粉末冶金原理课程设计文献综述泡沫铝的研究进展制备工艺及

《粉末冶金原理》课程设计文献综述泡沫铝的研究进展制备工艺及趋势学生：学号：11 专业：金属材料工程班级：机材A0941 授课教师：宋杰光机械与材料工程学院二O 一一十月文献综述前言随着现代科技和材料科学的发展，新型多孔材料的应用也越来越广泛。泡沫铝是一种在金属铝基体中分布的有无数气泡的多孔质材料，它具有密度小、比表面积大、电磁波吸收性好、能量吸收性好、换热散热能力高、吸声性和隔音性好及优良的流通和过滤分离能力、耐热耐火、无污染、低吸湿性、能回收再利用等【——】优良性能1 3 。在1940s 后期就美国有了对泡沫金属材料的研究，自1987 年日本九州工业技术研究所发明了泡沫铝的生产技术依赖，在世界范围内开始了该领域的研究。目前，日本与德国在研究、生产和应用泡沫铝与其他金属泡沫方面居世界领先地位。我国对泡沫铝的研究始于1980’s 后期，已取得一系列研究成果，但无突破性进展，未形成生产力【4】。泡沫金属材料的制备大体可分为粉末冶金法、渗流铸造法、喷射沉积法、熔体发泡法和共晶定向凝固法等5。目前研究的重点仍集中在制备过程的控制，研究的热点是如何获得稳定高质量的泡沫结构和简化生产过程、降低生产成本；应用的领域从高科技到民用工业，十分广泛【6】。正文一泡沫铝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。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【7】。与传统金属铝相比，泡沫铝有如下优越性：1 、密度小泡沫铝是一种轻质功能材料。泡沫铝密度通常为1 8 0—4 8 0 k g／r n 3 、约为铝密度的l／l 0 、钛密度的1／2 0 、钢密度的1／3 0 及木材密度的l／3 。一般建筑材料采用密度为2 0 0 —3 0 0 k g ／m的泡沫铝材，而用做消声材料时则用密度为3 2 0—4 2 0 k g／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9 7 ％，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。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5 6 0—7 0 0℃，但泡沫铝即使加热到1 4 0 0℃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8 。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。4 、刚性强泡沫铝不具有密实金属那样的延展性，拉仲试验无法测出拉伸率，弹性模量约为铝合金的l／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。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。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9 。7、具有吸收冲击能量的能力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【10】的大小有关。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。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l000 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【11、。】【12、13】9、其他性能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—1000 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。二、泡沫金属的制造方法1 烧结法该方法是以金属粒子或纤维作为原料，经过成形和烧结过程制造多孔质泡沫金属的方法。（1）粒子烧结法把适当尺寸的金属粒子进行成形和烧结的方法称为粒子烧结法。这种方法因制作简便，原料价格便宜，故广为采用。制造这类泡沫金属，主要使用黄铜粉或铁粉，其泡沫体的最大空隙率为50左右，常作为过滤或吸声材料使用，浸油处理后可作为含油轴承材料。（2）纤维烧结法以纤维为原料制作的泡沫金属，过去称为毡状金属，其制造方法与粒子烧结法大体相同。其原料可根据用途的要求，选择长纤维或短纤维。以短纤维为原料时，采用金属型成形；以长纤维为原料时，利用特种编织机制成无纺布状，再通过烧结而成为泡沫金属。在该方法中，作为原材料的纤维初期曾尝试采用金属切屑，其后则采用捆拉法制得的不锈钢细长纤维，最近又开发了高频振动切削短纤维。

2 电镀法该方法是在具有三维网状结构的特殊高分子材料的骨架上，电镀各种金属，再经焙烧除去内部的高分子材料，而制得泡沫金属。这种泡沫金属被称为海绵金属，其空隙率可达到。该方法是制造大空隙率泡沫金属的最为简单的方法。用这种方法制得的泡沫金属富有可挠性，可进行弯曲、切断和深冲等加工。其中，镍和镍合金系的泡沫金属，已在许多方面得到应用。为提高其强度和耐磨性，向这类泡沫金属中压铸铝液的工作也在进行之中。

3 加压铸造法先在型内填充粒子，再采用加压铸造法把液态金属压入粒子的间隙中而制造泡沫金属的方法称为加压铸造法。其中包括：（）溶出法用水溶性粒子作为填充粒子，当加压注入到水溶性粒子间的液态金属凝固后，再用水把水溶性粒子溶出，便可得到金属泡沫体，这种方法称为溶出法。水溶性粒子，大都为氯化钠，而液态金属，则大都为铝及其合金。一般，这种泡沫金属的空隙率最高为65左右。水溶性粒子被封存在内部时，即使进行切

