1       引言

    泡沫铝是一种新型功能材料, 它是金属铝基体中分散着无数气泡的类似泡沫状的超轻金属材料, 一般孔隙率为 40%~ 98% 。1948 年 Sonik 提出了用汞在铝中气化发泡制备泡沫铝的方法, 随后 Elliot 于 1951 年成功地制备出了泡沫铝。20 世纪60 年代美国Ethyl 公司成为研制泡沫铝的科研中心基地。1991 年, 日本九州工业金属研究所开发出泡沫铝工业化生成的工艺路线, 目前已能用金属发泡法和渗流法生产大型和小型部件。直到今天, 美国、日本、英国、法国、加拿大等国相继研制出了多项技术专利。我国对泡沫铝的制备工艺的基础研究也进行了一些探索性的工作, 并取得了一定的进展。

泡沫铝以其独特的结构而具有许多优异的性能, 它不仅具有多孔材料所具有的轻质特性, 还具有金属所具有的优良的力学性能和热、电等物理性能，如渗透、阻尼、能量吸收、高比表面积、电磁屏蔽等性能。现在, 泡沫铝的应用主要有: 防火和吸音板、冲击能量吸收材料、建筑板、半导体气体扩散盘、热交换器、电磁屏蔽物等方面。可用于冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域, 应用范围不断扩大。

2  泡沫铝的制备方法

2.1 铸造法

铸造法在制造泡沫铝中应用较为普遍，且制备方法较为成熟, 以下介绍几种相关的方法。

2.1.1 渗流铸造法

        渗流铸造法是将高温液态金属铝在一定的压力下渗入填料颗粒的空隙中, 凝固后去除包围在铝合金中的可溶性颗粒, 即得到具有连通孔结构的泡沫铝。此方法又可分为上压渗流铸造法和负压渗流铸造法。上压渗硫铸造法较负压渗流铸造法具强度, 高导电率以及优良的传热性和抗蠕变性的电极材料。

(3)  Al2O3 弥散强化铜电极焊接 1.5mm 厚的镀铝钢板的平均寿命为 7200 点, 能很好地满足彩管防爆带焊接的需求。

有工艺操作简单、预热速度快、生产率和成品率高、安全系数大、设备投资小、便于机械化生产等优点。其中, 填料颗料的选择与处理十分关键, 它具有以下特点: 足够的耐热性, 在浇注温度下不熔化; 足够的强度和刚度, 在渗流压力作用下不会破碎和变形; 良好的去除性, 在铝液凝固后三维孔洞中的填料颗粒, 能用溶剂或水溶液将其完全去除; 化学稳定性, 不与铝液发生反应。这种方法操作简单, 孔隙率平均可达 70%, 便于大规模生产。目前, 渗流法不仅应用于制造泡沫铝, 而且用于锌、镁、铅、锡和铁等泡沫材料的生产,可用于制造复杂形状的零件。

2.1.2  添加球料法

     添加球料法是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, 而得到铝合金与颗粒复合体, 然后溶解去除铝合金基体中的可溶性颗粒, 而得到的一种连通孔泡沫铝。

2.1.3  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, 然后用易于去除的耐火材料冲入海绵状泡沫中, 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, 然后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。

2.1.4  发泡法

 分气体发泡法与金属液发泡法两种。气体发泡法是向熔融的金属熔体内吹入气体而使金属熔体发泡, 发泡用的气体可以是氧气、氩气、空气、水蒸气、二氧化碳等。其技术关键是熔体应具有合适的粘度, 金属的成分应保证足够宽的发泡温度区间, 所形成的泡沫应具有足够的稳定性, 以保证泡沫在随后的收集和成型过程中不破碎。气体发泡法是目前生产泡沫金属最廉价的方法, 泡沫的尺寸范围很大, 泡沫铝制品的孔隙率可达 97% 。金属液发泡法早期采用比较普遍, 主要是向液态铝合金中加入TiH2、ZrH2、CaH2 等发泡剂, 然后加热使发泡剂分解放出气体, 气体的膨胀使铝合金成泡沫状, 然后冷却即得到泡沫铝成品。这种方法制备出来的泡沫铝属于闭孔泡沫铝, 孔的结构及空隙率与金属液的粘度及泡沫化的时间有关, 控制熔化过程中金属液的粘度及泡沫化的时间, 可以控制孔隙率及孔的结构, 但孔洞相互独立、大小及分布不均, 控制复杂。

