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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(shù)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(fā)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(yè)金屬研究所開發(fā)出泡沫鋁工業(yè)化生成的工藝路線, 目前已能用金屬發(fā)泡法和滲流法生產(chǎn)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(shù)專利。我國對泡沫鋁的制備工藝的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能, 它不僅具有多孔材料所具有的輕質(zhì)特性, 還具有金屬所具有的優(yōu)良的力學(xué)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(xiàn)在, 泡沫鋁的應(yīng)用主要有: 防火和吸音板、沖擊能量吸收材料、建筑板、半導(dǎo)體氣體擴散盤、熱交換器、電磁屏蔽物等方面?？捎糜谝苯稹⒒?、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領(lǐng)域, 應(yīng)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(yīng)用較為普遍，且制備方法較為成熟, 以下介紹幾種相關(guān)的方法。
2.1.1 滲流鑄造法
滲流鑄造法是將高溫液態(tài)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(jié)構(gòu)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(dǎo)電率以及優(yōu)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(yù)熱速度快、生產(chǎn)率和成品率高、安全系數(shù)大、設(shè)備投資小、便于機械化生產(chǎn)等優(yōu)點。其中, 填料顆料的選擇與處理十分關(guān)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(xué)穩(wěn)定性, 不與鋁液發(fā)生反應(yīng)。這種方法操作簡單, 孔隙率平均可達 70%, 便于大規(guī)模生產(chǎn)。目前, 滲流法不僅應(yīng)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(chǎn),可用于制造復(fù)雜形狀的零件。
2.1.2 添加球料法
添加球料法是在液態(tài)鋁合金中加入顆粒或中空球, 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(fù)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(jīng)干燥硬化后形成預(yù)制型, 再經(jīng)焙燒后使耐火材料硬化并使泡沫海綿氣化分解, 然后將預(yù)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(wǎng)狀通孔泡沫鋁。這種熔模鑄造法制備工藝所生產(chǎn)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(chǎn)品方面有著良好的前景。
2.1.4 發(fā)泡法
分氣體發(fā)泡法與金屬液發(fā)泡法兩種。氣體發(fā)泡法是向熔融的金屬熔體內(nèi)吹入氣體而使金屬熔體發(fā)泡, 發(fā)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(shù)關(guān)鍵是熔體應(yīng)具有合適的粘度, 金屬的成分應(yīng)保證足夠?qū)挼陌l(fā)泡溫度區(qū)間, 所形成的泡沫應(yīng)具有足夠的穩(wěn)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(fā)泡法是目前生產(chǎn)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(fā)泡法早期采用比較普遍, 主要是向液態(tài)鋁合金中加入TiH2、ZrH2、CaH2 等發(fā)泡劑, 然后加熱使發(fā)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(jié)構(gòu)及空隙率與金屬液的粘度及泡沫化的時間有關(guān), 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(jié)構(gòu), 但孔洞相互獨立、大小及分布不均, 控制復(fù)雜。
2.1.5 共晶凝固法
氣體在熔融狀態(tài)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(dāng)氣體在金屬的溶解度達到預(yù)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(shù), 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(jié)構(gòu)的泡沫鋁。這種方法所得產(chǎn)品的孔體積分數(shù)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(zhì)量分數(shù)可以在010015%~ 0123% 范圍內(nèi)變化。
2.2.2 氣相蒸發(fā)沉積法
在較高壓的惰性氣氛中 ( 102~ 103Pa) 緩慢蒸發(fā)金屬鋁, 蒸發(fā)出來的金屬原子在前進過程中與惰性氣體發(fā)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(xù)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(jié)構(gòu)。用這種技術(shù)生成的泡沫鋁與具有宏觀結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jīng)粗化處理、敏化和活化處理、化學(xué)預(yù)鍍和化學(xué)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(xué)鍍能自發(fā)地進行, 使泡沫塑料成為半導(dǎo)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(fā)泡法