削等二次加工，切削加工表层的孔也不会破坏。（2）多孔质粒子分散法该方法是用多孔性粒子代替水溶性粒子，填充铸型后进行加压铸造而制造泡沫金属。金属凝固后，填充粒子也被封存在内部，故空孔为独立气孔。多孔质的粒子，一般为中空玻璃球、泡沫岩、珍珠岩和多孔质碳粒等。（3）中空三维骨架法把液态金属压铸到有中空骨架三维网眼结构的陶瓷中制造泡沫金属的方法，称为中空三维骨架法。因陶瓷骨架耐热，即使铸入如铸铁这样的高熔点金属，骨架也不会消失，金属液凝固后这些骨架仍残存在金属中，故包围基体金属的陶瓷泡沫金属的内部存在孔洞。这种泡沫金属已做成真空吸附平台用以减小冲击。（4）发泡法通过向金属液中加入发泡剂或吹入气泡使金属发泡的方法称为发泡法。其中包括：①粉末冶金法把金属粉末和发泡剂粉末混匀，并加热到金属熔点以上的温度，使之发泡。这种方法既适于铝、镁等熔点低的金属，又适于像铁、铜那样熔点较高的金属。②无重力混合法该方法是在无重力下的宇宙空间制造泡沫金属的方法。由于无重力，故没有地球上所碰到的气泡浮力、增粘和发泡剂等难题，只要把氩气等惰性气体吹入金属液中便可，美国和日本正在从事这方面的研究。③金属液直接混合法把发泡剂直接加入到金属液中使之发泡的方法，称为金属液直接混合法。这种方法虽然对某些金属尚有困难，但可以说是制造泡沫金属的最基本方法〔14〕。三、泡沫铝材的生产工艺及组织性能1、泡沫铝材的生产工艺制造泡沫铝的方法很多，但从发泡孔的形成原理上可分为三类：（1）金属氢化物发泡法泡沫铝材料在过去之所以未得到广泛而有效的应用，主要是因为其生产成本【15】高质量（孔隙率、孔的形状及各种性能等）不稳定。用粉末冶金法制造泡沫铝材料，首先将铝粉或铝合金粉与少量的发泡剂混匀，如发泡剂为金属氢化物，用量通常不超过1 。将混匀的混合物压制成无残余通（开）孔的密实块体。常用的压实方法有：单轴向压制、挤压、粉末轧制。压实后还要做进一步的加工，诸如轧制、模锻或挤压，以使其成为半成品。然后，将此种可发泡的半成品加热到接近或高于混合物熔点的高温。在加热过程中，发泡剂分解，释放出大量的气体（氢），迫使致密的压实材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。泡沫铝材的密度或其孔隙率可通过发泡剂添加量或其他工艺参数如加热温度、加热速度等调控。可用加工好的毛坯制取形状复杂的泡沫铝零件，方法是：将毛坯置于钢模内，加热、发泡与膨胀成近成品尺寸的零件。制取这种泡沫铝材的大致工艺参数为：纯铝粉或铝合金粉99，氢化钛粉1；在钢容器内20mpa 的压力下，压实成无孔隙的块体；模锻成板块；600oc、700oc 发泡后冷却。如要制备三明治式复合材料，可在泡沫材的外表胶粘金属薄板。若需要纯金属式的连接，则不用胶粘法，而在发泡前用轧制法将加工好的泡沫块体与外层的金属板轧压焊合，如轧制包铝材料那样。粉末冶金法虽然工艺较复杂，但产品质量高，性能稳定，便于商业化生产，德国已用此法为汽车工业提供泡沫铝合金车身板及其零部件。同时可用此法制备形状复杂的近成品尺寸的工件，机械加工量大为减少，制造周期缩短，工件的再现性高。（2）上压渗流铸造法上压渗流铸造法通常是用食盐做渗流颗粒，但由于它含有结晶水，在预热过程中会因脱水而破裂，使本已选定粒度的盐粒成为大小不等的颗粒，从而使泡孔直径变化很大，孔洞不均，还给颗粒溶解带来一定的困难。为此山东工程学院的赵增典等经过研究，筛选一种比食盐

