（冶金物理化学专业论文）熔体发泡法制备泡沫铝的工艺研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文摘要 熔体发泡法制备泡沫铝的工艺研究 摘要 泡沫铝是一种新型的多功能复合材料，具有很好应用前景。本工作采用熔体 发泡法制备出了孔结构均匀可控的泡沫铝试样，并对其力学性能和电学性能进行 了测试和分析，为实际应用提供依据。 在熔体发泡法工艺过程中，发泡剂的分解特性直接影响到泡沫铝孔结构的均 匀性。同时，发泡剂分解温度、速度的控制也都会影响泡沫的尺寸和分布。在研 究了所选用发泡剂t i h 2 的热分解特性之后，针对其分解温度较低的特点，采用了 非均匀成核法进行包覆预处理。实验证实，包覆提高了t i h 2 分解温度，相对延迟 了t i h 2 释h 2 时间，有利于孔结构的控制。 设计并自制了搅拌装置、坩埚等设备。通过研究铝液粘度、发泡以及凝固对 泡沫铝试样制备的影响，确定了在本实验条件下较合适的工艺参数，制备出了密 度在0 5 9 c l n 3 1 1 9 e r a 3 、孔隙率在4 0 8 5 、孔径范围在0 5 m m 6 m m 之问的 泡沫铝试样，其孔结构基本均匀可控。 使用万能实验机对泡沫铝试样的静态压缩性能进行了测试，实验结果表明： 泡沫铝试样的强度小于a l 基体，其应力应变曲线可分为三个阶段：弹性阶段、塑 性阶段、密实阶段；试样的弹性模量、屈服强度、抗压强度随着孔隙率的增大而 减小，随孔径的增大呈现减小的趋势；随着孔隙率的增大，对应的塑性阶段的应 力平台长度随之增大：在相同应力条件下，应变随孔径的增大而增大；试样的吸 能能力随孔隙率的增大呈下降趋势，吸能效率先增加后减小，呈现一个峰值。 对所制备泡沫铝试样的电导率进行了测量，结果表明：随着孔隙率的增加， 电导率随之降低；在孔隙率相近的情况下，孔径对试样电导率的影响可以忽略不 计。根据所测试样的电导率值，验证了现有多孔材料的电导率的相关公式，得出 j ， 由逾渗理论推导出的公式! = 0 6 5 0 5 ( - v ) “3 测量值与计算值之间的相对误差在 九sps o 7 4 1 3 6 3 ，较适合本文所制备的泡沫铝试样。 关键词：泡沫铝，熔体发泡法，发泡剂，静态压缩，电导率 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t p r e p a r a t i o no ff o a m e d a l u m i n u mb ym e l tf o a m i n g t e c h n i q u e a b s t r a c t t h ef o a m e da l u m i n u m ( f a ) i san e w t y p eo fm u l t i - f u n c t i o n a lm a t e r i a lt h a tw i l lh a v e w i d ea p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e i nt h i sw o r k ，s t a r t i n gf r o mt h ep r e p a r a t i o no ff o a m e d a l u m i n u mm a t e r i a l ，s o m ef as a m p l e sw i t hb a s i c a l l yc o n t r o l l a b l ec e l l u l a rs t r u c t u r ea n d u n i f o r md i s t r i b u t i o no fc e l lw e r ef a b r i c a t e dw e l lb ym e a n so fm e l tf o a m i n gt e c h n i q u e ( m f t ) m o r e o v e r , t h ep r o p e r t i e so f s t a t i cc o m p r e s s i o na n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f t h e f o a m e ds a m p l e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hc a no f f e rt h eb a s i sf o rf u r t h e rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i nt h ep r o c e s sf o rp r e p a r a t i o no f f a ，t h ed e c o m p o s i t i o np r o p e r t yo f t h ef o a m i n ga g e n t a sw e l la st h ec o n t r o l st ot h et e m p e r a t u r ea n dr a t ef o rt h ed e c o m p o s i t i o no ft h em a t e r i a l a r ev i t a lt ot h es t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t i o no fc e l l s i nt h es t u d y , t i t a n i u mh y d r i d ei s c h o s e na sf o a m i n ga g e n t 。