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新材料的發(fā)展是新時(shí)代技術(shù)革新的關(guān)鍵, 為保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源提供了新的途徑 ,與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)有著密切的聯(lián)系。泡沫金屬材料既具有一般多孔材料所具有的輕質(zhì)等特性 ,又具有優(yōu)良的機(jī)械性能和熱、電等物理性能 ,并且比聚合泡沫更易于再生, 擴(kuò)大了多孔材料的應(yīng)用范圍。近年來(lái) ,新工藝發(fā)展使得泡沫金屬的質(zhì)量大有好轉(zhuǎn),而且新材料的應(yīng)用條件也改變了很多, 人們對(duì)泡沫金屬尤其是泡沫鋁合金的發(fā)展開始感興趣。例如 :在汽車工業(yè)里, 由于安全和保護(hù)環(huán)境方面的日趨增加的需求 ,人們開始考慮利用泡沫金屬。
1 泡沫金屬制備工藝及其發(fā)展
泡沫金屬的制備工藝從聚合泡沫的制備得到啟發(fā), 并由于其獨(dú)特的金屬性能而得到更大的發(fā)展。泡沫金屬根據(jù)其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同可分為通孔和閉孔兩種 ,其制備方法可歸納為 :
泡沫金屬分為：
1、 閉孔泡沫金屬分為熔體發(fā)泡法、粉體發(fā)泡法、加中空球料法、濺射噴鍍法。
2、 通孔泡沫金屬分為滲流鑄造法、熔模鑄造法、燒結(jié)法、鍍覆金屬法。
1．1 閉孔泡沫金屬的制備
1 .1.1 熔體發(fā)泡法
該法的原理是在金屬液中加入發(fā)泡劑, 使其受熱產(chǎn)生分解, 在溶液中形成氣泡 , 然后冷卻凝固。
其缺點(diǎn)是發(fā)泡過(guò)程難以控制 , 溶液中的發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣泡, 氣泡逐漸上浮并在上浮過(guò)程中合并長(zhǎng)大, 引起制品中氣泡分布不均勻且局部氣泡尺寸過(guò)大。
解決此問(wèn)題的方法有[ :(1)高速攪拌 ,使發(fā)泡劑充分分布在金屬液中;(2)增加溶體粘度, 阻止氣泡的上浮運(yùn)動(dòng) , 進(jìn)而提高發(fā)泡劑在熔體中的均勻分布。增加粘度的方法有非金屬粒子分散法、加入合金元素法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金屬液中吹入空氣、氧氣或水蒸氣并攪拌, 使在短時(shí)間內(nèi)生成氧化物 ,此方法效率較高, 得到的粘度也大。
目前最常用的方法是向熔液中加入合金元素,攪拌使熔體中生成大量細(xì)微的氧化物固相質(zhì)點(diǎn), 從而增加熔體粘度 , 此方法比熔液氧化法簡(jiǎn)單。
熔體發(fā)泡法對(duì)發(fā)泡劑的一般要求是:發(fā)泡劑與熔液混合均勻前應(yīng)盡可能少分解 , 在停止混合至開始凝固前的一定時(shí)間間隔內(nèi)要充分分解并有足夠的發(fā)氣量。目前 ,國(guó)內(nèi)外一般采用金屬氫化物 ,TiH2 或 ZrH2 作為發(fā)泡劑。日本有采用火山灰作發(fā)泡劑制得泡沫金屬的報(bào)道, 其發(fā)氣起始溫度比 TiH2 低, 且發(fā)氣量比 TiH2 小 , 但價(jià)格較便宜。
熔體發(fā)泡法制備泡沫金屬的過(guò)程有:熔體增粘處理、泡沫化、均勻化和凝固過(guò)程。后三個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行 ,受許多工藝因素的影響 ,在實(shí)際操作中很難控制。其發(fā)展的方向是引入計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),用以處理實(shí)物研究中難以解決的問(wèn)題。
