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              泡沫金屬的發(fā)展現(xiàn)狀研究與應(yīng)用
              作者: 本站 來(lái)源: 本站 時(shí)間:2017年06月15日 字體:[] 留言

              泡沫金屬是一種在金屬基體中形成無(wú)數(shù)個(gè)氣泡的多孔質(zhì)金屬材料,又稱為多孔泡沫金屬,由于它兼具金屬特性和非金屬的一些特殊物理性能,得到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注,近 50年來(lái)在泡沫金屬研制、應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面及其結(jié)構(gòu)性能的理論研究都有很大的進(jìn)展.

              1 泡沫金屬國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

              自從 1948年由美國(guó)的 SOSNIK首先在鋁中加入汞制出泡沫鋁以來(lái) ,研究人員對(duì)泡沫金屬的制備、性能研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等方面做了大量的工作 在 60~70年代就使制備泡沫金屬的方法體系大體固定下來(lái),可分為鑄造法、金屬沉積法、粉末冶金法、噴鍍沉積法等 其中尤其以鑄造法最為經(jīng)濟(jì),近些年來(lái)已在實(shí)際應(yīng)用中取得很大進(jìn)展.如美國(guó)羅阿公司及美日合作分別用直接發(fā)泡法和熔模鑄造法成功地制取了鉛合金牌號(hào)為 7075ALMAG35的泡沫鋁型材.

              從泡沫金屬的出現(xiàn)到 20世紀(jì) 7080年代 ,研究主要集中在泡沫金屬的制備方面.比如,在制備泡沫金屬鋁時(shí)的增粘問(wèn)題的解決對(duì)泡沫鋁的制備有很大的推動(dòng)作用 ;另外,氣泡核心機(jī)理的提出及應(yīng)用對(duì)泡沫金屬的制備又是一次很大的突破,這種理論就如同金屬凝固過(guò)程中加入形核劑一 樣,使泡沫金屬的直接成型成為可能.

              現(xiàn)在對(duì)泡沫鋁的生產(chǎn)已經(jīng)能夠進(jìn)行從發(fā)泡到成型過(guò)程的連續(xù)生產(chǎn).

              (A)為可以連續(xù)生產(chǎn)大型鋁材;(B)為可以連續(xù)生產(chǎn)有一定厚度的大型板材;(c)為可以用來(lái)生產(chǎn)某一形狀的鑄件;(D)為可以連續(xù)生產(chǎn)某一形狀的鑄件.這種方法就是根據(jù)氣泡核心理論獲得穩(wěn)定的泡沫金屬液,進(jìn)而將其引出成型,獲得所需形狀的成品.

              另一方面對(duì)改善泡沫金屬性能方面進(jìn)行了研究,各國(guó)都投入了大量的人力物力,研究的內(nèi)容主要包括對(duì)發(fā)泡金屬的合金化、熱處理、纖維增強(qiáng)或其它一些增強(qiáng)的方法 .其中以烏克蘭冶金學(xué)家沙波瓦洛夫研制的 Gasser高強(qiáng)多孔泡沫材料最為典型,這種材料具有高度的結(jié)構(gòu)完整性,和常規(guī)多孔泡沫材料比,強(qiáng)度和剛度都高得多.

              另外,最近幾年在理論方面也開(kāi)始對(duì)泡沫金屬進(jìn)行系統(tǒng)的研究.首先,在泡沫金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)上的研究,人們?cè)絹?lái)越感覺(jué)到泡沫金屬在物理結(jié)構(gòu)上的特殊性,它不僅是一種結(jié)構(gòu)材料,而是種具有許多物理性能的多功能材料.它的那些特殊的性能都能從它的結(jié)構(gòu)上找出原因.例如泡沫金屬孔隙通孔率與閉孔率的測(cè)定研究、孔徑的統(tǒng)計(jì)測(cè)量、比表面積的測(cè)量及這些參數(shù)對(duì)泡沫金屬性能的影響 .其次,是對(duì)泡沫金屬性能方面如泡沫金屬的變形特性、吸聲特性、阻尼內(nèi)耗特性等的研究.這些研究給應(yīng)用研究提供了理論依據(jù).

