多孔金属材料的特性

多领域有着广泛的应用前景。本文概述了多孔金属材料的常用制备方法及其主要性能。

关键词:多孔金属材料制备性能应用

摘 要

:多孔金属材料是一种性能优异的新型功能材料和结构材料

,具有独特的结构和性能

,在很

科学家极大的兴趣

,成为材料类研究的热点方向之

1 引言

一

,自

20世纪

90年代以来

,美国的哈佛大学、英国

在传统的金属材料中

,孔洞

(宏观的或微观的

)的剑桥大学、德国的

Fraunhofer材料研究所、日本的

被认为是一种缺陷

,因为它们往往是裂纹形成和扩东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行

展的中心

,对材料的理化性能及力学性能产生不利了广泛的研究

,获得了一批研究成果

[2-5]。在我国

,

的影响。但是

,当材料中的孔洞数量增加到一定程多孔金属材料的基础和应用研究也逐步得到重视和

度时

,材料就会因孔洞的存在而产生一些奇异的功发展。近年来

,研究队伍不断壮大

,在制备技术、结

能

,从而形成一类新的材料

,这就是多孔金属材料。构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防

按照孔之间是否连通

,可以把多孔金属材料分为闭领域的应用研究均取得了一定的进展

,已经引起我

孔和通孔两类

,如图

1所示。该类材料具有良好的国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视

,尤其

吸能性能、高阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及值得一提的是

,我国在

2005年立项的国家重大基础

良好的导热导电性能

[1] ,因而在一般工业领域

(如研究计划

(973计划

)“超轻多孔材料和结构创新构

汽车工业

)、国防科技领域及环境保护领域等有着型的多功能化基础研究

”

,更是体现了对该类材料

广泛的应用前景

,它的设计、开发和应用引起了中外研究的重要性和迫切性。

水化物等,然后将均混的混合物压制成密实块体即

到目前为止

,已开发的制备多孔金属的方法很

多

,涉及到的领域也非常广。根据在制备过程中金

属所处的状态

,可将多孔金属的制备工艺分为以下

三类

:液相法、粉末烧结法和沉积法。

2. 1 液相法

液相法包括的种类比较多

,且较易制备大块的

多孔金属和产品易商业化

,成为多孔金属材料制备

的主要手段,液相法主要包括以下几种:

2. 1. 1 颗粒渗流法

颗粒渗流法[ 6 ]原理是首先将颗粒在模具内压

实,烘干形成预制块。然后通过压力将金属液渗入

中,并强烈搅拌使空心小球分散,最后得到空心球与

金属基体形成的多孔金属材料。空心球铸造法的特

点是孔径和孔隙率易于控制,材料综合力学性能好。

2. 2 粉末冶金法

粉末冶金法主要包括粉末烧结发泡法、烧结-

脱溶法、松散粉末烧结法、中空球烧结法等。

2. 2. 1 粉末烧结发泡法

这种工艺[ 12 ]是首先将金属粉末和相应的发泡

剂按一定比例均匀混合,发泡剂可以是金属氢化物、

半成品,最后将此半成品加热到接近或高于混合物

熔点的温度,使发泡剂分解,金属熔化,从而形成多

孔泡沫材料。此种方法易于制作近半成品的零件和

到颗粒预制块的间隙中,最后将颗粒溶除即可得到

通孔结构的多孔金属材料。

2. 1. 2 精密铸造法

精密铸造法

[8]是首先用耐火材料浆料填满海

绵状泡沫塑料的孔隙

,待耐火材料固化后

,加热除去

塑料

,即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属

液浇入到预制块上

,加压渗流

,这一点类似于渗流过

程。最后再除去耐火材料

,就形成与原来海绵状塑

料结构相同的多孔金属材料。

2. 1. 3 熔融金属发泡法

熔融金属发泡工艺可分为两种

,发泡剂发泡和

通气发泡

[9, 10 ]。前者是在熔融的金属液中加入发泡

剂

(如

TiH2 ) 后者则是在金属液中通入气体

(如惰

性气体

)。这两种工艺的共同特点是可制备孔隙率

高、尺寸大、闭孔结构的多孔金属

,但过程控制较为

复杂

,孔结构分布均匀性不高。

2. 1. 4 空心球铸造法

空心球铸造法

[11 ]的原理是先采用商用酚醛塑

料小球在惰性气体环境中加热直至塑料碳化

,形成

中空的小球。然后将这些中空的小球加入到金属液

三明治式的复合材料

,而且孔隙率较高

,孔分布均

匀。

2. 2. 2 烧结

-脱溶法

这种制备工艺

[13 ]首先是将金属粉末和可去除

填充颗粒均匀混合

,其中可去除填充颗粒一般包括

两类

,一类为可溶于水或其它溶剂的盐

(如

NaCl

等

),一类为可分解有机物

(如尿素、碳酸氢氨等

),

均混后把混合物压制成致密的半成品

,然后在一合

适的温度烧结。若填充颗粒为可分解有机物

,则烧

结过程中颗粒会分解气化

若填充颗粒为可溶性盐

,

则在烧结后可用溶剂将其溶去便得到多孔金属材

料。

2. 2. 3 松散粉末烧结法

松散粉末烧结

[14 ]是把松散状态的金属粉末不

经压实直接进行烧结的方法。此种方法可用于生产

多孔金属电极。

2. 2. 4 中空球烧结法

通过将金属中空球烧结

,使之扩散结合而制造

多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔

和闭孔。金属中空球可通过下述方法制备

:在球形

树脂上化学沉积或电沉积一层金属

,然后将树脂除

明显的三阶段特征

,即初始的弹性段

(Linear Elasticity)、中间的平台段

( Plateau)和最后

的致密段

(Densification)。其中

,平台段的起始点应

力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度

,此强度远小于

其基体的屈服强度

[1]。当多孔金属材料受到外加

载荷时

,因屈服强度低很容易发生变形

,而且变形量

大、流动应力低

,在变形过程中通过孔的变形、坍塌、

破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使应力升

的。

高

,从而能有效地吸收冲击能。这种在较低应力水

形成金属烟。金属烟在自身重力作用及惰性气流的平下吸收大量冲击能的特征正是冲击缓冲所需要

携带下沉积和冷却。因其温度低

,原子难以迁移和

扩散

,故金属烟微粒只是疏散地堆砌起来

,形成多孔3. 2 高阻尼性能

泡沫结构

[16 ]。

多孔金属材料可看作是由三维网络状金属骨架

去

,或将树脂球和金属粉一同混合

,随后烧结使金属

粉结合

,同时树脂球挥发

[ 15 ]。

2. 3 沉积法

沉积法主要包括金属气相蒸发沉积法、原子溅

射沉积法和电化学沉积法三种。

2. 3. 1 金属气相蒸发沉积法

在较高惰性气氛中

,缓慢蒸发金属材料

,蒸发出

来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生一系列

碰撞作用

,使之迅速失去动能

,从而部分凝聚起来

,

与高压惰性气体原子碰撞

2. 3. 2 原子溅射沉积法

在惰性气体的压力下,元素原子在飞溅路程中

,金属原子一方面捕获气

体原子

,另一方面凝聚成金属液滴

,然后到达衬底。

在衬底上获得均匀包裹气体原子的金属体

,最后在

高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使

捕获的气体膨胀

,形成多孔金属材料。这种方法的

特点是孔结构非常理想

,但成本昂贵

,不易制备大

件

[ 17 ]。

2. 3. 3 电化学沉积法

这种方法是以聚氨基甲酸乙脂发泡材料为骨

架

,进行电解沉积

,然后加热去除有机聚合物骨架

,

得到多孔金属材料。这种方法制备的多孔材料不但

孔隙率高

,孔分布均匀

,且孔互相连通呈三维网状结

构

[ 18 ]。

3 多孔金属材料的主要性能

多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型

材料

,具有一些其基体或母体所不具备的特殊性能

和功能

,主要表现如下

:

3. 1 吸能性能

图

4 多孔金属材料典型的压缩应力

-应变曲线

多孔金属材料的应力

-应变

(σ

-ε)响应具有

与孔洞所组成的两相复合材料。除了孔洞与金属基

体之间所形成的界面外

,材料内部还存在其它大量

微观的

(主要是位错

)和宏观的

(较小的孔洞和裂

纹

)缺陷

,其组织状态和缺陷分布极不均匀。因此

当外力作用于多孔金属材料上时

,将在基体中产生

不均匀的应变

,特别是在孔洞

(宏观的或微观的

)或

裂纹附近

,其应变情况更为复杂

,从而引起缺陷区域

原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的

,因而引

起粘滞性应变

,造成能量的损耗

,导致材料的阻尼增

加。

3. 3 吸声性能

多孔金属材料的高孔隙率结构使其具有良好的

吸声性能

[19 ]。一般来讲

,通孔或半通孔多孔金属的

吸声效果比闭孔的好。多孔金属材料的吸声机制主

要可归为两种

,即声波经过多孔金属时流动阻力的

升高造成的粘性损失以及声波与孔洞表面热量交换

造成的热损失。

3. 4 电磁屏蔽、导热和导电性能

多孔金属具有良好的导电性和很高的比表面

积

,因此具备很高的电磁屏蔽性能

,即良好的吸收和

反射电磁波的能力。同时又具有良好的导热性

能

[ 20, 21 ]。

3. 5 其它性能

质轻

,易着色

,易加工

,耐高温。

4 结语

(1)多孔金属材料具有良好的理化性能和力学

性能

,因而可以作为功能材料和结构材料

,具有良好

的应用前景。多孔金属材料的制备工艺很多

,因而

可以满足多样化的需求

,可以根据不同的应用需求

采用不同的制备工艺。

and energy absorbing characteristic of foamed aluminum.

(2)部分制备工艺在结构的可控性、孔径的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502.

匀性、样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: / /

备工艺还需要进一步的探索和完善。

www. cymat. com.

(3)随着工业和科技的进步

,人们对多孔金属

[11 ]张勇

,舒光冀

,何德坪

.用低压渗流法制备泡沫铝合金

[J ].材料科学进展

, 1993 (7) : 473 -47.

材料的需求量越来越大

,要求也越来越高

,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属材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997.

点

,相当多的潜在价值尚未被开发出来

MechanicalBehaviorofMetailicFomas[J].

. Mater. Sci, 2000 (30):191-227.

Olurin,N.A.

,或仅局限在

(44) : 105 -110.

[ 14 ]B. C.

社,1982.

[13]YA Novel sintering

processformanufacturingAlfoams[J].

. Y. Zhao, D. X. Sun. -dissolution

实验室阶段

,因而对性能的研究又提出了新课题。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 materialspreparationpropertiesppplication

其制备过程是把镍铝合金用浓氢氧化钠溶液处理，在这一过程中，大部分的铝会和氢氧化钠反应而溶解掉，留下了很多大小不一的微孔。这样兰尼镍表面上是细小的灰色粉末，但从微观角度上，粉末中的每个微小颗粒都是一个立体多孔结构，这种多孔结构使得它的表面积大大增加，极大的表面积带来的是很高的催化活性，这就使得兰尼镍作为一种异相催化剂被广泛用于有机合成和工业生产的氢化反应中。而“金属骨架催化剂”或者“海绵-金属催化剂”被用于称呼具有微孔结构，而物理和化学性质类似于兰尼镍的催化剂。

一、表象不同

1、铝合金表面很容易生成一层极薄的氧化铝膜(0.01-0.02um)，有一定的抗腐蚀能力。但由于这层氧化膜是非晶的，使铝合金表面失去原有的光泽，疏松多孔，不均匀。

2、氧化铝合金进行氧化处理，表面有光泽、致密、均匀。铝膜微孔吸附能力强，可经过着色成各种美观艳丽的色彩。

二、处理工艺不同

1、铝合金表面没有经过特殊的氧化处理。

2、氧化铝合金是经过特殊的氧化处理，首先用化学和物理的方法对制品表面进行必要的清洗，使其裸露纯净的金属基体，然后进行氧化着色，从而获得与基体结合牢固、色泽和厚度都满足要求且具有最佳耐蚀、耐磨等良好性能的人工膜。

