多孔泡沫金属材料的性能及其应用
摘 要:多孔泡沫金属是一种在金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的孔洞的金属材料.由于其结构特殊,因此具备了多方面的特殊性能。作为结构材料,它具有轻质、高比强度的特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能,因此在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用.本文对这种多孔泡沫金属材料的性能及其应用进行了较为全面的介绍。 关键词:多孔泡沫金属;性能;应用
0 多孔泡沫金属是近几十年发展起来的一种功能材料,对其概念或分类学术界不尽统一,但基本上有如下定义方式:多孔泡沫金属是一种金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料.概括起来,主要有如下分类方式:(1)按孔径和孔隙率的大小分为两类:多孔金属和泡沫金属.孔径小于013mm,孔隙率在45%～90%的,称为多孔金属(porousmetal);而孔径在015～6mm,孔隙率大于90%的,称为泡沫金属(foammetal);(2)按孔的形状特征进行分类:具有通孔结构的称为多孔金属,具有闭孔结构的称为胞状金属(cellu2larmetal).但用得最多的是多孔金属和泡沫金属,且多数作者都将两者视为等同的概念.目前更为合适的名称为多孔泡沫金属(porousfoammetal)[1-3].多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料,正是由于这种特殊的结构,使之既有金属的特性又有气泡特性,综合表现为能量吸收性(如吸音、减震等)、渗透性、阻燃耐热性、轻质等,故一直被期望用于建筑材料、吸音材料、减震材料、过滤器材料、电池电极材料等方面.如果在气孔结构的工艺控制、短流程连续化工业生产等关键性技术方面取得突破,多孔泡沫金属材料将为金属材料及其它相关领域带来革命性进展
1多孔泡沫金属材料的结构特点[4]泡沫金属的孔径一般较大,011～10mm或更大(一般粉末冶金金属孔径不大于0.3mm)。孔隙率较高,一般随其种类不同而不同,在40%～98%的范围内变化。直接发泡法制作的泡沫金属,孔隙率在40%～60%左右,而通孔的海绵态泡沫金属的孔隙率可高达98%。随孔隙率的提高,泡沫金属的密度降低,泡沫金属的密度低,一般只有同体积金属的1/10～3/5。它的比表面积则较大,为10～40cm2/cm3。例如孔隙率大于63%的泡沫铝合金,其密度可达1以下,能够浮于水面上.
2 多孔泡沫金属的性能及其应用泡沫金属材料的性能主要取决于气孔在基体材料内的分布情况,包括气孔的类型、形状、大小、数量、均匀性、以及比表面积等.多孔泡沫金属材料自问世以来,作为结构材料,它具有轻质、高比强度的特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能[5];因此它在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用。
2.1 渗透性能及应用渗透性是高孔隙率材料在过滤、液-液分离、噪声抑制等方面的关键性能。泡沫金属中闭孔的数目对渗透性的影响较大,只有那些具有通孔结构的泡沫材料才有渗透性能,另外,渗透性还与孔径大小、孔的表面光洁度、渗透物体的性质(如黏度、流速)、渗透压力等因素有关.因其多孔性可将其应用于化学过滤器(如滤掉液体、气体中的固体颗粒等)、供净化水使用的气化处理器、自动加油的含油轴承、带香味的装饰品等。通过对泡沫金属孔结构(如孔隙度、孔径大小、通孔度等)的调整,可以获得不同透过性能要求的泡沫金属材料。
2.2 消声减震性能及应用[6-8]具有通孔结构的泡沫金属材料,当有声波或机械振动波进入时,孔内介质(一般为空气)在声波作用下产生周期性的震动而与孔壁摩擦形成摩擦热,孔内介质在声波作用下发生压缩─膨胀形变也使部分声能变为热能,这种能量转换是不可逆的,对消声起主导作用;另外,泡沫材料本身也可以因弹性震动而消耗一部分声能;又由于泡沫材料具有的特殊结构,使其具有改变声源特性的功效,可以使难以消除的中低频段噪声峰值移向高频段,这些特征均为采用常规手段进一步降低气流噪声提供了有利条件。与其它的消音材料
