（材料学专业论文）泡沫铝用新型复合包覆tih发泡剂的制备研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人住导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切柑关责任 论文作者签名：丝丛壁。井年卢月j ：日 保护知识产权申明 本人完全r 解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学无论何时何地，未经学校许可决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采片j 影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以i 二中明同样适用) 论文作者签名：垒丛星导师签名： 锚捌啤 l 妒月2 2 日 摘要 泡沫铝用新型复合包覆t i l l 2 发泡剂的制备研究 学科：挝料堂 作者：瑟丛銮 导师：壑鏖 答辩日期2 0 0 4 9 作者( 签名) ： 导师( 签名) ： 摘要 本研究针对熔体发泡法制备泡沫铝的工艺难点一发泡剂进入较高温 度的铝熔体屙迅速释氢，限制了均匀化单元操作时间，提出使用经过化 学包覆的t i l l 2 发泡剂来制各泡沫铝，主要研究了t i h 2 发泡剂的化学包 覆。制备出表面包覆a 1 2 0 3 、s i 0 2 以及复合包覆a 1 2 0 3 和s i o2 的t i h 2 包覆 型发泡剂。采用正交实验法研究各种包覆工艺的最住工艺参数。采用扫 描电子显微镜( s e m ) 对包覆型发泡剂进行微观形貌观察；采用能谱仪 对包覆型发泡剂进行成分测试；利用自制释氢实验装置测试t i h2 包覆型 发泡剂的释氢特性：利用经过包覆的发泡剂在实验室制各泡沫铝。实验 结果表明：1 ) 包覆a 1 2 0 3 的最佳j | 艺参数为：n a a l 0 2 浓度为0 0 6 m o l l 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 浓度为o 0 1 m o l l 、温度3 5 。c 、滴定速度为6 0 m l h 、剧烈搅拌、滴定时体系p h 值为5 。 2 ) 包覆s i 0 2 的最佳工艺参数为：n a 2 s i 0 3 浓度为l m o l l 、h c i 浓度为2 m o l l 、 温度为8 5 c 、滴定速度为6 0 m l h 、剧烈搅拌、滴定时体系p h 值为9 。3 ) 经过包 覆的t i l l 2 释氢性能有较大变化，单层包覆a 1 2 0 3 的t i h 2 将开始释氢时间 推迟达6 0 秒左右，单层包覆s i 0 2 的t i l l2 将开始释氢时间推迟达7 0 秒左 右，先包覆s i 0 2 再包覆a 1 2 0 3 的t i h z 开始释氢时间达到7 5 秒，先包覆a 1 2 0 3 再包覆 s i 0 2 的t i l l 2 推迟释氢时间达9 0 秒。包覆s i 0 2 的t i h 2 推迟释氢效果优于单层包覆a 1 2 0 3 的t j h 2 ，先包覆a 1 2 0 3 再包覆s i 0 2 的t i h 2 推迟释氢效果最佳。4 ) 包覆型t i l l 2 发 泡剂可以制备出孔洞较为均匀的泡沫铝，其中t i l l 2 经复合包覆制得的泡 西安理工大学硕士学位论文 沫铝孔洞更为均匀。5 ) 研究化学包覆的机理认为：控制t i h 2 悬浮液的p h 值在5 左右，可以通过非均相形核在t i h 2 获得a 1 2 0 3 包覆层；控制体系p h 值为9 左右，可获得s i 0 2 成膜包覆。6 ) 分析了包覆层对推迟释氢所起的作用，它是三个方 面综合作用的结果：包覆层延缓了热传导过程，包覆减慢了t i l l 2 分解反应的速度，包 覆对氢原子的扩散逸出起到一定的阻止作用。 关键词：包覆发泡剂释氢泡沫铝 l i a b s t r a c t s t u d yo np r e p a r a t i o no fn e wt y p ec o a t e d t i l l 2 i na l u m i n u m p r o d u c t l 0 n s p e c i a l t ) r ：m a t e r i a l s c i e n c e c a n d i d a t e ：z h a n ac o n a r o n g s u p e r v i s i o n ：圣塾qk g 丛g a b s t r a c t t h em e t h o do fu s i n gc o a t e dt i l l 2t oo b t a i nf o a ma l u m i n u ma i m i n ga tt h ed i f f i c u l t p o i n to ff o a ma l u m i n u mp r o d u c t i o n - - w h e nt i l l 2a s af o a m i n ga g e n te n t e r i n gt