泡沫铝的制备方法、性能及应用

      泡沫铝是一种在金属铝基体中分布有无数气泡的多孔质材料。目前，日本与德国在研究、生产和应用泡沫铝与其他金属泡沫方面居世界领先地位。我国对泡沫铝材的研究始于1980s后期，已取得了一系列的研究成果，但尚未取得突破性的成就，仍然处于起步阶段，未形成生产力。

       制备泡沫铝的方法有多种, 根据制备过程中铝的状态可以分为三大类:液相法、 固相法、 电沉积法。

       通过液态铝产生泡沫结构, 可在铝液中直接发泡,也可用高分子泡沫或紧密堆积的造孔剂铸造来得到多孔材料。

1.1熔体发泡法

       在铝液中直接产生气泡可得到泡沫铝。通常,气泡由于浮力而快速上升到铝液表面,但可以加入一些细小的陶瓷颗粒增加铝液粘度阻止气泡的上升。当前,熔体发泡主要有两种方法:直接从外部向铝液中注入气体;在铝液中加入发泡剂。

(1) 直接注气法   各种泡沫铝合金都可用此法生产, 包括铸造铝合金A359,锻造合金 1061、3003、6061等。为了增加铝液粘度,需要加入碳化硅、氧化铝等颗粒。此方法的难点在于如何使颗粒被铝液润湿并均匀分布在液体中, 颗粒的体积分数通常为 10 % - 20 %, 颗粒尺寸为 5 - 20微米。然后把气体 (空气、氮气、氩气)通入铝液中,同时对液体进行搅拌使气泡细小并均匀分布,这一步工艺的好坏将直接影响产品质量。含有气泡的铝液将浮向液面,由于颗粒的存在,使液体中的气泡相对稳定。用转动皮带将表面半固态的泡沫拉出就得到泡沫铝板。这种方法优点是可以连续生产,可获得低密度、大体积的产品。缺点是要对泡沫板材进行剪切,造成泡沫开孔,同时由于颗粒的加入,使胞壁变脆,对力学性能产生不利影响。

(2) 加发泡剂法   用发泡剂代替气体注入亦可得到泡沫铝。首先在680摄氏度的铝液中加入金属钙, 对于实际生产, 一般加入量为 1.5 % - 3.0 %( w t),搅拌几分钟增加液体粘度,钙的加入对铝液粘度的影响。钙也可用碳化硅等颗粒代替。粘度合适后,加入TH 2。在恒压下, TH 2分解出 H2,液体膨胀泡沫化, 冷却后即可得泡沫铝。TH 2可被 ZrH 2等发泡剂代替。这种方法的优点是可制得非常均匀的泡沫,并且气孔平均尺寸和铝液粘度以及泡沫铝密度和粘度之间存在关系,使孔径可控。

1.2   固-气共晶凝固法

       近年来开发的一种新方法,依据是在H2中一些金属可形成共晶系统。在高压H2下能获得含氢的均匀铝液,如果降低温度通过定向凝固将发生共晶转变, H2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。最终孔的形状主要取决于氢含量、铝液外部压力、凝固的方向和速率、金属液的化学成分,通常沿凝固方向形成管状孔, 孔直径 10um -10mm, 长度 100um -300mm。

1.3   铸造法

       (1) 熔模铸造   熔模铸造工艺：先准备开孔的高分子泡沫, 用耐热材料填充高分子泡沫。耐热材料可用莫来石、酚醛树脂、碳酸钙混合物或石膏等, 然后通过加热除去高分子泡沫并将铝液铸入模型中来复原高分子泡沫的结构,这一步可以采用加压和加热模型的方法使细小孔洞得到充分填充,最后用水溶等方法除去耐热材料,即得到与原高分子泡沫相同结构的泡沫铝。此法的难点在于如何使铝液充分填充到模型中, 以及如何在不破坏泡沫铝结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种泡沫金属,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   在无机或有机颗粒周围铸入铝液可制得多孔铝。无机材料可用蛭石、泥球、可溶性盐等,有机材料可用高分子颗粒。采用这种方法时,造孔剂堆积密度要高,以保证颗粒之间互相接触,以便将来除去,为了防止铝液在铸入时过早凝固,要将造孔剂预热。由于铝液具有大的表面张力,使得铝液很难成功铸入颗粒间隙中,所以可以先将造孔剂块体抽真空, 然后加压渗透。待铝液凝固后,可用水溶法或热解法除去造孔剂。此法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%。

       用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料。因为大部分固相法通过烧结使铝颗粒互相联结,铝始终保持在固态,所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。

