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摘要 球磨法提高铝粉表面氧含量对泡沫铝孔结构的影响 摘要 粉末冶金发泡法由于能够生产形状复杂且近净成型的泡沫铝和泡沫铝三明治而受到广泛的 关注，但其也存在着孔结构不均匀、重复性差等问题。针对这些问题，本文研究了球磨处理增加 铝粉表面氧含量、外加固相颗粒以及粗细粉搭配对泡沫铝孔结构均匀性的影响，同时对不同工艺 下制备的泡沫铝进行力学性能研究。 研究表明，随着球磨时间的延长，铝粉表面氧含量增加。润湿性较好的氧化铝膜形成的三维 骨架抑制排液，稳定泡沫结构，明显改善了孔结构均匀性。但球磨时间过长时，一方面铝粉颗粒 变成扁平状，使颗粒在压制时的流动性较差，致使预制件致密度降低，造成t i h 2 分解时h 2 的泄 漏；另一方面氧化铝膜过多，阻碍铝熔体发泡，因而泡沫铝的孔隙率降低，孔结构恶化。原粉加 s i c 进行发泡时，含量较少的氧化膜不能形成( a 1 2 0 3 膜+ s i c 颗粒) 的包覆结构，润湿性不好的 s i c 颗粒不能抑制铝熔体的排液，所得泡沫铝孔结构差，改善效果微弱；球磨粉- - s i c 颗粒进行 发泡时，含量较多的氧化膜和s i c 颗粒能形成稳定的包覆结构，润湿性较好的复合结构能抑制铝 熔体的排液，显著改善了泡沫铝孔结构。粗细粉搭配时由于细粉颗粒填补了粗粉颗粒间的空隙， 提高了预制件的致密度，并且细粉的加入也提高了总表面氧含量，使得泡沫铝孔结构得到改善。 对所制备的泡沫铝的力学性能研究表明：在相同的工艺参数下，随着孔隙率的增加，泡沫铝 的屈服强度、弹性模量和吸能能力降低，吸能效率的峰值有所增加。s i c 颗粒的加入显著提高了 泡沫铝的骨架强度；球磨使铝粉氧含量增加，显著改善了孔结构均匀性，这些措施使得泡沫金属 的力学性能明显提高。 关键词：粉末冶金泡沫铝球彦表面氧化铝膜均匀性润湿性 a b s t r a c t i n f l u e n c eo fs u r f a c eo x y g e nc o n t e n ti n c r e a s eo fa l u m i n u mp o w d e r b yb a l lm i l l i n go n t h ep o r o u ss t r u c t u r eo fa l u m i n u mf o a m a b s t r a c t p o w d e rm e t a l l u r g i c a lf o a m i n gm e t h o dh a sb e e no fg r e a tc o n c e r n , d u et oi t s s p e c i a l t yi n m a n u f a c t u r i n gn e t - n e a rs h a p ea l u m i n u mf o a mp a r t sw i t hc o m p l e xg e o m e t r ya n ds a n d w i c hs t r u c t u r e h o w e v e r , s e v e r a lp r o b l e m sh a v eb e e nf o u n d ，e g p o o rh o m o g e n e i t yo fp o r o u ss t r u c t u r e ，a n dt h e i n s t a b i l i t yo ff o a m i n gt e c h n o l o g y i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ei n f l u e n c e so fs u r f a c eo x y g e n c o n t e n ti n c r e a s eo fa l u m i n u mp o w d e rb yb a l lm i l l i n g ，t h ea d d i t i o no fs o l i dp a r t i c l e sa n dt h em i x t u r eo f c o a