              對(duì)泡沫金屬的應(yīng)用和研究取得了很大的成果,已能制備小型和大型件,并進(jìn)入試生產(chǎn)應(yīng)用階段.比如,日本住友電工公司生產(chǎn)的泡沫鋁被用于制造汽車(chē)的某些耐熱耐磨擦部件和揚(yáng)聲器的部件;在鐵路上,泡沫鋁被用于制作空調(diào)發(fā)電室的隔音墻.此外,泡沫鋁還被用于作為精密儀器的防震裝置材料等.

              國(guó)內(nèi)對(duì)泡沫金屬的研究大約 80年代后才開(kāi)始.經(jīng)過(guò) 10多年的探索和研究,東南大學(xué)、貴州科學(xué)院、大連理工大學(xué)、西南鋁加工廠等一些研究單位已初步掌握了泡沫金屬的生產(chǎn)方法.其中以東南大學(xué)、貴卅I科學(xué)院最為領(lǐng)先.特別是貴卅I科學(xué)院采用直接發(fā)泡法用廉價(jià)的發(fā)泡劑成功制取了較大規(guī)格的泡沫鋁型材,經(jīng)中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所等單位測(cè)試,吸音、屏蔽、減震抗沖擊效果、比重等性能指標(biāo) ,均達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品指標(biāo).目前東南大學(xué)對(duì)泡沫金屬的制備及性能研究非?;钴S,他們主要側(cè)重用滲流法制備泡沫鋁,并對(duì)滲流法進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和用滲流法制備了泡沫鋁.高分子復(fù)合材料,河北工業(yè)大學(xué)采用添加造孔劑的方法,成功地制備出高熔點(diǎn)泡沫鐵,取得了可喜的成果.

              在泡沫金屬的制備方面,國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)泡法、冶金法與滲流法的研究比較多 ,而且基本趕上國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的水平,只是對(duì)連續(xù)生產(chǎn)方法的研究還屬空白,有待開(kāi)發(fā)適應(yīng)國(guó)內(nèi)情況的連續(xù)生產(chǎn)方法.

              在理論性能方面,國(guó)內(nèi)研究的比較早,對(duì)所研究的領(lǐng)域基本處于國(guó)際領(lǐng)先水平,如對(duì)泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定 、降噪性能 、水下吸聲性能 、阻尼性能 等都做了大量地研究,并取得很可觀的成果.泡沫金屬中孔隙數(shù)量龐大、大小不一,人工測(cè)量這些結(jié)構(gòu)參數(shù)極為困難,文獻(xiàn) 中用掃描儀將泡沫金屬的圖形信息輸入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而測(cè)出孔的平均直徑及孔徑分布,較好的解決了測(cè)量泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)的難題.泡沫金屬是一種具有高能量吸收籽陛的輕質(zhì)高阻尼材料,其阻尼性特點(diǎn)為與應(yīng)變振幅密切相關(guān),而與應(yīng)變頻率無(wú)顯著關(guān)系的非線性內(nèi)耗.而這方面的研究,國(guó)外 1998年才有報(bào)道.

              在應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)研究較少,雖然在理論性能方面的研究提出了很多的應(yīng)用的可能,但與應(yīng)用開(kāi)發(fā)脫鉤,以至沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有泡沫金屬應(yīng)用的報(bào)道.

              2 泡沫鐵的制備現(xiàn)狀

              泡沫金屬雖然已有近 5O年的歷史,但是對(duì)泡沫金屬的研制和開(kāi)發(fā)大都以輕金屬為對(duì)象,尤其以泡沫鋁的研究最為廣泛.這是由于鋁及其合金熔點(diǎn)低、鑄造性能好、金屬液易處理等特點(diǎn).另外可以制作泡沫金屬的材料還有 cu、Zn等低熔點(diǎn)金屬及其合金,但這些材料遠(yuǎn)不如泡沫鋁的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行的廣泛.