h eh i g h t e m p e r a t u r es y s t e mo fm e l t e da l u m i n u m ，i tq u i c k l yr e l e a s eh y d r o g e ns ot h a tl i m i t i n gt h e o p e r a t i o nt i m eo fc h u r n i n gh o m o g e n i z ei ss t u d i e do nt h i sp a p e r t h et i h 2t h a tc o a t e dw i t h a 1 2 0 3 ，s i 0 2a n dc o a t e dw i t ha 1 2 0 3a n ds i 0 2a tt h es a m et i m ew e r ep r e p a r e d u s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s e a r c ht h eb e s tt e c h n o l o g i cp a r a m e t e ro f t h ec o a t i n gt e c h n o l o g y t h em i c r o s t r u c t u r eo fc o a t e dt i h 2w a so b s e r v e db y s e m ；u s i n ge n e r g ys p e c t r a li n s t r u m e n tt om e a s u r et h ec o m p o n e n to ft h e s u r f a c el a y e r ；us i n gs e l f - m a d ed e v i c et om e a s u r et h e h y d r o g e nr e l e a s i n g p r o p e r t yo fc o a t e dt i l l 2p o w d e r w i t ht h ec o a t e dt i h 2 ，t h ef o a ma l u m i n u mh a sb e e n m a d ei nt h el a b o r a t o r y t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ：1 ) t h eb e s tt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r so fc o a t i n gw i t ha 1 2 0 3a l e ：t h ec o n c e n t r a t i o no fn a a i o ，i s 0 0 6 m o l l ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa 1 2 ( s 0 4 ) 3i s0 o l m o l l ，t h e t e m p e r a t u r ei s 3 5 ，t h ed r o p p i n gr a t eis 6 0 m l h ，c h u r na c u t e l y ，p hi s5 2 ) t h eb e s tt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r so fc o a t i n gw i t hs i 0 2a l e , t h ec o n c e n t r a t i o no fn a 2 s i 0 3i s1 m o j l ， t h ec o n c e n t r a t i o no fh c li s2 m o l l ，t h et e m p e r a t u r ei s8 5 。c ，t h e d r o p p i n gr a t e i s6 0 m l h , c h u r na c u t e l y ，p hi s9 3 ) t h e h y d r o g e n - r e l e a s e dc h a r a c t e r i s t i c o f t i l l 2c h a n g e dm u c ha f t e rc o a t e d ，t i l l 2c o a t e dw i t ha 1 2 0 3c a nd e l a yh y d r o g e nr e l e a s e dt i m e 1 t 1 西安理工走学硕士学位论文 u pt o6 0s e c o n d s ，t i l l 2c o a t e dw i t hsi 0 2c a l ld e l a yh y d r o g e nr e l e a s e dt i m eu pt o7 0 s e c o n d s ，t i h 2t h a tf i r s tc o a t e d 州t hs i 0 2a n dt h e nc o a l e