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      新型功能材料泡沫鋁的研究進展
      作者: 本站 來源: 本站 時間:2017年06月23日 字體:[] 留言

      1       引言

          泡沫鋁是一種新型功能材料, 它是金屬鋁基體中分散著無數氣泡的類似泡沫狀的超輕金屬材料, 一般孔隙率為 40%~ 98% 。1948 年 Sonik 提出了用汞在鋁中氣化發泡制備泡沫鋁的方法, 隨后 Elliot 于 1951 年成功地制備出了泡沫鋁。20 世紀60 年代美國Ethyl 公司成為研制泡沫鋁的科研中心基地。1991 年, 日本九州工業金屬研究所開發出泡沫鋁工業化生成的工藝路線, 目前已能用金屬發泡法和滲流法生產大型和小型部件。直到今天, 美國、日本、英國、法國、加拿大等國相繼研制出了多項技術專利。我國對泡沫鋁的制備工藝的基礎研究也進行了一些探索性的工作, 并取得了一定的進展。

      泡沫鋁以其獨特的結構而具有許多優異的性能, 它不僅具有多孔材料所具有的輕質特性, 還具有金屬所具有的優良的力學性能和熱、電等物理性能,如滲透、阻尼、能量吸收、高比表面積、電磁屏蔽等性能?,F在, 泡沫鋁的應用主要有: 防火和吸音板、沖擊能量吸收材料、建筑板、半導體氣體擴散盤、熱交換器、電磁屏蔽物等方面??捎糜谝苯?、化工、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業等領域, 應用范圍不斷擴大。


      2  泡沫鋁的制備方法

      2.1 鑄造法

      鑄造法在制造泡沫鋁中應用較為普遍,且制備方法較為成熟, 以下介紹幾種相關的方法。

      2.1.1 滲流鑄造法

              滲流鑄造法是將高溫液態金屬鋁在一定的壓力下滲入填料顆粒的空隙中, 凝固后去除包圍在鋁合金中的可溶性顆粒, 即得到具有連通孔結構的泡沫鋁。此方法又可分為上壓滲流鑄造法和負壓滲流鑄造法。上壓滲硫鑄造法較負壓滲流鑄造法具強度, 高導電率以及優良的傳熱性和抗蠕變性的電極材料。

      (3)  Al2O3 彌散強化銅電極焊接 1.5mm 厚的鍍鋁鋼板的平均壽命為 7200 點, 能很好地滿足彩管防爆帶焊接的需求。

      有工藝操作簡單、預熱速度快、生產率和成品率高、安全系數大、設備投資小、便于機械化生產等優點。其中, 填料顆料的選擇與處理十分關鍵, 它具有以下特點: 足夠的耐熱性, 在澆注溫度下不熔化; 足夠的強度和剛度, 在滲流壓力作用下不會破碎和變形; 良好的去除性, 在鋁液凝固后三維孔洞中的填料顆粒, 能用溶劑或水溶液將其完全去除; 化學穩定性, 不與鋁液發生反應。這種方法操作簡單, 孔隙率平均可達 70%, 便于大規模生產。目前, 滲流法不僅應用于制造泡沫鋁, 而且用于鋅、鎂、鉛、錫和鐵等泡沫材料的生產,可用于制造復雜形狀的零件。

      2.1.2  添加球料法

           添加球料法是在液態鋁合金中加入顆?;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, 而得到鋁合金與顆粒復合體, 然后溶解去除鋁合金基體中的可溶性顆粒, 而得到的一種連通孔泡沫鋁。

      2.1.3  熔模鑄造法

           首先, 選用具有一定孔隙率的三維貫通的泡沫海綿材料做母體材料, 然后用易于去除的耐火材料沖入海綿狀泡沫中, 經干燥硬化后形成預制型, 再經焙燒后使耐火材料硬化并使泡沫海綿氣化分解, 然后將預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, 即可獲得三維網狀通孔泡沫鋁。這種熔模鑄造法制備工藝所生產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品方面有著良好的前景。