2.1   散粉烧结法  

       这种生产方法包括三个过程: 粉末准备, 粉末压缩, 粉末烧结。此方法多用于制备泡沫铜。由于铝粉表面具有的致密氧化膜将阻止颗粒烧结在一起,因此用散粉烧结法制备泡沫铝相对困难。这时可以通过变形手段破坏氧化膜,使颗粒更易粘结在一起; 或加入镁、 铜等元素在 595 ~ 625摄氏度烧结时形成低共熔合金。用散粉烧结制备的泡沫金属优点是工艺简单、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。

2.2   粉浆烧结   

       把金属粉浆、发泡剂、活性添加剂混合后注入模子中逐渐升温,在添加剂、发泡剂影响下,浆开始变粘,并随产生的气体开始膨胀。如果工艺参数控制得当, 经烧结后就可得到一定强度的泡沫金属。对于铝粉,可以用正磷酸加氢氧化铝充当发泡剂。该法存在的主要问题是制得的泡沫材料强度不高并有裂纹。如果把粉浆直接灌入高分子泡沫中,通过升温把高分子材料热解,烧结后同样可制得开孔泡沫材料。

2.3   填加造孔剂法  

       Bram等人用高分子球、镁颗粒、尿素作为造孔剂制备了多孔钛。由于铝表面致密的氧化层使颗粒之间在烧结时结合困难,所以用此法制备泡沫铝并不多。由于镁的加入可以有效消除氧化层的影响, 赵玉园等用类似方法制得泡沫铝, 称为烧结溶解法。

       基本过程为：①将铝粉、氯化钠颗粒、少量镁粉混合；

                            ②将混合粉压制成块；

                            ③对压制的预制块进行烧结；

                            ④烧结件在水中溶去氯化钠。

2.4   粉末冶金法   

       由于此法的原料是金属粉末, 所以有的文献将其列入固相法。但此法实际的发泡阶段是在液相, 因此也有文献将其列入液相法。本文将其列入固相法讨论。粉末冶金法自发明以来,备受人们关注,许多泡沫铝性能的研究均用此法制备试样,例如热处理性能、压缩性能等。首先把铝粉、发泡剂混合后压制成致密的预制块, 预制块中不能存在残留气孔或缺陷, 否则将对产品质量造成很大影响。然后将预制块放入炉中加热,加热至铝熔点温度附近,发泡剂开始分解,释放的气体将使铝预制块膨胀,形成多孔结构。发泡时间依据发泡温度和预制块大小而定,一般从几秒钟到几分钟。这种方法适于制备各种泡沫金属,如纯铝和各种铸造、锻造铝合金,以及锡、青铜、铅等其它金属。发泡剂一般用TH 2 等金属氢化物,加入量通常<1 %。粉末冶金法的优点是工艺简单, 并且可制备形状复杂的金属泡沫。缺点是TH 2等发泡剂价格昂贵。

       电沉积法是以泡沫塑料为基底,经导电化处理后,电沉积铝制成。可通过浸涂导电胶、磁控溅射锡膜或化学镀膜等方法使泡沫塑料导电。由于铝的电极电位比氢还负,所以不可以采用铝盐水溶液电镀,可采用烷基铝镀液。用电沉积法生产的泡沫铝具有孔径小,孔隙均匀,孔隙率高等特点,其隔热性能和阻尼特性优于铸造法生产的泡沫铝。

       泡沫铝的性能主要取决于分布在三维骨架间的孔隙特征,即气孔的形态和分布,包括孔的类型 （通孔或闭孔）、孔的形状、孔的分布、孔的结构（孔径、孔隙率、比重等）。

       泡沫铝最明显的特点就是重量轻、密度低,随孔的变化而变化,比重仅为同体积铝的0.1—0.6倍，但其牢固度却比泡沫塑料高达4倍以上。泡沫铝材料的导电性要比实心铝材料小得多,相反电阻率就大得多,是电的不良导体。泡沫铝的导热性能比实心铝小得多,约为实心铝的 0.1—0.2 倍。另外,泡沫铝还具有刚性大、不易燃、不易氧化、不易产生老化、耐候性好、回收再生性好等特点。

       对于承受弯曲负载的装置,所用材料应具有较高的比强度,通过对泡沫铝 和几种常见结构材料（铝 、钢）的比强度值（泡沫铝：铝：钢 =5: 2.5 :1）比较,可知泡沫铝具有高比强度的特点。实验研究表明,适当的热处理可以提高其比强度。因此,泡沫铝可用于承受较大的弯曲负载装置中。