l s ea n df i n ea l u m i n u mp o w d e r so nt h eu n i f o r m i t yo f f o a ms t r u c t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ef o a mt h u sp r e p a r e dw e r es t u d i e d i tw a ss h o w nt h a tt h eo x y g e nc o n t e n t ( e 粤t h et h i c k n e s so f a l 2 0 3f l i m s ) o nt h es u r f a c eo f a l u m i n u m p o w d e ri n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h eb a l lm i l l i n gt i m e t h e3 - d i m e n t i o n a la 1 2 0 3f i l m sf o r m e di n p r e c u r s o rs u p p r e s s e dt h ed r a i n a g ep r o c e s so ft h em e l tf o a m , i m p r o v i n gt h eu n i f o r m i t yo fp o r o u s s t r u c t u r e h o w e v e r , t o ol o n gab a l lm i l l i n gt i m ew o r s e n e dt h ep o r o u ss t r u c t u r e s - o v e rm i l l i n g0 1 3 a i p o w d e rr e d u c e dt h ed e n s i t yo f p r e c u r s o rw h i c hl e a d st ot h ee s c a p eo f h 2a n dp r o d u c e dt o om a n ya 1 2 0 3 f i l m si np r e c u r s o rw h i c hr e s i s t e dt h ee x p a n s i o no ft h ef o a nt h ed r a i n a g eo ft h em e l tf o a mw a sn o t s u p p r e s s e db ym i x i n gs i cp a r t i c l e sa n do r i g i n a lp o w d e rb e c a u s eo ft h ep o o rw e t t a b i l i t yb e “v ns i c p a r t i c l e sa n da lm e l t t h ed r a i n a g eo ft h em e l tf o a mw a ss u p p r e s s e da n dt h ep o r o u ss t r u c t u r ew a s i m p r o v e db ym i x i n gs i cv a r t i c l e sa n dm i u e dp o w d e rt of o r ma “s i cp a r t i c l e + a 1 2 0 3f i l m c o m p o s i t e s t r u c t u r ew h i c hi m p r o v e st h ew e t t a b i l i t yb e t w ns i cp a r t i c l e sa n da lm e i t t b ep r a c u r s o r sd e n s i t ya n d t h et o t a ls t l r f a c eo x y g e nc o n t e n tw e r ei n c r e a s e db ym i x i n gc o