      2.1.4  發泡法

       分氣體發泡法與金屬液發泡法兩種。氣體發泡法是向熔融的金屬熔體內吹入氣體而使金屬熔體發泡, 發泡用的氣體可以是氧氣、氬氣、空氣、水蒸氣、二氧化碳等。其技術關鍵是熔體應具有合適的粘度, 金屬的成分應保證足夠寬的發泡溫度區間, 所形成的泡沫應具有足夠的穩定性, 以保證泡沫在隨后的收集和成型過程中不破碎。氣體發泡法是目前生產泡沫金屬最廉價的方法, 泡沫的尺寸范圍很大, 泡沫鋁制品的孔隙率可達 97% 。金屬液發泡法早期采用比較普遍, 主要是向液態鋁合金中加入TiH2、ZrH2、CaH2 等發泡劑, 然后加熱使發泡劑分解放出氣體, 氣體的膨脹使鋁合金成泡沫狀, 然后冷卻即得到泡沫鋁成品。這種方法制備出來的泡沫鋁屬于閉孔泡沫鋁, 孔的結構及空隙率與金屬液的粘度及泡沫化的時間有關, 控制熔化過程中金屬液的粘度及泡沫化的時間, 可以控制孔隙率及孔的結構, 但孔洞相互獨立、大小及分布不均, 控制復雜。

      2.1.5  共晶凝固法

      氣體在熔融狀態的金屬中具有一定的溶解度, 并且隨壓力的增大和溫度的升高而增加, 當氣體在金屬的溶解度達到預定值后, 金屬與氣相進行共晶凝固而獲得所需要的泡沫鋁, 通過精確控制冷卻條件( 壓力、冷卻速度、散熱方向) 可以獲得各種孔隙形狀的各向同性和各相異性的高孔隙度泡沫鋁[ 18] 。

      2.2     沉積法

      2.2.1  噴濺沉積法

           噴濺沉積法是采用噴濺技術, 把加有惰性氣體的粉末, 均勻地噴射到鋁合金金屬上, 并加熱到金屬的熔點, 使加在金屬基體中的氣體膨脹成孔, 待冷卻后即得到具有泡沫結構的泡沫鋁。這種方法所得產品的孔體積分數可以通過控制沉積中惰性氣體的分壓來控制, 夾雜氣體的質量分數可以在010015%~ 0123% 范圍內變化。

      2.2.2  氣相蒸發沉積法

       在較高壓的惰性氣氛中 ( 102~ 103Pa) 緩慢蒸發金屬鋁, 蒸發出來的金屬原子在前進過程中與惰性氣體發生一系列的碰撞、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作用下沉積, 且在下行過程中繼續冷卻降溫, 最后達到基底, 因其溫度低, 原子難以遷移或擴散, 故金屬煙微粒只是疏松地堆砌起來, 形成多孔泡沫結構。用這種技術生成的泡沫鋁與具有宏觀結構的泡沫鋁不同, 它是由大量亞微米尺度的金屬微粒和微孔隙所構成, 其密度約為母體金屬鋁密度的1% , 最小為 015%  。

      2.2.3  電沉積法

       這種方法就是把泡沫塑料經粗化處理、敏化和活化處理、化學預鍍和化學鍍等多個步驟, 將鋁覆蓋在泡沫塑料上, 然后加熱使泡沫塑料分解而得到泡沫鋁。其中敏化與活化處理兩道工序起著非常重要的作用, 敏化處理是使粗化后的零件表面吸附層有還原性的離子, 以便在離子活化處理時, 使零件表面形成一層具有催化作用的貴金屬層, 從而使化學鍍能自發地進行, 使泡沫塑料成為半導體, 進而促進電鍍鋁的成功進行。這種方法制備出來的泡沫鋁的孔洞連通性好、分布均勻、孔隙率大, 但制品厚度有限, 成本較高。

