新材料的发展是新时代技术革新的关键, 为保护环境、节约能源提供了新的途径 ,与国民经济和现代化建设有着密切的联系。泡沫金属材料既具有一般多孔材料所具有的轻质等特性 ,又具有优良的机械性能和热、电等物理性能 ,并且比聚合泡沫更易于再生, 扩大了多孔材料的应用范围。近年来 ,新工艺发展使得泡沫金属的质量大有好转,而且新材料的应用条件也改变了很多, 人们对泡沫金属尤其是泡沫铝合金的发展开始感兴趣。例如 :在汽车工业里, 由于安全和保护环境方面的日趋增加的需求 ,人们开始考虑利用泡沫金属。

1    泡沫金属制备工艺及其发展

泡沫金属的制备工艺从聚合泡沫的制备得到启发, 并由于其独特的金属性能而得到更大的发展。泡沫金属根据其内部孔隙结构的不同可分为通孔和闭孔两种 ,其制备方法可归纳为 :

泡沫金属分为：

1、 闭孔泡沫金属分为熔体发泡法、粉体发泡法、加中空球料法、溅射喷镀法。

2、  通孔泡沫金属分为渗流铸造法、熔模铸造法、烧结法、镀覆金属法。

1．1       闭孔泡沫金属的制备

1 .1.1    熔体发泡法

该法的原理是在金属液中加入发泡剂, 使其受热产生分解, 在溶液中形成气泡 , 然后冷却凝固。

其缺点是发泡过程难以控制 , 溶液中的发泡剂分解产生气泡, 气泡逐渐上浮并在上浮过程中合并长大, 引起制品中气泡分布不均匀且局部气泡尺寸过大。

解决此问题的方法有^[ :(1)高速搅拌 ,使发泡剂充分分布在金属液中;(2)增加溶体粘度, 阻止气泡的上浮运动 , 进而提高发泡剂在熔体中的均匀分布。增加粘度的方法有非金属粒子分散法、加入合金元素法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金属液中吹入空气、氧气或水蒸气并搅拌, 使在短时间内生成氧化物 ,此方法效率较高, 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,搅拌使熔体中生成大量细微的氧化物固相质点, 从而增加熔体粘度 , 此方法比熔液氧化法简单。

熔体发泡法对发泡剂的一般要求是:发泡剂与熔液混合均匀前应尽可能少分解 , 在停止混合至开始凝固前的一定时间间隔内要充分分解并有足够的发气量。目前 ,国内外一般采用金属氢化物 ,TiH2 或 ZrH2 作为发泡剂。日本有采用火山灰作发泡剂制得泡沫金属的报道, 其发气起始温度比 TiH2 低, 且发气量比 TiH2 小 , 但价格较便宜。

熔体发泡法制备泡沫金属的过程有:熔体增粘处理、泡沫化、均匀化和凝固过程。后三个过程同时进行 ,受许多工艺因素的影响 ,在实际操作中很难控制。其发展的方向是引入计算机模拟技术,用以处理实物研究中难以解决的问题。

1 .1.2    粉体发泡法

粉体发泡法制备工艺如图 1 所示。首先混合一定比例的金属粉末和发泡剂粉末, 压实得到密实的预制品 ,然后在基体金属的熔点附近进行热处理 ,使发泡剂分解 ,释放出的气体迫使压实的预制品膨胀成为泡沫金属。

发泡剂粉末和金属粉末通过混合、压缩、预制品、发泡、制品。

粉体发泡工艺的关键是压实工艺的选择, 可分为冷压和热压两种。

冷压法要求有两次压缩过程来破坏金属颗粒的氧化膜使其联结在一起 ,此工艺成本高,只能利用挤压法, 且要求发泡剂的分解温度高于压实温度。

目前 ,国外采用热压工艺 ,主要有轴向压缩和挤压 , 前者适用于实验室 , 而后者适用于工业应用。在压缩过程中要保证:(1)温度要足够高, 使金属颗粒之间的联结主要靠扩散作用形成;(2)压强要足够大,防止发泡剂在发泡之前就分解 ,这样得到的预制品中,金属颗粒彼此联结,密封了发泡剂气体粒子。因此, 可以利用分解温度低于压实温度的发泡剂 ,并且只有一次压缩过程 ,降低了成本。