dw i t ha 1 2 0 3c a nd e l a y h y d r o g e nr e l e a s e dt i m eu pt o7 5s e c o n d s ，t i l l 2t h a tf i r s tc o a t e dw i t ha 1 2 0 3a n dt h e n c o a t e dw i t hs i 02 c a nd e l a yh y d r o g e nr e l e a s e dt i m eu pt o9 0 s e c o n d s t h er e s u l to f d e l a y h y d r o g e nr e l e a s i n go ft i h 2t h a tc o a t e dw i t hs i 0 2 i sb e t t e rt h a nt h a to ft i l l 2t h a t c o a t e dw i t ha 1 2 0 3 ，t h er e s u l to fd e l a yh y d r o g e nr e l e a s i n go ft i l l 2t h a tf i r s tc o a t e dw i t h a 1 2 0 3a n dt h e nc o a t e dw i t hs i 0 2i st h eb e s t 4 ) t h ec o a t e dt i h 2c a np r e p a r ee v e n f o a m ，i ne s p e c i a l l y ，t i h 2c o a t e dw i t hd o u b l el a y e r sc a np r e p a r em o r ee v e nf o a m 一5 ) a f t e r a n a l y z e dt h ec o a t i n gm e c h a n i s m ，w ec a nf i n d ：c o n t r o lt h ep hv a l u ea t5o rs o ，c o a t e dw i t h a 1 2 0 3i nf o r m so fc o r ef o r m a t i o nc a l lb eo b t a i n e d ；c o n t r o lt h ep hv a l u ea t9o rs o ，c o a t e d w i t hs i 0 2i nf o r m so f f i l mf o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e d 6 ) a n a l y z e dt h ee f f e c to f h o wc o a t e d t i l l 2a f f e c t h y d r o g e nr e l e a s i n gf r o mt h r e ea s p e c t s k e yw o r d s ： c o a t ，f o a m i n ga g e n t ，h y d r o g e nr e l e a s e ，f o a ma l u m i n u m 1 绪论 第一章绪论 引言 在传统的工程材料中，宏观或微观的孔洞被认为是一种缺陷，因为它 们往往是裂纹形成和扩展的核心，对材料的力学性能等产生不利影响。但 是，当材料中孔洞的数量( 即孔隙率p o r o s i t y ) 增加到一定程度后( 1 5 ) 1 1 ，材料就会因为孔洞的存在而产生一些奇异的功能，从而形成了一个新的 材料门类，这就是所谓的泡沫( f o a m e d ) 材料，或多孔( p o r o u s ) 材料， 或胞状( c e l l a r ) 材料。 泡沫材料( f o a m e dm a t e r i a l s ) 和其他多孔材料( p o r o u sm a t e r i a l s ) 具有 许多有意义的性能之间的结合i ”，例如重量轻与高硬度的结合，高的散热性 与高的气体渗透性的结合。自然界往往选用胞状材料( c e l l u l a rm a t e r i a l s ) 作为结构材料和功能材料( 例如骨骼或者树木) 。在人造多孔材料中，目前 聚合泡沫材料是其中最重要的一种，它几乎在每个技术领域都有广泛的应 用。金属及合金也能制成泡沫材料，它既具有金属的固有特性，又因为孔 的存在而被赋予了全新的结构特性和功能特性，因而这种新型金属材料的 开发和应用具有不可估量的广阔前景。 1 1 泡沫铝及其结构 泡沫铝是一种以铝或其合金为基体，包含大量孔洞的轻质多孔材料， 是孔隙率为4 0 9 0 的多孔金属【3 】。由于其结构的特殊性，使它既具有金 属的特性又有气泡特性，既具有一般多孔材料所具有的轻质特性，又具有 金属的优良的力学性能和热、电等物理性能。 根据其内部孔隙的结构彳i 同，可将其分为通孔及闭孔两大类。 1 1 1 结构参数 泡沫铝的主要结构参数有孔径、孔隙率、开孔度、通孔率、密度及流 通特性等【4 _ ”。