泡沫金属的研究与发展

泡沫金属的研究与发展 1 泡沫金属的概念及特点 泡沫金属指孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔金属材料。 含有泡沫状气孔的金属材料与一般烧结多孔金属相比，泡沫金属的气孔率更高，孔径尺寸较大，可达7毫米。由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相和气孔分散相或连续相组成的两相复合材料，因此其性质取决于所用金属基体、气孔率和气孔结构，并受制备工艺的影响。通常，泡沫金属的力学性能随气孔率的增加而降低，其导电性、导热性也相应呈指数关系降低。当泡沫金属承受压力时，由于气孔塌陷导致的受力面积增加和材料应变硬化效应，使得泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性。多种金属和合金可用于制备泡金属材料，如青铜、镍、钛、铝、不锈钢等。由于泡沫金属的密度小、孔隙率高、比表面积大从而使其具有非泡沫金属所没有的优异特性：例如阻尼性能好,流体透过性强,声学性能优异热导率和电导率低等等。作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，其至在航空航天技术中有着广泛的用途。

2 泡沫金属的用途 2.1 电极材料 随着高档电器(便携式计算机、无绳电话等)的迅速发展,可重复使用的高体积比容量、高质量比容量的充电电池的消耗也越来越大。高孔隙率(>95%)的泡沫金属对提高电池的这些性能提供了用武之地。例如用电沉积法生产的泡沫镍作为电极材料用于N i-Cd电池的电极时，电极的气液分离好、过电压低，能效可提高90%，容量可提高40%，并可快速充电，在电池行业中，镍镉电池、镍氢电池、可充电碱性电池一致趋向于采用泡沫镍作为正负极板以提高容量，这是电池行业的一个突破。对电池电极用泡沫镍的性能参数要求已有较为深入的研究。 2.2 催化剂 化学反应尤其是有机化学反应中，催化剂常常起着非常重要的作用，催化剂的表面积也是越大越好，高孔隙率使得泡沫金属具有大的比表面积，化工行业中可直接使用泡沫镍作镍催化剂，或将泡沫镍制成催化剂载体,高孔隙率的泡沫金属作为支撑物有可能使催化剂高度分散发挥更大的作用，其性能远远优越于陶瓷催化剂载体。 2.3 流体压力缓冲材料 泡沫金属可装在气体或液体管道中，当其一侧的流体压力或流速发生强烈波动时，泡沫金属材料可以通过吸收流体的部分动能和阻缓流体透过的作用，从而使泡沫金属体另一侧的波动大大减小，此效应可用于保护精密仪表。 2.4 机械振动缓冲材料 在将泡沫金属垫在振动部位的接合部时，利用多孔泡沫材料的弹性变形可吸收一部分机械冲击能。据报道,密度比为0.05～0.15的泡沫铝可吸收的能量为20～180M J m，强大的能量吸收能力使得它有可能用于汽车的保险杠甚至于航天器的起落架,也可用作制造升降运输系统的缓冲器、磨矿机械的能量吸收衬层、汽车乘客坐位前后的可变形材料以改善安全性，优异的减振性能也使泡沫技术有可能用作火箭和喷气发动机的支护材料。 2.5 消音材料 因为声波也是一种振动，故声音透过泡沫金属时，可在材料内发生散射、干涉,声能被材料吸收，所以泡沫金属也可用于声音的吸收材料，即消音材料。这种消音材料在气体管道和蒸汽管道中都可获得应用。 2.6 阻燃、防爆材料 泡沫金属既有很好的流体穿透性又可有效地阻止火焰的传播且自身有一定的耐火能力，于是可放置在输运可燃性液体或气体的管道中以防止火焰的传播，因为流体在输运速度增加时可能会着火(声速在接近爆炸限时会产生约150×105Pa的压力)，实验表明：6mm厚泡沫金属就可阻止碳氢化合物燃烧速度为210m sec的火焰，其作用机理可以解释为当火焰中的高温气体或微粒穿过泡沫金属材料时，由于发生迅速地热交换，热量被吸收和散失，致使气体或微粒的温度降到引燃点以下，于是火焰的传播被阻止。 2.7 自发汗冷却材料 把固体冷却剂熔化渗入由耐热金属制成的多孔骨架中，在经受高温时这种材料内部的冷却剂会发生熔化和气化而吸收大量的热能，从而使材料在一定时间内保持冷却剂气化温度的水平，逸出的液体和气体会在材料表面形成一层液膜或气膜,可把材料与外界高温环境隔离，此过程可一直进行到冷却剂耗尽为止，由于冷却机理相当于材料本身“发汗”故有自发汗冷却材料之称。 2.8 发散冷却材料 发散冷却是一种先进的冷却技术，它是迫使气态或液态的冷却介质通过多孔材料，使之在材料表面建立一层连续、稳定的隔热性能良好的气体附面层，将材料与热流隔开，得到非常理想的冷却效果。以液氢—液氧发动机推力室喷注器面板为例:采用发散冷却后，它的一面为-150℃的氢气,另一面为3500℃的燃气，而材料的热面温度仅在80～200℃之间，用于发散冷却的多孔材料，渗透量必须能够准确地控制在合理的范围内,透气均匀，孔道曲折小，介质流动通畅，并且要满足作为防热结构材料的基本要求，具有一定的强度、刚度和韧性，选用抗氧化性能好的材质，以防止意外氧化堵孔，烧结金属丝网多孔泡沫材料是其最佳选择。 2.9 过滤材料 把泡沫金属制备成适当的形状，它就可以作为过滤材料从流体(如水、溶液、汽油、润滑油、冷冻剂、聚合物熔体)中滤出固体或悬浮物。常用的泡沫金属的材质为青铜或不锈钢。在腐蚀性很强的流体中，则需采用贵金属(如A u)。