相比,泡沫金属具有其它材料无法比拟的优良性能。首先,可耐高达780℃的高温,且受热时也不会释放有毒物质,非常有利于环境保;其次,其刚性很大,可制成独立的消音板材;第三,不受潮,不易污染,即使受到污染也很容易清洗,即可恢复原貌;第四,回收再生性强,对资源的有效利用与保护环境极为有利,且由于它是一种超轻型材料,便于运输和施工与装配。利用这些性能特点可以制作各种环保消声材料。一般来说,泡沫金属孔隙率越高,孔直径越小,消声减震性越好。其消声能力虽不及玻璃棉、石棉等,但后者存在长期使用易老化、吸湿后消声能力下降等缺点,而泡沫金属材料具有不燃烧、重量轻、强度较高等优点,是相对优良的消声减震材料。国外泡沫金属材料在吸声方面也有较多的应用,日本在泡沫金属的应用上取得了一系列的成果,用它生产列车的发电室、工厂的降噪装置。由于对频率大于800Hz的噪声有很强的消声能力,可用它来生产空压机的消声器材,另外还可用它来生产公路的防声壁、工厂的防声墙、机械防声屏、门内消声件、影响室及需要降低噪声的场合等等。在国防领域的武器装备中还可以制作鱼雷的隔音板,减小鱼雷的噪音。利用其减振、阻尼性能,做缓冲器、吸振器,例如宇宙飞船的起落架、升降机传送安全垫、各种包装箱,特别是空运包装箱,机床床身、底座、减小齿轮振动和噪声的阻尼环、高速磨床吸能内衬。
2.3 电学性能及应用[9]泡沫金属由金属骨架孔隙所构成,组织极不均匀,应力-应变曲线中含有一段很长的平台区,因而它是一种具有很高能量吸收特性的高阻尼材料,如果在孔中填充入高分子聚合物,其阻尼特性更高.阻尼特性随比表面积的增大(小孔径,高孔隙率)而增大.海绵泡沫金属材料由于具有粗细均匀的三维骨架结构,没有烧结多孔金属材料的那种缩颈现象,因此它的导电率要比同样孔隙率的烧结多孔金属材料大。在能源材料方面,随着能源危机及绿色革命的兴起,以太阳能电池和电动汽车电池为龙头的开发研究必定为化学电源的发展带来新的契机.轻量化、高比能、高吸收转化率的电池材料的开发成为这一发展的关键,烧结多孔电极存在孔隙率不高、活性物质利用率低、电极强度不够、电极制造工艺复杂等不足,采用更高孔隙率的泡沫金属材料作为化学电源电极的结构材料,应该是化学电源的一次革命.
2.4 热传导性能及应用泡沫金属材料孔隙中存在有低导热系数的空气介质,其导热性随着孔隙率的增加而呈指数下降的趋势,一般的金属或合金的导热系数为10W～300W/m.K,而多孔泡沫金属材料的表观导热系数为金属或合金的011～0101倍。泡沫金属材料的导热系数介于金属材料与隔热材料之间,闭孔结构的绝热性能优于通孔结构。具有通孔结构的泡沫金属置于流动的空气或液体之中时,由于其大的表面积、复杂的三维流动,使之具有很好的散热能力,在自然对流的条件下,在一定范围内增大孔径、孔隙率均有利于提高对流换热能力。因其散热性能优异,已用其制作了散热器等部件。
2.5 耐热抗氧化性能及其应用[10]泡沫金属一般有高的耐热性能,即使温度达到基体合金的熔点也不溶解,例如,ALMAG合金的使用温度范围为560～640℃,但是ALMAG合金的泡沫合金在大气中加热到1400℃也不溶解。烧结多孔金属材料由于是以粉末为原料烧结而成的,容易在颗粒之间产生腐蚀、氧化,而海绵态泡沫金属材料具有光滑的骨架表面、均匀的材质,所以它具有与无孔金属大致一样的耐热抗氧化性能[11]。在建筑业中使用的材料要求具有良好的绝热性能,泡沫金属材料在这一方面要比泡沫塑料或其它的复合材料优秀的多。因其具有轻质、耐热且不易燃烧的特点,所以在房屋建筑中用它来制作室内外装修与天花板的材料,可有效防止意外火灾中造成的巨大损失。其它方面的应用也在日趋发展。由于泡沫金属在韧性和热导率方面的优势,是催化载体材料的又一选择[12],如将催化剂浆料涂于薄的泡沫金属片表面,后通过成型(如轧制)和高温处理,可以用于电厂废气氮氧化物(NOX)等的处理.