      2.2.4  熔融鹽電鍍鋁

      熔融鹽電鍍鋁是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。

      2.3     粉末冶金法

      2.3.1 粉體發泡法

      粉體發泡法是混合鋁粉與一種發泡劑(TiH2) , 在一定溫度下軸向壓縮, 得到具有氣密結構的預制品, 加熱預制品使發泡劑分解釋放出氣體, 迫使預制品膨脹而得到泡沫鋁的一種方法?;旌?、壓制和發泡是粉體發泡法的三個重要環節, 同時調整發泡工藝中的參數( 發泡劑用量、發泡溫度、發泡時間) 可以得到不同孔結構的泡沫鋁。

      2.3.2  粉漿成型法

      粉漿成型法是將金屬鋁粉、發泡劑( 氫氟酸、氫氧化鋁或正磷酸) 和有機載體組成懸浮液, 將其攪拌成含有泡沫的狀態, 然后將其置入模具中并加熱焙燒, 可以得到固態的具有多孔結構的金屬鋁。這種方法最初用于制作發泡 Be、Fe、Cu 和不銹鋼材料,后來也用于生成泡沫鋁。但產品強度很低。

      2.3.3  粉末成型法

       粉末成型法是將金屬鋁粉與發泡劑( TiH2) 混合, 經冷或熱壓力成型, 然后進行燒結成泡沫鋁的一種方法。它具有兩個重要的優點: 其一是可用于比其它方法更為廣泛的合金成分, 由此控制泡沫鋁的力學性能; 其二是可以直接制造三維尺寸、形狀復雜的部件, 已經制造出了三明治形的泡沫鋁, 以及泡沫鋁填充的渦輪機結構件

      2.3.4  散粉燒結法

      散粉燒結法的原理是細小的顆粒在相互接觸的情況下, 通過表面張力作用可相互粘結, 將這些細金屬鋁粉放到模具內進行燒結, 顆粒相互粘接而形成多孔的燒結體。這種方法也可用于生產過濾器, 孔隙度一般為 40%~ 60% 。

      2.3.5  浸漿海綿燒結法

       在粉末冶金中, 海綿狀的材料也可作為生成高孔隙率、均勻的發泡金屬鋁材的暫時性支持結構。將海綿狀的有機物質切成所需要的形狀, 然后用含有待加工的金屬鋁粉的漿液滲透( 懸浮液的載體是水和有機液體) 。將浸后的海綿狀有機物干燥以除去熔劑, 冷卻后即可得到高孔隙率的三維結構的發泡金屬鋁。該法還用于生產孔隙度達 70% ~ 90% 的泡沫銀板。

      2.3.6  纖維燒結法

       此法所用的金屬鋁絲是通過機械拉拔或其它方法得到的金屬絲, 通過粉漿澆注或機械制氈圈的方法將金屬鋁絲制成氈圈, 然后進行燒結使之達到所需要的強度和孔隙率。這種方法制備的多孔泡沫鋁具有相當杰出的優點: 可獲得比粉末燒結更高的孔隙率, 可達 95% ; 氣孔全部為相互貫通的連通孔; 在最大的孔隙度下仍然保持了材料的結構性能; 在相同的孔隙度下, 強度、韌性比粉末冶金法高出了幾倍。還可以用于制造各種金屬過濾器, 如不銹鋼、銅、鎳、鎳鉻合金等。

      2.3.7 燒結溶解法

      燒結溶解法是近幾年來發展起來的一種制造泡沫鋁的新方法。是將鋁粉與填料顆粒通過混合、加壓、燒結、溶解等工序來制取通孔泡沫鋁的一種方法。具有可以精確控制孔洞形狀、尺寸和孔隙率及分布等特點, 具有較好的質量價格綜合指數。是生產均勻或梯度微細開孔的中密度泡沫鋁的有效方法, 所制泡沫鋁在吸能、吸音等領域有著廣泛的應用前景。