1 .1.2 粉體發(fā)泡法
粉體發(fā)泡法制備工藝如圖 1 所示。首先混合一定比例的金屬粉末和發(fā)泡劑粉末, 壓實(shí)得到密實(shí)的預(yù)制品 ,然后在基體金屬的熔點(diǎn)附近進(jìn)行熱處理 ,使發(fā)泡劑分解 ,釋放出的氣體迫使壓實(shí)的預(yù)制品膨脹成為泡沫金屬。
發(fā)泡劑粉末和金屬粉末通過(guò)混合、壓縮、預(yù)制品、發(fā)泡、制品。
粉體發(fā)泡工藝的關(guān)鍵是壓實(shí)工藝的選擇, 可分為冷壓和熱壓兩種。
冷壓法要求有兩次壓縮過(guò)程來(lái)破壞金屬顆粒的氧化膜使其聯(lián)結(jié)在一起 ,此工藝成本高,只能利用擠壓法, 且要求發(fā)泡劑的分解溫度高于壓實(shí)溫度。
目前 ,國(guó)外采用熱壓工藝 ,主要有軸向壓縮和擠壓 , 前者適用于實(shí)驗(yàn)室 , 而后者適用于工業(yè)應(yīng)用。在壓縮過(guò)程中要保證:(1)溫度要足夠高, 使金屬顆粒之間的聯(lián)結(jié)主要靠擴(kuò)散作用形成;(2)壓強(qiáng)要足夠大,防止發(fā)泡劑在發(fā)泡之前就分解 ,這樣得到的預(yù)制品中,金屬顆粒彼此聯(lián)結(jié),密封了發(fā)泡劑氣體粒子。因此, 可以利用分解溫度低于壓實(shí)溫度的發(fā)泡劑 ,并且只有一次壓縮過(guò)程 ,降低了成本。
粉體發(fā)泡法的發(fā)泡劑選用范圍比較廣, 可以利用金屬氫化物,如 TiH2 或 ZrH2 ;碳酸鹽, 如Ca- CO3 、Na2CO3 ;K2CO3 ;氫氧化物:如 AL(OH)3 和一些容易揮發(fā)的物質(zhì) ,如水銀混合物、粉碎的有機(jī)物質(zhì)等。日本、德國(guó)利用 TiH2 成功地制取了內(nèi)部為孔隙結(jié)構(gòu)而表層致密的泡沫金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)。
粉體發(fā)泡法比熔體發(fā)泡法實(shí)際操作容易控制,合理選擇發(fā)泡參數(shù)(發(fā)泡時(shí)間和溫度),可以得到不同密度值的泡沫金屬。
1 .2 通孔泡沫金屬的制備
1 .2.1 滲流鑄造法
將液態(tài)金屬滲入可去除的填料顆中的滲流鑄造法是目前國(guó)內(nèi)外制備泡沫金屬的重要方法。
滲流鑄造法中預(yù)制型的制作對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著直接的影響 , 填料顆粒能否被除去是制得通孔的關(guān)鍵,要順利除去填料顆粒 ,必須使其處于連續(xù)的狀態(tài) ,通常采用兩種方法:(1)將填料顆粒松散裝入型腔中,加壓使顆粒聯(lián)結(jié)。(2)將顆粒加粘結(jié)劑和水混勻后填入石墨中緊實(shí) ,然后焙燒,此工藝得到的預(yù)制塊孔隙形狀圓滑, 互相連通 ,但工藝較復(fù)雜。日本采用 NaCl -KCl 鹽粒燒結(jié)的方法制得預(yù)制塊 , 國(guó)內(nèi)一般采用 NaCl 鹽粒子作為填料顆粒。
滲流鑄造法采用加壓的方式使熔液滲入, 加壓方式有 :固體壓頭加壓法、氣體加壓法、差壓法、真空吸鑄法(如圖 2 所示)。差壓法和真空法可以得到高質(zhì)量的泡沫金屬 ,因?yàn)樵趬毫ο陆饘僖旱臐B流距離比較長(zhǎng),結(jié)晶出的金屬骨架比較致密,使得泡沫金屬具有較高的機(jī)械性能, 缺點(diǎn)是需要一套抽氣/真空系統(tǒng)及一套上下罐體。
滲流鑄造法中若不除去填料顆粒 ,可以得到所需的復(fù)合結(jié)構(gòu),日本用此法制得了SBAC 制品。