2.6 抗冲击性能及其应用泡沫金属材料具有独特的网状、无方向性多孔结构,而又无反弹作用。多孔性特征使它具有特殊的压缩应力─应变特性,从而具备了优良的吸能性能,相应的抗冲击性能也就优于其它材料。泡沫金属材料在受到外界压力时存在三个变形阶段,即弹性变形阶段、脆性破碎阶段和紧实阶段,因而当泡沫金属材料受到冲击时,应变强烈滞后于应
力[13]。在弹性变形阶段,泡沫金属因受到外界压力而发生弹性变形,变形的主要部分为它的骨架部分;而在脆性破碎阶段,当外界压力超过它的弹性承载能力时,极易发生骨架破碎,在此阶段,应力增加不大而应变却因骨架的破碎迅速增加;在紧实阶段,由于骨架的破碎而被挤压到一起,此时泡沫金属实际上成为实体金属,当应力增加时,应变基本上没有太大的变化。泡沫金属材料有理想的冲击吸收性能,根据密度的不同,泡沫金属的吸能能力可达490KJ/m3～3430KJ/m3,所以这种材料是一种有效的防撞与防震材料,在精密仪器包装中具有非常好的应用前景[14]。
2.7 电磁屏蔽性能及其应用的电磁屏蔽性能远比纯铁、含铜粉涂料的优良,泡沫铝对电磁波具有优良的屏蔽作用,特别是对高频电磁波的屏蔽效果更好。由于它具有这种良好的屏蔽性能,用它可以建造电子装备室、电子设备等。日本用KEC法测定ALPORASRCO5泡沫铝的屏蔽效果,结果发现它的屏蔽作用远高于导电性涂料与导电性材料。因其优异的电磁屏蔽性能,已将其用于制作电子仪器外壳和电屏蔽室等结构。
2.8 高比强度性能及其应用[15]由于在金属基体中存在许多大大小小的孔隙,因此使这种材料明显有重量轻。密度低的特点。泡沫铝的密度范围在012～015g/cm3,其平均值只有铝的1/10。泡沫金属材料具有轻质、高比强度的优点,可用其制作浮水器、运动器材(如雪橇等)、航空航天飞行器的相应零件。据有关资料报道,用多孔泡沫金属材料制造飞行器,不但有减轻重量、节省能源的好处,而且还有一个优点,即当空间站结束其使命时可以让它重返大气层,在大气层中迅速彻底地燃烧,化成气体,减少空间垃圾。
2.9生物医学材料利用Ti或Co-Cr合金泡沫与人体的生物相容性,可用于人体骨骼或牙齿的替代材料,Mg泡沫也有望作为人工骨头的材料[16],多孔Ni-Ti形状记忆合金由于好的机械性能、耐腐蚀性能和形状记忆效应,也可作为人体骨骼的替代物[17].
3 前景展望
泡沫金属虽然已有近50年的历史,但是对泡沫金属的研制和开发大都以轻金属为对象,尤其以泡沫铝的研究最为广泛。这是由于铝及其合金熔点低、铸造性能好、金属液易处理等特点。另外可以制作泡沫金属的材料还有Cu、Zn等低熔点金属及其合金,但这些材料远不如泡沫铝的研究开发进行的广泛。从目前发展现状来看,多孔泡沫金属材料尽管在一些部门得到了应用,但只局限在部分性能的应用方面,而大部分的优良性能仍然没有开发出来。另外许多开发利用仅仅局限在实验室范围内,还没有完全达到工业应用的需求,要在大量的生产实际中广为应用,还需要进一步的深入研究与开发。 参考文献:
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