       同其他多孔材料一样,泡沫铝的弹性模量、剪切模量、弹性极限等均随孔隙率的增大而呈指数函数下降。

       (1) 抗拉强度   泡沫铝的抗拉强度很低,几乎无延伸率,表现为半脆性。实验发现孔径大小对其拉伸性能有一定的影响。相对密度相同时,孔径小的拉伸强度比孔径大的高。

       (2) 抗压强度   泡沫铝的抗拉强度虽然很低,但它的抗压强度却较高。泡沫铝压缩应力一应变曲线可以分 3个区域：线弹性区、屈服平台区、致密化区。孔径不同的泡沫铝的压缩应力一应变曲线形状基本相似,不同主要表现在塑性平台的高度上,实验发现,孔径大小与塑性平台的高度并不是某种简单的线性关系,而是在某一孔径下塑性平台最高。由泡沫铝的抗压强度与其密度及压缩率之间的关系图可知,密度增加,抗压强度增加。

       多孔结构材料可用作能量吸收材料。单位质量小、能量吸收能力大的材料就具有较大的作用。泡沫铝单位质量小、强度较高,因此泡沫铝具有很高的能量吸收能力。泡沫铝在压缩过程中,有高而宽的应力平台,可以在基本恒定的应力下通过应变来吸收能量。吸能能力由应力应变曲线下方的面积来求,因此屈服平台高而宽时,吸能能力越大。孔径大小对屈服平台的高度有一定的影响,所以可以找到一个合适的孔径,使屈服平台较高来提高其吸能能力。另外,其吸能能力随孔隙率呈非单调变化,在某一孔隙率下具有最大的吸能能力。

       材料的阻尼性能是指材料由于内部的原因,将机械振动能不可逆地转化为热能的本领。利用材料的这种本领,可减小所不希望的噪声和振动。根据Zener的经典理论,提高金属材料阻尼性能的重要途径之一,就是设法使缺陷之间的交互作用达到最大,以获得最大的线性阻尼,或将力学放大机制引人材料,以获得较高的非线性阻尼。多孔材料显然符合高阻尼材料的组织特征,而且实验已经证明孔洞的存在,可在某些非金属或金属材料的阻尼响应中发挥重要作用。

       泡沫铝作为一种宏观多孔材料,由金属骨架和孔隙组成,组织极不均匀,应变强烈滞后于应力,压缩应力一应变曲线中包含一个很长的平稳段,因而它是一种具有高能量吸收特征的轻质高阻尼材料,在消声减震等领域有着可观的应用前景。实验研究发现：

（1）孔径一定时,泡沫铝的内耗随孔隙率的增大而增大；

（2）孔隙率一定时,泡沫铝的内耗随孔径的减小而增大；

（3）泡沫铝的内耗与应变振幅密切相关,随振幅的增大而增大；

（4）泡沫铝的内耗在低频范围内与频率的变化无显著关系。

       在低阻尼的铝中加人大量孔洞以后,可以显著提高其阻尼本领。是由孔洞本身弹性模量近乎为零的软质性以及孔洞与基体之间形成的大量界面引起的。另外泡沫铝内部还存在其他大量微观和宏观的缺陷,泡沫铝的阻尼机制是其缺陷的综合效应,缺陷阻尼是其主要的阻尼机制。

       泡沫铝材料尤其是通孔泡沫铝,当声音透过泡沫铝时,由于声波也是一种振动,可以在材料内部发生散射、干涉和漫反射,将声音吸收在其气孔中,使内部骨架振动,声能部分转化为热能并且通过热传递消耗掉,起到了吸声的作用,因此,泡沫铝具有良好的声音吸收能力。吸声性能用吸声系数来衡量,吸声系数越大则吸声性能越好,泡沫铝的吸声性能主要取决于孔隙特征,通孔吸声性能较好。孔越细小,吸声性能越好。

       由于泡沫铝的单位体积重量轻,防音防振、耐火不燃、保温等性能,所以能用它来建造不承重的内墙壁、间壁墙、门、天花板、外面的装饰材料等。也能够利用到任何要求气密、通气性能好的建筑中。要用来做表面装饰时,也能做到泡沫塑料、大理石和其他装饰材料的效界、在电子计算机室、理化试验室等的配线配管经常变动的情况下,适于建造所谓的移动地板。对于这个目前用的是蜂窝结构材料、压铸材料等,但可以用泡沫铝代替。大型建筑物的外装,在高层上是极力避免使用重量大的材料的,泡沫铝正好适合这种需要。这不仅是重量轻,而且可使外表设计 自由。对强度有特殊要求时,可以利用加入钢筋制做的泡沫铝。