              對(duì)于高熔點(diǎn)的泡沫金屬的研究,主要有 Ni基、Ti基、D 基合金,生產(chǎn)方法主要是粉末冶金燒結(jié)法.對(duì)于這方面的報(bào)道也只是近幾年出現(xiàn),如 Ni基合金被用來(lái)生產(chǎn)薄片狀的多孔電極 .

              對(duì)泡沫鐵的研究報(bào)道更是少見(jiàn),僅發(fā)現(xiàn)幾篇含鐵臺(tái)金泡沫金屬的有關(guān)報(bào)道,一篇是 Cu-Fesn泡沫金屬的生產(chǎn),其中Fe含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))6O%~80%,cu 1O%~3O%,是用粉末冶金法燒結(jié)制得的,其孔隙率 1O%~35[3U];另一種Fe-Cr-AIRE臺(tái)金,Fe 70%~8O%,也是用燒結(jié)法生產(chǎn)的,Fe是以纖維形式存在;還有一種是Fe粉和另一種金屬粉末粘附在有粘性的樹(shù)脂網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上,然后作燒結(jié)處理制得薄的泡沫金屬片,以作電極用 m,.另外 ,有用滲流法制備泡沫鐵的報(bào)道,也有用中空球料法制備泡沫鐵的報(bào)道,但都未得以推廣.

              總之,對(duì)于高熔點(diǎn)的泡沫鐵的制備及應(yīng)用只是在起步階段,且方法也較復(fù)雜而單一,因此有必要對(duì)泡沫鐵等高熔點(diǎn)金屬及其合金作制備方法上的研究和開(kāi)發(fā),以早日使這種有諸多特殊性能的功能材料貢獻(xiàn)給人類.

              3 泡沫金屬的特性及應(yīng)用

              由于泡沫金屬內(nèi)部存在許多孔洞,孔洞的大小、多少、均勻性、連通及封閉都將影響它的性能.

              3.1結(jié)構(gòu)參數(shù)及特征

              1)孔徑:孔徑一般指孔隙的平均直徑,這是泡沫金屬的基本參數(shù).泡沫金屬的孔徑一般較大,O11Omm或更大 (一般粉末冶金金屬孔徑不大于 03mm).

              2)總孔隙率,有效孔隙率:總孔隙率指孔隙所占體積與總體積之比 (可用稱重法求得).由于并非所有孔隙都相互連通,把連通的孔隙與總體積之比稱為有效孔隙率.只有所有孔隙都連通時(shí),總 L隙率與有效 L隙率相等.泡沫金屬的孔隙率比較高,它的孔隙率在 40%~9O%之間.

              3)通孔度:任何截面上孔隙通道直徑平均值與孔隙孔徑平均值之比為通孔度.

              4)比重及比表面積:泡沫金屬的比重輕.一般只有同體積金屬的 110—35.它的比表面積則較大,為 lO40cm2/cm3

              3.2性能特征

              3.21重量輕、比重小

              由于在金屬基體中存在許多大大小小的孔洞,因此使這種材料明顯有重量輕.比重小的特點(diǎn).泡沫鋁的比重范圍在0205gcm ,其平均值只有鋁的 110

               

              3.22力學(xué)性能

              泡沫金屬的抗拉強(qiáng)度比較低.比強(qiáng)度也比較低,但是抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較高.泡沫鋁的抗拉強(qiáng)度只有鋁的 1100左右,比強(qiáng)度約為鋁的 110.泡沫鋁的剮性較低.如泡沫鋁沒(méi)有金屬 鋁所具有的延展性,受到壓力幾乎不發(fā)生塑性變形.由彎曲試驗(yàn)測(cè)得泡沫鋁的彈性模量約為鋁合金的150—1100.

              3.23吸收沖擊能特性

              泡沫金屬材料具有特有的網(wǎng)狀、無(wú)方向性多孔結(jié)構(gòu),而又無(wú)反彈作用,通過(guò)對(duì)這種材料進(jìn)行應(yīng)力一應(yīng)變?cè)囼?yàn), 發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)變強(qiáng)烈滯后于應(yīng)力,在壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲 E 線中包含一個(gè)很長(zhǎng)地平穩(wěn)段,因而泡沫金屬是一種具有高沖擊能吸收特性的材料.