t h e n ，t i t a n i u mh y d r i d eu s u a l l yd e c o m p o s e sa tal o w e r t e m p e r a t u r et h a nm e l t i n gp o i n to fa l u m i n u m a i m i n gt ot h ep r o p e r t y , as u r f a c e c o a t e d p r e t r e a t m e n tt op a r t i c l e so ft i t a n i u mh y d r i d ew a ss y n t h e s i z e db yah e t e r o g e n e o u s n u c l e a t i o np r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a t e dt r e a t m e n tm a k e s t i t a n i u mh y d r i d eg a s i f y i n ga th i g h e rt e m p e r a t u r ea n de a nd e l a yt h ea g e n tr e l e a s i n g h y d r o g e nt os o m ee x t e n t ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oc o n t r o lc e l l u l a rs t r u c t u r e s o m ef a c i l i t i e ss u c ha ss t i r r i n gd e v i c ea n dc r u c i b l e sw e r en e w l yd e s i g n e da n d f a b r i c a t e di nt h el a b o r a t o r y t h ei n f l u e n c e so f v i s c o s i t y , s t i ra n ds o l i d i f i c a t i o no f m e l t i n g a l u m i n u mo np r e p a r a t i o no ff o a m e da l u m i n u mw e r es t u d i e d a n ds o m eo fi n i t i a l p a r a m e t e r sw e r ei m p r o v e da n dd e t e r m i n e d ，s u c ha st h et i m ea n ds p e e do fs t i r r i n g ，t h e a d d i t i o no f t i t a n i u mh y d r i d e h o l d i n gt i m e sa n ds o l i d i f i c a t i o nm o d eo nt h ep r o c e s s i n go f f o a m e da l u m i n u m f i n a l l nr e g u l a rs a m p l e so ff o a m e da l u m i n u mw e r em a n u f a c t u r e d ， a n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fw h i c ha r ei nt h er a n g eo f ：d e n s i t i e s0 5 咖m 1 1g e m p o r o s i t y4 0 8 5 ，c e l ls i z eo ，5 m m 6 n m a s t a t i cc o m p r e s s i o np r o p e r t i e so ff o a m e ds a m p l e sw e r et e s t e dw i t hi n v a r i a b l es t r a i n r a t e so nm a t e r i a lt e s ts y s t e m ( m t s ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n t e n s i t i e so ft h es a m p l e s i i 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t w e r el e s st h a nt h a to fa l u m i n u m ，a n dt h es