第28卷第6期
2005年12月
鞍山科技大学学报
Journal of Anshan University of Science and Technology
Vol.28 No.6
Dec.,2005
泡沫铝的研究现状与应用展望
程慧静,张崇民,苗信成,袁 皓,孙文刚
(鞍山科技大学材料科学与工程学院,辽宁鞍山 114044)
摘 要:泡沫铝的多孔结构和金属特性使其在吸声、减震、过滤及热交换等方面具有优异的性能。介绍了目
前国内外泡沫铝的研究进展和基本制备方法,描述了泡沫铝的结构及特殊性能,并分析了现存工艺、发泡机理
及性能分析等方面问题,对泡沫铝在各个领域的应用进行了展望。
关键词:泡沫铝;制备;性能;应用
中图分类号:TG29·146·2 文献标识码:A 文章编号:1672-4410(2005)06-0409-06
1 研究历史
在传统的工程材料中,孔洞常被认为是一种结构上的缺陷,因为它们往往是裂纹形成和扩展的中
心,对材料力学性能产生不利影响。但是,当材料中的孔洞的数量增加到一定的程度且有规律地分布
时,就会因为这些孔洞的存在而具有一些特殊的性能,从而形成一个新的材料门类,这就是所谓的多孔
或泡沫材料[1]。目前的人造多孔材料包括多孔塑料、多孔陶瓷、多孔金属等[2]。一般认为当多孔材料
的孔隙率在40%-98%时,可称之为泡沫材料,但多数学者都将多孔材料和泡沫材料视为等同的概念,
并不以孔隙率所区别[3]。泡沫金属的历史不长,在其发展历程中,研制和开发大都以轻金属铝为主要
对象,这是由于铝及其合金具有熔点低、铸造性能好等特点[4]。
早在20世纪40年代后期,美国就首先对泡沫铝进行了研究。最初是由Sonik提出利用汞在铝中
气化而制取泡沫铝的想法,随后Elliot于1951年成功生产出泡沫铝,这标志着泡沫金属研制的开始。
随着材料科学的进步,到上世纪80年代后期已开发出一些有价值的泡沫金属生产工艺。目前,日本与
德国在研究、生产与应用泡沫铝以及其它金属泡沫材料方面居于世界领先地位。我国对泡沫铝的研究
始于20世纪80年代后期,并已取得了一系列的研究成果[5]。
2 制备方法
制备多孔材料并不是很困难。人们已经掌握了不同用途的多孔陶瓷和泡沫塑料的制备方法,但多
孔金属的成熟工艺仍在探索之中。制备工艺的合理与否,不仅关系到能否成功地制备样品,而且与实际
应用密切相关。有关泡沫铝制备方法的报道很多,大体可分为铸造法等5种。
2·1 铸造法
铸造法是制造泡沫铝的一种主要工艺方法,具有工艺简单、成本低廉等特点。铸造法应用很普遍,
铸造法又分为渗流铸造、添加球料和熔模铸造等方法。
(1)渗流铸造法。原理是迫使液态铝进入粒子之间的孔隙,冷却成形后形成泡沫金属。工艺
过程
是把粒子放人模型中制成多孔体,预热到一定温度,然后浇注铝溶液,经加压使金属渗入到多孔体中,冷
却凝固后形成一个三维网状连通的铝基合体。最后对复合体进行加工,水处理,海绵铝成型体便制成
了。采用此方法已能制出孔隙率80%左右,孔径在0·056-0·3 mm的三维网状连通孔的泡沫铝合金材
收稿日期:2004-11-20。
作者简介:程慧静(1976-),女,山东济南人。料。此方法所制备的泡沫铝的孔直径及其形状主要决定于渗流颗粒的相应参数[6]。
(2)添加球料法。在液态铝合金中加入颗粒或中空球,加以强化搅拌,对仍处在相对流
动时的铝液进行铸造得到铝合金-颗粒复合体,溶解去除铝合金基体中可溶性颗粒,从而得到
一种连通孔泡沫铝[7]。
(3)熔模铸造法。首先选用具有一定孔隙率的三维贯通的泡沫海绵材料做母体材料,用易于去除
的耐火材料充入海绵状泡沫中,经干燥硬化后形成预制型;再经焙烧后使耐火材料硬化并使泡沫海绵气
化分解;将预制型置于金属模具中,浇入金属液,并对其施加一定的压力或进行真空吸铸,使金属液充填
于铸型的孔隙中;冷却后清除掉成块的耐火材料,即可获得三维网状通孔泡沫铝。这种熔模铸造法制备
工艺所生产的泡沫铝具有良好的三维贯通性,且该工艺适用范围大,无腐蚀性,在制造流体透过性产品
方面有着良好的前景[8]。
2·2 熔体发泡法
熔体发泡法以其工艺简单、成本低廉、适宜制造大型板、块材而极具开发潜力。其基本原理主要是
将铝或铝合金熔化,随后加入增粘剂使铝熔体的粘度增加,以防止气泡从熔体中溢出,然后加入发泡剂,
最后经冷却使熔体中的气体滞留在熔体内部。工艺过程为:铝的熔化→铝液的增粘→发泡剂混合→保
温发泡→发泡体冷却。其中增粘、混合、发泡和冷却这四个工艺过程对制备孔径和孔隙率可控、结构均
