金属多孔材料的研究现状与发展前景

金属多孔材料的研究现状与发展前景 摘要：介绍了金属多孔材料的制备方法、应用、发展方向以及前景。 关键字：金属多孔材料；制备方法；应用

1 引言 金属多孔材料是一类具有明显孔隙特征的金属材料(孔隙率可达98%)，由于孔隙的存在而呈现出一系列有别于金属致密材料的特殊功能，广泛应用于冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、核技术和生物制药等工业过程中的过滤分离、流体渗透与分布控制、流态化、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆等，是上述工业实现技术突破的关键材料。 近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。金属多孔(泡沫金属)材料是20世纪80年代后期国际上迅速发展起来的，是由刚性骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能，如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高，使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。通孔的金属多孔材料还具有换热散热能力强、渗透性好、热导率高等优点；而闭孔金属多孔材料的物理特性则与通孔的相反。为了得到不同性能的多孔金属，各种制备方法被相继提出，如直接发泡法，精密铸造法，气泡法，烧结法和电沉积法等[1,2]。

2 金属多孔材料制备方法 2.1 从液态(熔融)金属开始制备 2.1.1熔体发泡法 在一定的条件下金属熔体中可生成气泡，并且一般情况下多数气泡由于浮力作用会迅速上升到液体表面而溢出。为了使更多气泡留在熔体中，可在其中加入增粘剂来阻碍气泡的上浮。19世纪60至70年代，人们就已经尝试用这种方法制备铝、镁、锌及其合金的泡沫材料。过去的10年中，又涌现出了大量的新思路、新工艺，其中有两种熔体发泡工艺特别具有发展前景：其一是直接将气体通入金属熔体中，其二是将发泡剂加入熔体中，发泡剂分解释放大量气体[3]。 2

①直接吹气法：首先在熔融的金属中加入增粘剂以防止气泡从熔体中逸出。随后，采用旋转浆或振动的喷嘴将发泡气体(空气、氮气、二氧化碳、氩气等)通入熔体中，旋转浆或喷嘴的作用是在熔体中产生足够多的优良气泡并使他们分布均匀。常用的增粘剂包括碳化硅、氧化铝以及氧化镁，加入量一般为10％～ 20％(质量分数)。增粘剂的加入量和颗粒尺寸有一个适当的范围，太高或太低均会影响金属多孔材料的制备。直接吹气法制备的金属多孔材料的孔隙率为80％～90％，密度为0.69g/cm3～0.54g/cm3，气孔的平均尺寸为3mm～5mm，气泡壁厚为50um～85um。通过调整注入气体的流量和其他参数可以得到不同孔隙率的金属多孔材料。国外已把这种工艺用于连续生产泡沫铝中，铝板的产量可达900 kg/h。 ②发泡剂发泡法：将发泡剂加入熔融金属中分解而产生气体，由于气体受热膨胀而使熔融金属发泡。发泡后，经冷却即获得金属多孔材料。熔体的粘度直接影响多孔金属的品质。这种方法的优点是可制得非常均匀的金属多孔材料，并且气孔平均尺寸和熔体粘度以及多孔金属密度和粘度之间存在关系，使孔径可控。常用发泡剂为金属氢化物，如生产多孔铝采用TiH2、ZrH2和CaH2等。常用的增粘剂为金属Ca和Mn02，还有原位金属的氧化物等。 2.1.2固体一气体共晶凝固法(Gasars) 这种方法是乌克兰科学家1993年在专利中提出来的，依据是H：能于金属液体形成共晶系统。在高压H2下(5×106Pa)能获得含氢的均匀金属液，如果降低 温度通过定向凝固将发生共晶转变，H：在凝固区域内含量增加，并且形成气泡。因为体系压力决定共晶组成，所以外部压力和氢含量必须协调好[4]。最终孔的形状主要取决于氢含量、金属液外部压力、凝固的方向和速率(一般速度为0.05mm/s～5mm/s)、金属液的化学成分。该方法制得的多孔材料具有平行于凝固方向拉长的圆柱状孔洞，气孔的尺寸一般不均匀，且对设备的要求比较高。 Gasar技术已用来生产许多金属多孔材料，如Ni、Cu、Al、Mo、Be、Co、Cr、W、青铜、铜和不锈钢等。 2.1.3粉体发泡法 该法是将金属粉末或合金粉末与发泡剂粉末按一定的配比混合均匀，再将其压制成密实的预制品，然后升温到基体金属的熔点附近，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。常用的发泡剂有TiH2、ZrH2等，一般氢化物的含量不高于3％，如果制备泡沫铁，则用碳化物(如SrC03)做发泡剂。该法可以制备形状复杂的半成品尺寸的工件，若在其表面粘结或轧制成金属板则3

