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多孔金屬材料的制備工藝及性能分析
多領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。本文概述了多孔金屬材料的常用制備方法及其主要性能。
關(guān)鍵詞:多孔金屬材料;制備;性能;應用
摘 要
:多孔金屬材料是一種性能優(yōu)異的新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料
,具有獨特的結(jié)構(gòu)和性能
,在很
科學家極大的興趣
,成為材料類研究的熱點方向之
1 引言
一
,自
20世紀
90年代以來
,美國的哈佛大學、英國
在傳統(tǒng)的金屬材料中
,孔洞
(宏觀的或微觀的
)的劍橋大學、德國的
Fraunhofer材料研究所、日本的
被認為是一種缺陷
,因為它們往往是裂紋形成和擴東京大學等對多孔金屬材料的制備工藝和性能進行
展的中心
,對材料的理化性能及力學性能產(chǎn)生不利了廣泛的研究
,獲得了一批研究成果
[2-5]。在我國
,
的影響。但是
,當材料中的孔洞數(shù)量增加到一定程多孔金屬材料的基礎(chǔ)和應用研究也逐步得到重視和
度時
,材料就會因孔洞的存在而產(chǎn)生一些奇異的功發(fā)展。近年來
,研究隊伍不斷壯大
,在制備技術(shù)、結(jié)
能
,從而形成一類新的材料
,這就是多孔金屬材料。構(gòu)和物性等方面的基礎(chǔ)研究以及在各種民用和國防
按照孔之間是否連通
,可以把多孔金屬材料分為閉領(lǐng)域的應用研究均取得了一定的進展
,已經(jīng)引起我
孔和通孔兩類
,如圖
1所示。該類材料具有良好的國政府、中科院和航空航天等部門的高度重視
,尤其
吸能性能、高阻尼性能、吸聲性能、電磁屏蔽性能及值得一提的是
,我國在
2005年立項的國家重大基礎(chǔ)
良好的導熱導電性能
[1] ,因而在一般工業(yè)領(lǐng)域
(如研究計劃
(973計劃
)“超輕多孔材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)
汽車工業(yè)
)、國防科技領(lǐng)域及環(huán)境保護領(lǐng)域等有著型的多功能化基礎(chǔ)研究
”
,更是體現(xiàn)了對該類材料
廣泛的應用前景
,它的設(shè)計、開發(fā)和應用引起了中外研究的重要性和迫切性。
水化物等,然后將均混的混合物壓制成密實塊體即
到目前為止
,已開發(fā)的制備多孔金屬的方法很
多
,涉及到的領(lǐng)域也非常廣。根據(jù)在制備過程中金
屬所處的狀態(tài)
,可將多孔金屬的制備工藝分為以下
三類
:液相法、粉末燒結(jié)法和沉積法。
2. 1 液相法
液相法包括的種類比較多
,且較易制備大塊的
多孔金屬和產(chǎn)品易商業(yè)化
,成為多孔金屬材料制備
的主要手段,液相法主要包括以下幾種:
2. 1. 1 顆粒滲流法
顆粒滲流法[ 6 ]原理是首先將顆粒在模具內(nèi)壓
實,烘干形成預制塊。然后通過壓力將金屬液滲入
中,并強烈攪拌使空心小球分散,最后得到空心球與
金屬基體形成的多孔金屬材料?？招那蜩T造法的特
點是孔徑和孔隙率易于控制,材料綜合力學性能好。
2. 2 粉末冶金法
粉末冶金法主要包括粉末燒結(jié)發(fā)泡法、燒結(jié)-
脫溶法、松散粉末燒結(jié)法、中空球燒結(jié)法等。
2. 2. 1 粉末燒結(jié)發(fā)泡法
這種工藝[ 12 ]是首先將金屬粉末和相應的發(fā)泡
劑按一定比例均勻混合,發(fā)泡劑可以是金屬氫化物、
半成品,最后將此半成品加熱到接近或高于混合物