好得多的新型渗流颗粒，具有可耐10000c 的高温不变形、水溶性强、可重复使用等特点。生产时，先将渗流颗粒装入嵌套内，稍加压实后，连同嵌套装于加热炉内，预热一定时间后取出，在外装上钢套，浇注铝熔体，然后迅速盖上加压板，同时施加气压，铝熔体在气压作用下流入颗粒间隙内，冷却后取出，泡于水中，待颗粒溶解后，就可得到所需的泡沫材料。此法的优点为：操作简便、预热时间短、生产效率高、成品率高、设备投资小、可进行机械化工业性生产等等。用此法制备泡沫铝材的成品率大于90，平均孔隙率70。泡孔直径及其形状主要决定于渗流颗粒的相应参数。（3）同轴喷嘴空心球形铝泡制造法此法是用2 根同心的圆管，将其套在一起，铝熔体被套在外管，而向内管通入惰性气体，将铝熔体“吹成”球形泡，其直径为50mm，壁厚50150um。然后将它们加以烧结，以增加其密度和提高其强度。每一个喷嘴生产率为0 个泡/min 这相当于AlSi 合金泡沫，因为它们的熔点低、流动性好、与空气的反应即化学活泼性较低。将制备的球状泡装于容器内，通过烧结时的扩散作用可使它们连接在一起，成为泡沫材料。（4）其他制备工艺斯洛伐克材料与机械研究所和剑桥大学共同开发出一种与IFAM 法相似的制备泡沫铝材的工艺，泡孔断面尺寸仅1mm，且生产成本低廉，所生产的泡沫”为“Alulight（轻质铝），所用的发泡剂为氢化钛或氢化锆粉，把它加到铝熔体内，或把它们与铝粉、铝-硅铸造合金粉、铝-镁-硅铸造合金粉混匀后加热使其发泡，制成泡沫材料。此法生产的泡沫材料具有均匀的孔眼，泡沫的孔隙率高达8090，可用这种材料加工板件与铸件。这种泡沫材料具有“闭式”的泡孔典型密度为5001000kg/m3 易于锯切、钻孔与磨削可以粘接钎焊。2、泡沫铝材的组织与性能（1）泡沫铝材的组织现行的泡沫材料可分为二类：用铝箔制成蜂窝结构式的板块，中间为蜂窝结构，上下面胶粘铝板，通常这类材料价格很高；第二类是真正的泡沫材料，按其制造工艺的不同又可分为“开口式的即连通式的（open cell）”与”“闭口式的即非连通式的（closed cell），前者是用发泡法、导气法（向铝熔体通入空气）与渗流法制造的，泡孔与外界相通，流体可从中通过；后者是由一个个孤立的封闭的金属泡组成，其力学性能比前者高得多。（2）泡沫铝材的性能泡沫铝材具有密度小、有很高的吸收冲击功的能力、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、消声性能好、导热率低、电磁屏蔽性高、电阻大、有过滤能力与毛细管现象、易加工、可进行涂装表面处理、耐候性强等特性，但这些性能的变化与材料制造方法、工艺参数控制等有很大关系。因此，制造性能稳定的泡沫铝材料还是有相当大的难度的，有必要采用高新技术调控工艺参数。易加工、可进行涂装表面处理、耐候性强等特性，但这些性能的变化与材料制造方法、工艺参数控制等有很大关系。因此，制造性能稳定的泡沫铝材料还是有相当大的难度的，有必要采用高新技术调控工艺参数【16】。

四、研究历史及发展前景1、国外泡沫铝技术和产业的发展早在上世纪40 年代后期美国就首先对泡沫铝进行了研究美国人A. S onik在1948 年获得了有关泡沫铝的第一个专利。但由于发泡工艺与泡的尺寸很难控制泡沫铝一直未得到发展和应用。上世纪80 年代初国际上兴起泡沫铝材料研制发现泡沫铝材料具有重量轻、耐热、吸声、隔音、抗冲击、耐蚀等性能又有很强的吸能本领和电磁屏蔽作用在冶金、建筑、机械、交通运输、电子、通讯等方面均具有广泛用途故在国际