可以得到三明治式的复合材料。 2.1.4熔铸法 ①熔模熔铸法：该法是先将泡沫塑料发泡成型，再将其浸入到液态耐火材料中，使耐火材料填充泡沫塑料孔隙。在耐火材料硬化后，加热升温使泡沫塑料气化分解，形成一个具有原泡沫塑料形状的三维骨架，将液态金属液浇注到模具内，凝固后除去耐火材料，就可获得具有三维网状的通孔金属多孔材料。所用的耐火材料一般为酚醛树脂、碳酸钙或石膏的混合物。此法的难点在于如何使金属液充分填充到模型中，以及如何在不破坏金属多孔结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种金属多孔材料，并且可以得到开孔结构，生产重复性好，有相对稳定的密度。 ②渗流铸造法：该法是将可燃性粒子、可溶性粒子或低密度的中空球状颗粒放置于铸模内，然后浇注使熔融金属液渗入其中形成复合体，冷却凝固后用适 当的方法除去复合体中的颗粒载体，从而得到多孔金属材料。由于界面张力缘故，金属有时不能进入到粒状物料周围的缝隙中，因此需要在熔体表面施加压力或使模具具有适当的负压才可达到浇注目的。 该法是目前制备通孔金属多孔材料最为有效的方法之一，可用于制备多孔不锈钢、多孔铸铁、多孔镍、多孔铝、多孔铜等以及它们的合金。它的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小，缺点是最大孔隙率不超过80％。 2.1.5喷雾发泡法 该法是将金属熔体雾化成小液滴并在基底沿一定形状(若相关参数控制得当可形成片状、管状等)形成沉积层。然后使氧化物、碳化物或纯金属粉末被小液滴润湿并通过化学反应而沉积在基底上。由于金属粉末会在雾化了的熔体中分解并释放大量气体，凝固后在沉积层中就会产生大量气孔。采用该法已制成泡沫铁，该方法的缺点是气孔分布不均匀，气孔率最高只有60％。 2.2从固态金属粉末开始制备 2.2.1金属粉末或纤维烧结法[5] 粉末烧结是把适当尺寸的金属粒子填入模具成形，然后进行无压烧结从而获得多孔烧结体。所得产品孔隙率一般在40％～60％。为了提高孔率，常加入造孔剂，造孔剂在烧结时分解或挥发，也可通过升华或水溶去除。该法的优点是工艺简单、成本低，缺点是孔隙率不高、材料强度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。 4