应用目的不同，对泡沫金属物理性能要求不同，与其密切有 关的主要结构参数也不同【6 j 。如吸声性能主要与孔径、孔隙率、通孔率及流 西安理工大学硕士学位论文 通性能有关。 1 - 1 2 结构特征 1 ) 较大孔径( 0 5 - 5 5 ) m m 或更大( 一般粉末冶金多孔金属孔径不大于 0 3 r a m ，多孔塑料材料孔径为5 n m l o o u m ) 。 2 ) 高孔隙率4 0 一9 0 ( 一般粉末冶金多孔金属孔隙率不大于3 0 ) 。 3 ) 密度小，随孔隙率的变化而变化，密度仅为同体积金属的0 卜0 6 倍。 4 ) 高比表面积，可达1 0 4 0 c m 2 c m 3 。 5 ) 金属骨架的成分组织可以调节，当作为结构功能材料时，可通过结构 加固以提高强度。当孔隙中填入特殊材料时，可以具备特殊性能。 6 ) 孔结构可调，可形成独立的孔洞( 闭孑l ) 、或相互贯通的孔洞( 开 孔) 、或两种形态兼而有之( 混合孔) ；孔形貌可以是球形、椭圆形、或不 规则多面体。 根据应用对象的特点可以选择不同的制备方法，使其结构参数在需要 的范围内变化。 1 2 泡沫铝的性能 泡沫铝由于其多孔结构而表现出一些有趣的特性，综合了摹体金属和 其孔结构的性能。 作为结构材料，泡沫铝的力学性能主要取决于其密度和基体金属的性 能 ”。例如，密度高的泡沫铝其压缩强度也高，而基体强度高的泡沫铝其压 缩强度也高。 这些性能通常符合一条规律： a ( p ) = c xp “( 卜1 ) 式中：a 一性能指标；c 一常数；p 一密度；n 一指数 作为功能材料，其具有吸声、过滤、隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲 击能、电磁屏蔽等物理性能。 1 2 1 力学性能 泡沫铝的力学性能主要取决于其密度，当密度减小时，其力学性能将 1 绪论 急剧下降。泡沫铝的力学性能其次取决于孔隙率、孔隙尺寸及孔形状等， 即取决于能承受外力的有效截面积及孔隙附近产生的应力集中效应，力学 性能随孔隙率增大而急剧下降。泡沫铝的抗拉强度一般很低。泡沫铝几乎 无延伸率，受到压力几乎不变形，但抗压及抗弯强度却很高，而弹性模量 仅为铝合金1 5 0 1 1 0 0 。 对烧结多孔铝来说，粉末颗粒问结合松散，如果烧结程度较差，孔隙 处还会产生强烈的棱角效应，造成应力集中，容易产生裂纹及扩展，而铸 造多孔泡沫铝具有相互连通的三维网状骨架，缺口效应较低，故力学性能 较高。 1 2 2 透过性能 透过性能是通孔泡沫铝的一个特性。通孔泡沫铝可以用作过滤元件， 其透过性能的好坏将直接决定过滤效率。 多孔介质的透过性能是孔隙率、孔径及流体的粘度、速度的函数。当 流速较小时，孔内流体流动可视为层流，其流动可用达西定律来描述： a p 6 = q u a 1 i r ( 卜2 ) 式中：q 一流体体积流率，m 3 s e c ： 6 一试样厚度，m ；a 一截面积，m 2 ；1 l r 一透过系数，m 2 ：u 流体粘度，n m ： a p 压力差，m p a 可见，流量与压力梯度成正比，与流体粘度成反比，常数1 l r 是取决于 材料特性的参数，称为透过系数，流体为液体时，1 l r 称为渗透系数，流体 为气体时称为透气系数。实验研究也表明，泡沫铝的透过性能随孔隙率的 增大而增大，并且随泡沫铝两端压力差的增大而增加。只有多孔泡沫铝才 有较高的透过性能。一般粉末冶金多孔铝的透过系数为1 0 - 1 3 _ 1 0 。1 m 2 ，而多 孔泡沫铝的透过系数为1 0 。1 l l o 。1 0m 2 ，具有优良的渗透和过滤性能，适合 于做过滤器、散热器及控制流体流动。 1 2 3 阻尼性能 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转地 转化为热能的本领。研究发现【9 1 多孔泡沫铝具有特高的阻尼性能。一般地， 西安理工大学硕士学位论文 泡沫铝的阻尼性能用内耗值q 。1 来表征。z l l 0 2 金属q 。= o 0 8 1 1 0 。，z l l 0 2 微孔板( 由2 o m m ，孔隙率4 7 ) q 。= 1 0 1 0 。2 ，z l l 0 2 多孔泡沫铝( 中2 o m m ， 孔隙率6 8 ) q 。= 3 5 x1 0 ，而z l l 0 2 泡沫高分子聚合物复合体( 中2 o m m ， 孔隙率6 8 ) q 。= 6 3 x1 0 。2 。可见蜂窝状的多孔泡沫铝具有较高的阻尼性 能，孔中填入高分子聚合物会更高。 这是由于多孔泡沫铝由金属骨架和孔隙组成，当泡沫铝在外加载荷作 用下发生振动时，孔洞造成泡沫铝内部的应力和应变分布不均匀，使泡沫 铝的孔洞发生膨胀和畸变，这需要一定的能量，即膨胀能和畸变能，这部 分能量最终转化为热量而耗散。 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。 1 2 4 吸能特性 材料的吸能特性通常用两个参数来衡量口 ：( 1 ) 吸能能力，即单位体积 的材料所吸收的能量，可由应力应变曲线下方的面积直接求出；( 2 ) 吸能 效率，即变形后吸收的能量与理想的吸收能量之比。 