粉體發(fā)泡法是混合鋁粉與一種發(fā)泡劑(TiH2) , 在一定溫度下軸向壓縮, 得到具有氣密結(jié)構(gòu)的預(yù)制品, 加熱預(yù)制品使發(fā)泡劑分解釋放出氣體, 迫使預(yù)制品膨脹而得到泡沫鋁的一種方法。混合、壓制和發(fā)泡是粉體發(fā)泡法的三個重要環(huán)節(jié), 同時調(diào)整發(fā)泡工藝中的參數(shù)( 發(fā)泡劑用量、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間) 可以得到不同孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁。
2.3.2 粉漿成型法
粉漿成型法是將金屬鋁粉、發(fā)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(tài), 然后將其置入模具中并加熱焙燒, 可以得到固態(tài)的具有多孔結(jié)構(gòu)的金屬鋁。這種方法最初用于制作發(fā)泡 Be、Fe、Cu 和不銹鋼材料,后來也用于生成泡沫鋁。但產(chǎn)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(fā)泡劑( TiH2) 混合, 經(jīng)冷或熱壓力成型, 然后進行燒結(jié)成泡沫鋁的一種方法。它具有兩個重要的優(yōu)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(xué)性能; 其二是可以直接制造三維尺寸、形狀復(fù)雜的部件, 已經(jīng)制造出了三明治形的泡沫鋁, 以及泡沫鋁填充的渦輪機結(jié)構(gòu)件
2.3.4 散粉燒結(jié)法
散粉燒結(jié)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(jié), 將這些細金屬鋁粉放到模具內(nèi)進行燒結(jié), 顆粒相互粘接而形成多孔的燒結(jié)體。這種方法也可用于生產(chǎn)過濾器, 孔隙度一般為 40%~ 60% 。
2.3.5 浸漿海綿燒結(jié)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(fā)泡金屬鋁材的暫時性支持結(jié)構(gòu)。將海綿狀的有機物質(zhì)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(jié)構(gòu)的發(fā)泡金屬鋁。該法還用于生產(chǎn)孔隙度達 70% ~ 90% 的泡沫銀板。
2.3.6 纖維燒結(jié)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(jié)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(dāng)杰出的優(yōu)點: 可獲得比粉末燒結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)溶解法
燒結(jié)溶解法是近幾年來發(fā)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(jié)、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(zhì)量價格綜合指數(shù)。是生產(chǎn)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
3 泡沫鋁的性能及應(yīng)用
從結(jié)構(gòu)上泡沫鋁可分為閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁和開孔結(jié)構(gòu)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(xù)暢通的三維孔結(jié)構(gòu)。泡沫鋁的組織形貌特征, 包括孔的結(jié)構(gòu)( 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(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X 射線斷層造影術(shù)進行分析研究, 在這方面研究發(fā)展較為迅速。由于結(jié)構(gòu)不同, 其性能有很大差異, 故具有不同的用途, 與傳統(tǒng)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(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(nèi)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(guī)律是孔的尺寸越大, 泡沫鋁的密度越小。可用于包裝箱, 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(fā)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(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)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。孔的尺寸影響其對整個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(yè)中的內(nèi)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。可用于汽車剎車器、加緊裝置、以及航空航天設(shè)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(guān)?？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(nèi)襯、高精密機床的底座等。
3.7 力學(xué)性能
泡沫鋁的力學(xué)性能主要由其密度決定, 但孔的尺寸、結(jié)構(gòu)與分布同樣是決定力學(xué)性能的重要參數(shù)。泡沫鋁在壓縮應(yīng)力作用下, 材料經(jīng)初始彈性變形后, 進入應(yīng)力曲線平臺, 即泡沫鋁開始破裂, 在泡沫破碎階段應(yīng)力基本保持不變, 經(jīng)過大量的塑性變形后泡沫已經(jīng)全部破碎, 材料進入密集化階段, 應(yīng)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(dǎo)電性能受相對密度的影響比較大, 而孔徑的大小對導(dǎo)電性的影響不大。預(yù)計在航空航天、電訊及環(huán)境保護等新型領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。
泡沫鎳
EMI導(dǎo)電海綿
泡沫銅