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1  泡沫金屬的性能

 1. 1  結構特征

     泡沫金屬從結構上可分為閉孔和通孔泡沫金屬兩種. 前者含有大量獨立存在的氣孔 ,而后者則是連續貫通的三維多孔結構. 其結構表征參數主要有孔隙率、孔徑、通孔度 比重及比表面積等. 一般來說 ,多孔泡沫金屬材料具有如下幾個結構特征: (1) 重量輕 ,比重小:泡沫金屬是金屬和氣體的混合物 ,比重僅為同體積金屬的 1/ 50～3/ 5 ; (2) 高孔隙率: 一般多孔泡沫金屬的孔隙率為 40 %～90 % ,而海綿狀發泡金屬材料的孔隙率可高達 98 % ; (3) 比表面積大:泡沫金屬的比表面積可達 10～40 cm²/ cm³ ; (4) 孔徑范圍較大:通過工藝控制 ,可獲得的孔徑在微米至厘米級之間.

 1. 2  性能

      影響泡沫金屬性能的因素有: (1) 基體金屬的性能; (2) 相對密度; (3) 孔結構類型(開口或者閉孔) ; (4)

孔結構的均勻性; (5) 孔徑大小; (6) 孔的形狀和孔結構的各向異性性; (7) 孔壁的連接性; (8) 缺陷(如孔壁的不完整性等) ,以上因素中 ,相對密度對泡沫金屬性能的影響最大.

 1. 2. 1  機械性能

 1)  楊氏模量. 開孔泡沫與閉孔泡沫由于結構的不同 ,其楊氏模量值相差很大. 開口泡沫的變形主要是 通過通孔的連接部分進行的 ,閉孔泡沫由于閉孔間存在孔壁 ,所以相同密度的閉孔泡沫其楊氏模量值比開孔泡沫的大幾個數量級 ,孔尺寸、形狀對楊氏模量的影響較小.

式( 1) , (2) 中, E 為楊氏模量,ρ為密度,Φ為閉孔泡沫孔結構中, 孔的連接部分占總實體部分的百分比, 下標 s 表示實體金屬的性能.另外 ,泡沫金屬的變形會引起其孔結構的變化 ,最終導致楊氏模量的變化. 一般地 ,楊氏模量隨應變的增加而減小.

2)  壓縮性能及能量吸收特性.  多孔金屬泡沫一般為韌性的 ,其壓縮應力 - 應變曲線應變嚴重滯后于應力 ,包含一個很長的平緩段 ,是一種具有低、常壓應力下高能量吸收特性的輕質高阻尼及能量吸收材料 ,適合制作輕質、耐高溫、阻燃的能量(如沖擊能量) 吸收器.

 3)  拉伸性能.  由于壁及連接邊的斷裂機制和相互關系的不確定性 ,泡沫金屬的抗拉強度很難估算.一般地 ,其抗拉強度與其壓縮應力應變曲線的平臺應力相當.

 1. 2. 2  電性能及電磁屏蔽性能

 泡沫金屬具有獨特的導電性 ,使之能應用于非金屬泡沫(陶瓷和塑料泡沫) 所不能勝任的導電環境(如電極材料) .

 泡沫金屬的電導性主要與泡沫基體的電導性有關. 然而 ,泡沫金屬的電導率由于: (1) 其中大量非導電孔隙的存在; (2) 基體中的非導電物質(如氧化物) ; (3) 與電壓降方向垂直排列的連接邊和孔壁對電導不起作用等因素的影響 ,比實體金屬的電導率要低得多. 泡沫金屬的電導率與相對密度的關系為:

式中,ρ/ ρ0  -  泡沫金屬的相對電導率;σ/ σ0  -  泡沫金屬的相對密度; Z -  常數,約等于 1 ;t -  常數,約等于 2.

 另外 ,泡沫金屬還具有電磁屏蔽效應 ,有資料表明 ,鋁泡沫(Alulight ) 的電磁屏蔽效果與相同厚度的鋁板材相當 ,并優于相同質量的硅鋼片.

1. 2. 3  熱性能

1)  熔點. 泡沫金屬的熔點與基體材料的基本相同 ,但受泡沫中非金屬相(氧化物、增粘劑等) 的影響 ,

使泡沫金屬的熔點溫度高于理論熔點. 高溫長時的氧化 ,甚至會使泡沫鋁完全氧化為泡沫陶瓷.

2)  熱膨脹系數.  泡沫金屬的熱膨脹系數與基體材料的熱膨脹系數大致相同.

3)  熱導率.  泡沫金屬的熱導率比基體材料的熱導率低得多. 與導電性一樣 ,泡沫金屬的導熱性主要

與泡沫基體的導熱本性有關 ,氣體、輻射、對流的作用較小 ,但其精確計算要比其電導率復雜. 熱導率主要

構成因素有:基體的導熱、氣體的導熱、對流及輻射 ,并受表面氧化物的影響. 通常情況下 ,僅僅考慮基體材

料的導熱 ,常用與相對密度的關系表達泡沫金屬的熱導率.