到目前为止，聚合泡沫和蜂窝结构是用于吸能的主要材料1 7 】，而通过选 择基体金属、孔隙结构和密度值来控制变形特征，可使泡沫铝成为理想的 吸能材料。由于泡沫铝在不达到最大应力或破坏的情况下可以吸收冲击能， 所以可被用作为吸能器和包装材料。同有机泡沫材料相比，如果需要较高 的破坏应力，并要求能吸收同样或更多的能量，泡沫铝优势更大。 图卜1 为典型的泡沫铝的应力应变曲线，从图中我们可以看到，应力一 应变曲线中有一很长的平稳段，具有平稳的变形应力，因此比处在同一水 平的致密金属吸收的能量多。其被吸收的能量大部分转化为不可逆的塑性 变形能量，而处于同一应力水平的致密金属将发生线性弹性应变，去除载 荷后将释放出所吸收的能量。对应的泡沫铝材料形变变化示于图卜2 。即 在小应变时，泡沫材料是处于线性弹性形变范围，胞壁经受弹性变形；然后 紧接着应变平台区，应力几乎不变，胞壁屈服，破碎，崩塌：最后是致密 化区，胞壁被压碎或压实。各个区域范围与相对密度p ，p 。有关，p 是泡沫 铝密度，p 。是块体铝材料密度。 应变1 0 0 卜应力应变曲线2 一吸能率曲线 囤11泡沫金属压缩应力应变曲线和吸能率曲线 韧始卷弹性形熏 脐分蔽计继续j 睇蹙眚l ；分破碎 罐续破碎完全尉塌 图卜2 泡沫铝吸能机制不蒽图 从上述特性曲线我们可以看到，泡沫铝是一种高效吸收冲击能的材料。 吸能特性可用吸能本领( 单位体积所吸收的能量c ) 和吸能效率( e ) 来表 示【1 0 】： c = ，0 1ode( 卜3 ) e = ，0 od o 。“l( 1 - 4 ) 式中o = f ( e ) 为压缩应力，e 表示应变，1 表示所考察的应变范围，o 。为 应变l 后的最大压缩应力。 由上两式可知，吸能本领等于应力一应变曲线下所包含的面积，吸能效率 则等于应变1 时实际吸收的能量与把应力一应变曲线看成水平线时的理想吸收 能量之比，其意义在于，当冲击能一定时，吸能材料所能传递的最小应力。 西安理工大学硕士学位论文 由于材料在压缩时的应力是变化的，所以吸能率在变形过程中也是变 化的，并与压缩曲线的性质有关。密度和合金成分合适的泡沫铝在变形达 到6 0 时，吸能率可以达到9 0 。密度、孔隙结构、孔隙均匀性影响着压 缩过程中的平稳线的长度。从图卜l 可以看出，在应力应变曲线中平稳线 的末端，吸能率随变形量的增加而减小，所以最好在此时对泡沫铝加载， 可使吸能率最大。吸能率是选择吸能材料的一个有利参数，然而光靠吸能 率是不够的，还要考虑泡沫铝的吸能能力。 泡沫铝的吸能能力是密度的函数，图卜3 所示为泡沫铝在变形量s 为 2 0 ，4 0 和6 0 时单位体积所吸收的吸能量，可以看出，吸能能力随密度 增大而增大。 蕾童p 导珊3 ( 1 ) s = 2 0 ( 2 ) s = 4 0 ( 3 ) s = 6 0 图卜3 泡沫铝吸能能力与密度的关系曲线 1 2 5 热物理性能 1 ) 导热性 因为泡沫铝的孔径较大，孔隙率高，在大量的孔隙中存在有低导热系 数的空气介质，所以它的隔热性能较实体金属要优越得多，它的导热性与 力学性能一样，有随孔隙率的增加而呈指数下降的趋势。 一般金属及合金的导热系数为1 0 3 0 0 w m k ，隔热材料的小于 0 2 w m k ，而通孔泡沫铝( 孔径2 7 0 r a m ，孔隙率7 3 8 3 ) 的表观导热 系数为2 2 1 9 w m k ，介于上述二者之间，导热系数随孔隙率增大而减 小，并与传热条件有关。 2 ) 耐热性 泡沫铝是一种耐热性很强的材料，即使其温度达到熔点也不会熔化。 如a 1 m 9 3 5 合金的熔化温度为5 6 0 6 4 0 。c ，而将其泡沫材料加热到1 4 0 0 。c ( 在大气中) 尚未熔化。 3 ) 散热能力 当接受热量的通孔泡沫铝被置于流动的流体中时，由于其具有较大的 比表面及产生复杂的三维流动，使之具有高的散热能力。在自然对流条件 f ，在一定范围内增大孔径及孔隙率可增加对流换热能力，强迫对流可显 著提高换热能力。 1 2 6 消声性能 由于泡沫铝是一种多孔隙材料，制成的零件受到声波作用时，孔内介 质( 一般为空气) 在声波作用下产生周期性的震动而与孔壁摩擦形成摩擦 热，从而消耗一部分能量，此外，孔内介质在声波作用下发生压缩膨 胀形变使一部分声能变为热能，这种能量转换是不可逆转的，对消声起主 导作用【l l 】；其次，泡沫材料本身也町以因弹性震动而消耗一部分声能：又 由于泡沫材料具有的特殊结构，使其具有改变声源特性的功效，可以使难 以消除的中低频段噪声峰值移向高频段。这些特征均为采用常规手段进一 步降低气流噪声提供了有利条件。 泡沫铝的消声性能主要取决于其中孔隙的结构特征，通孔消声性能较 好。孔隙的尺寸影响所有频率下的消声效率：孔隙越小，消声效率越高。 调整孔隙的大小，形状及采用合适的孔结构，可以获得高的吸能值。对多 孔铝而言，高频较低频有较高的声吸收值。 与其他的消音材料相比，泡沫铝具有其他材料无法比拟的优良性能。 首先，泡沫铝可耐高达7 8 0 的高温，而受热时也不会释放有毒物质，非常 有利于环境保护；其次，它的刚性相当大，可制成独立的消音板材；第三， 不易受潮，不易污染，即使受到污染也很容易清洗，即可恢复原貌；第四， 西安理工大学硕士学位论文 回收再生性强，对资源的有效利用与保护环境极为有利，且由于它是一种 超轻型材料，便于运输和施工与装配。