铝的生产已经能够进行从发泡到成型全过程的连续生产[6,7],且多是根据气泡核心理论获得稳定的泡沫金属液,进而将其引出成型,获得所需形状的成品。

另一方面对改善泡沫金属性能方面进行了研究,各国都投入了大量的人力物力,研究的内容主要包括对发泡金属的合金化、热处理、纤维增强或其他一些增强的方法[8～10]。其中以乌克兰冶金学家沙波瓦洛夫研制的Gasser高强多孔泡沫材料最为典型[11],这种材料具有高度的结构完整性,和常规多孔泡沫材料比,强度和刚度都高得多。

2　泡沫金属国内外发展概况

自从1948年由美国的Soknik首先在铝中加入汞制出泡沫铝以来[1]的50年多里,对泡沫金属的制备、性能研究、应用开发等方面做了大量的工作。在60～70年代就使制备泡沫金属的方法大体固定下来,可分为铸造法、金属沉积法、粉末冶金法、喷镀沉积法等[2]。其中尤以铸造法最为经济,发展较快,且已在实际应用中取得很大进展。如美国罗阿公司及美日合作分别用直接发泡法和熔模铸造法成功地制取了铝合金牌号为7075、ALMAG35的泡沫铝型材[3]。

*河北省自然基金资助项目(编号:596005)

**陈学广(1973.10-),硕士,讲师,现主要从事新材料开发及其连接工艺的研究工作

收稿日期:2002-12-20

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另外,最近几年在理论方面也开始对泡沫金属进行系统的研究。一是在泡沫金属的结构参数上的研究,人们越来越注意到泡沫金属在物理结构上的特殊性,它不仅是一种结构材料,而且是一种具有许多物理性能的多功能材料。它的那些特殊的性能都能从它的结构上找出原因。例如泡沫金属孔隙通孔率与闭孔率的测定研究、孔径的统计测量、比表面积的测量及这些参数对泡沫金属性能的影响[12]。其次,是对泡沫金属性能方面如泡沫金属的变形特性[12～14]、吸声特性[15]、阻尼内耗特性[15]等的研究。这些研究给应用研究提供了理论依据。　　对泡沫金属的应用和研究已取得很大的成果,已能制备小型和大型件,并进入试生产应用阶段[16]。比如,日本住友电工公司生产的泡沫铝被用于制造汽车的某些耐热、耐磨部件和扬声器的部件;在铁路上,泡沫铝被用于制作空调配电室的隔音墙[17]。此外,泡沫铝还被用于作为精密仪器的防震装置材料等。国内对泡沫金属的研究大约始于80年代后期。经过10多年的探索和研究,东南大学、大连理工大学、工学院最为领先。材,经中国科学院声学研究所等单位测试,吸音、屏蔽、减震抗冲击效果、密度等性能指标[3],均达到国外同类产品指标。目前东南大学对泡沫金属的制备及性能研究非常活跃,他们主要侧重用流法制备泡沫铝[18～20],并对渗流法进行了模拟试验[21],用渗流法制备了泡沫铝-高分子复合材料[22],河北工业大学采用添加造孔剂的方法,成功地制备出高熔点泡沫铁[21]。

在泡沫金属的制备方面,国内对发泡法[23,24]冶金法[21]与渗流法[18～20]的研究比较多,而且基本赶上国外发达国家的水平,只是对连续生产方法的研究还属空白,有待开发适应国内情况的连续生产方法。

在理论、性能方面,国内研究的比较早,对所研究的领域基本处于国际领先水平,如对泡沫金属结构参数的测定[25]、降噪性能[26]、水下吸声性能[27]、阻尼性能[28]等都做了大量地研究,并取得很可观的成果。泡沫金属中孔隙数量很多且大小不一,人工测量这些结构参数极为困难。文献[25]中用扫描仪将泡沫金属的图形信息输入计算机并进行数据处理,从而测出

孔的平均直径及孔径分布,较好的解决了测量泡沫金属结构参数的难题。文献[28]表明,泡沫金属是一种具有高能量吸收特性的轻质高阻尼材料,其阻尼性能特点为与应变振幅密切相关,而与应变频率无显著关系的非线性内耗。而这方面的研究,国外1998年才有报道[15]。

在应用方面,国内研究较少,虽然在理论、性能方面的研究提出了很多应用的可能,但与应用开发脱节,所以没发现有关泡沫金属应用的报道。

3　泡沫铁的制备现状

泡沫金属虽然已有近50年的历史,但是对泡沫金属的研制和开发大都以轻金属为对象,尤其以泡沫铝的研究最为广泛。这是由于铝及其合金熔点低、铸造性能好、金属液易处理等特点。另外可以制作泡沫金属的材料还有Cu、Zn等低熔点金属及其合金,但这,主要有Ni基、Ti,对,如Ni基合金被用来生产薄片状的多孔电极[29]。