a r s ea n df i n ea ip o w d e r s ，l e a d i n gt ot h e i m p r o v e m e n to f t h ep o r o u ss t r u c t u r e so f t h ef o a m i tw a sf o u n dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ep o r o s i t yo f 也ef o a m , t h ey i e l ds t r e s s y o u n g sm o d u l u sa n d e n e r g y - a b s o r b i n ga b i f i t yw a sr e d u c e da n dt h ep e a kv a l u eo fe n e r g y - a b s o r b i n ge f f i c i e n c yw a ss l i g h t l y r a i s e di tw a sa l s of o u n dt h a tf o l l o w i n gm e a s o r e sc i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ef o a m s e f f e c t i v e l y ：( a ) a d d i t i o no f s i cp a r t i c l e sw h i c hi n c r e a s e st h ef i a r o e w o r k 蜘g c ho f t h ef o a m ；o x y g e n c o n t e n ti n c r e a s eo f a lp o w d e rb yb a l lm i l l i n gw h i c hi m p r o v e st h eh o m o g e n e i t yo f t h ef o a ms t r u c t u r e s k e y w o r d s ：p o w d e rm e t a l l m g y , a l u m i n i a mf o a m , b a l lm i l l i n g ，a i 2 0 3s u r f a c ef i l m , u n i f o r m i t y , w e t t a b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生生签名：立啤日期：乒业 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：二狙。幺牡导师签名：珥 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在传统的工程材料中，孔洞常被认为是一种结构上的缺陷，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。目前的人造多孔材料包括多孔塑料、多孔陶瓷、多孔金属等。一般认 为当多孔材料的孔隙率在4 0 - 9 8 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，并不以孔隙率所区别1 - t 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，作为多孔 金属材料的一个重要分支，泡沫铝已经有近6 0 年的发展历史，这是由于铝及其合金具有熔点低、 铸造性能好等特点【6 】。早在1 9 4 8 年，s o n i c k 就提出利用汞在铝合金中汽化制取泡沫铝的想法： e l l i o t 发展了这种想法并于1 9 5 1 年成功制备出泡沫铝，同时第一次提出了金属泡沫的概念；2 0 世纪6 0 年代美国乙烷( e t h y l ) 公司已成为泡沫铝的研制中心；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金属生产工艺慨”。