匀的泡沫铝至关重要。近几年的许多专家和学者对熔体发泡法工艺提出了很多改进方法。
(1) SiC颗粒增强法。在普通的铝合金中加入高强度、高硬度的陶瓷颗粒,例如SiC,制成铝基复合
材料。由于SiC颗粒增强的铝基复合材料熔体自身粘度大,发泡剂分解产生的气体能够滞留在熔体中,
因此不需要采取任何增粘措施,且粘度仅由温度控制。此方法的使用主要解决了不同炉次熔体增粘难
以保持一致性及熔体粘度难以控制的问题,并可相对降低对搅拌时间、搅拌速度的要求,同时提高了泡
沫铝的抗拉和抗压强度[9]。
(2) TiH2焙烧法。将TiH2粉在一定温度条件下进行钝化焙烧,以降低发泡剂在铝熔体中的分解
速度。使用经过预处理的TiH2,可以获得较为充分的搅拌时间,提高发泡剂
分散的均匀程度[10]。
(3)氧化物包覆法。利用化学方法对TiH2颗粒进行包覆。根据非均匀相沉淀包覆原理,将经过改
性的TiH2粉加入到铝无机盐溶液中,通过化学反应生成氧化铝前驱体/TiH2复合粉体,在350℃下煅
烧取得Al2O3/TiH2发泡剂复合粉体。Al2O3/TiH2发泡剂复合粉体在600℃之前比未包覆的TiH2,总
释氢量减少20%,可以对发泡剂的发泡过程起到一定的控制作用[11]。
(4)金属包覆法。用高压氢还原法、电镀法和真空喷镀法等将熔点高于1 000℃的金属Ni、Cr或
Cu等包覆到TiH2表面,外包覆金属一般为50%(质量数,下同)左右。由于高熔点的外包覆金属的隔
离作用,TiH2的起始反应温度提高,分解速度减缓,使发泡剂和铝熔体搅拌混合时间延长,从而充分混
合[12]。
此外,还有物理改进法,即通过研磨混合来改变TiH2的放气性质,以及将TiH2和MnO2混合后高
温加热,使TiH2表面生成氧化膜等方法[13]。
2·3 沉积法
(1)喷溅沉积法。采用了喷溅技术把加有惰性气体的粉末均匀地喷射到铝合金金属上,并加热到
金属熔点,使夹在金属基体中的气体膨胀成孔,待冷却后即得到具有致密网状的泡沫铝。此方法所得产
品的孔体积分数可以通过控制沉积中惰性气体的分压来控制,夹杂气体的质量分数可以在0·001 5%-
0·23%范围变化[14]。
(2)电沉积法。用泡沫塑料为基底,经导电化处理后为阴极,工业纯铝板为阳极,在烷基铝溶液中
电镀制成泡沫铝。其工艺流程如图1所示。在此工艺中将泡沫塑料经去脂、粗化、活化、还原等公益处
理后,放到化学镀铜液中均匀地沉积上一层铜,冲洗、烘干后即可放到烷基液槽中电镀铝。采用此电沉
积法制备的泡沫铝具有容易控制孔隙结构、孔径小、孔隙均匀、孔隙率高等特点。其隔热性能和阻尼特
·410· 鞍山科技大学学报 第28卷性优于铸造法生产的泡沫铝;其吸声性能与声频率有关,声频率在1 000-2 000 Hz之间时,平均吸声系
图1 生产泡沫铝的电沉积技术
Fig.1 Electric deposition technique of foamed aluminium
数为0·751,是一种很好的吸声降噪材料[15]。
(3)气相蒸发沉积法。在较高压的惰性
气氛中(102-103Pa)缓慢蒸发金属铝,蒸发出
来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生
一系列的碰撞、散射作用,迅速失去动能,从而
部分凝聚起来形成金属烟;金属烟在自身重力
作用及惰性气流的携带作用下沉积,且在下行
过程中继续冷却降温,最后达到基底;因其温
度继续冷却降温,原子难以迁移或扩散,故金
属烟微粒只是疏松地堆砌起来,形成多孔泡沫
结构。用这种技术生成的泡沫铝与具有宏观
结
构的泡沫铝不同,它是由大量亚微米尺度的金属微粒和微孔隙所构成,其密度约为母体金属铝密度的
1%,最小为0·5%[16]。
(4)熔融盐电镀铝。以泡沫塑料为电极阴极,铝板为阳极,在含有铝盐的熔融盐中通过电沉积过程
而制成的一种多孔泡沫铝。此法制成的泡沫铝孔隙率高、孔隙均匀[17]。
2·4 粉末冶金法
粉末冶金法在近几年得到重视。德国Fraunhofer应用材料研究所在这方面进行了深入研究并取得
了突破性成就,已能制备出三明治式的复合泡沫铝材料[18]。我国也有一些研究机构在进行这方面研
究,并取得了一定的进展[19,20]。冶金法制备原理是将铝粉或铝合金粉与一种发泡剂粉末混合,将这种
混合物压制成密实的金属基体,然后对其加热升温。当温度升至铝粉或铝合金粉的熔点以上,发泡剂产
生的气体在熔融状态的铝或铝合金内部形成无数的气孔,冷却这种铝基体后,即可得到泡沫铝产品[21]。