1 .2.2 熔模鑄造法
該法與滲流鑄造法所不同的是預(yù)制型的制作,使耐火材料充入泡沫海棉中,風(fēng)干、硬化、焙燒后使海棉分解 ,可形成三維網(wǎng)狀的預(yù)制型,澆入液態(tài)金屬,凝固后除去耐火材料 ,即可獲得通孔泡沫金屬。
目前, 日本和國(guó)內(nèi)太原重型機(jī)械學(xué)院均用此法成功制取了泡沫鋁試樣 ,此方法制得的試樣對(duì)母體材料具有繼承性, 孔隙三維貫通、結(jié)構(gòu)均勻,并不受材質(zhì)、形狀和大小的限制,能提供制造各種用途的通孔泡沫金屬 ,缺點(diǎn)是金屬骨架強(qiáng)度低 ,工藝較復(fù)雜。
2 泡沫金屬的性能研究
泡沫金屬由于其多孔結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出一些有趣的特性,綜合了基體金屬和其結(jié)構(gòu)的性能。
作為結(jié)構(gòu)材料 ,泡沫金屬的機(jī)械性能主要取決于其密度和基體金屬的性能。例如 , 密度高的泡沫金屬其壓縮強(qiáng)度也高 ,而基體強(qiáng)度高的泡沫金屬其壓縮強(qiáng)度也高。
這些性能通常符合一條規(guī)律:
A(ρ)=c ×ρn 式中:A ——— 性能指標(biāo);c——— 常數(shù) ;ρ——— 密度; n ——— 指數(shù)(通常為 1 .5 ～ 2)。
作為功能材料, 其具有吸聲、過(guò)濾、隔熱、阻燃、減振、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等各種物理性能。
其中, 研究最多且用途最廣的是泡沫金屬的吸能性。
到目前為止 ,聚合泡沫和蜂窩結(jié)構(gòu)是用于吸能的主要材料, 而通過(guò)選擇基體金屬、孔隙結(jié)構(gòu)或破壞的情況下可以吸收沖擊能, 所以可被用做為吸能器和包裝材料。同有機(jī)泡沫材料相比 ,如果需要較高的破壞應(yīng)力 ,并要求能吸收同樣或更多的能量 ,泡沫金屬很有優(yōu)勢(shì)。
泡沫金屬的壓縮變形特征 ,可以看出 ,應(yīng)力 —應(yīng)變曲線中有一很長(zhǎng)的平穩(wěn)段 ,具有平穩(wěn)的變形應(yīng)力, 因此比處在同一水平的致密金屬吸收的能量多。其被吸收的能量大部分轉(zhuǎn)化為不可逆的塑性變形能量 ,而處于同一應(yīng)力水平的致密金屬將發(fā)生線性彈性應(yīng)變, 去除載荷后將釋和密度值來(lái)控制變形特征 ,可使泡沫金屬成為理想的吸能材料。由于泡沫金屬在不達(dá)到最大應(yīng)力放出所吸收的能量。
泡沫金屬有吸能率為在壓縮變形過(guò)程中, 變形量為 s 時(shí)實(shí)際吸收的能量與理想吸能器所吸收
∫sF(S′)dS′
的能量之比:η= 0Fmax (S )S
式中 :η——— 吸能率;S ———變形量 ;Fm ax(S)———變形量為 S 時(shí)的最大力。
由于材料在壓縮時(shí)的應(yīng)力是變化的, 所以吸能率在變形過(guò)程中也是變化的, 并與壓縮曲線的性質(zhì)有關(guān)。密度和合金成分合適的泡沫鋁在變形達(dá)到 60 %時(shí) ,吸能率可以達(dá)到 90 %。密度、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙均勻性影響著壓縮過(guò)程中的平穩(wěn)線的長(zhǎng)度。從圖 3 可以看出 ,在應(yīng)力應(yīng)變曲線中平穩(wěn)段的未端 ,吸能率隨變形時(shí)量的增加而減小 ,所以最好在此時(shí)對(duì)泡沫金屬加載, 可使吸能率最大。
吸能率是選擇吸能材料的一個(gè)有利參數(shù), 然而光靠吸能率是不夠的 ,還要考慮泡沫金屬的吸能能力。