t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o rc o m p r e s s i o nu n d e r g o n e t h r e es t a g e so fe l a s t i c i t y , p l a s t i c i t ya n dc o m p a c t b e s i d e s ，w i t ht h ei n c r e a s e so fp o r o s i t y a n dc e l ls i z ei nt h es a m p l e s ，t h e r ei sad e p r e s s e dt e n d e n c yi nt h ee l a s t i cm o d u l u s ，y i e l d s t r e s sa n di n t e n s i t yo fc o m p r e s s i o n t h el e n g t ho fy i e l ds t r e s sp l a n ei n c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gp o r o s i t y u n d e ru n i f o r ms t r e s sc o n d i t i o n ，s t r a i ni n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc e l l s i z e t h ee n e r g ya b s o r p t i o nd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp o r o s i t y t h ee n e r g ya b s o r p t i o n e f f i c i e n c yi n c r e a s e sf i r s ta n dd e c r e a s e sa f t e r w a r d sw i t hi n c r e a s i n go fp o r o s i t ya n dt a k e s t h es h a p eo f p e a kv a l u e ， e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yp r o p e r t i e so ff o a m e ds a m p l e sw e r et e s t e d ，t h er e s u l ts h o w e d t h a te l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y d e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n g o fp o r o s i t y i n a p p r o a c h e d p o r o s i t i e s ，t h ei n f l u e n c eo fc e l ls i z eo he l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ff o a m i n gs a m p l e sc a n b ea l m o s tn e g l i g i b l e a c c o r d i n gt ot h em e a s u r eo fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t i e so ff o a m e d s a m p l e s ，i tv a l i d a t e df o r m u l ao fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fp o r o u sm a t e r i a l t h er e s u l t s h o w e dt h a tf o m u l a 拿：o 6 5 0 5 ( p f ) “3w a sd e d u c e df r o mt h et h e o r yo fp e r c o l a t i o n ， e ps r e l a t i v e l ye r r o rw a si nt h er a n g eo f0 7 4 13 6 3 t h eo b t a i n e dt h e o r e t i cr e s u l t sw e r e i na c c o r dw i t he x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：f o a m e da l u m i n u m ，m e l tf o a m i n gt e c h n i q u e ，f o a m i n g a g e n t ，s t a t i cc o m p r e s s i o n ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：，礁筮整日期：迎纽2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 碾孪 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 材料是社会发展的基础，是人类进步的阶梯。