       泡沫铝可以采用任意设计来做为建筑物内外和其他的装饰材料,也能够做成具 有如石质、大理石、木材、玻璃等材料的式样。由于用它造成的雕刻物、塑像和其他物件造型即大又轻,搬运起来是极容易的。

       能够有效地利用其做为壁面来调整广播、音乐、讲堂、剧场等的音响效果。在产业部门适合做为发电室、发动机试验室、飞机场的防音、发音机械的平台等材料。日常生活中被用来做为唱机、立体摄影机的结构零件,室内冷却器的防音、旅馆等的防音部件等。

       对于用做汽车缓冲器及其他附带零件,以把冲撞减缓下来达到安全目的,泡沫铝是最好的材料。与此相反,也能用来做为对于沿路的诸设备发生冲撞时的缓和振动材料。做为重量大而又贵重的物件的运搬、安装等的防振材料是理想的。阿波罗11号的 LM在月球表面着陆时起落架下用的就是这种材料。适应着陆时月面的凹凸,并以泡沫铝的破坏来缓和振动。也适用做为贵重物品的垫板材料。

       由于泡沫苯乙烯模型及其他高温下使用的大型模型在操作上必需减轻重量,所以能用这种材料。试制汽车和其他大型的模型时,历来用的是蜂窝结构及其他材料,但是它有成本高的缺点,而泡沫铝则价格低又容易整形,并且在模形变化时,对于重复试制是非常适合的。

       泡沫铝优良的性能,决定了它具有广泛的用途和广阔的应用前景。尤其是在汽车制造业上的应用,泡沫铝被认为是一种大有前途的未来汽车与其他交通运输工具的良好材料。为了保护地球环境和自然资源,欧洲、北美、日本等发达国家已制订出法律法规来提高汽车的燃油效率。减轻自重是提高燃油效率的最佳方法,减轻汽车自重的方法：（1）改进结构,（2）轻量化材料。前者已大致到了尽头,只有后者才有潜力可挖。这样就为泡沫铝材料的开发应用提供了很好的机会。欧洲经济共同体实行的光明欧洲计划就是研究泡沫铝在汽车上的应用。自重减小 1kg，燃油效率可提高0.01km/L。目前国外已有全铝汽车出现,与铝相比泡沫铝材料具有更轻量化的特点,可以更好地提高燃油效率。

       国外研究表明,采用泡沫铝材构件,汽车构架的刚度得到加强。在汽车制造中约有20 %的车身结构可采用泡沫铝制造,一辆中型轿车用泡沫铝制造零件可减重27.2 kg 左右,同时使结构系统简化,零部件数量至少可减少 1/3 ,降低了汽车成本。泡沫铝材料是一种良好的能量吸收体,单位体积吸收的能量可达6-9M J,强大的能量吸收能力说明了它作为汽车保险杠缓冲材料的优越性。在汽车冲击区使用泡沫铝制成的合适元件,可控制最大能耗的变形,例如,在中空钢材或铝材外壳中充入泡沫铝,可使这些部件在负载期间具备良好的变形行为。泡沫铝材料用于汽车乘客座位前后的可变形材料可以改善安全性。泡沫铝耐热、阻燃,同时,在受热状态下不会释放有毒气体,所以在交通运输工具中采用泡沫铝材料来代替泡沫塑料或发泡树脂材料,可以提高使用寿命,减少维修,同时也消除了传统材料在车辆事故中所产生的有害气体,大大降低了交通事故中的损失和人员伤亡,同时也起到了环保作用。

       本文概述了泡沫铝的各种制备方法、性能及应用。根据制备过程中铝的状态可以将制备方法分为三类:液相法、固相法、电沉积法；泡沫铝的性能研究方面主要研究了物理性能、力学性能、吸能特性、阻尼性能、吸声性能；泡沫铝主要应用为建筑材料、装饰材料、防音材料、抗振材料、型材及汽车制造业。目前,对泡沫铝的研究虽然比较深人、系统,而且在某些领域已得到了广泛的应用,但是还没有完全达到工业化使用的需求,尤其是在应用方面的汽车工业中几乎都未达到完善的成熟阶段。国外对该领域的研究已相当深人、系统,与国外相比,我国对泡沫铝材料的研究起步较晚,研究尚处于实验范围内,所以,我国今后还应进一步加强泡沫铝材料的研究。