式中,λ_s - 泡沫金屬的熱導率,λ0 - 基體材料的熱導率,ρ- 泡沫金屬的密度,ρ0 - 基體材料的密度, t - 常數(根據滲透理論, 3 維泡沫取值 2) .

1. 2. 4  聲學性能

 1)  隔音、吸音性能.  控制噪音的方法主要有兩種:隔音和吸音. 泡沫鋁由于密度較低 ,質量小 ,因此 ,在隔音上應用并不理想. 泡沫鋁的吸音特性與泡沫的厚度、密度、孔徑及表面狀態有關. 一般地 ,吸音系數 單一泡沫結構具有較好的吸音效果 ,但比不上玻璃纖維類傳統吸音材料 ,特別是在低頻(1 000 Hz) 以下 ,其吸音系數要低得多. 然而 ,可利用泡沫金屬與其他吸音材料的組合 ,或從吸音結構上進行改進等方法 ,獲得高性能吸音器 ,如 AlSi₁₂泡沫 + 玻璃纖維 + 空氣墊的組合 ,表現出了優越的吸音特性.

在要求吸音、耐高溫、防潮、耐久性環境中 ,泡沫鋁比傳統吸音材料有優勢.

2) 結構阻尼性能. 當某結構的本征頻率與外界聲波或震動頻率發生共振時 ,聲波或震動會被該結構所衰減. 結構阻尼衰減的原因是內摩擦導致的震動能向熱能的轉換 ,產生的熱量通過周圍環境散發. 泡沫

金屬的阻尼特性隨孔壁厚的減小、泡沫結構中的缺陷數量的增多、泡沫中陶瓷相的增加而增大^{[ 12 ]} .

2  泡沫金屬的應用

目前 ,通過現有金屬材料的多孔化以實現高性能、多功能化 ,開發高附加價值的泡沫金屬材料產品受到了廣泛的關注. 泡沫金屬的應用應考慮其“多性能特點組合”的優勢 ,如“低密度 + 能量吸收特性”“、低密度 + 吸音特性 + 耐熱 + 不吸水”等. 多孔泡沫金屬的應用主要有防火和吸(隔) 音板、沖擊能量吸收材料、建筑板(如超輕結構組元 ,三明治結構材料) 、半導體氣體擴散盤、緊湊熱交換器和核心裝置、液流控制裝置、熱交換和熱絕緣器、過濾器、聲音和能量的吸收裝置等. 泡沫金屬在航空、航天、船舶、電子、汽車制造、建筑、包裝、裝飾材料、體育器材等領域中的應用正在不斷擴大中.

2. 1  能量吸收輕量結構應用

閉孔泡沫(如鋁泡沫) 由于制備成本相對低,因此在結構應用上受到了廣泛的關注,如承受較低壓載荷下的能量吸收件等. 理論上講,泡沫金屬由于孔壁上約束的減少 ,在應力 - 應變曲線上 ,有很長的波動平臺段 ,會產生大的塑性應變,具有顯著的能量吸收特性. 然而,實際構件的表現并非如此 ,如在剪切帶中的過早失效 ,以及彎曲導致的拉伸應力下低的拉伸強度等. 令人鼓舞的是 ,已經證明如果能夠在10～1 mm尺度上獲得均勻細小的泡沫孔結構,問題就可以得到解決. 因此,相應的制備技術的研究開發就顯得非常必要和迫切.

多孔泡沫金屬輕質、能量吸收及阻尼性能 ,緩沖器和吸震器是重要的用途 ,如汽車的結構件(防沖擋、門欄、乘員室構件) ;航空儀表的保護外殼 ,航天飛機的起落架;此外 ,還有提升機、轉運系統的安全緩沖器、高速磨床防護罩吸能內襯;活動建筑(房) 等. 也可考慮用于電梯的輕形結構件、包裝材料、泡沫三明治復雜結構機械零件、體育器材、裝飾、水上結構件、太空船結構件等.

2. 2  功能應用

2. 2. 1  生物醫學材料

利用 Ti 或 Co - Cr 合金泡沫與人體的生物相容性 ,可用于人體骨骼或牙齒的替代材料 ,Mg 泡沫也有望作為人工骨頭的材料,多孔 Ni - Ti 形狀記憶合金由于好的機械性能、耐腐蝕性能和形狀記憶效應 ,也可作為人體骨骼的替代物.

2. 2. 2  過濾分離材料

與粉末冶金微孔金屬相比 ,通孔泡沫金屬的孔徑和孔隙率較大 ,可用于過濾液體、空氣或其它氣流中的固體顆?；蚰承┗钚晕镔|. 泡沫金屬過濾器主要用于從液體〔石油、汽油、致冷劑、聚合物熔體、含水懸浮液〕、空氣或其它氣流中濾掉固體顆粒.

2. 2. 3  熱交換器材料

通孔銅和鋁泡沫可作為熱交換器材料. 通孔規則排列的孔結構 ,在不降低熱交換效率的前提下 ,可減小壓力降 ,在微電子等高(熱) 能量領域有廣泛的應用前景.