2.1.5  共晶凝固法

气体在熔融状态的金属中具有一定的溶解度, 并且随压力的增大和温度的升高而增加, 当气体在金属的溶解度达到预定值后, 金属与气相进行共晶凝固而获得所需要的泡沫铝, 通过精确控制冷却条件( 压力、冷却速度、散热方向) 可以获得各种孔隙形状的各向同性和各相异性的高孔隙度泡沫铝^{[ 18]} 。

2.2     沉积法

2.2.1  喷溅沉积法

     喷溅沉积法是采用喷溅技术, 把加有惰性气体的粉末, 均匀地喷射到铝合金金属上, 并加热到金属的熔点, 使加在金属基体中的气体膨胀成孔, 待冷却后即得到具有泡沫结构的泡沫铝。这种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010015%~ 0123% 范围内变化。

2.2.2  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, 因其温度低, 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 015%  。

2.2.3  电沉积法

 这种方法就是把泡沫塑料经粗化处理、敏化和活化处理、化学预镀和化学镀等多个步骤, 将铝覆盖在泡沫塑料上, 然后加热使泡沫塑料分解而得到泡沫铝。其中敏化与活化处理两道工序起着非常重要的作用, 敏化处理是使粗化后的零件表面吸附层有还原性的离子, 以便在离子活化处理时, 使零件表面形成一层具有催化作用的贵金属层, 从而使化学镀能自发地进行, 使泡沫塑料成为半导体, 进而促进电镀铝的成功进行。这种方法制备出来的泡沫铝的孔洞连通性好、分布均匀、孔隙率大, 但制品厚度有限, 成本较高。

2.2.4  熔融盐电镀铝

熔融盐电镀铝是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。

2.3     粉末冶金法

2.3.1 粉体发泡法

粉体发泡法是混合铝粉与一种发泡剂(TiH2) , 在一定温度下轴向压缩, 得到具有气密结构的预制品, 加热预制品使发泡剂分解释放出气体, 迫使预制品膨胀而得到泡沫铝的一种方法。混合、压制和发泡是粉体发泡法的三个重要环节, 同时调整发泡工艺中的参数( 发泡剂用量、发泡温度、发泡时间) 可以得到不同孔结构的泡沫铝。

2.3.2  粉浆成型法

粉浆成型法是将金属铝粉、发泡剂( 氢氟酸、氢氧化铝或正磷酸) 和有机载体组成悬浮液, 将其搅拌成含有泡沫的状态, 然后将其置入模具中并加热焙烧, 可以得到固态的具有多孔结构的金属铝。这种方法最初用于制作发泡 Be、Fe、Cu 和不锈钢材料,后来也用于生成泡沫铝。但产品强度很低。

2.3.3  粉末成型法

 粉末成型法是将金属铝粉与发泡剂( TiH2) 混合, 经冷或热压力成型, 然后进行烧结成泡沫铝的一种方法。它具有两个重要的优点: 其一是可用于比其它方法更为广泛的合金成分, 由此控制泡沫铝的力学性能; 其二是可以直接制造三维尺寸、形状复杂的部件, 已经制造出了三明治形的泡沫铝, 以及泡沫铝填充的涡轮机结构件

2.3.4  散粉烧结法

散粉烧结法的原理是细小的颗粒在相互接触的情况下, 通过表面张力作用可相互粘结, 将这些细金属铝粉放到模具内进行烧结, 颗粒相互粘接而形成多孔的烧结体。这种方法也可用于生产过滤器, 孔隙度一般为 40%~ 60% 。

2.3.5  浸浆海绵烧结法

 在粉末冶金中, 海绵状的材料也可作为生成高孔隙率、均匀的发泡金属铝材的暂时性支持结构。将海绵状的有机物质切成所需要的形状, 然后用含有待加工的金属铝粉的浆液渗透( 悬浮液的载体是水和有机液体) 。将浸后的海绵状有机物干燥以除去熔剂, 冷却后即可得到高孔隙率的三维结构的发泡金属铝。该法还用于生产孔隙度达 70% ~ 90% 的泡沫银板。