              3.24熱物理性能

              泡沫金屬一般有高的耐熱性能,即使溫度達(dá)到基體合金的熔點(diǎn)也不溶解.例如,ALMAG 合金的溫度范圍為560640。C,但是 ALMAG合金泡沫合金在大氣中加熱到1400。C也不溶解 .

              3.25透過(guò)性能

              透過(guò)性能是通孔泡沫金屬的叉一特性.通過(guò)對(duì)泡沫金屬孔結(jié)構(gòu) (如孔隙率、孔徑大小、通孔率等)的調(diào)整.可以獲得不同透過(guò)性能要求的泡沫金屬材料.

              3.26聲學(xué)及電籪陛

              能對(duì)于通孔泡沫金屬,當(dāng)聲波接觸金屬表面時(shí),經(jīng)過(guò)漫反射進(jìn)入泡沫金屬的孔洞內(nèi),使金屬內(nèi)部振動(dòng)將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鸬较舻淖饔茫秒姶挪▽?duì)泡沫金屬進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)泡沫金屬也有吸收電磁渡的作用,因此泡沫金屬還有對(duì)電磁波的屏蔽作用.

              3.3 泡沫金屬的應(yīng)用

              針對(duì)以上所述泡沫金屬的種種掙陛,泡沫金屬有許多相應(yīng)地應(yīng)用領(lǐng)域.應(yīng)用的需要也正是對(duì)這種新型材料開(kāi)發(fā)的意義.

              3.31利用優(yōu)異的熱物理性能

              泡洙金屬具有很大的比表面積,對(duì)于通孔泡沫金屬可以用來(lái)制作熱交換器及散熱器;對(duì)于閉孔泡沫金屬可 作絕熱材料.

              3.32利用吸收沖擊能特性

              用于制造緩沖器、吸震器是泡沫金屬的重要用途之一.其應(yīng)用從汽車(chē)的防沖擋板直至宇宙飛船起落架,此外已成功地用于升降機(jī)、傳送器安全墊、高速磨床防護(hù)罩吸能內(nèi)襯.

              3.33利用透過(guò)性能

              利用泡沫金屬的透過(guò)性能,可將其應(yīng)用于制備過(guò)濾器的重要材料.由于它與粉末冶金多孔金屬相比,有孔徑大、孔隙率高的特點(diǎn),用它制作的過(guò)濾器應(yīng)用范圍較廣,可用于對(duì)液體、空氣或從其他氣流中濾掉固體顆粒等方面.

              3.34利用聲學(xué)及電磁性能

              利用泡沫金屬的吸音性能,主要用于消音降噪方面,如用于蒸汽發(fā)電廠、氣動(dòng)工具、小汽車(chē)等的衰減消音器.日本在高速列車(chē)發(fā)電機(jī)室、無(wú)線電錄音室及新干線吸音等方面獲得有應(yīng)用前景的結(jié)果.

              3.3.5其他用途

              泡洙金屬還可以用于建筑業(yè),如建筑物內(nèi)外裝飾件、幕墻、問(wèn)壁等;也可做計(jì)算機(jī)臺(tái)架;各種包裝箱等等 ?.利用泡沫金屬的耐火性,可以用于建筑等工業(yè)上的耐火材料;或通過(guò)對(duì)其孔洞進(jìn)行處理,用于阻燃材料等.在化工方面,可用它作為催化劑的載體.另外泡沫金屬還可以作多孔電極.

              綜上所述,泡洙金屬的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,它可以應(yīng)用在建筑工業(yè)、航空工業(yè)、計(jì)算機(jī)工業(yè)、交通工具及包裝工業(yè)等很多領(lǐng)域,而且隨著泡沫金屬生產(chǎn)工藝的不斷完善及對(duì)其研究開(kāi)發(fā)的不斷深入,泡沫金屬的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地?cái)U(kuò)大.因此,對(duì)泡沫金屬進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)有著重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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