目前，日本与德国在研究、生产与应 用泡沫铝以及其它金属泡沫材料方面居于世界领先地位。我国对泡沫铝的研究始于2 0 世纪8 0 年 代后期，并已取得了一系列的研究成果“”。 泡沫金属的主要结构特征是具有较大孔径、较高孔隙率，其中闭孔泡沫铝兼有结构材料和功 能材料的特点。作为结构材料，具有轻质、高比强、高比刚度的特点：作为功能材料，具备隔声、 吸声，隔热、阻尼、冲击能量吸收、电磁屏蔽和不燃烧等各种物理性能以及多功能兼容性能”q 。 因此优异的性能使它成为二十一世纪美、英、日、德、中前沿热点材料之一h 。 本实验室于2 0 0 2 年起开展以粉末冶金法制备闭孔泡沫铝和泡沫铝芯复合结构方面的课题研 究，现已取得很大进展。在制各工艺方面，进行了更深入的研究，以简化工艺、降低成本，现已 摸索出一套适合本实验室条件的最佳工艺参数，并获得孔结构均匀可控的样品。同时，对泡沫铝 的稳定性机制、铝粉表面氧化膜增粘机制以及固相陶瓷颗粒增强机制等方面也开展了相关研究， 并取得了一定的成果”q 。 1 。2 闭孔泡沫铝的制各方法及其优缺点 自1 9 4 8 年b s o n i c k 首次进行金属发泡尝试至今近6 0 年的发展过程中，出现了多种泡沫铝的制 备方法, 0 1 1 ”。 液相法路线有：熔体发泡法、熔体吹气法、渗流铸造法、二次发泡法、熔模铸造法、共晶凝 固法、同轴喷嘴空心球形铝泡制造法、软陶瓷球占位法。 固相法路线有：粉末冶金发泡法、激光辅助发泡法、电火花烧结法，烧结溶解法、连续辊压 发泡法、浆料烧结法。 沉积法路线有：镀覆金属法、阳极氧化法、气相蒸发沉积法、喷溅沉积法。 目前主要应用的闭孔泡沫铝生产方法主要有：熔体吹气法、熔体发泡法、粉末冶金法、二次 发泡法( f o r m g r i p ) ，它们各有自己的优缺点。但粉末冶金法由于能够制备复杂形状泡沫铝和 泡沫铝三明治结构已成为当今各国竟相发展的主流，而其他的方法因缺点较多而未能得到广泛 应用现将这几种方法介绍如下： 第l 页 东南大学硕士学位论文 1 2 1 熔体吹气法 该方法由a l c 蛐和n 0 r s k i y d r o 在2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代各自同时开发成功一。由c y m a t a l u m i n u m 公司开发的发泡工艺技术已获专利授权。n o r w a y 的h y d r o 铝业公司和加拿大的c y m a t 铝业公司采用该方法首先实现了泡沫铝的大规模工业化生产，其生产装置如图1 1 所示 图1 1 熔体吹气法装置图吼町 切 c = = 制备工艺：首先，通过向铝熔体中加入1 0 3 0v 0 1 的碳化硅、氧化铝等颗粒来增加粘度， 获得颗粒均匀分布的熔态铝基复合材料；其后使用一个特别设计的旋转装置在熔体中产生大量均 匀分布的气泡。熔体中的陶瓷颗粒附着在气泡表面起到稳定气孔壁和推迟气泡合并的作用，上浮 到液面的液态泡沫结构经冷却和牵引即可实现泡沫铝的连续化生产。对于该法搅拌速度和熔体的 粘度非常重要，增大搅拌速度可以提高气泡分散的均匀性 提高粘度可以防止气泡逸出和气泡长 大，但粘度过大会降低气泡分散的均匀性，增粘剂过多会使多孔铝中的夹杂物数量增加，对其性 能不利”。 优点：可以制成大长度的高孔隙率板材，产量大，价格便宜，适合于建筑材料使用【1 f e 。 缺点：孔结构难以控制，只能得到板状件 1 2 2 熔体发泡法 该方法是1 9 8 6 年由日本人发明，日本s h i n k o w i r e 有限公司享有该技术的专利权m 一。据报告 每天能生产1 吨左右的泡沫铝。东南大学从基础理论入手【18 l ，于1 9 9 5 年开展研究，采用此方法 在实验室中成功制备了泡沫铝大型件，2 0 0 1 年与天博公司合作实现了泡沫铝的半连续生产，其生 产过程见图1 2 。 第2 页 第一章绪论 图1 2 熔体发泡法生产流程图1 5 研 制各工艺：首先将纯铝( 或铝合金) 在铁模中熔化，加热到某一固定的温度下保温；然后 向熔体中加入定量的增粘剂c a ，再搅拌使之均匀分布在铝熔体中，利用高亲氧元素( c a ) 的加入和 随后的搅拌加速金属熔体的表面氧化，生成大量的氧化物( 如c a o 、a h 0 3 、c a a h 0 3 ) 使铝熔体达到 适当的粘度；接着加入发泡剂t i i - 1 2 ( 约1 6 们) 并高速搅拌均匀，使1 1 h 2 受熟分解释出氢气， 导致铝液中产生气泡而膨胀。