粉体发泡法的发泡剂选用范围比较广, 可以利用金属氢化物,如 TiH2 或 ZrH2 ;碳酸盐, 如Ca- CO3 、Na2CO3 ;K2CO3 ;氢氧化物:如 AL(OH)3 和一些容易挥发的物质 ,如水银混合物、粉碎的有机物质等。日本、德国利用 TiH2 成功地制取了内部为孔隙结构而表层致密的泡沫金属复合结构。

粉体发泡法比熔体发泡法实际操作容易控制,合理选择发泡参数(发泡时间和温度),可以得到不同密度值的泡沫金属。

1 .2   通孔泡沫金属的制备

1 .2.1       渗流铸造法

将液态金属渗入可去除的填料颗中的渗流铸造法是目前国内外制备泡沫金属的重要方法。

渗流铸造法中预制型的制作对最终产品的质量有着直接的影响 , 填料颗粒能否被除去是制得通孔的关键,要顺利除去填料颗粒 ,必须使其处于连续的状态 ,通常采用两种方法:(1)将填料颗粒松散装入型腔中,加压使颗粒联结。(2)将颗粒加粘结剂和水混匀后填入石墨中紧实 ,然后焙烧,此工艺得到的预制块孔隙形状圆滑, 互相连通 ,但工艺较复杂。日本采用 NaCl -KCl 盐粒烧结的方法制得预制块 , 国内一般采用 NaCl 盐粒子作为填料颗粒。

渗流铸造法采用加压的方式使熔液渗入, 加压方式有 :固体压头加压法、气体加压法、差压法、真空吸铸法(如图 2 所示)。差压法和真空法可以得到高质量的泡沫金属 ,因为在压力下金属液的渗流距离比较长,结晶出的金属骨架比较致密,使得泡沫金属具有较高的机械性能, 缺点是需要一套抽气/真空系统及一套上下罐体。

渗流铸造法中若不除去填料颗粒 ,可以得到所需的复合结构,日本用此法制得了SBAC 制品。

1 .2.2 熔模铸造法

该法与渗流铸造法所不同的是预制型的制作,使耐火材料充入泡沫海棉中,风干、硬化、焙烧后使海棉分解 ,可形成三维网状的预制型,浇入液态金属,凝固后除去耐火材料 ,即可获得通孔泡沫金属。

目前, 日本和国内太原重型机械学院均用此法成功制取了泡沫铝试样 ,此方法制得的试样对母体材料具有继承性, 孔隙三维贯通、结构均匀,并不受材质、形状和大小的限制,能提供制造各种用途的通孔泡沫金属 ,缺点是金属骨架强度低 ,工艺较复杂。

2    泡沫金属的性能研究

泡沫金属由于其多孔结构而表现出一些有趣的特性,综合了基体金属和其结构的性能。

作为结构材料 ,泡沫金属的机械性能主要取决于其密度和基体金属的性能。例如 , 密度高的泡沫金属其压缩强度也高 ,而基体强度高的泡沫金属其压缩强度也高。

这些性能通常符合一条规律:

A(ρ)=c ×ρⁿ 式中:A ——— 性能指标;c——— 常数 ;ρ——— 密度; n ——— 指数(通常为 1 .5 ～ 2)。

作为功能材料, 其具有吸声、过滤、隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等各种物理性能。

其中, 研究最多且用途最广的是泡沫金属的吸能性。

到目前为止 ,聚合泡沫和蜂窝结构是用于吸能的主要材料, 而通过选择基体金属、孔隙结构或破坏的情况下可以吸收冲击能, 所以可被用做为吸能器和包装材料。同有机泡沫材料相比 ,如果需要较高的破坏应力 ,并要求能吸收同样或更多的能量 ,泡沫金属很有优势。

泡沫金属的压缩变形特征 ,可以看出 ,应力 —应变曲线中有一很长的平稳段 ,具有平稳的变形应力, 因此比处在同一水平的致密金属吸收的能量多。其被吸收的能量大部分转化为不可逆的塑性变形能量 ,而处于同一应力水平的致密金属将发生线性弹性应变, 去除载荷后将释和密度值来控制变形特征 ,可使泡沫金属成为理想的吸能材料。由于泡沫金属在不达到最大应力放出所吸收的能量。

