泡沫金屬材料制備技術(shù)-wenkub
2022-11-14 11:20:54 本頁(yè)面
【正文】 沫金屬材料制備技術(shù) 金屬泡沫或金屬多孔材料是８０年代后期國(guó)際上迅速發(fā)展起來(lái)的一種具有優(yōu)異的物理特性和良好的機(jī)械性能的新型工程材料。 1956年，美國(guó)科學(xué)家 Elliot 完善了泡沫鋁制備理論，并提出以可熱分解氣體的發(fā)泡劑來(lái)代替汞，從而給泡沫金屬材料的工藝發(fā)展指明了方向，同年他采用熔體發(fā)泡法成功制造出泡沫鋁。 90年代以來(lái)，國(guó)外科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)推出了多種制備高性能泡沫鋁的工藝方法，如德國(guó)不來(lái)梅德夫雷霍夫?qū)嵱貌牧涎芯克兄频姆勰┌l(fā)泡法，德國(guó)的連續(xù)噴吹氣體制備泡沫鋁法（ DE4139020），日本日立造船技術(shù)研究所的發(fā)泡法等。其中東南大學(xué)材料系開(kāi)展研究的時(shí)間最早，尤其在粉末冶金法制備泡沫鋁工藝方面的成就較突出。一般來(lái)說(shuō)，作為結(jié)構(gòu)材料使用的金屬泡沫材料需要閉孔結(jié)構(gòu)，而作為功能材料使用的多孔材料則需要通孔結(jié)構(gòu)。德國(guó)汽車制造商 Karmann在跑車上采用三明治式復(fù)合泡沫鋁板取代鍛造鋼板制造汽車的橫壁板和后板，重量下降 25%而剛度提高 700%。 在建筑領(lǐng)域，金屬泡沫材料一般用于制造質(zhì)量輕、硬度高、有耐火性能要求的元件或結(jié)構(gòu)件。目前已在電動(dòng)馬達(dá)、小發(fā)動(dòng)機(jī)等要求傳遞力矩較小的軸上使用 [7]。 金屬泡沫材料具有很大的比表面積，也適合于制造熱交換器件，通孔體適用于換熱器、加熱器和散熱器。如基于金屬泡沫材料的催化劑可用于碳?xì)浠锏纳疃妊趸?、乙醇的選擇性氧化、石油化工中的己烷重組等反應(yīng)工程。在汽車上，可用于既要求高吸聲性能又要求良好絕緣性能的零部件。 金屬泡沫材料還具有優(yōu)異的電磁波吸收性能，可用于電磁屏蔽、電磁兼容器件。氣體吹入法的原理如圖 1所示 。隨后，通過(guò)一個(gè)可以震 動(dòng)的噴嘴通入空氣、氮?dú)?、氬氣或者它們的混合氣體，并不停攪拌。氣體吹入法制備的金屬泡沫材料的孔隙率為 80～ 98％，密度為 ～ ，平均氣孔尺寸為 3～ 25mm，平均孔壁厚度為 50～ 85μm。 熔體發(fā)泡法 熔體發(fā)泡法的基本原理 [3,810]是將能夠產(chǎn)生氣體的發(fā)泡劑加入到液態(tài)金屬中，發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生氣體并使液態(tài)金屬發(fā)泡，冷卻后即可得到泡沫金屬，制備工藝圖見(jiàn)圖 2。 圖 2 Alporas 法制備工藝圖（以純鋁為例） [3] 4 圖 3 Alporas 泡沫鋁產(chǎn)品 該方法制備的多孔泡沫鋁是一種超輕閉孔結(jié)構(gòu)材料，制品的密度為 ~，孔徑為 ，具有規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)，是最具有商業(yè)價(jià)值的泡沫材料。 粉末發(fā)泡法 粉末發(fā)泡法的工藝流程圖如圖 4所示 [3]。通過(guò)調(diào)整發(fā)泡劑的含量以 及其它工藝參數(shù)如溫度和加熱速率等，可以控制泡沫金屬成品的密度。但如果工藝過(guò)程控制不好，會(huì)產(chǎn)生大量的缺陷。缺點(diǎn)是目前只能生產(chǎn)小尺寸的泡沫鋁材，還不能生產(chǎn)小孔徑、低密度高孔隙度的泡沫鋁材。 利用 Formgrip方法制備的泡沫鋁孔徑在 1~10mm，孔隙率為 50~95%。 圖 5 制備近凈型泡沫鋁部件的 Formgrip 工藝 熔模鑄造法的工藝原理圖見(jiàn)圖 6[3]。目前，已有美國(guó)和日本公司采用此方法生產(chǎn)商品化的泡沫金屬。將可去除的無(wú)機(jī)甚至有機(jī)顆粒或低密度顆粒堆積在鑄模中，預(yù)熱后澆鑄液態(tài)金屬，在真空產(chǎn)生的壓差作用下或采用壓力使金屬液滲流進(jìn)入填料顆粒的間隙，凝固后形成金屬 /顆粒復(fù)合體，然后通過(guò)選用合適的溶劑、酸或者采用熱處理方法將顆粒去除，生產(chǎn) 三維網(wǎng)絡(luò)狀孔洞互相連通的泡沫金屬材料。采用本方法可以制備鋁、鎂、鋅、鉛、錫等金屬泡沫材料。 3 清華大學(xué)機(jī)械工程系的研究工作 采用熔體發(fā)泡法進(jìn)行了較大塊體的泡沫鋁的實(shí)驗(yàn)研究。 8 圖 7 A356 泡沫鋁塊體及不同孔隙率的泡沫鋁板材 研究發(fā)現(xiàn)，加鈣攪拌溫度和發(fā)泡劑攪拌溫度是控制泡沫鋁孔隙率的主要因素，如果需要制備孔隙率較低（ 70~75%）的泡沫鋁，加鈣攪拌溫度和發(fā)泡溫度均應(yīng)低于 625℃ ，同時(shí)泡沫體不需要加強(qiáng)冷卻；如果需要制備孔隙率較高（ 80%）的泡沫鋁，加鈣攪拌溫度應(yīng)高于 680℃ ，發(fā)泡溫度應(yīng)高于 630
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