三、抗腐蚀能力不同

1、铝合金表面氧化膜疏松多孔，不均匀，抗腐蚀能力不强，容易沾染污迹。

2、氧化铝合金经过氧化表面处理后，提高了铝的耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面。

扩展资料：

氧化铝合金和铝合金处理工艺不同，从而在表象、抗腐蚀能力方面均有不同。

氧化铝合金是经过氧化表面处理的，在铝合金表面镀一层致密氧化铝，为了防止进一步氧化。较之铝合金，提高了耐腐蚀性、增强了耐磨性及硬度，保护了金属表面不受污损。

参考资料：

百度百科——铝氧化

铝合金型材这里是指的是挤压铝型材。

具体的生产流程就是从挤压模具开始，再到挤压机上，铝棒经过加温后通过挤压模具挤压出来，然后形成一种铝型材的截面。

铝型材材一般都要经过后期的加工，铝型材经过时效之后，要做一些数控车床的加工，钻孔、铣槽、攻牙等。

还有后期做一些表面处理，表面的阳极氧化、电泳、烤漆等等。

主要过程为：

（1）配料：根据需要生产的具体合金牌号，计算出各种合金成分的添加量，合理搭配各种原材料。

（2）熔炼：将配好的原材料按工艺要求加入熔炼炉内熔化，并通过除气、除渣精炼手段将熔体内的杂渣、气体有效除去。

（3）铸造：熔炼好的铝液在一定的铸造工艺条件下，通过深井铸造系统，冷却铸造成各种规格的圆铸棒。

2、挤压：挤压是型材成形的手段。先根据型材产品断面设计、制造出模具，利用挤压机将加热好的圆铸棒从模具中挤出成形。常用的牌号6063合金，在挤压时还用一个风冷淬火过程及其后的人工时效过程，以完成热处理强化。不同牌号的可热处理强化合金，其热处理制度不同。

3、氧化：挤压好的铝合金型材，其表面耐蚀性不强，须通过阳极氧化进行表面处理以增加铝材的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度。

其主要过程为：

（1）表面预处理：用化学或物理的方法对型材表面进行清洗，裸露出纯净的基体，以利于获得完整、致密的人工氧化膜。还可以通过机械手段获得镜面或无光（亚光）表面。

（2）阳极氧化：经表面预处理的型材，在一定的工艺条件下，基体表面发生阳极氧化，生成一层致密、多孔、强吸附力的AL203膜层。

（3）封孔：将阳极氧化后生成的多孔氧化膜的膜孔孔隙封闭，使氧化膜防污染、抗蚀和耐磨性能增强。氧化膜是无色透明的，利用封孔前氧化膜的强吸附性，在膜孔内吸附沉积一些金属盐，可使型材外表显现本色（银白色）以外的许多颜色，如：黑色、古铜色、金黄色及不锈钢色等。

2、着色：对铝进行上色主要有两种工艺：一种是铝氧化上色工艺，另外一种是铝电泳上色工艺。在氧化膜上形成各种颜色,以满足一定使用要求,如光学仪器零件常用着黑色,纪念章着上金黄色等。

3、导电氧化(铬酸盐转化膜)——用于既要防护又要导电的场合。

4、化学氧化：氧化膜较薄，厚度约为0.5～4微米,且多孔，质软，具有良好的吸附性，可作为有机涂层的底层，但其耐磨性和抗蚀性能均不如阳极氧化膜；

铝及铝合金化学氧化的工艺按其溶液性质可分为碱性氧化法和酸性氧化法两大类。

按膜层性质可分为:氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜、铬酸－磷酸盐膜。

5、电化学氧化，铝及铝合金的化学氧化处理设备简单，操作方便，生产效率高，不消耗电能，适用范围广，不受零件大小和形状的限制。氧化膜厚度约为5～20微米（硬质阳极氧化膜厚度可达60～200微米），有较高硬度，良好的耐热和绝缘性，抗蚀能力高于化学氧化膜，多孔，有很好的吸附能力。

6、喷涂：用于设备的外部防护、装饰,通常都在氧化的基础上进行。铝件在涂装前应进行前处理才能使涂层和工件结合牢固，一般的有三种方法：磷化（磷酸盐法）、铬化（无铬铬化）、化学氧化。

8、化学抛光化学抛光是利用铝和铝合金制作在酸性或碱性电解质溶液中的选择性自溶解作用，来整平抛光制年表面，以降低其表面粗糙度、PH的化学加工方法。这种抛光方法具有设备简单、不用电源，不受制件外型尺寸限制，抛兴速度高和加工成本低等优点。铝及铝合金的纯度对化学抛光的质量具有很大的影响，它的纯度愈高，抛光质量愈好，反之就愈差。

9、钝化是使金属表面转化为不易被氧化的状态，而延缓金属的腐蚀速度的方法。

一种活性金属或合金，其中化学活性大大降低，而成为贵金属状态的现象，叫钝化。

金属由于介质的作用生成的腐蚀产物如果具有致密的结构，形成了一层薄膜（往往是看不见的），紧密覆盖在金属的表面，则改变了金属的表面状态，使金属的电极电位大大向正方向跃变，而成为耐蚀的钝态。如Fe→Fe＋＋时标准电位为－0.44V，钝化后跃变到＋0.5～1V，而显示出耐腐蚀的贵金属性能，这层薄膜就叫钝化膜。