泡沫金属有吸能率为在压缩变形过程中, 变形量为 s 时实际吸收的能量与理想吸能器所吸收

∫^sF(S′)dS′

的能量之比:η= ⁰_{Fmax (S )S}

式中 :η——— 吸能率;S ———变形量 ;Fm ax(S)———变形量为 S 时的最大力。

由于材料在压缩时的应力是变化的, 所以吸能率在变形过程中也是变化的, 并与压缩曲线的性质有关。密度和合金成分合适的泡沫铝在变形达到 60 %时 ,吸能率可以达到 90 %。密度、孔隙结构、孔隙均匀性影响着压缩过程中的平稳线的长度。从图 3 可以看出 ,在应力应变曲线中平稳段的未端 ,吸能率随变形时量的增加而减小 ,所以最好在此时对泡沫金属加载, 可使吸能率最大。

吸能率是选择吸能材料的一个有利参数, 然而光靠吸能率是不够的 ,还要考虑泡沫金属的吸能能力。

泡沫金属的吸能能力是密度的函数 ,图 4 所示为泡沫金属在变形量 S 为 20 %、40 %和 60 %时单位体积所吸收的吸能量 ,可以看出,吸能能力随密度增大而增大。

3    泡沫金属的应用情况

用途取决于性能 ,泡沫金属优良的性能, 决定了其具有广泛的用途。

目前, 泡沫金属的一些性能在日本得到了一些应用。例如 ,泡沫铝的吸音性能被用在北海道观光列车的发电室、工厂的降噪装置, JR 新干线的列车座位利用了泡沫铝的复合结构 ,而且泡沫表面的独特的装饰性也被用在建筑业。

通孔沫金属被用做过滤材料、热交换器、过滤器和催化剂载体 ,也被用做电极材料。

泡沫金属在交通运输行业中将占据重要地位。例如在汽车工业中, 由于日趋增加的安全、舒适和环境保护的需要而使得汽车的重量逐渐增加,相应增加了燃料费用。而利用轻而硬的泡沫金属结构 ,有利于减轻汽车重量。

泡沫金属的吸能性能可以使汽车、火车的碰撞中变形得到控制, 这个性能还可以用做减震器,用于卡车座的保护装置、容易被扭曲和压缩的柱座和其它一些部件。

在汽车制造中 ,使消音器材既隔音又耐热也是一个很突出的问题 , 利用通孔泡沫金属就可以很好的解决 ,不必再使用例如铝板和聚合泡沫的组合的一些组合材料。而泡沫金属的降噪、吸音可以很好地保护环境。

泡沫金属在建筑业中也有广泛的用途, 它非常有助于减少电梯的能量消耗。现代的电梯由于它的高频的加速和减速 ,利用轻型结构是一个很有利的方法。

在建筑业中 ,也可利用粉体发泡法泡沫金属的预制型性能。例如 ,在混凝土墙中固定插座 ,在塞进插座前,先把一片预制铝材塞进孔中,然后加热使其膨胀,若泡沫铝的密度足够大,生成的泡沫将会使插座和混凝土紧密联结。

泡沫金属还有一些特殊用途 , 例如:以金、银为基体的泡沫金属外观美丽、以金、银为基体的泡沫金属外观美丽, 可考虑用做珠宝的潜在的新材料;对钢、钛等金属发泡技术的开拓 ,使得可以利用这种材料的耐高温、高强度和其它性能,例如泡沫钛由于它的极强的物质适应性可用于修复术。

泡沫金属可以进行切削加工及压力加工, 可用粘结和压制的方法制成用途更为广泛的夹芯结构等。

泡沫金属发展至今, 在制备工艺方面取得了重大进展 ,但也只是局限在实验室范围内,还没有完全达到工业应用的需求 ,而且相应的基础理论研究也还有许多不足之处。

今后泡沫金属的发展首先应该加强基础研究,通过多学科渗透的基础研究指导制备工艺的发展 ,同时应注意基础研究、制备与应用相结合,使泡沫金属的性能得到充分、广泛的应用,为社会的发展、科学的进步作出贡献。