对泡沫铁的研究报道更是少见,仅发现几篇含铁合金泡沫金属的有关报道,一篇是Cu-Fe-Sn泡沫金属的生产,其中Fe含量为60%～80%,Cu为10%～30%,是用粉末冶金法烧结制得的,其孔隙度10%～35%[30];另一种Fe-Cr-Al-RE合金,Fe占70%～80%,也是用烧结法生产的,Fe是以纤维形式存在[31];还有一种是Fe粉和另一种金属粉末粘附在有粘性的树脂网格结构上,然后作烧结处理制得薄的泡沫金属片,以作电极用[32]。另外,有用渗流法制备泡沫铁的报道,也有用中空球料法制备泡沫铁的报道[33,34],但都未得以推广。

总之,对于高熔点泡沫铁的制备及应用只是处在起步阶段,且方法也较复杂而单一,因此有必要对泡沫铁等高熔点金属及其合金进行制备方法上的研究和开发,以早日将这种有诸多特殊性能的功能材料贡献给人类。

4　泡沫金属的特征及应用

4.1　结构参数及特征[35,36]

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。

358粉末冶金技术　　　　　　　　　　　　　　　　　2002年12月

(1)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)。(2)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,约在40%～90%之间。

(3)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。(4)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。4.2　性能特征[2,35,37](1)重量轻、密度低

图1　不同密度泡沫铅的应力-应变图

(5)透过性能

透过性能是通孔泡沫金属的又一特性,通过对泡

沫金属孔结构(如孔隙度、孔径大小、通孔度等)的调整,可以获得不同透过性能要求的泡沫金属材料。(6)声学及电磁性能

,经,使金属内部振动,用电磁波对泡,发现泡沫金属也有吸收电磁波的作用,因此泡沫金属还有对电磁波的屏蔽作用。

35]

4.3　泡沫金属的应用[2、

针对上述泡沫金属的种种特性,泡沫金属有许多相应地应用领域,应用的需要也正是对这种新型材料开发的意义。

(1)利用优异的热物理性能

泡沫金属具有很大的比表面积,通孔泡沫金属可以用来制作热交换器及散热器;闭孔泡沫金属可以作绝热材料。

(2)利用吸收冲击功特性

用于制造缓冲器、吸震器是泡沫金属的重要用途之一。其应用从汽车的防冲挡板直至宇宙飞船起落架,此外已成功地用于升降机、传送器安全垫、高速磨床防护罩吸能内衬。(3)利用透过性能

利用泡沫金属的透过性能,可将其应用于制备过滤器的重要材料。由于它与粉末冶金多孔性金属相比,有孔径大、孔隙度高的特点,用它制作的过滤器应用范围较广,如滤掉液体、气体中的固体颗粒等。(4)利用声学及电磁性能

利用泡沫金属的吸音性能,主要用于消音降噪方面,如用于蒸汽发电厂、气动工具、小汽车等的衰减消

,铝的密度范围在0.21/10。

(2)力学性能

泡沫金属的抗拉强度比较低,比强度也较低,但是抗压强度和抗弯强度较高。泡沫铝的抗拉强度只有铝的1/100左右,比强度约为铝的1/10。泡沫铝的刚性较差,如泡沫铝没有金属铝所具有的延展性,受到压力几乎不发生塑性变形,由弯曲试验测得泡沫铝的弹性模量约为铝合金的1/50～1/100。(3)吸收冲击功特性

泡沫金属材料具有独特的网状、无方向性多孔结构,而又无反弹作用。通过对这种材料进行应力-应变试验[38],发现它的应变强烈滞后于应力,在压缩应力-应变曲线中包含一个很长的平稳段,因而泡沫金属是一种具有高冲击功吸收特性的材料,图1为一组不同密度泡沫铝的应力-应变曲线图。(4)热物理性能

泡沫金属一般有高的耐热性能,即使温度达到基体合金的熔点也不溶解,例如,ALMAG合金的使用温度范围为560～640℃,但是ALMAG合金的泡沫合金在大气中加热到1400℃也不溶解[39]

。

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音器。日本在高速列车配电室、播音室及新干线吸音等方面获得有应用前景的结果。(5)其他用途

泡沫金属还可用于建筑业,如建筑物内外装饰件、幕墙、内墙壁等;也可做计算机台架;各种包装箱等等。利用泡沫金属的耐火性,可以用于建筑等工业上的耐火材料;或通过对其孔洞进行处理,用于阻燃材料等。在化工方面,可用它作为催化剂的载体。另外泡沫金属还可以作多孔电极。

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5　结束语

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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