泡沫金屬的吸能能力是密度的函數(shù) ,圖 4 所示為泡沫金屬在變形量 S 為 20 %、40 %和 60 %時(shí)單位體積所吸收的吸能量 ,可以看出,吸能能力隨密度增大而增大。
3 泡沫金屬的應(yīng)用情況
用途取決于性能 ,泡沫金屬優(yōu)良的性能, 決定了其具有廣泛的用途。
目前, 泡沫金屬的一些性能在日本得到了一些應(yīng)用。例如 ,泡沫鋁的吸音性能被用在北海道觀光列車的發(fā)電室、工廠的降噪裝置, JR 新干線的列車座位利用了泡沫鋁的復(fù)合結(jié)構(gòu) ,而且泡沫表面的獨(dú)特的裝飾性也被用在建筑業(yè)。
通孔沫金屬被用做過(guò)濾材料、熱交換器、過(guò)濾器和催化劑載體 ,也被用做電極材料。
泡沫金屬在交通運(yùn)輸行業(yè)中將占據(jù)重要地位。例如在汽車工業(yè)中, 由于日趨增加的安全、舒適和環(huán)境保護(hù)的需要而使得汽車的重量逐漸增加,相應(yīng)增加了燃料費(fèi)用。而利用輕而硬的泡沫金屬結(jié)構(gòu) ,有利于減輕汽車重量。
泡沫金屬的吸能性能可以使汽車、火車的碰撞中變形得到控制, 這個(gè)性能還可以用做減震器,用于卡車座的保護(hù)裝置、容易被扭曲和壓縮的柱座和其它一些部件。
在汽車制造中 ,使消音器材既隔音又耐熱也是一個(gè)很突出的問(wèn)題 , 利用通孔泡沫金屬就可以很好的解決 ,不必再使用例如鋁板和聚合泡沫的組合的一些組合材料。而泡沫金屬的降噪、吸音可以很好地保護(hù)環(huán)境。
泡沫金屬在建筑業(yè)中也有廣泛的用途, 它非常有助于減少電梯的能量消耗?，F(xiàn)代的電梯由于它的高頻的加速和減速 ,利用輕型結(jié)構(gòu)是一個(gè)很有利的方法。
在建筑業(yè)中 ,也可利用粉體發(fā)泡法泡沫金屬的預(yù)制型性能。例如 ,在混凝土墻中固定插座 ,在塞進(jìn)插座前,先把一片預(yù)制鋁材塞進(jìn)孔中,然后加熱使其膨脹,若泡沫鋁的密度足夠大,生成的泡沫將會(huì)使插座和混凝土緊密聯(lián)結(jié)。
泡沫金屬還有一些特殊用途 , 例如:以金、銀為基體的泡沫金屬外觀美麗、以金、銀為基體的泡沫金屬外觀美麗, 可考慮用做珠寶的潛在的新材料;對(duì)鋼、鈦等金屬發(fā)泡技術(shù)的開拓 ,使得可以利用這種材料的耐高溫、高強(qiáng)度和其它性能,例如泡沫鈦由于它的極強(qiáng)的物質(zhì)適應(yīng)性可用于修復(fù)術(shù)。
泡沫金屬可以進(jìn)行切削加工及壓力加工, 可用粘結(jié)和壓制的方法制成用途更為廣泛的夾芯結(jié)構(gòu)等。
泡沫金屬發(fā)展至今, 在制備工藝方面取得了重大進(jìn)展 ,但也只是局限在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi),還沒(méi)有完全達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的需求 ,而且相應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究也還有許多不足之處。
今后泡沫金屬的發(fā)展首先應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,通過(guò)多學(xué)科滲透的基礎(chǔ)研究指導(dǎo)制備工藝的發(fā)展 ,同時(shí)應(yīng)注意基礎(chǔ)研究、制備與應(yīng)用相結(jié)合,使泡沫金屬的性能得到充分、廣泛的應(yīng)用,為社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)的進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。
泡沫鎳
EMI導(dǎo)電海綿
泡沫銅