在利用粉末冶金法制备泡沫铝的工艺过程中,制坯压力对泡沫铝的孔结构有影响。增大压制力使
得金属坯致密,可以得到孔结构均匀的泡沫铝材料。图2所示为采用粉末冶金发泡法制得的闭孔泡沫
铝样品。从图2a中可见,孔洞基本呈多边形,孔洞大小、分布均匀。图2b显示了泡沫铝孔壁的结构特
征,可见孔壁连接处为三角形,除连接点处,其余部分厚薄基本均匀[22]。
图2 泡沫铝的显微组织
Fig.2 Micrographs of aluminum alloy foams
2·5 烧结溶解法
烧结溶解法(SDP)是近几年发展起来的一种新工艺,是上述常用方法的一个重要补充。所用原材
料为铝粉和NaCl盐粉,用少量促进烧结底添加剂,工艺过程包括混粉、压坯、烧结和溶盐四个阶段。此
工艺对盐粉底颗粒形状及大小有特殊的要求,因为它将决定最终所得泡沫铝的孔洞形貌和尺寸,典型的
·411·第6期 程慧静,等:泡沫铝的研究现状与应用展望粒径在0·1-3 mm[23]。
烧结溶解法具有可以精确控制泡沫铝的空洞形状、尺寸和孔隙率及其分布等特点,是生产均匀或梯
度微细开孔中密度泡沫铝的有效方法。
目前,国内研制泡沫铝所采用的方法主要有直接发泡法和精密铸造法。在上述众多的制备方法中,
除特殊要求外,作为工业化大生产最有前途的是熔体发泡法。它的工艺简单、成本低廉。由于生产特殊
用途泡沫铝材的需要,粉末冶金法等生产方法也在迅速的发展起来[24]。
3 材料的性能及应用
由于制备工艺的不同,从结构看泡沫铝可分为闭孔结构的泡沫铝和开孔结构的泡沫铝。前者含有
大量独立存在的气泡,而后者则是连续贯通的三维孔结构。泡沫铝的性能主要取决于分布在三维骨
架
间的孔隙特征,即孔的形态和分布,包括孔的类型、孔的形状、孔的分布、孔的结构。结构不同导致的性
能差异,使其具有不同的用途。在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域得到了和
将要得到广泛应用[25]。与传统的金属铝相比,泡沫铝具有如下些特征。
3·1 密度小
泡沫铝是一种轻质功能材料。泡沫铝密度通常为180-480 kg/m3,约为铝密度的1/10、钛密度的
1/20、钢密度的1/30及木材密度的1/3。一般建筑材料采用密度为200-300 kg/m3的泡沫铝材,而用
做消声材料时则用密度为320-420 kg/m3的材料。泡沫铝的密度可在很大范围内变化,目前所能获得
的最大孔隙率可达97%,其尺寸从几个微米到几十个毫米。一般规律是孔隙率越大,泡沫铝的密度越
小。
3·2 耐热性强
泡沫铝具有较高的耐热性。一般铝合金的熔解温度范围在560-700℃,但泡沫铝即使加热到
1 400℃也不熔解,而且在高温下不释放有害气体。以此,在许多场合可以取代发泡树脂或石棉类制品
用做隔热与耐热材料及各种热交换器的芯件。还可用做航天设备的核心材料、高温填料、电磁屏蔽材
料、阻燃器、慢性约束核聚变激光实验中的超热电子抑制材料等[26]。
3·3 通透性好
具有良好通透性的贯通孔泡沫铝可作为过滤材料,从液体或气体中将固体颗粒过滤出去。通常,通
透性随孔径的增加而增加,但它也受表面粗糙度的影响,而且受闭孔数目的的影响较大。可用于各种液
体、气体的过滤器和高温除尘器中。
3·4 刚性强
泡沫铝不具有密实金属那样的延展性,拉伸试验无法测出拉伸率,弹性模量约为铝合金的1/50-
1/100。泡沫铝质脆,与铝合金不同,当发生大的变形时,其蜂窝组织产生破坏,反之,如果蜂窝组织不达
到破坏强度,泡沫铝是不会产生变形的。
3·5 比表面积大
利用泡沫铝的大比表面积,可达到高的换热性,由此它可用做制造加热器和热交换器的良好材料。
另外,也可用做需要巨大表面化学反应的载体,如作为催化剂的载体、多孔电极、充电电池的极板材料、
换热器、能量吸收器和催化剂的载体等。
3·6 隔声性能强
泡沫铝可通过气孔壁的振动来吸收声音的能量,用来消声、去除噪声。一般情况下,通孔泡沫铝的
吸声性能更好。孔的尺寸影响其对整个声波频率范围的吸收性能,孔越小,吸声能力越大。通过改变泡
沫铝孔的尺寸和形状可以获得好的吸声性能。可用于建筑行业中的内外装饰件、幕墙、间壁活动门板,
制造高性能吸声板、隔声墙、各种消声器等[27]。
3·7 具有吸收冲击能量的能力
·412· 鞍山科
技大学学报 第28卷 泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性,也不像高分子泡沫材料具有反弹作用,它有很好的减震性