而在材料科学研究中，永不改 变的话题是对新材料、新工艺的探索。随着社会的发展，人们早已不满足大自然 提供的材料。于是，各种各样的合金、高分子、陶瓷和金属间化合物等新材料在 科技进步中不断涌现出来。在传统的工程材料中，孔洞常被认为是- - ；f e e 结构上的 缺陷，因为它们往往是裂纹形成和扩展的中心，对材料力学性能产生不利影响。 但是，当材料中的孔洞的数量增加到一定的程度且有规律地分布时，就会因为这 些孔洞的存在而具有一些特殊的性能，从而形成一个新的材料门类，这就是所谓 的多孔或泡沫材料1 1 1 。 一般认为当多孔材料的孔隙率范围在4 0 9 8 之间时，可称之为泡沫材料， 但多数学者都将多孔材料和泡沫材料视为等同的概念，并不为孔隙率所区别【2 1 。目 前的人造多孔材料包括多孔塑料、多孔陶瓷、多孔金属等【3 1 。在这几种多孔材料中， 研究较多、发展较成熟的是多孔塑料，而多孔金属的研究只有约5 0 多年的历史。 多孔金属是一种在金属基体( 母相) 内随机分布着孔洞( 第二相) 的新型材料。它把连 续金属相的强度高、导热性好的特点与分散( 或连续) 空气相的阻尼减震、隔声等特 性有机地结合在一起，是一种具备多种优良性能的轻质结构功能材料。如果这些 孔洞之间相互独立，不连通形成闭孔，称之为胞状结构金属( c e l l u l a rs t r u c t u r em e t a l ) ， 由于这类新材料最初采用发泡法制备；一般称之为泡沫金属( f o a m e dm e t a l ) ；如果 这些孔洞之间相互连通，形成通孔，则称之为多孔结构金属( p o r o u sm e t a l ) ，简称为 多孔金属。通常将这二类统称为泡沫金属【4 】。本文主要研究熔体发泡法制备的闭孔 泡沫铝合金。 1 2 泡沫铝制备方法的发展史及分类 1 2 1 泡沫铝制备方法的爱赢史 泡沫金属的历史不长，在其发展历程中，研制和开发大都以轻金属铝为主要 对象，因铝及其合金具有熔点低、铸造性能好等特点。早在2 0 世纪4 0 年代后期， 美国首先对泡沫铝进行了研究，1 9 4 8 年s o n i k 5 1 提出熔体发泡法，利用一种易挥 发性金属( 沸点较低，女i h g ) 一种基体金属( 熔点较高，血i a l ) ，在一定的加压密封 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 容器中进行熔化，熔化过程中h g 转变为气态，当金属全部熔化时，减小容器内的 压力，h g 于铝液中蒸发，冷却凝固得到泡沫金属。此法缺陷是：h g 蒸汽对人体有 害；容器内压力较难控制。1 9 5 4 年，e l l i o t t t 6 1 在纯铝液中加入固态发泡剂( t i h 2 、z r h 2 ) ， 利用发泡剂分解产生的气体使铝液发泡，制备泡沫纯铝。这种方法当时存在的不 足是：金属熔体的粘度难以控制：所制备的泡沫金属呈不规则蜂窝结构。在随后 的2 0 多年中，美国探索以纯铝为基体金属的熔体发泡法的研究仅局限于制备工艺， 进展甚微【7 - 1 ”。西欧国家及前苏联也进行了泡沫金属制备的探索性研究盼”】。同 本九州工业技术研究所秋山茂等人，在美国制备方法的基础上，经过2 0 多年的持 续工艺探索，1 9 8 7 年在纯铝熔体发泡法制备上取得了重大进展，并已从实验室阶 段走向初步工业化阶段，应用于动力机械降噪、电磁屏蔽、建筑隔声诸方面1 1 4 - 1 7 】， 但由于价格等原因其推广甚缓。 我国于9 0 年代初开展发泡法的研究工作，东南大学【1 8 。2 0 】、中科院固体物理研 究所口1 。2 1 、昆明理工大学【2 3 】等单位以纯铝为基体金属，进行了发泡工艺的探索及 其性能的研究。 1 2 2 泡沫铝制备方法的分类 制备多孔材料并不困难，人们已经掌握了不同用途的多孔陶瓷和泡沫塑料的 制备方法，但多孔金属的成熟工艺仍在探索之中。随着材料科学的进步，到上世 纪8 0 年代后期已开发出一些有价值的泡沫会属生产工艺。有关泡沫会属制备方法 的报道很多( 见表1 - 1 ) ，主要方法有如下几种： 表1 1 多孔金属的制备方法、适h ； 金属、孔隙率、商业化程度 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 针对泡沫铝的制备工艺，主要有如下几种： 1 铸造法：是制造泡沫铝的一种主要工艺方法，具有工艺简单、成本低廉等 特点。铸造法应用很普遍，几种相关方法为： ( 1 ) 渗流铸造法：其原理是迫使液态铝进入粒子之间的空隙，冷却成形后形成 泡沫金属。工艺过程是把粒子放入模型中制成多孔体，预热到一定温度，然后浇 注铝溶液，经加压使金属渗入到多孔体中，冷却凝固后形成一个三维网状连通的 铝基合体。最后对复合体进行；b n t 处理，海绵铝成形体便制成了。采用此方法已 能制出孔隙率8 0 左右，孔径在0 0 5 6 0 3 r a m 的三维网状连通孔的泡沫铝合金材 料。此方法所制备的泡沫铝的孑l 直径及其形状主要决定于渗流颗粒的相应参数【2 4 1 。 ( 2 ) 添加球料法：添加球料法就是在液态铝合金中加入颗粒或中空球，加以强 化搅拌，对仍处在相对流动时的铝液进行铸造得到铝合金一颗粒复合体，然后溶 解去除铝合金基体中可溶性颗粒，从而得到一种连通孔泡沫铝【2 5 】。 ( 3 ) 熔模铸造法：熔模铸造法首先选用具有一定孔隙率的三维贯通的泡沫海绵 材料做母体材料，然后用易于去除的耐火材料冲入海绵状泡沫中，经干燥硬化后 形成预制型，再经焙烧后使耐火材料硬化并使泡沫海绵气化分解，然后将预制型 置于金属模具中，浇入金属液，并对其施加一定的压力或进行真空吸铸，使金属 液充填于铸型的孑l 隙中，冷却后清除掉成块的耐火材料，即可获得三维网状通孔泡 沫铝。这种熔模铸造法制备工艺所生产的泡沫铝具有良好的三维贯通性，且该工 艺适用范围大，无腐蚀性，在制造流体透过性产品方面有着良好的前景【2 “。 2 熔体发泡：此法以工艺简单、成本低廉、适宜制造大型板、块材而极具开 发潜力。其基本原理主要是将铝或铝合金熔化，随后加入增粘剂使铝熔体的粘度 增加，以防止气泡从熔体中溢出，然后加入发泡剂，最后经冷却便熔体中的气体 滞留在熔体内部。工艺过程为：铝的熔化一铝液的增粘一发泡剂混合一保温发泡 一发泡体冷却。其中增粘、混合、发泡和冷却这四个工艺过程对制备孔径和孔隙 率可控、结构均匀的泡沫铝至关重要。 经过不断研究，近几年的许多专家和学者对熔体发泡法工艺提出了很多改进 方法，例如： ( 1 ) s i c 颗粒增强法：。是在普通的铝合金中加入高强度，高硬度的陶瓷颗粒 ( s i c ) ，制成铝基复合材料。由于s i c 颗粒增强的铝基复合材料熔体自身粘度大，发 泡剂分解产生的气体能够滞留在熔体中，因此不需要采取任何增粘措施，且粘度 仅由温度控制。此方法的使用主要解决了不同炉次熔体增粘难以保持一致性及熔 体粘度难以控制的问题，并可相对降低对搅拌时间、搅拌速度的要求；同时提高 了泡沫铝的抗拉和抗压强度【2 ”。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 ( 2 ) t i l l 2 焙烧法：是将t i l l 2 粉在一定温度条件下进行钝化焙烧，以降低发泡剂 在铝熔体中的分解速度。使用经过预处理的t i l l 2 ，可以获得较为充分的搅拌时间， 提高发泡剂分散的均匀程度【2 8 1 。 ( 3 ) 氧化物包覆法：利用化学方法对t i l l 2 颗粒进行包覆。它根据非均匀相沉淀 包覆原理，将经过改性的t i h 2 粉加入到铝无机盐溶液中，通过化学反应生成氧化 铝前驱体用h 2 复合粉体，在3 5 0 下煅烧取得a l 2 0 3 厂r i h 2 发泡剂复合粉体。 a l 2 0 3 t i h 2 发泡剂复合粉体在6 0 0 c 之前比未包覆的t i h 2 总释h 2 量减少2 0 ，可以 对发泡剂的发泡过程起到一定的控制作用【2 9 】。 ( 4 ) 金属包覆法：提出用高压氢还原法、电镀法和真空喷镀法等将熔点高于 1 0 0 0 。c 的金属n i 或c r 或c u 等包覆至i j t i h 2 表面，外包覆金属一般为5 0 ( 质量数，下 同) 左右。由于高熔点的外包覆金剧的隔离作用，t i l l 2 的起始反应温度提高，分解 速度减缓，使发泡剂和铝熔体搅拌混合时间延长，从而充分混合【3 0 】。 此外，还有物理改进法，即通过研磨混合来改变t i l l 2 的放气性质，以及将t i h 2 和m n 0 2 混合后高温加热，使t i h 2 表面生成氧化膜等方法1 3 l 】。 3 金属沉积法：是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在 易分解的有机物上，具体可分为一下几种方法： ( 1 ) 喷溅沉积法：采用了喷溅技术把加有惰性气体的粉末均匀地喷射到铝合会 金属上，并加热到金属熔点，使央在金属基体中的气体膨胀成孔，待冷却后即得 到具有致密网状的泡沫铝。此方法所得产品的孔体积分数可以通过控制沉积中惰 性气体的分压来控制，夹杂气体的质量分数可以在0 0 0 1 5 - - 0 2 3 范围变化【3 2 l 。 ( 2 ) 气相蒸发沉积法：在较高压的惰性气氛中( 1 0 2 一1 0 3 p a ) 缓慢蒸发金属铝， 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的碰撞、散射作用，迅速 失去动能，从而部分凝聚起来形成金属烟，金属烟在自身重力作用及惰性气流的 携带作用下沉积，且在下行过程中继续冷却降温，最后达到基底，因其温度继续冷 却降温，原子难以迁移或扩散，故金属烟微粒只是疏松地堆砌起来，形成多孔泡 沫结构。用这种技术生成的泡沫铝与具有宏观结构的泡沫铝不同，它是出大量亚 微米尺度的金属微粒和微孔隙所构成，其密度约为母体金属铝密度的l ，最小为 o 5 3 3 1 。 。 ( 3 ) 熔融盐电镀法：是以泡沫塑料为电极阴极，铝板为阳极，在含有铝盐的熔融 盐中通过电沉积过程而制成的一种多孔泡沫铝。此法制成的泡沫铝孔隙率高、孔 隙均匀i j 。 ( 4 ) 电沉积法：用泡沫塑料为基底，经导电化处理后作为阴极，工业纯铝板为 阳极，在烷基铝溶液中电镀制成泡沫铝。其工艺流程如图1 1 所示。 ： - - 4 一 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 在此工艺中将泡沫塑料经去脂、粗化、活 化、还原等公益处理后，放到化学镀铜液中均 匀地沉积上一层铜，冲洗、烘干后即可放到烷 基液槽中电镀铝。