利用这些性能特点可咀制作各种环 保消音器材，如工厂防声墙、音响室等需要降低噪音的场合使用的材料【l “。 1 2 7 电磁屏蔽性能 泡沫材料的电磁屏蔽性能远比纯铁、含铜粉涂料优良，泡沫铝对电磁 波具有优良的屏蔽作用，特别是对高频电磁波的屏蔽效果较好。高频电磁 场通过泡沫铝时产生感应电势而形成感应涡流，与原磁场反向，涡流磁场 的抵消作用，起到电磁屏蔽效果。日本用k e c 法测定a l p o r a sr c 0 5 泡 沫铝的屏蔽效果，结果发现它的屏蔽作用远高于导电性涂料与导电性材料。 1 2 8 性能的结构敏感性 泡沫铝作为一种利用固体表面的物理特性产生特殊作用的功能材料， 具有结构敏感性及工况敏感性。 孔隙率大于6 3 的泡沫铝可浮于水面，低于6 3 则沉于水中。闭孔的 泡沫铝导热系数很低，可做绝热材料，通孔的泡沫铝，由于有大的比表面 积及复杂的三维流动而具萑良好的散热能力。在自然对流的条件下，随孑l 径、孔隙率的提高，其散热能力也提高。强迫对流使散热能力显著提高， 但孔隙结构的影响有限。压缩性能对孔径不敏感，就阻尼而言，振幅是阻 尼的参量，而频率则是不敏感量。对吸卢性能，则随孔径减小，孔隙率的 增大，综合吸声系数会有增大的趋势u 3 ，“j 。 1 3 泡沫铝的应用 近几十年来，多孔泡沫铝已经得到j 非常广泛的应用。其应用遍及汽 车工业、建筑业、化工、电化学工业、航工业、军事工业等【l ”。具体来 说，就是多孔泡沫铝可以被用作减震器、缓冲器、吸能器、过滤器、流体 透过器、热交换器、灭火器、发动机的排气消音器、催化剂载体等等。随 着现代科学技术的发展，一些新的用途也在开发之中，如太阳能与核能发 电使用的电磁和中子吸收剂、核反应堆的内壁、船舶制造和航空航天所需 层压面板的填充材料、化学过滤器和供净化水使用的氧化处理器等【l “。 i 3 i 泡沫铝在各个工业领域中作为结构材料的应用 1 3 1 1 汽车工业 由于日趋增加的安全度、舒适度和环境保护的需要而使得汽车的重量 逐渐增加，相应就增加了燃料费用。而利用轻而硬的泡沫铝结构，有利于 减轻汽车重量【”】。在汽车制造中约有2 0 的车身结构可采用泡沫铝制造， 一辆中型轿车用a f s ( a l u m i n u mf o a ms a n d w i c h ) 制造零件可减重2 7 2 k g 左 右。泡沫铝的吸能性能可以使汽车在碰撞中的变形得到控制，这个性能还 可以用于减振器、卡车座的保护装置、容易被扭曲和压缩的柱座和其他一 些部件。在汽车制造中，使消音器材既隔音又耐热也是一个突出的问题， 利用通孔泡沫铝就可以很好地解决这个问题，不必再使用由铝板和聚合泡 沫所复合的一些组合材料。而泡沫铝的降噪、吸音可以很好地保护环境。 1 3 1 2 航空航天业 用铝箔制的蜂窝结构在航空航天器中获得了悠久的广泛的应用，但生 产工艺复杂，制造成本高，而泡沫铝材则是其良好的代用品【1 7 。泡沫铝材 具有各向同性、不燃烧、保持结构完整的特点。在制造三明治材料时，可 通过轧制将外面的薄板包覆于中间的泡沫铝上，能免除繁琐的胶接。泡沫 铝材在航空航天业上有相当大的潜力。 1 3 1 3 造船业 泡沫铝的质轻这个特点在造船业上有很重要的应用。现代的客运船完 全可以由铝板，铝箔蜂窝结构建造。用聚亚安酯面板和泡沫中心粘结在一 起，可以获得轻质刚度高的三明治结构，它具有非常好的阻尼性能。泡沫 铝在海军方面的应用有电梯舱、舱壁结构、天线平台、防烟火装置i t s 】。 1 3 。1 4 铁路业 与泡沫铝在汽车业中的应用相类似。特别是在市区运行的铁路系统能 量吸收的问题，以及碰撞中的能量吸收问题可以使用泡沫材料来解决。日 本铁路已经使用了2 3 m 3 “a l p o r a s ”泡沫铝块来改善碰撞吸收性能。 1 3 1 5 建筑业 西安a _ z - 大学硕士学位论文 泡沫铝在建筑业中也有广泛的用途，它非常有助于减少电梯的能量消 耗。现代的电梯由于高频地加速和减速，能量消耗很大，而利用轻型结构 是一个很好的解决方法。在建筑业中，也可利用粉体发泡法制备泡沫铝的 预制型性能【7 j 。例如，在混凝土中固定插座，在塞进插座前，先把片预制 铝材塞进孔中，然后加热使其膨胀，若泡沫铝的密度足够大，生成的泡沫 将会使插座和混凝土紧密联结。 1 3 1 6 运动器材 运动器械是一个引进新材料的很有前景的领域，当前的价格非常高。 例如足球运动员的胫骨保护装置就可利用泡沫铝良好的能量吸收性能【2 1 。 1 3 2 泡沫铝作为功能材料的应用 1 3 2 1 过滤材料 把泡沫铝制成适当的形状，它就可以作为过滤材料从流体( 如水、溶 液、汽油、润滑油、冷冻剂、聚合物溶体) 中过滤出固体或是悬浮物。 1 , 3 2 2 发散冷却材料 发散冷却是一种先进的冷却技术，它是迫使气态或液态的冷却介质通 过多孔材料，使之在材料表面建立一层连续的，稳定的隔热性能良好的气 体附面层，将材料与热流隔开，得到非常理想的冷却效果。以液氢一液氧发 动机推力室喷注器面板为例：采用发散冷却后，它的一面为一1 5 0 。