随后冷却即制成孔洞分布均匀的泡沫铝( 见图1 3 ) 一 优点：孔结构均匀、成本较低，能制备大尺寸泡沫铝，并且可以通过t i l - 1 2 和c a 的加入量 控制泡沫的孔结构和孔隙率，是目前最具有商业前途的泡沫铝。 缺点：只能制备板状、块状件，无法制各异型件在制备三明治等复合结构时板芯问需要 用有机胶粘结，强度无法保证，酎高温性、耐久性较差，从而限制了其使用范围。 1 2 3 粉末冶金发泡法 图1 3 熔体发泡法制备的泡沫铝孔结构 制各多孔泡沫材料的方法有很多，其中一种适用的工艺在最近几年逐渐受到工业界的关注并 正在实现工业化生产。这种方法就是“粉末冶金法”，但更确切的术语式“粉末致密化发泡技术” 坤- 们。 最早提出这一方法的是美国专利u s - p s 3 0 8 7 8 0 7 0 8 , 9 j ，但是它将挤压过程分为两个阶段进行且 成型度很大，因此生产费用较高。另外，采用这一方法，只能使用分解温度高于热挤压温度的发 泡剂，否则，发泡剂就会在挤压过程中分解、泄露。针对此缺点，德国不莱梅f r a u n l l o f e r 研究所 ( i n s t i t u t f u r a n g e wa n d t e m a t e r i a l ) 于1 9 9 0 年提出了一种简单的、生产费用较低的粉末冶金生产泡 第3 页 东南大学硕士学位论文 沫金属的方法。这一生产方法1 1 1 ，在欧洲得到了深入的研究，奥地利和斯洛伐克先后进行了商 业化试生产。 由于本文所采用的试验方法为粉末冶金发泡法，因此下面详细介绍其基本原理和优缺点。 基本原理：首先将铝粉和适量发泡剂混合，并压实到一定密度，得到“发泡先驱体材料( 预 制件) ”。其后粉末混合物经热压、挤压或粉末轧制而致密化。传统的挤压或轧制也是简易可行 的粉体冷致密化技术( 见图1 。4 ) 。最后在固相线温度以上加热预制件使铝粉熔融、发泡剂分解形 成液态泡沫，经过冷却可获得低致密度的闭孔泡沫材料“。 生产过程如图1 5 图1 4 粉末致密化发泡技术制各泡沫示意图t 钟 图1 5 粉末冶金发泡法生产流程图【1 研 优点： ( 1 ) 采用粉末冶金的方法可以制成形状复杂的零件。能够实现异型件近净成型，无需加工 和枯结( 图1 6 ) 。用这种泡沫铝零件来代替传统的铸铝零件，重量可减少3 0 ，且强度、抗震 性都有较大的提高。 ( 2 ) 采用粉末冶金法可制成三明治式的复合夹心板( 图1 7 ) ，其压制工序可将铝或铝合金 粉与发泡剂的混合基体压制成非常薄的坯，通过控制发泡的工艺参数，可制成2 m m 厚的泡沫 铝板，而气孔的孔径在0 5 衄1 o m m 左右，且孔径均匀，可用于轿车的顶盖( 图1 8 ) 、行李 箱及保险杠等。这是其它方法所不能达到的 2 0 j 。 ( 3 ) 如果特殊需要( 例如制成增强或抗磨损等构件) ，也可以加入陶瓷粉末、金属纤维或 陶瓷纤维，提高泡沫铝材料的强度。 缺点： ( 1 ) 成本高。由于其原料采用的是铝粉或铝合金粉，金属粉末比块状金属昂贵且需要致密 化工序。 第4 页 第一章绪论 ( 2 ) 用粉末冶金法制各的泡沫铝构件尺寸较小制备大尺寸工件时t 孔结构很难控制 ( 3 ) 孔结构均匀性较难控制。 图1 6 粉末冶金法制备的泡沫铝异型件1 卅 图1 7 粉末冶金法制备的泡沫铝三明治( a f s l 图1 。8 泡沫铝应用于汽车顶盖及车身部分 第5 页 东南大学硕士学位论文 1 2 4 二次发泡法 o r m g m p ) 熔体发泡法与直接吹气法相比，前者对泡沫铝的孔结构控制较容易，但发泡剂在铝液中的分 散依旧很难控制，生产出来的泡沫铝的孔结构仍不很均匀。基于此，有人提出了两步法制备工艺， 国外称为f o r m g r i p 制各工艺。它使泡沫铝孔隙率和孔结构的控制获得突破，也为熔体发泡法 制备工艺在泡沫铝的批量生产和产业化应用方面奠定了一定基础b “。 