采用此电沉积法制备的泡沫 铝具有容易控制孔隙结构、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；其吸声性能与声频率有 关，声频率在1 0 0 0 2 0 0 0 h z 之间时，其平均 吸声系数为o 7 5 1 ，是一种很好的吸声降噪材 图i - i 生产泡沫金属的电沉积技 料 3 5 】。 4 粉末冶金法：此法近几年正得到广泛的重视，德国f r a u n h o f e r 应用材料研究 所在这方面进行了深入研究并取得了突破性成就，已能制备出三明治式的复合泡 沫铝材料【3 6 】我国也有一些研究机构在进行这方面研究，并取得了一定的进展【3 7 ”j 。冶金法制备原理是将铝粉或铝合金粉与 一种发泡剂粉末混合，将这种混合物压制成密 实的金属基体，然后对其加热升温。当温度升 至铝粉或铝合金粉的熔点以上，发泡剂产生的 气体在熔融状态的铝或铝合金内部形成无数 的气孔，冷却这种铝基体后，即可得到泡沫铝 产品1 3 9 i 。 在利用粉末冶金法制各泡沫铝的工艺过 程中，制坯压力对泡沫铝的孔结构有影响。增 大压制力使得金属坯致密，可以得到孔结构均 匀的泡沫铝材料。图2 所示为采用粉末冶金发 泡法制得的闭孔泡沫铝样品，从图2 2 ( a ) 中可 见，孔洞基本呈多边形，孔洞大小、分布均匀。 图2 - 2 ( b ) 显示了泡沫铝孔壁的结构特征，可见 图2 - 2 泡沭铝的显微组 孔壁连接处为三角形，除连接点处，其余部分厚薄基本均匀【4 0 】。 5 烧结溶解法( s d p ) ：是近几年发展期来得一种新工艺，是上述常用方法的一 个重要补充。此方法所用原材料为铝粉和n a c i 盐粉，以及少量促进烧曩瓣添加剂， 工艺过程包括混粉、压坯、烧结和溶盐四个阶段。此工艺对盐粉底自自黼形状及大 小有特殊的要求，因为它将决定最终所得泡沫铝的孔洞形貌和尺戎p 典型的粒径 范围在1 0 0 3 0 0 0 u m l 4 1 1 。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 烧结溶解法具有可以精确控制泡沫铝的空洞形状、尺寸和孔隙率及其分布等 特点，是生产均匀或梯度微细开孔中密度泡沫铝的有效方法。 目前，国内研制泡沫铝所采用的方法主要有直接发泡法和精密铸造法。在上 述众多的制备方法中，除特殊要求外，作为工业化大生产最有前途的是熔体发泡 法，它的工艺简单、成本低廉。由于生产特殊用途泡沫铝材的需要，粉末冶金法 等生产方法也在迅速的发展起来【4 2 1 。 1 3 泡沫铝的结构特征、主要性能及发展趋势 1 3 i 泡沫铝的结构特征 泡沫铝材料的性能不仅与原材本身有关，而且与孔洞的结构密切相关。泡沫铝 的主要结构表征参数有如下几个： ( 1 ) 孔径：一般以孑l 隙平均直径作为孔径的衡量指标。根据体积、面积孔径相 等的原理取任意截面的试样测量计算孔隙的平均直径作为其孔径。泡沫铝的孔径 范围较大，一般在o 1 l o m m 之间【4 3 】。 ( 2 ) 孔隙率t 4 3 】：可分为面孔隙率和体孔隙率，面孔隙率指试样截面上孔洞总面 积和试样横截面面积之比；体孔隙率是所有孑l 隙所占体积与总体积之比。通常情 况，孔隙率指体孔隙率。由于骨架金属与母体金属为同一金属，故常用称重法测 孔隙率： 厂p 、 仕li - - 昔i 。1 0 0 ( 1 1 ) s 式中只：泡沫金属的表观密度；尸s ：基体的密度；口：孔隙率。 一般泡沫铝的孔隙率为4 0 9 0 ，但粉末冶金法制备的多孔泡沫铝孔隙率不 大于3 0 ，而海绵状的泡沫铝材料的孔隙率可达9 8 。由此可见，孔隙率与孔径 可根据制备工艺与条件进行控制。 ( 3 ) 孔洞类型：由于制备工艺的不同，从结构看泡沫铝可分为闭孔结构和开孔 结构的泡沫铝两种。前者含有大量独立存在的气泡，而后者则是连续贯通的三维 孔结构。 ( 4 ) 孔的形状及分布：欧洲学者将孔分为球形和多面体形。用熔体发泡法制备 的多孔金属，如果熔体中气泡从生成到相互接触前，由于表面张力作用而成球形， 若此时气泡周围的熔体已经凝固则可获得球形孔：若熔体凝固前气泡相互接触， 则由于表面张力的作用，气泡凝固后形成多面体形。对于平面状态，主要由三边 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 形、四边形、六边形，对于三维空间则有三棱柱、正八面体、五边形十二面体等枷。 1 3 2 泡沫铝的主要性能 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) 。结构的不同导致性能的差异，故具有不同的用途。与传统的金属铝相比， 泡沫铝具有下列特性： 1 密度小：泡沫铝是一种轻质功能材料，由于在铝基体中存在大量的气孔而 具有较小的密度。泡沫铝密度通常为1 8 0 k g m 3 4 8 0 k g m 3 ，约为铝密度的1 1 0 、钛 密度的1 2 0 、钢密度的1 3 0 及木材密度的l 3 。一般，建筑材料采用密度为2 0 0 k g m 3 3 0 0 k g m 3 的泡沫铝材，而用诈消声材料时则用密度为3 2 0k g m 3 4 2 0 k g m 3 的材料。