c 的氢气， 另一面为3 5 0 0 的燃气，而材料的热面温度仅在8 0 2 0 0 。c 之间。用于发散 冷却的多孔材料，渗透量必须能够准确地控制在合理的范围内、透气均匀、 孔道曲折小、介质流通通畅、并且能满足作为防热结构材料的基本要求， 具有一定的刚度、强度和韧性。要选用抗氧化性好的材质，以防止意外氧 化堵孔。烧结金属丝网多孔泡沫铝是其最佳选择。 1 3 2 3 催化剂 化学反应尤其是有机化学反应中，催化剂常常起着非常重要的作用， 催化剂的表面积也是越大越好，高孔隙率使得泡沫铝具有大的比表面积， 化工行业中，可将泡沫铝制成催化剂载体h9 1 。高孔隙率的泡沫铝作为支撑 1 绪论 物能使催化剂高度分散，发挥更大的作用，其性能远优于陶瓷催化剂载体。 1 3 2 4 消音材料 因为声波也是一种振动，故声音透过泡沫铝时，可在材料内发生散射、 干涉、声能被材料吸收，所以泡沫铝也可用作声音的吸收材料，即消音材 料。这种消音材料在气体管道和蒸汽管道中都可得到应用。 1 3 2 5 自发汗冷却材料 把固体冷却剂熔化渗入由耐热金属制成的多孔骨架中，在经受高温时 这种材料内部的冷却剂会发生熔化和气化而吸收大量的热能，从而使材料 在一定时间内保持冷却剂气化温度的水平，逸出的液体和气体会在材料表 面形成一层液膜或气膜，可把材料与外界高温环境隔离，此过程可一直进 行到冷却剂耗尽为止，由于冷却机理相当于材料本身“发汗”，故有自发汗 材料之说。 1 3 2 6 阻燃，防爆材料 泡沫铝既有很好的流体穿透性又可有效地阻止火焰的传播且自身有一 定的耐火能力，于是可放置在输送可燃性液体或气体的管道中以防止火焰 的传播，因为流体在输运速度增加时可能会着火( 声速在接近爆炸限时会 产生约1 5 0 1 0 5 p a 的压力) 。实验表明，6 m m 厚泡沫铝就可以阻止碳氢化 合物燃烧速度为2 i o m s e c 的火焰，其作用机理可以解释为当火焰中的高温 气体或微粒穿过泡沫铝时，由于发生迅速地热交换，热量被吸收和散失， 致使气体或微粒的温度降到引燃点以下，于是火焰的传播被阻止。 1 3 2 7 流体压力缓冲材料 泡沫铝可装在气体或液体管道中，当其一侧的流体压力或流速发生强 烈波动时，泡沫铝可以吸收流体的部分动能且阻碍流体透过，从而使泡沫 铝另一侧的波动大大减小，此效应可以用于保护精密仪表。 1 3 2 8 装修和艺术材料 泡沫铝表面独特的装饰性使它也用于装修和艺术材料。泡沫铝已被用 于制作样子独特的家具、时钟、灯到”。泡沫铝还用来制作价格昂贵的扩音 西安理工大学硕士学位论文 系统，泡沫铝不仅提供了较高的刚度和一定的阻尼性能，而且外表看起来 比传统材料更时髦，更显得具有高科技性。 1 4 泡沫铝的制备方法 制备方法不仅影响泡沫铝的结构与性能，而且与实际应用密切相关。 因此探索适当的制备方法始终是研究的热点。 1 4 1 通入气体发泡法 这种方法是由挪威的h y d r o a l u m i n i u m 公司和加拿大c y m a t a l u m i n i u m 公司开发的。( 后者采用的是由a l c a n i n t e r n a t i o n a l 开发的专利和方法) 1 2 0 - 2 2 1 。在图卜4 描述的过程中，碳化硅、铝的氧化物、镁的氧化物都被用 来增加熔体的粘度。因此，第一步需要准备含有以上物质的铝熔体。第二 步是向铝熔体中注入气体( 空气、氮气、氩气) ，这个过程要使用专门设计 的旋转叶轮或振动锤。叶轮或锤头的作用是在熔体中产生非常细小的气泡 并使它们分布均匀，这是至关重要的，因为只有产生足够细小的气泡刁1 能 获得令人满意的泡沫质量。气泡浮在液体表面上，当液体耗尽时，就变成 “干的”液体泡沫。熔体中的陶瓷颗粒使这些泡沫相对稳定。在传送带上 获得具有大量泡沫的液体，然后冷却，处于半固态时注意不要过多破坏泡 沫以免破坏孔结构。凝固之前，半固体状泡沫可用轧辊压平，然后在上下 两面包上一层均匀的表皮做成泡沫面板口3 1 。从理论上说，所获得的固体泡 沫可以是任意形状的。 图卜4 通入气体发泡 1 绪论 增粘剂的加入量一般是1 0 2 0 ，平均颗粒尺寸为5 - 2 0 u m 【2 ”，增粘剂 颗粒大小和多少是根据经验来选择的。这些颗粒有助于泡沫的稳定。首先， 这些颗粒增加了表面粘度，因而延缓了液体的消耗【2 5 】。其次，颗粒的一部 分被熔体湿润，这样可以确保： ( 1 ) 当气泡从熔体中升起时，气泡颗粒表面是稳定的，颗粒不会破坏气泡。 ( 2 ) 当两个气泡之间有颗粒时，界面的颗粒降低了总能量。 颗粒没有充分湿润或者是太湿润都不会有好的稳定泡沫的效果。从理 论上讲，熔体中陶瓷颗粒的湿润度的合理选择可以获得最佳的稳定效果。 用这种方法制得的泡沫铝的孔隙率是8 0 一9 8 ，密度为 0 0 6 9 0 5 4 e d c m 3 ，孔的平均大小为3 - 2 5 u m ，孔的壁厚为5 0 8 5 u m 。孑l 的平 均大小与平均壁厚，密度有关，并受到气流调整、叶片速度、锤的振动频 率以及其他参数的影响。通常在泡沫铝板上有密度梯度。另外，输送带上 的剪切力会对角地破坏最终产品上的气孔，这样就造成了力学性能的各向 异性，这种情况可以通过垂直地拉泡沫得到改善。