上越来越受重视。世界上一些先进的工业国家均在研究这种超轻量多用途的金属材料。上世纪90 年代起民用工业尤其是建筑业已开始组织生产目前日本、美国、德国、加拿大等国已上市供应泡沫铝材。1997 年在美国特拉华州的斯坦顿举办了一次世界范围的泡沫金属生产和应用的学术研讨会吸引了来自科研院所、大学、公司的众多学者参加。1999年第一届世界泡沫金属学术会议M etF oam’99在德国不来梅顺利召开重点是关于泡沫铝的制造和应用。随后世界泡沫金属学术会议每隔两年召开一次，泡沫金属俨然已发展成为一门重要的学科和技术领域。在泡沫铝研究方面较著名的国外单位有加拿大的Cymat 公司、美国的Ethly 公司、日本的九洲工业研究所等。他们都已生产出用于多种用途的泡沫铝材和泡沫铝零件。目前日本的研究进展速度最快不仅将泡沫铝投入了生产并进入了实际应用阶段。例如日本已将泡沫铝用来制作国际观光?谐悼盏鞣⒌缁业母粢羟?并取得了良好效果。日本通产省工业技术研究院九洲实验室制造的泡沫铝型材被用以制作沼津高速公路的护栏等辅助设施。在建筑方面日本将泡沫铝用作咖啡厅、西餐厅、办公室等防止噪音的内装置材料。除此之外泡沫铝还被用来制造汽车的部分零件并取得了良好的效果其应用领域还在进一步扩大。国外的某些公司已实现了较大规模的工业化生产其产品的质量、规模以及生产的连续性都是国内相关单位所无法比拟的。2 国内泡沫铝技术现状我国的泡沫铝研究工作较国外一些先进的工业国家起步较晚近几年来中国铝业股份有限公司郑州研究院、东北大学、东南大学、北京科技大学、吉林工业大学、中国科学院固体物理研究所、中国船舶重工集团公司725 研究所、北京航空材料研究院等十几家单位都在进行泡沫铝的生产方法和发泡技术研究。他们大都已制出部分样品但鲜有工业生产的报道。其原因在于产品的成品率亟待提高、成本还需降低以及生产的连续化此外产品的品种单一一般仅能生产板材。3 泡沫铝材料的用途由于泡沫铝材料具有一系列优良独特的性能它被期望成为一种多功能、多用途材料加以广泛应用。⑴建筑方面可以作装饰材料、屏蔽墙、天花板、地板用泡沫材料既隔音、美观、保温又不燃烧可防火。⑵交通运输方面〔3〕可以做汽车、铁路运输、车辆以及飞机的缓冲部件可以作各种包装箱的材料。用泡沫铝材料既轻又减震缓冲效果比较好。泡沫铝还可用于汽车、火车的箱体及隔墙既隔音又保温。用泡沫铝还可做高速公路护栏、路标牌、隔音壁等。

⑶化工方面具有连通气孔的泡沫铝可用来制作高温液体过滤材料和高温气体隔热、除尘的过滤材料还可作热交换材料。⑷电讯方面目前随科学技术和电子工业的迅猛发展各种电子仪器设备的应用也日益增多。由此而产生的电磁辐射也日益强烈。在计算机房中采用泡沫铝做屏蔽可【】很好地起到屏蔽作用有效地防止信息干扰及泄漏17 。【17】【18】五发展面临问题及应用前景泡沫铝材料从提出到现在已经几十年了主要的研究工作在近20 年中取得了较大进展但它要与传统的材料竞争进行扩大化生产还有待进一步研究。就目前国内情况看今后一段时期的研究将集中在以下几个问题:1）研究成本低、简单、可靠和稳定的生产泡沫铝材料工艺特别是制造量大、市场前景广阔的板材、块材生产工艺。2 进一步解决气孔均匀问题。3 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及其影响因素。5 研究扩大应用范围。由于泡沫铝材具有一系列特异的优秀性能，在一些

部门获得了应用，但其特长远未得到发挥，潜在用途有待开发，特别是在建筑工业与汽车工业中的应用。目前，推广泡沫铝材应用的障碍是价格高，结构、性能稳定性和重现性差。因此，需要开发更加完善的制造工艺。泡沫铝材按用途可分为：吸声材、建材、结构与构造材、电磁波屏蔽材。在第一类应用方面可用作工厂防声墙、机械防声屏、铁路高速公路防声壁、高架道路内面消声、桥梁下面消声、门内消声件、房屋外面消声工事、音响室及需要降低噪声的场合等。主要表现在以下几个领域：（1）汽车工业汽车的轻质刚性结构采用泡沫铝材与三明治式复合泡沫铝材制造盖板、卡车盖与滑动顶板等可减轻重量与提高刚度。德国卡曼汽车公司与夫雷霍弗研究所合作用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车顶盖板，其刚度比原来的钢构件大7 倍左右，而其质量却比刚件小25。此外，还有更高的吸收冲击能与声能的效果。以AFS 制造的汽车的某些零件只有原钢件质量的1/2而其刚度却为钢件的10 倍，保温绝热性能比铝好1 倍，对频率大于800HZ 的噪声有很强的消声能力，还是一种热稳定的阻燃性材料和抗破坏耐用材料，并可以完全回收。（2）航空航天工业用铝箔制的蜂窝结构在航空航天器中获得了悠久而广泛的应用，但生产工艺复杂，制造成本高，泡沫铝材则是其良好的代用品。泡沫铝材具有各向同性、不燃烧、保持结构完整的特点。在制造三明治式材料时，可通过轧制将外面的薄板包覆于中间的泡沫铝上，能免除繁琐的胶接。泡沫铝材在航空航天工业有着相当大的用潜力。（3）建筑与矿山工业建筑设施有许多构件用质轻、刚性大、不燃性的材料制造，或用这类材料作为支持框架。采用泡沫三明治式铝材制造电梯舱可减少其电能消耗，另外，这类板材还有吸储冲击能与高比刚度的优点，所以是取代现行电梯舱面板的理想材料。六、参考文献1刘培生，多孔材料引论M.北京：清华大学出版社，2004：9.2Banhart J. Manufacturecharacterization and applica.