泡沫铝的密度可在很大范围内变化，目前所能获得的最大孔隙率可达9 8 。 一般规律是孔隙率越大，泡沫铝的密度越j 1 t 4 5 l 。 2 耐热性强：泡沫铝具有较高的耐热性，即使达到合金的熔点也不熔化，一 般铝合金的熔解温度范围在5 6 0 7 0 0 ，但泡沫铝即使加热至i j l 4 0 0 * c 也不熔化。 而且在高温下不释放有害气体。以此，在许多场合可以取代发泡树脂或石棉类制 品作为隔热与耐热材料及各种热交换器的芯件。还可用作航天设备的核j 心材料、 高温填料、电磁屏蔽材料、阻燃器、慢性约束核聚变激光实验中的超热电子抑制 材料等【4 6 1 。 3 通透性好：具有良好通透性的贯通孔泡沫铝可作为过滤材料，从液体或气 体中将固体颗粒过滤出去。通常，通透性随孔径的增加而增加，但它也受表面粗 糙度的影响，而且受闭孔数目的影响较大。可用于各种液体、气体的过滤器和高 温除尘器中。 4 刚性强：泡沫铝不同于密实的金属具有延展性，拉伸试验无法测出拉伸率， 弹性模量约为铝合金的1 5 0 1 1 0 0 。泡沫铝质脆，与铝合金不同，当发生大的变 形时，其蜂窝组织产生破坏；反之，如果蜂窝组织达不到破坏强度，泡沫铝是不 会产生变形的。 5 比表面积大：利用泡沫铝的大比表面积，可达到高的换热性，由此它可用 作制造加热器和热交换器的良好材料。另外，也可用作需要巨大表面化学反应的 载体，如作为催化剂的载体、多孔电极、充电电池的极板材料、换热器、能量吸 收器和催化剂的载体等【4 7 j 。 6 隔音性能强：泡沫铝可通过气孔壁的振动来吸收声音的能量，可用来消声、 去除噪音。一般情况下，通孔泡沫铝的吸声性能更好。孔的尺寸影响其对整个声 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 波频率范围的吸收性能，孔越小，吸音能力越大，通过改变泡沫铝孔洞的尺寸和 形状可以获得高的吸音性能。可用于建筑行业中的内外装饰件、幕墙、问壁活动 门板，制造高性能吸音板、隔音墙、各种消声器等【4 8 l 。 7 具有吸收冲击能量的能力：泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性，也不像 高分子泡沫材料具有反弹作用，它有很好的减震性能，是制造抗冲击部件的良好 材料。可用于汽车刹车器、央紧装置、以及航空航天设备中的保护封套和缓冲器。 其阻尼性的大小与气孔孔径的大小有关【4 9 】。可用于升降机和传送器的安全垫、高 磨床防护装置的减震吸能内衬、高精密机床的底座等。 8 良好的吸音性：泡沫铝具有独特的孔隙结构必然产生优良的吸声性能，尤 其在中、低频率时。这是由于泡沫铝的孔隙的惯通性、体积膨胀性及孔壁的良好 导热性，必将补偿由于声波频率降低、振动衰减及孔壁摩擦阻力减小所引起的不 良吸声性，可使泡沫铝在中、低频率下取得优良的吸声效果，尤其在低于1 0 0 0 h z 左右的频率范围。随着孔径的减小、孔隙率的增大，吸声性能有规律的提高1 5 0 1 。 除上述性能以外，泡沫铝还具有气敏性、催化性、良好的保温性，同时还具 有电磁屏蔽性能，对高频电磁波有良好的屏蔽作用，能够使电磁干扰降f 氐8 0 以上。 5 m m 厚、孔隙率为9 0 的闭孔泡沫铝，在6 0 m h z1 0 0 0 m h z 电磁屏蔽性能为3 5 d b 7 5 d b ，可用于电磁屏蔽室( 罩) 、电子仪器外壳、无线电录音室、电磁屏蔽等 场合 5 1 5 2 1 。 1 3 3 泡沫铝的发展趋势 综上所述，泡沫铝材料从提出到现在已经有几十年的历史了，但在研究、制 备及应用方面真正有较大进展也只有近二十年的发展。近年来，多孔金属材料在 国外获得很大的发展。美国已能制造出多孔泡沫金属带、管和特殊功能型多孔泡 沫金属复合材料，并已应用航空航天领域。日本在多孔泡沫金属的研究方面也处 于世界前列。日本通产省工业技术院九州试验室、藤野金属公司、s h i n k q 镍材公 司等研究部门和机构分别用直接发泡、烧结法等制造出7 0 7 5 、6 0 6 3 、2 0 2 4 、c s a v 、 n d c 等不同牌号的多孔泡沫铝型材和铝铸件6 到。有的已经投入市场使用，可装备在 剧场、教堂、游泳池等。日本住友电工公司生产的多孔泡沫金属已经用于制造汽 车的某些耐热零部件和扬声器的部件。在铁路上，多孔泡沫金属用于制作空调发 电室的隔音墙。此外，多孔泡沫金属还用作精密仪器的防震装置的材料等。 我国多孔泡沫金属的研究起步较晚，大约在八十年代。经过十多年的努力探 索，东南大学、哈尔滨工业大学、贵州科学院、大连理工大学、西南铝加工厂等 单位己初步掌握了多孔泡沫铝合金制备方法，但尚未大批量生产。人们对泡沫铝 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 的结构、性能特点有了一定的了解，泡沫铝也已经发展成为具有多种优良性能和 广泛应用前景的材料。但是，从现有报道的情况来看，还有许多问题不够清楚， 有待于进一步深入研究。泡沫铝的制备方法很多，也是人们研究最多的内容之一。 但现有的一些工艺均受到不同程度的限制，尚没有一种工艺过程真正达到了像聚 合物泡沫生产那样能够准确控制结构组态的水平。就目前我国的研究现状看，在 今后一段时期内有关泡沫铝的研究将集中在以下几个方面： 1 关于泡沫铝结构的表征与测试还没有统一的标准。