熔點的溫度,使發(fā)泡劑分解,金屬熔化,從而形成多
孔泡沫材料。此種方法易于制作近半成品的零件和
到顆粒預制塊的間隙中,最后將顆粒溶除即可得到
通孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料。
2. 1. 2 精密鑄造法
精密鑄造法
[8]是首先用耐火材料漿料填滿海
綿狀泡沫塑料的孔隙
,待耐火材料固化后
,加熱除去
塑料
,即形成一個多孔預制塊體。然后把液態(tài)金屬
液澆入到預制塊上
,加壓滲流
,這一點類似于滲流過
程。最后再除去耐火材料
,就形成與原來海綿狀塑
料結(jié)構(gòu)相同的多孔金屬材料。
2. 1. 3 熔融金屬發(fā)泡法
熔融金屬發(fā)泡工藝可分為兩種
,發(fā)泡劑發(fā)泡和
通氣發(fā)泡
[9, 10 ]。前者是在熔融的金屬液中加入發(fā)泡
劑
(如
TiH2 ) ;后者則是在金屬液中通入氣體
(如惰
性氣體
)。這兩種工藝的共同特點是可制備孔隙率
高、尺寸大、閉孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬
,但過程控制較為
復雜
,孔結(jié)構(gòu)分布均勻性不高。
2. 1. 4 空心球鑄造法
空心球鑄造法
[11 ]的原理是先采用商用酚醛塑
料小球在惰性氣體環(huán)境中加熱直至塑料碳化
,形成
中空的小球。然后將這些中空的小球加入到金屬液
三明治式的復合材料
,而且孔隙率較高
,孔分布均
勻。
2. 2. 2 燒結(jié)
-脫溶法
這種制備工藝
[13 ]首先是將金屬粉末和可去除
填充顆粒均勻混合
,其中可去除填充顆粒一般包括
兩類
,一類為可溶于水或其它溶劑的鹽
(如
NaCl
等
),一類為可分解有機物
(如尿素、碳酸氫氨等
),
均混后把混合物壓制成致密的半成品
,然后在一合
適的溫度燒結(jié)。若填充顆粒為可分解有機物
,則燒
結(jié)過程中顆粒會分解氣化
;若填充顆粒為可溶性鹽
,
則在燒結(jié)后可用溶劑將其溶去便得到多孔金屬材
料。
2. 2. 3 松散粉末燒結(jié)法
松散粉末燒結(jié)
[14 ]是把松散狀態(tài)的金屬粉末不
經(jīng)壓實直接進行燒結(jié)的方法。此種方法可用于生產(chǎn)
多孔金屬電極。
2. 2. 4 中空球燒結(jié)法
通過將金屬中空球燒結(jié)
,使之擴散結(jié)合而制造
多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔
和閉孔。金屬中空球可通過下述方法制備
:在球形
樹脂上化學沉積或電沉積一層金屬
,然后將樹脂除
明顯的三階段特征
,即初始的彈性段
(Linear Elasticity)、中間的平臺段
( Plateau)和最后
的致密段
(Densification)。其中
,平臺段的起始點應
力稱為泡沫材料的屈服或坍塌強度
,此強度遠小于
其基體的屈服強度
[1]。當多孔金屬材料受到外加
載荷時
,因屈服強度低很容易發(fā)生變形
,而且變形量
大、流動應力低
,在變形過程中通過孔的變形、坍塌、
破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使應力升
的。
高
,從而能有效地吸收沖擊能。這種在較低應力水
形成金屬煙。金屬煙在自身重力作用及惰性氣流的平下吸收大量沖擊能的特征正是沖擊緩沖所需要
攜帶下沉積和冷卻。因其溫度低
,原子難以遷移和
擴散
,故金屬煙微粒只是疏散地堆砌起來
,形成多孔3. 2 高阻尼性能
泡沫結(jié)構(gòu)
[16 ]。
多孔金屬材料可看作是由三維網(wǎng)絡(luò)狀金屬骨架
去
,或?qū)渲蚝徒饘俜垡煌旌?