3 泡沫金属材料的制备方法 按照制备工艺，可以将泡沫金属材料的制备方法进行分类：真空气相沉积、气相分解、电沉积、含有机支撑物烧结、简单烧结、粒状物料周围浇铸、熔模铸造、溅射法、金属沉积法、烧结法、铸造法、熔融金属发泡法。

3.1 熔体发泡法 该法的原理是在金属液中加入发泡剂，使其受热产生分解，在溶液中形成气泡，然后冷却凝固。其缺点是发泡过程难以控制，溶液中的发泡剂分解产生气泡，气泡逐渐上浮并在上浮过程中合并长大，引起制品中气泡分布不均匀且局部气泡尺寸过大。 解决此问题的方法有：(1)高速搅拌,使发泡剂充分分布在金属液中；(2)增加溶体粘度,阻止气泡的上浮运动，进而提高发泡剂在熔体中的均匀分布。增加粘度的方法有非金属粒子分散法、加入合金元素法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金属液中吹入空气、氧气或水蒸气并搅拌,使在短时间内生成氧化物,此方法效率较高，得到的粘度也大。 目前最常用的方法是向熔液中加入合金元素，搅拌使熔体中生成大量细微的氧化物固相质点，从而增加熔体粘度，此方法比熔液氧化法简单。 熔体发泡法对发泡剂的一般要求是：发泡剂与熔液混合均匀前应尽可能少分解，在停止混合至开始凝固前的一定时间间隔内要充分分解并有足够的发气量。 熔体发泡法制备泡沫金属的过程有：熔体增粘处理、泡沫化、均匀化和凝固过程。后三个过程同时进行，受许多工艺因素的影响，在实际操作中很难控制。

3.2 渗流铸造法 将液态金属渗入可去除的填料颗中的渗流铸造法是制备泡沫金属的重要方法。渗流铸造法中预制型的制作对最终产品的质量有着直接的影响，填料颗粒能否被除去是制得通孔的关键，要顺利除去填料颗粒，必须使其处于连续的状态,通常采用两种方法：(1)将填料颗粒松散装入型腔中,加压使颗粒联结。(2)将颗粒加粘结剂和水混匀后填入石墨中紧实，然后焙烧，此工艺得到的预制块孔隙形状圆滑，互相连通，但工艺较复杂。 渗流铸造法采用加压的方式使熔液渗入，加压方式有:固体压头加压法、气体加压法、差压法、真空吸铸法。差压法和真空法可以得到高质量的泡沫金属，因为在压力下金属液的渗流距离比较长，结晶出的金属骨架比较致密，使得泡沫金属具有较高的机械性能,缺点是需要一套抽气/真空系统及一套上下罐体。