2.3.6  纤维烧结法

 此法所用的金属铝丝是通过机械拉拔或其它方法得到的金属丝, 通过粉浆浇注或机械制毡圈的方法将金属铝丝制成毡圈, 然后进行烧结使之达到所需要的强度和孔隙率。这种方法制备的多孔泡沫铝具有相当杰出的优点: 可获得比粉末烧结更高的孔隙率, 可达 95% ; 气孔全部为相互贯通的连通孔; 在最大的孔隙度下仍然保持了材料的结构性能; 在相同的孔隙度下, 强度、韧性比粉末冶金法高出了几倍。还可以用于制造各种金属过滤器, 如不锈钢、铜、镍、镍铬合金等。

2.3.7 烧结溶解法

烧结溶解法是近几年来发展起来的一种制造泡沫铝的新方法。是将铝粉与填料颗粒通过混合、加压、烧结、溶解等工序来制取通孔泡沫铝的一种方法。具有可以精确控制孔洞形状、尺寸和孔隙率及分布等特点, 具有较好的质量价格综合指数。是生产均匀或梯度微细开孔的中密度泡沫铝的有效方法, 所制泡沫铝在吸能、吸音等领域有着广泛的应用前景。

3        泡沫铝的性能及应用

 从结构上泡沫铝可分为闭孔结构的泡沫铝和开孔结构的泡沫铝两种, 前者含大量独立存在的气泡, 而后者则是连续畅通的三维孔结构。泡沫铝的组织形貌特征, 包括孔的结构( 开孔或闭孔) 、相对密度、孔的大小、孔的形状、孔壁的厚度、各向异性等, 这些特征可借助于光学显微镜、扫描电镜、X 射线断层造影术进行分析研究, 在这方面研究发展较为迅速。由于结构不同, 其性能有很大差异, 故具有不同的用途, 与传统的金属铝相比较, 泡沫铝因具有如下一些特征, 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广泛的应用。

3.1     密度小

     由于泡沫铝是在铝基体中存在大大小小的气孔,因此它具有较小的密度。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%, 其孔隙尺寸从几个微米到几十个毫米, 一般规律是孔的尺寸越大, 泡沫铝的密度越小。可用于包装箱, 尤其是空运集装箱。

3.2     耐热性强

     泡沫铝具有较高的耐热性, 即使达到合金的熔点也不熔解, 一般铝合金的熔解温度范围在560~ 700 e , 但泡沫铝即使加热到 1400℃也不熔解。而且在高温下不释放有害气体, 在许多场合可以取代发泡树脂和石棉类制品作为隔热与耐热材料及各种热交换器的芯件。

3.3     通透性好

   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, 通透性随孔径的增大而增大, 但也受表面粗糙度的影响, 开孔结构的泡沫铝具有高的通透性。可用于制作各种液体、气体的过滤器。

3.4     比表面积大

     利用泡沫铝的大的比表面积, 达到高的换热性, 因此, 它是制造加热器和热交换器的良好材料, 另外, 也可用其作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。

3.5     隔音性强

    泡沫铝可以通过孔壁的震动来吸收声音的能量,可以用来消声、除去噪音。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, 吸音能力越大, 通过改变泡沫铝孔的尺寸和形状可以获得高的吸音性能。其可用于建筑行业中的内外装饰件、幕墙、间壁活动门板,制造高性能吸音板、隔音墙、各种消声器等。

3.6     具有很高的吸收冲击能量的性能

     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、加紧装置、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。可用于升降机和传送器的安全垫、高速磨床防护装置的减震吸能内衬、高精密机床的底座等。

 3.7     力学性能

 泡沫铝的力学性能主要由其密度决定, 但孔的尺寸、结构与分布同样是决定力学性能的重要参数。泡沫铝在压缩应力作用下, 材料经初始弹性变形后, 进入应力曲线平台, 即泡沫铝开始破裂, 在泡沫破碎阶段应力基本保持不变, 经过大量的塑性变形后泡沫已经全部破碎, 材料进入密集化阶段, 应力迅速增加。泡沫铝的杨氏模量与剪切模量都随密度的增加而增加。

3.8     电磁屏蔽性能

      泡沫铝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。5mm 厚、孔隙率为 90% 的闭孔泡沫铝, 在 60 ~ 1000MHz 电磁屏蔽性能为 35 ~ 75dB , 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。

 3.9     其它性能

   泡沫铝还具有气敏性、耐火阻燃性、催化性等。泡沫铝的导电性能受相对密度的影响比较大, 而孔径的大小对导电性的影响不大。预计在航空航天、电讯及环境保护等新型领域中有很好的应用前景。