,隨后燒結(jié)使金屬
粉結(jié)合
,同時樹脂球揮發(fā)
[ 15 ]。
2. 3 沉積法
沉積法主要包括金屬氣相蒸發(fā)沉積法、原子濺
射沉積法和電化學沉積法三種。
2. 3. 1 金屬氣相蒸發(fā)沉積法
在較高惰性氣氛中
,緩慢蒸發(fā)金屬材料
,蒸發(fā)出
來的金屬原子在前進過程中與惰性氣體發(fā)生一系列
碰撞作用
,使之迅速失去動能
,從而部分凝聚起來
,
與高壓惰性氣體原子碰撞
2. 3. 2 原子濺射沉積法
在惰性氣體的壓力下,元素原子在飛濺路程中
,金屬原子一方面捕獲氣
體原子
,另一方面凝聚成金屬液滴
,然后到達襯底。
在襯底上獲得均勻包裹氣體原子的金屬體
,最后在
高于金屬熔點的溫度下把金屬加熱足夠長的時間使
捕獲的氣體膨脹
,形成多孔金屬材料。這種方法的
特點是孔結(jié)構(gòu)非常理想
,但成本昂貴
,不易制備大
件
[ 17 ]。
2. 3. 3 電化學沉積法
這種方法是以聚氨基甲酸乙脂發(fā)泡材料為骨
架
,進行電解沉積
,然后加熱去除有機聚合物骨架
,
得到多孔金屬材料。這種方法制備的多孔材料不但
孔隙率高
,孔分布均勻
,且孔互相連通呈三維網(wǎng)狀結(jié)
構(gòu)
[ 18 ]。
3 多孔金屬材料的主要性能
多孔金屬材料作為一類區(qū)別于致密材料的新型
材料
,具有一些其基體或母體所不具備的特殊性能
和功能
,主要表現(xiàn)如下
:
3. 1 吸能性能
圖
4 多孔金屬材料典型的壓縮應力
-應變曲線
多孔金屬材料的應力
-應變
(σ
-ε)響應具有
與孔洞所組成的兩相復合材料。除了孔洞與金屬基
體之間所形成的界面外
,材料內(nèi)部還存在其它大量
微觀的
(主要是位錯
)和宏觀的
(較小的孔洞和裂
紋
)缺陷
,其組織狀態(tài)和缺陷分布極不均勻。因此
當外力作用于多孔金屬材料上時
,將在基體中產(chǎn)生
不均勻的應變
,特別是在孔洞
(宏觀的或微觀的
)或
裂紋附近
,其應變情況更為復雜
,從而引起缺陷區(qū)域
原子重排。缺陷區(qū)的這種響應是粘滯性的
,因而引
起粘滯性應變
,造成能量的損耗
,導致材料的阻尼增
加。
3. 3 吸聲性能
多孔金屬材料的高孔隙率結(jié)構(gòu)使其具有良好的
吸聲性能
[19 ]。一般來講
,通孔或半通孔多孔金屬的
吸聲效果比閉孔的好。多孔金屬材料的吸聲機制主
要可歸為兩種
,即聲波經(jīng)過多孔金屬時流動阻力的
升高造成的粘性損失以及聲波與孔洞表面熱量交換
造成的熱損失。
3. 4 電磁屏蔽、導熱和導電性能
多孔金屬具有良好的導電性和很高的比表面
積
,因此具備很高的電磁屏蔽性能
,即良好的吸收和
反射電磁波的能力。同時又具有良好的導熱性
能
[ 20, 21 ]。
3. 5 其它性能
質(zhì)輕
,易著色
,易加工
,耐高溫。
4 結(jié)語
(1)多孔金屬材料具有良好的理化性能和力學
性能
,因而可以作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料
,具有良好
的應用前景。多孔金屬材料的制備工藝很多
,因而
可以滿足多樣化的需求
,可以根據(jù)不同的應用需求
采用不同的制備工藝。
and energy absorbing characteristic of foamed aluminum.
(2)部分制備工藝在結(jié)構(gòu)的可控性、孔徑的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502.
勻性、樣品的大尺寸化等方面仍存在局限性
,因而制[10 ]Cymat Corp, Canada. Product Information Sheets. http: / /
備工藝還需要進一步的探索和完善。
www. cymat. com.
(3)隨著工業(yè)和科技的進步
,人們對多孔金屬
[11 ]張勇
,舒光冀
,何德坪
.用低壓滲流法制備泡沫鋁合金
[J ].材料科學進展
, 1993 (7) : 473 -47.
材料的需求量越來越大
,要求也越來越高
,但目前的
[12]J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber[M]. German Pa2
研究也只是涉及到了多孔金屬材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997.
點
,相當多的潛在價值尚未被開發(fā)出來
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,或僅局限在
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,因而對性能的研究又提出了新課題。Scr. Mater, 2001
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On the Preparation and Properties of the PorousMetallicMaterials
HAO Gang -ling1 , HAN Fu -sheng2 ,
LIWei-dong1, BAIShao-min1,YANGNeng-xun 1
(1. College of Physics and Electronic Information, Yanan University, Yanan, Shaanxi 716000
2. KeyLaboratoryofMaterialsPhysics, InstituteofSolidStatePhysics,
Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031)
Abstract: Porousmetallicmaterialswithuniqueexcellentstructuresandpropertiescanbeutilizedasnew function2
aland structuralmaterials, which indicatsthattheporousmetallicmaterialshaveawidelypromisingapplication in
manyfields. Thevariouspopularmanufacturingmethodsandthemainpropertiesoftheporousmetallicmaterials,
in the present paper, were summarized.
Key words: porousmetallic materials; preparation; properties; ppplication