泡沫材料可以在从设备 中取出的状态使用，或者也可以切成所需要的形状。 采用这种方法生产的泡沫铝由于含有大量的陶瓷颗粒，其机械加工较 困难，并且此种方法难以控制泡沫铝中孔洞的大小及分布，所生产的泡沫铝 + 般含有大孔且密度不均匀。 1 4 2 熔体发泡法 这种方法最早由美国的s o s n i k 发明1 2 6 1 。随后在1 9 5 6 年由美国的 b j o r k s t e nr e s l a b i n c ，f o a m a l u mc o r p 以及e t h y lc o r p 共同开发了今天仍 在沿用的熔体发泡技术1 2 7 1 。 这种方法是向金属熔体中加入发泡剂，发泡剂在一定温度下分解，释 放气体，这样就完成了发泡过程。日本尼崎的s h i n k ow i r e 公司在1 9 8 6 年 就采用这种方法进行了小规模商业开发，据报道，每天的泡沫铝产量可达 l 0 0 0 k g 。在这项技术中，钙金属在6 8 0 。c 时加入铝熔体中，在搅拌过程中熔 体粘度不断增加，这是由于生成了c a o ，c o a l 2 0 4 ，或者可能是a 1 4 c a 金属间 西安理工大学硕士学位论文 化合物。图卜5 显示了添加不同c a 量的情况下搅拌时间对粘度的影响。对 于实际生产过程，通常加1 5 3 的c a ，当粘度达到理想值后，加入t i h 2 ( 般加1 5 ) 作为发泡剂。氢气释放后熔体慢慢膨胀逐渐充满容器。发 泡在恒压下进行。当温度降到合金熔点以下时液体泡沫转化为固体泡沫， 进一步处理就可以从模具中取出。常规的一大炉的发泡过程需要1 5 分钟。 选好生产过程中的参数可以获得非常均匀的泡沫。实际上，用这种方法生 产的泡沫铝商业上称为“a l p o r a s ”似乎是当前获得的泡沫铝制品 中最均匀的产品。孔的平均直径与熔体粘度之间有一定的经验关系，最终 产品的密度也与粘度有一定的经验关系。 s h i n k ow i r e 公司生产的泡沫铝制品的典型尺寸是2 0 5 0 p h 值 浓度2 浓度1 滴定速度 搅拌 由此可以看出在这个实验的各个因素中，起主要作用的是温度和p h 值， 这两个参数的选取将直接影响释氢实验的效果。 为了更直观的看出各个因素与指标( 6 0 秒时释氢量) 之问的关系，做 出因素各个水平之间的关系见图3 - - 4 ( a ) ( f ) 。 3 包覆型t i h ：发泡剂包覆效果评价 03040 50 6070809 _ | 毫度1 m “1 0 2 】 图3 - - 4 ( a ) 浓度1 对释氢的影响 ) 0 40 n 0 1 00 1 2n 1 40 1 8 浓度2 q ( s o q ) j 图3 4 ( c ) 浓度2 对释氢的影响 66 童8 5 扣 竺。a 营6 2 6 1 2 02 53 03 54 04 55 0 温度( 哪 图3 - - 4 ( b ) 温度对释氢的影响 柏 4 5 5 5 6 0 漕定建度佃l s ) 图3 - 4 ( d ) 滴定速度对释氯的影响 1u1z141bbz uu00bu，u 搅拌 p 瞄 图3 - 4 ( e ) 搅拌对释氢的影响 图3 4 ( 0 p h 值对释氢的影响 由图3 4 ( a ) ( f ) 可以看出要达到很好的延迟放氢气的效果，各个因素 在6 0 秒所得的氢气量应为最小，在图中应表现为最低的点，故选每个图中 的最低点所对应的因素可得实验的最佳方案：浓度l 【n a a l 0 2 选取参数2 ( 0 0 6 m o l l ) 、温度选取参数2 ( 3 5 ) 、浓度2 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 选取参数2 ( 0 o l m o l l ) 、滴定速度选取参数3 ( 6 0 m l h ) 、搅拌选取参数2 ( 剧烈搅拌) 、 p h 值用参数l ( 5 ) ；与正交实验表2 2 中的n 0 5 组工艺参数相同，所以正 加 邮 (【一)峨鞴噼盔誊 西安理工大学硕士学位论文 交实验表2 2 中的n 0 5 组工艺参数为a 1 2 0 3 包覆t i h 2 实验的最佳工艺参数。 3 2 单层包覆s i 0 2 3 2 1 电境微观观察的结果 利用电镜对包覆s i 0 2 的t i h 2 进行微观观察，发现s i 0 2 包覆层包覆的结 果差异很大。其中采用n 0 5 组和n 0 3 组工艺获得的包覆层较为均匀，表面平 滑，如图3 - 5 ( a ) 所示，我们称之为成膜包覆。而在其它几组的电镜观察中发现 有些s i 0 2 包覆层表面凹凸不平，像刺状向前突起，表面分布很不均匀且不平 滑如图3 5 ( b ) 所示，我们称之为成核包覆。 图3 - 5 ( a ) s i 0 2 成膜包覆 3 2 2 能谱曲线分析 幽3 - - 5 ( b ) s i o ：成核包覆 对包覆s i 0 2 的y i h 2 粉末进行能谱分析，结果如图3 - 6 所示。由图可以 看出，包覆前只有t i 峰，而经s i 0 2 包覆出处理后，又有s i 峰的出现，说明 表面成分s i 与t i 相对含量已发生变化，反映t i h 2