使用两步法来生产泡沫铝材料，前提条件是对加入铝液中的发泡剂( t i l l 2 ) 进行预处理，使得 发泡剂在加入铝液后的搅拌过程中基本不发生分解，而在冷却制得预制件后，重新加热到一定温 度( 铝的熔点或熔点以上) 才发生分解并释放气体阎。 图1 9二次发泡法f o r m g r i p 法p 棚生产流程图 鉴于熔体发泡法和粉末冶金法都有各自的优缺点，s p e e d 在1 9 7 6 年首先提出了将两者相结合 的f o r m g r i p 法，后由g e r g e l y 和c l y n e 对该法加以改进”j 。 制备工艺：首先将发泡剂t i l l 2 在5 0 0 下氧化处理，使得t i h 2 表面形成氧化膜以减缓气体 分解的速率；然后同熔体发泡法一样将处理后的发泡剂混入经s i c 颗粒增粘的铝液中快速搅拌， 由于此时熔体温度较低且t i l l 2 表面有氧化膜的存在，只有部分t i l l 2 分解。待搅拌均匀后将铝液 迅速冷却至常温得到可发泡预制件；再将可发泡预制件按粉末冶金法置于不同形状的模具中加热 发泡即可得到泡沫铝异型件，具体工艺流程见图1 9 。利用这种方法制得的泡沫铝材料的孔隙率 可达到5 0 9 5 。孔径基本在l 1 0m n l 之间，而且所得样品孔结构比较均匀，图1 1 0 是国外 研究人员利用这种方法制得的泡沫铝试样。 优点：可以较理想地控制泡沫铝材科的孔结构，生产出孔结构均匀、孔隙率较高的泡沫铝材 料；也可以直接得到结构形状比较复杂的试件，无需进一步的加工。 缺点：二次发泡法工序复杂；发泡剂消耗量大，利用率低。 第6 页 第一章绪论 图1 1 0 在不同烘焙条件下的f o r m g r i p 铝合金泡沫截面图 孔隙率p 、平均孔径d 分别为： ( a ) p = 6 9 ，d = 1 1 m m ( b jp = 7 9 ，d = 1 9 r a mi c p = 8 8 ，d = 3 1 m m 1 3 泡沫铝主要性能特征 泡沫铝由铝或铝合金骨架和众多封闭的无序气泡组成，属于无序结构材料，其中气泡相是该 种材料多功能兼容特性的来源。这种金属相与空气相有机结合起来的特殊结构，使其在高技术和 汽车等领域应用上不同于一般的金属材料，主要表现在力学性能、能量吸收性能、阻尼性能及隔 声、隔热和电磁屏蔽性能等。 1 3 1 高的比强度和比刚度 泡沫铝属于轻质多孔材料，密度范围在0 2 0 5 玑m 3 ，其平均值只有铝的i t o p 3 】。力学性 能的绝对值并不高，拉伸强度较低，孔隙率为8 5 的泡沫纯铝的抗拉强度仅为o bz i m p a 左右- 2 4 ， 但压缩及弯曲强度较高，因此具有较高比强度和比刚度，其抗弯比刚度是钢的1 5 倍。泡沫铝 泡沫铝合金的抗拉强度、压缩屈服应力等力学性能均随着孔隙率的增大而降低，泡沫铝及其合金 的密度和其力学性能之间的关系可用g i b s o n - a s h b y 模型来描述川： 彳五= k ( p p , ) 1 ( 1 1 ) 式中丑一基体材料的力学性能；石泡沫材料的力学性能；店基体材料的密度；厂泡沫材料的 密度：x 经验值；w 常数( 1 8 2 2 之间) ，随彳的不同而异。 1 3 2 能量吸收性能 多孔结构或者蜂窝状结构可用作能量吸收材料阅。单位质量小、能量吸收能力大的材料就具 有较大的作用。自然泡沫材料单位质量小，但其强度低，能量吸收能力差。金属泡沫材料，尤其 第7 页 东南大学硕士学位论文 是泡沫铝就具有很高的能量吸收能力。泡沫铝由金属骨架和 孔隙所构成，当其受到压缩时，压缩的应力一应变( 仃一e ) 曲线上有一个很宽的平台区( 见图1 1 3 ) 。可在较大的应变 范围内保持应力基本不变1 2 6 j ，将外加能量转化为材料变形所 做的功，从而具备良好的吸能性能。其单位重量能量吸收可 达到4 0m m ( g 左右【l j ，吸能效率达到0 8 以上，是一种优良 的吸能材料。 1 3 3 热物理性能 图1 1 3 泡沫铝的应力应变曲线 泡沫铝及其合金的导热性能与孔隙率密切相关。由于闭孔泡沫铝泡沫铝合金的胞内存在不流 动的气体，而且尺寸较小的孔限制了内部的对流，众多的孔洞壁减小了辐射传热，因而泡沫铝的 传热能力很低，具有良好的隔热性能。