      3        泡沫鋁的性能及應用

       從結構上泡沫鋁可分為閉孔結構的泡沫鋁和開孔結構的泡沫鋁兩種, 前者含大量獨立存在的氣泡, 而后者則是連續暢通的三維孔結構。泡沫鋁的組織形貌特征, 包括孔的結構( 開孔或閉孔) 、相對密度、孔的大小、孔的形狀、孔壁的厚度、各向異性等, 這些特征可借助于光學顯微鏡、掃描電鏡、X 射線斷層造影術進行分析研究, 在這方面研究發展較為迅速。由于結構不同, 其性能有很大差異, 故具有不同的用途, 與傳統的金屬鋁相比較, 泡沫鋁因具有如下一些特征, 在冶金、化工、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業等領域得到了廣泛的應用。

      3.1     密度小

           由于泡沫鋁是在鋁基體中存在大大小小的氣孔,因此它具有較小的密度。泡沫鋁的密度可在很大范圍內變化, 目前所能獲得的最大孔隙率可達 97%, 其孔隙尺寸從幾個微米到幾十個毫米, 一般規律是孔的尺寸越大, 泡沫鋁的密度越小??捎糜诎b箱, 尤其是空運集裝箱。

      3.2     耐熱性強

           泡沫鋁具有較高的耐熱性, 即使達到合金的熔點也不熔解, 一般鋁合金的熔解溫度范圍在560~ 700 e , 但泡沫鋁即使加熱到 1400℃也不熔解。而且在高溫下不釋放有害氣體, 在許多場合可以取代發泡樹脂和石棉類制品作為隔熱與耐熱材料及各種熱交換器的芯件。

      3.3     通透性好

         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, 通透性隨孔徑的增大而增大, 但也受表面粗糙度的影響, 開孔結構的泡沫鋁具有高的通透性??捎糜谥谱鞲鞣N液體、氣體的過濾器。

      3.4     比表面積大

           利用泡沫鋁的大的比表面積, 達到高的換熱性, 因此, 它是制造加熱器和熱交換器的良好材料, 另外, 也可用其作需要巨大表面化學反應的載體, 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。

      3.5     隔音性強

          泡沫鋁可以通過孔壁的震動來吸收聲音的能量,可以用來消聲、除去噪音。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, 吸音能力越大, 通過改變泡沫鋁孔的尺寸和形狀可以獲得高的吸音性能。其可用于建筑行業中的內外裝飾件、幕墻、間壁活動門板,制造高性能吸音板、隔音墻、各種消聲器等。

      3.6     具有很高的吸收沖擊能量的性能

           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、加緊裝置、以及航空航天設備中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??捎糜谏禉C和傳送器的安全墊、高速磨床防護裝置的減震吸能內襯、高精密機床的底座等。

       3.7     力學性能

       泡沫鋁的力學性能主要由其密度決定, 但孔的尺寸、結構與分布同樣是決定力學性能的重要參數。泡沫鋁在壓縮應力作用下, 材料經初始彈性變形后, 進入應力曲線平臺, 即泡沫鋁開始破裂, 在泡沫破碎階段應力基本保持不變, 經過大量的塑性變形后泡沫已經全部破碎, 材料進入密集化階段, 應力迅速增加。泡沫鋁的楊氏模量與剪切模量都隨密度的增加而增加。

      3.8     電磁屏蔽性能

            泡沫鋁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。5mm 厚、孔隙率為 90% 的閉孔泡沫鋁, 在 60 ~ 1000MHz 電磁屏蔽性能為 35 ~ 75dB , 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。

       3.9     其它性能

         泡沫鋁還具有氣敏性、耐火阻燃性、催化性等。泡沫鋁的導電性能受相對密度的影響比較大, 而孔徑的大小對導電性的影響不大。預計在航空航天、電訊及環境保護等新型領域中有很好的應用前景。


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