描述多孔材料组织特征 的参量至少要包括：孔隙率( 或密度) 、孔径、孔形状及孔的连通性等。 2 目前，人们对于泡沫铝的力学性能的研究主要集中于静态力学，对于其动 态力学研究却很少。然而，泡沫铝的一个主要的应用就是吸收能量，减缓冲击、 静态条件下所测得力学性能指标远不能满足泡沫铝在高应变率下应用的要求。 3 有关泡沫铝的发泡机理及理论体系还不够完善，对在高温条件下的泡沫铝 熔体传热、传质参数还很缺乏。又因泡沫铝在制备时具有高温和多相( 渣、金属、 气体、固态物) 等特性，在生产中取样、观测和监测都存在困难，实验手段有待 提高。 4 对泡沫铝的热力学和动力学方面研究还需经一步深入，将计算机应用于对 泡沫铝性能的分析中目前几乎还是个空白。 5 泡沫铝的各种性能和影响其性能的诸因素还有待于进一步研究。 6 需要进一步解决气孔均匀问题，优化各种工艺参数和操作条件。 7 需要研究出成本低、简单、可靠和稳定的生产工艺，特别是制造量大、市 场前景广阔的板材、块材生产工艺。 泡沫铝要与传统材料竞争，进行大规模的生产，并使其在建筑、化工、交通 运输、电讯、汽车制造、航天航空等多种领域得到广泛的应用还有待于科技人员 的进一步研究与开拓。 泡沫铝作为二十一世纪的前沿热点材料，具有的如此众多的特性，预计其在 航空航天、电讯及环境保护等领域中将有广阔的应用前景。 1 4 研究目的及内容。 1 4 1 研究目的 根据目前泡沫铝制备工艺的研究现状，本文选用熔体发泡法以期制备出孔结 构可控的泡沫铝试样。针对所用发泡剂t i h 2 热分解温度过低，对a l 熔体发泡不利 的不足。对所选用t i l l 2 进行包覆预处理，以期达到提高其分解温度，延缓释h 2 过 9 - 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 程的目的。通过对制备工艺的研究，在本实验条件下达到操作过程规范化、工艺 参数合理化、试样结构可控化的目的。对所制备出的泡沫铝试样的理学性能和电 学性能进行测试，以期为所制备出的泡沫铝试样的实际应用奠定基础。 1 4 2 研究内容 本文采用实验与理论相结合的方法，针对孔结构可控泡沫铝试样的制备，开展了 以下几个方面的研究工作： 1 发泡剂t i l l 2 经包覆后，其微观结构和热分解特性的变化，及其变化机理。 2 规范制备工艺的操作步骤，确定最佳工艺参数，获得孔结构均匀的泡沫铝 试样。 3 测试制备试样力学性能， ：导i 至0 泡沫铝试样的压缩特性和吸能特性。 4 通过检测制备试样的电导率，获得泡沫铝试样孔结构与其导电性能的关系。 鞍山科技大学硕士论文第二章t i h ，分解温度的测定及其包覆实验 2 1 引言 第二章t i h 2 分解温度的测定及其包覆实验 熔体发泡法中气泡的产生是由发泡剂热分解产生的，大量的气泡核在熔体中 生成，从而形成泡沫金属。因此，发泡剂的品质成为制备工艺的关键性因素。制 备理想泡沫铝的发泡剂应该具备如下条件： 1 发泡剂大量分解的温度范围应该在铝基体的熔点附近； 2 单位体积的发泡剂应分解产生稳定且大量的气体； 3 发泡剂的价格应较低廉。 ， 目前常用的发泡剂有：火山狄、碳酸类化合物、氢化钛等。在众多的发泡剂 中二氢化钛( t i h 2 ) 不仅能满足以上要求，而且易制备，无毒、无污染。因此，是 目前制备泡沫铝较广泛应用的发泡剂。但t i h 2 这类金属氢化物的释氢速度较快，且 初始分解温度也远远低于铝基体的熔点，因此限制了发泡搅拌过程均匀化程度， 使发泡过程难以控制，影响了泡沫铝孔结构的均匀性和可控性。因此，为克服发 泡剂t i h 2 固有特性带来的不利影响，提高发泡过程的可控性，对所选用的发泡剂 t i h 2 进行了包覆预处理。本章主要工作包括：采用非均相成核法，利用化学反应 对t i h 2 表面进行了包覆处理延缓其分解，相对提高发泡剂分解温度，使发泡剂与 a l 熔体得到充分搅拌后再开始分解，以提高泡沫铝试样孔结构的均匀度；出于实 验设备所限，本文只采用了热重分析仪和金相显微镜，对包覆前、后及不同包覆 比的发泡剂进行微观组织观察和热分析测试，对包覆效果做出评价。对包覆后的 t i h 2 在泡沫铝制备中的实际应用效果和最佳包覆比，将在第三章中进行详细讨论。 2 2t i l l 2 发泡剂分解特点 发泡剂t i l l 2 实际上是t i h i8 一t i h i9 9 的固溶体，狄黑色粉末，在2 0 c 时的密度 为3 9 1 2 9 e m 3 5 4 1 。本文所选用发泡剂t i h 2 是由锦州金属材料研究所生产的，其理 化成分见表2 - 1 所示 表2 - 1t i l l 2 理化成分 鞍山科技大学硕士论文第z - 章t i h ，分解温度的测定及其包疆实验 当t i h 2 受热分解时，所发生的化学反应： t i l l 2 ( s ) = t i s ) + h 2 ( g ) f( 2 一1 ) 由于在制备泡沫铝的过程中，要在a i 熔体中加入一定量的t i l l 2 发泡剂，并使 t i l l 2 在a l 熔体中得到充分混合。因此，所用发泡剂t i l l 2 的分解温度直接影响a l 熔体的发泡效果。本文采用由法国l a l s y s 公司生产的s e t a r a m 热分析仪( 见附 录图1 ) 对所用t i l l 2 的热分解性能进行了分析测试。 2 9 21 7 9 7 93 2 9 5