能,是制造抗冲击部件的良好材料。可用于汽车刹车器、夹紧装置以及航空航天设备中的保护封套和缓
冲器。其阻尼性的大小与气孔孔径的大小有关[28]。可用于升降机和传送器的安全垫、高磨床防护装置
的减震吸能内衬、高精密机床的底座等。
3·8 良好的吸音性
泡沫铝具有独特的孔隙结构必然产生优良的吸声性能,尤其在中、低频率时。这是由于泡沫铝的孔
隙的惯通性、体积膨胀性及孔壁的良好导热性,必将补偿由于声波频率降低、振动衰减及孔壁摩擦阻力
减小所引起的不良吸声性,可使泡沫铝在中、低频率下取得优良的吸声效果,尤其在低于1 000 Hz左右
的频率范围。随着孔径的减小、孔隙率的增大,吸声性能有规律的提高[29]。
3·9 其他性能[30,31]
泡沫铝还具有气敏性、催化性、良好的保温性,同时还具有电磁屏蔽性能,对高频电磁波有良好的屏
蔽作用,能够使电磁干扰降低80%以上。5 mm厚、孔隙率为90%的闭孔泡沫铝,在60-1 000 MHz电
磁屏蔽性能为35-75 db,可用于电磁屏蔽室(罩)、电子仪器外壳、无线电录音室、电磁屏蔽等场合。
由于泡沫铝具有如此众多的特性,预计其在航空航天、电讯及环境保护等新领域中必将有很好的应
用前景。
4 现存问题及今后研究方向
泡沫铝材料出现已经有几十年的历史了,但在研究、制备及应用方面真正有较大进展也只有在近
20年。就目前国内研究现状看,在今后一段时期内泡沫铝的研究将集中在以下几方面:
(1)有关泡沫铝的发泡机理及理论体系还不够完善,对在高温条件下的泡沫铝熔体传热、传质参数
还很缺乏。泡沫铝在制备时具有高温和多相特性,在生产中取样、观测和监测都存在困难,实验手段有
待提高。(2)需要研究出成本低、简单、可靠和稳定的生产工艺,特别是制造量大、市场前景广阔的板
材、块材生产工艺。(3)需要进一步解决气孔均匀问题,优化各种工艺参数和操作条件。(4)进一步研
究泡沫铝的各种性能和影响其性能的诸因素。(5)对泡沫铝的热力学和动力学方面研究还需进一步深
入,将计算机应用于对泡沫铝性能的分析中目前几乎还是个空白。
泡沫铝要与传统材料竞争,进行大规模的生产,并使其在建筑、化工、交通运输、电讯、汽车制造、航
天航空等多种领域得到广泛的应用还有待于科技人员的进一步研究与开拓。
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Actuality of foam aluminum study and expectation to its application
CHENG Hui-jing,ZHANG Chong-min,MIAO Xin-cheng, YUANHao,SUN Wen-gang
(School of Materials and Engineering,Anshan University of Science and Technology,Anshan 114044,China)
Abstract:Because of its porous structure and metallic characteristics,foam aluminum has fine properties such
as sound absorption,cushioning,filter and heat exchange etc.The studying evolvement and main preparation
methods about foam aluminum both domestically and abroad were introduced.Besides,the special structure
and properties of foam aluminum were described.Furthermore,after some existing key problems,such as
preparation,foam mechanics and properties being analyzed,the applications of foam aluminum in each field
were prospected.
Key words:foam aluminum;preparation;properties;application
(Received November20,2004)
·414· 鞍山科技大学学报 第28卷