2. 2. 4  催化載體

由于金屬泡沫在韌性和熱導率方面的優勢 ,是催化載體材料的又一選擇,如將催化劑漿料涂于薄

的泡沫金屬片表面 ,后通過成型(如軋制) 和高溫處理 ,可以用于電廠廢氣氮氧化物(NO _X ) 等的處理.

2. 2. 5  液體的存儲與傳輸

與傳統的粉末冶金材料(如自潤滑軸承) 相比 ,泡沫金屬的液體存儲量更大 ,應用范圍更廣:水的存儲

和緩慢釋放進行濕度控制;香水的存儲和緩慢蒸發等;在壓力的驅動下 ,泡沫中的液體還可作毛細運動等.

2. 2. 6  消音材料、噪音控制

由于成本和效率方面的優勢 ,熔模鑄造法或沉積法制備的泡沫可以取代現有的消音器材料 ,目前已制備出最大直徑100 mm的泡沫消音器.開口剛性泡沫可以用于噪音控制,對閉孔金屬泡沫的噪音控制作用 ,也進行了研究. 半圓柱狀的 Alporas 泡沫鋁和鋼背或混凝土背組成的吸音裝置已開發應用于高速公路橋、地鐵的噪音控制. 泡沫金屬克服了石棉、玻璃棉等消音材料長期使用易老化、吸水后消聲性能下降的缺點 ,耐熱性好 ,在高溫下不釋放有害氣體 ,不吸濕 ,是一種優良的環保型消音及噪音控制材料.

2. 2. 7  電池電極材料

開口的鉛泡沫作為鉛酸蓄電池的骨架 ,取代現有的鉛網格 ,可以減輕電池的重量; Ni 泡沫電極在

可充電 NiCd 或 NiMe H 電池中已有了實際的應用.

2. 2. 8  阻火器

高熱導率的鋁、銅泡沫可以用來阻止火焰的傳播. 據報道 ,開口泡沫可以對傳播速度為550 m/ s的火焰進行有效的攔截.

2. 2. 9  水凈化

多孔金屬可以減少水中溶解的離子濃度. 污水通過通孔泡沫時 ,離子與金屬泡沫的骨架發生氧化還原反應. 如用鋁泡沫對 Cr 離子(6 價) 的凈化.

3  泡沫金屬的性能研究及應用發展

3. 1  結構 —性能關系研究

泡沫金屬是一種結構敏感性材料 ,其力學性能、電磁性能、熱性能都與結構有直接的關系 ,最近的研究

情況及研究方法主要有:

1) B . Illerhaus^{[ 35 ]}等人用320 kV 的 XRD 管 ,采用 3D micro to mograp hy 技術對鋁泡沫和空心鐵球的變形形貌進行了無損測量 ,可以測量泡沫結構分布、平均孔壁厚等 ,類似的 XC T ( Co mp uted X - ray To2 mograp hy) 報道還有文獻等 ,為泡沫金屬變形過程的實時觀察提供了手段.

2)  從有限元(如 ABAQ U S 等) 、邊界元數值模擬角度進行泡沫金屬孔結構(含結構分布) 和力學性能

(如應力 - 應變關系) 的關系、泡沫金屬材料器件的優化設計的研究.

3)  從實體金屬的變形理論出發 ,通過參數的變換 ,用于泡沫金屬的力學性能研究;

4)  從分形理論對結構和性能進行研究;

5)  從微觀、介觀的不同角度對理想和真實泡沫結構和性能進行研究.

因此 ,從孔結構的個體 - 孔單元及不同單元組合出發 ,采用先進的方法手段和理論 ,結合應用對象 ,研

究孔結構、結構分布及其形貌對材料性能及器件使用性能的影響規律 ,對泡沫結構進行優化設計 ,為高性能金屬泡沫及其產品的研制提供理論基礎和依據 ,是目前泡沫金屬性能研究的必然發展趨勢.

3. 2  應用

泡沫金屬的研究開發已有 50 多年的歷史 ,但真正的規?；a業應用并不多 ,國內這一現象尤為明顯.

除了制備技術、性能、成本等因素外 ,泡沫金屬的應用發展應考慮其“多性能特點組合”的優勢 ,可考慮通過

以下方法實現:

1)  數值模擬分析 ,進行材料多功能使用性能的綜合優化設計;

2)  材料性能比較 ,如金屬泡沫與有機泡沫的性能比較 ,進行綜合優化設計;

3) 與實體金屬混用(如泡沫鋁芯三明治板) ,可提高金屬泡沫的力學性能、材料的性能各向同性性及可靠性. 因此 ,需要開發金屬泡沫與實體金屬的連接技術 ,研制低成本一體化制備技術 ,考慮材料的腐蝕、

構件(如汽車構件) 的幾何尺寸及尺寸精度等問題; 4) 開發高性能泡沫及其低成本連續化生產技術 ,提高泡沫金屬的性/ 價比 ,提高金屬泡沫比之于其他

非金屬泡沫(如有機泡沫) 的競爭力;

 5)  采用系統化的新材料新投資評估體系 ,如材料投資方法學 ( IM M ,  Invest ment  Met hodology for  new Materials) ,對可能的應用及投資等進行科學的評估 ,縮短投資開發周期 ,降低風險 ,促進泡沫金屬材料產業化的發展.