纤维烧结是用金属纤维代替颗粒，所制得的泡沫体孔隙率可达98％，在最大的孔隙率下仍然保持了材料的结构性能。在相同的孔隙率下，其强度比金属粉 末烧结高出几倍。 2.2.2气体夹带法 该法系将金属粉末压成一密实的坯块，在压制的同时让气体夹在其中，然后加热坯块，由于气体的内压使坯块受热而得到泡沫金属。由于膨胀是在固态下发生的，因此称之为固态蠕变更为确切。 2.2.3料浆发泡法 将金属粉末、发泡剂和反应添加剂一起制成混合料浆后，填入模具内并升温，发泡剂受热产生气体滞留于有一定粘度的浆料中，最后经烧结、干燥而制成得多孔材料。该法可用来制备Be、Ni、Fe、Cu、A1及不锈钢和青铜等多孔材料[6]。该制备方法存在的主要问题是材料强度不足且产品内部易生成裂纹。 2.2.4海绵浸浆烧结法 将海绵状材料(如天然或人工合成的塑料海绵)浸入待加工金属粉末的浆液之中，使海绵吸附达饱和。取出干燥后，在高温下使海绵状材料分解或热解，最 后将留下的金属体在更高的温度下进一步加热烧结，冷却后即可得到高孔隙率的三维孔结构的固体多孔材料。 2.2.5中空球料烧结法 将中空球体粘结起来再烧结可制得多孔材料，这些中空球料可由铜、镍、铁、或钛等制成。一般来说球体的直径为0.8mm～8mm，壁厚10mm～100mm。制备这些中空球料的方法很多：可以用化学或电沉积法将金属镀在聚合物球体上，再将聚合物去除。也可用金属粉末悬浮体将球体的聚合物(如聚苯乙烯)包裹起来，再将其去除，烧结后即可得到密实的金属外壳。 该法的特点是孔的尺寸分布不是随机的，可通过中空球体的选择而得到最适当的尺寸，因此其机械或其他物理性能也是可以预测的。 2.2.6混合反应烧结法[7] 由于同一系统中不同组分的扩散系数不同，金属粉末混合物如Ti+Al，Fe+A1或Ti+Si经反应烧结而形成多孔材料。 2.3从金属离子开始(电沉积法) 电沉积法是从金属的离子状态开始的，如电解液中的离子溶液。该法是用电化学的方法将金属沉积在易分解的薄膜有机物上，然后用热处理的方法将有机 5

物除掉，进而烧结得到多孔金属。由于泡沫有机物不导电，故需将其浸入导电浆料中进行导电化处理(电镀)，从而在多孔基体孔隙表面形成导电性高分子层。借助于已经比较成熟的电镀工艺，常见的镀液金属有Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd等，以Cu、Ni最为常用；也可电镀合金，如黄铜、青铜、钴一镍合金、铜一锌合金等。一些不适宜用水溶液电解的金属，可用特殊镀液，如铝和锗经常在有机镀液中电解或溶盐电解。 该法的特点是孔隙率高且孔隙分布非常均匀，但生产工序长、操作繁琐、成本稍高。采用此法可制备泡沫镍、铝、铜、铁、银、金、钻等薄膜材料。 2.4从气态金属或其化合物开始(气相沉积法) 气相沉积法是气相法制备金属泡沫材料的主要方法，主要原理是在真空下将液体金属挥发成金属蒸汽，然后沉积在一定形状的基底上，形成一定厚度的金属 沉积层。基底材料一般为网状聚亚胺酯或其他聚合物。冷却后采用化学或热处理的方法将聚合物去除，得到通孔金属多孔材料。缺点是操作条件要求严格，沉积速度慢、投资大、生产成本高。

3 金属多孔材料的应用（节能环保方面） 3.1高效洁净能源利用一一表面燃烧技术 表面燃烧技术是近10年来发展起来的具有高效节能，低污染的新型燃烧技术，其核心是多孔材料燃烧器。表面燃烧器的特点是燃烧区向预混气体进行热量反馈，如图1所示，对预混气进行预热，从而起到稳定火焰的作用。预热区多孔体接受来自燃烧区经辐射和传导传递的热量而升温。当预混气流经预热区时，将受到对流加热。所以气体流经预热区的过程即是气流本身受到预热的过程。经预热后的预混气进入燃烧区，边流动边燃烧，完成化学反应和能量释放。燃烧产物旋绕地(无序多孔体)流经多孔体至出口，从而对流加热多孔体。最后大部分热能由燃烧区多孔体最终以辐射形式传递到其周围。由燃烧区经辐射和传导反馈给上游未燃气体的热量能提高层流火焰速率，从而导致高的容积释热率和快的有效火焰速率(湍流火焰是层流火焰的叠加)。相对于自由空间的燃烧，多孔体燃烧器具有高热效率，高燃烧速率，贫燃极限高(即低热值燃料可燃烧)，高的辐射输出(有利于定向、均匀、干净无接触加热)，均匀燃烧温度，较大的燃烧当量比，极低的污染物排放等优点[8]。