3.3 烧结法 简单烧结：就是于较高温度时物料产生初始液相,在表面张力和毛细管现象的作用下，物料颗粒相互接触,相互作用，冷却后物料发生固结而成为泡沫金属,为了使物料易于成型，可采用粘结剂,但粘结剂必须在烧结时除去，为了提高泡沫金属的孔隙率，可采用填充剂，填充剂同样也需发生升华、溶解或分解，氯化铵和甲基纤维素均可作为填充剂。 在制备高孔隙率的泡沫金属时，可以采用含有机支撑物烧结的方法,先把天然海绵或人造海绵切成所需要的形状,使其充分吸收含有金属粉末的浆液，干燥后加热使海绵分解，继续加热使有机金属化合物分解和使物料烧结，冷却后可得到孔隙率很高的泡沫金属。

3.4 金属沉积法 金属沉积法就是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在易分解的有机物上，有电沉积和气相沉积两种。 电沉积是用电化学的方法实现制备，它主要由四个步骤组成：(1)以泡沫有机物为基体，由于它不导电，故须在酸性条件下用强氧化剂对有机物进行腐蚀，使其表面变得易于被水润湿并产生微痕，常用的氧化剂为H 2C r2O 7 H 2SO 4 H 3PO 4的混合物，这一步骤常称为粗化。(2)粗化后用PdCl2溶液中的Pd2+对表面进行催化，称为活化。(3)放入镀液进行化学镀得到均匀地附着于与有机物表面导电的金属层，镀液中含有金属离子和还原剂，常见的镀层有Cu、N i、Fe、Co、A g、A u和Pd,以前两种最为常用。(4)经过化学镀处理的有机物最后进行电镀得到所需要种类的金属和厚度。必要时可把有机物在高温下进行处理使其分解。 鉴于Pd较为昂贵，活化时加入PdCl2导致泡沫金属的生产成本较高，此外Pd2+离子吸附在高分子材料表面又具有催化作用，会加速化学镀液的分解使其稳定性变差,故可采用Pd的代用品或进行无Pd活化工艺的研究，有的已取得了较为理想的效果。 气相沉积有化学分解和物理沉积，以泡沫镍的制备为例，把CO-N i(CO)4混合气体导入反应器内，使其通过经过表面特殊处理的高分子泡沫体，在一定波长的红外光照射下，可使N i(CO)4分解为金属N i和CO，N i沉积在泡沫体表面上即为所要制备的产物。真空气相沉积则是用物理的方法实现泡沫金属的制备，它同样是采用泡沫有机物作为基体，在真空设备中使金属镍挥发沉积到泡沫有机物上面，作为加热手段的有电子束或直流电弧。

3.5 溅射法 溅射法就是在反应器内维持可控的惰性气体压力，在等离子的作用下,通过电场的作用将金属沉积在基体上,与此同时，惰性气体的原子也一并沉积，升高温度，金属熔化时惰性气体发生膨胀形成一个一个空穴，冷却后即为泡沫金属。溅射法可有效地保留泡沫金属中的惰性气体，并且可用于泡沫非金属的制备。

4 关于制备方法的几点认识 综上所述,泡沫金属材料的优异特性无疑会使其在许多领域发挥越来越大的作用，泡沫金属应用的推广程度取决于材料性能对使用目的的适应程度和泡沫金属的制备成本，泡沫金属的制备工艺不同，所得到的泡沫金属的产品质量和成本也有差别。 一般说来，电沉积制备出的泡沫金属的孔隙率高且非常均匀，但工序长，操作繁琐,成本稍高；用化学分解法制备的泡沫金属对于泡沫镍而言存在封孔问题和残碳问题；真空气相沉积制备泡沫金属的操作条件严格，沉积速度慢，投资大，生产成本高；发泡法的技术一般则比较复杂,难于掌握,且主要于低熔点金属泡沫的制备上；熔模铸造法仅适用于低熔点的金属和合金(如A l,Pb,Sn等)；粒状物料周围浇铸法可以得到形状非常复杂的浇铸件，如果利用金属纤维而不是金属粉末进行烧结以得到泡沫金属，则可制备出尤其适用于筛网制造的材料。由于电沉积法制备的泡沫金属孔隙率高、均匀性好、产品合格率高，且设备投资小，故是一种非常有前途的方法。采用无钯制备有望降低成本，有关工艺的完善和改进仍需进一步研究，并且随着社会环保意识的增强，探求三废排放尽可能少的工艺生产泡沫金属是一种必然趋势；此外，随着市场需求的发展，泡沫金属的向大面积、合金化发展以满足更多领域的需求也是一种趋势，采用高自动化生产工艺以提高生产效率则是泡沫金属生产的努力方向。