泡沫铝及其合金的导热系数随着孔隙率的增加而下降f 2 7 ， 孔隙率越大，其导热系数越小，导热性越差。室温下，金属铝的热导率为2 0 5w m lk 1 ，孔隙率 为8 0 的泡沫铝的热导率不到8w m l k 1 ，相当于纯铝的1 2 6 。 1 3 4 声学性能 具有闭孔结构的泡沫铝及其合金具有良好的隔声性能，压缩或轧制后具有微通孔结构的闭孔 泡沫铝及其合金具有良好的吸声性能。泡沫铝，铝合金具有非常优良的高频隔声效果，且随试样厚 度的增加而提高。通常增大孔隙率可以提高单位质量泡沫铝材料的隔声量；泡沫铝，铝合金还具有 极为优异的水下隔声性能。厚度大于1 0 衄的泡沫铝试样( 孔隙率为6 5 - 8 8 ) ，在频率3 - 3 0k h z 的范围内的水下隔声系数均大于0 9 5 ，且随孔隙率的增大而明显提高 2 s , 2 ”。 1 3 5 阻尼性能 泡沫铝及其合金对振动的阻尼性能比其基体金属好，其内耗值( q 1 = 1 0 _ 2 ) 比致密铝高一个 量级以上【“。一般而言，泡沫铝及其合金对振动的阻尼值随着孔隙率的上升和孔径的下降而变大， 且随着振幅的增大而显著增大，但和振动频率无关。影响内耗的主要因素是孔隙率 1 3 6 电磁屏蔽性能 电磁波会干扰电气设备的正常工作。可采用屏蔽设备来防止电磁波的干扰。这时就需要一种 材料同时具有良好的导电性能和较小的电磁渗透能力，以便将电磁能转变成热能。研究结果表明 泡沫铝具有良好的电磁屏蔽性能瞄j 。与其他电磁屏蔽材料相比，泡沫铝具有轻质和可成型为复杂 形状等优点。泡沫铝的电磁屏蔽性能不仅和基体铝有关，而且还和孔隙率有关。在低频段( 5 0 0 0h z ) ，泡 沫铝的电磁屏蔽性能和其实体金属相当，因此泡沫铝具有良好的电磁屏蔽性能，可以作为一种超 轻型高频电磁屏蔽的新材料。 综上所述，由于泡沫铝中大量均匀分布的孔洞存在，使得泡沫铝具有轻质、高比强、高比刚 度、阻尼、吸能、隔声、隔热、电磁屏蔽及其多功能兼容性能，实现了结构材料的轻质多功能化 第8 页 第一章绪论 1 4 应用前景 泡沫铝作为一种功能材料，具有阻尼减振、降噪、 隔热、电磁屏蔽等多功能兼容性能，实现了结构材料 的多功能化，在民用、军用、航空、航天等备领域中 均有广泛的应用前景。美国、德国、中国等均力图发 展其在航天、汽车、船舶、兵器等高技术领域中的应 用研究。图1 1 4 为泡沫铝性能与其应用之间的关系图。 目前泡沫铝主要用于汽车工业、航空航天工业、 建筑工业和电讯业等领域，见表1 1 。 图1 1 4 泡沫铝性能与其应用的关系图 表1 1 泡沫金属的用途阉 应用领域用途应用领域用途 建筑室外装饰幕墙、室内装饰墙面、天 电子与通讯电磁屏蔽室( 罩) 、电子仪器外 花板、移动隔断、滑动门、地板、壳和电磁屏蔽等场合的结构和 活动房、装饰件功能材料、高速列车发电机室、 机动车冲击吸收材料、缓冲件、减震材料、无线电录音室 防冲挡板、挡泥板、侧门、前板、民用生活浴室、卫生间设施、厨房设施 顶盖板、汽车底盘填充、轻量结构环境保护制造高性能吸音板和隔音墙、高 材、内部用具与装饰件、隔断、发 速公路、铁路降噪 动机隔板与防护材其他告示板、道路标志牌、护栏、包 机械机械夹持装置、升降机和传送器的装材料、黑板、物面天线、铸塑 安全垫、高速磨床防护装置的减震模( 塑料制品) 、抛光用的电磁 吸能内衬 旋转抛光轮、海洋开发器材，如 交通运输铁路轻体车辆结构、车厢地板、防管道、浮标等，网球场地板、化 火墙、各种集装箱、船舶结构油器浮漂、音响器材、热交换器、 航空宇宙飞船的起落架、空降设备的保过滤器、耐火阻燃与隔热制品以 护、车门、侧壁、船舶隔断、舱壁、及其它特殊功能的结构等 飞机零部件、电梯、升降机、托盘、 工作台 目前德国k a r m a r m 公司采用粉末冶金法制各的泡沫铝三明治已成功应用于样车，使重量减 轻6 0 k g ，每加仑汽油多开2 6 英里p ”，如图1 1 5 a 。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 2k g 左右，同时使结构系统简化，零部件数 量至少可减少1 3 ，降低了汽车成本口2 矧。如图1 1 5 b 为泡沫金属应用于轿车( a u d i a 8 ) 的车身结 构 第9 页 东南大学硕士学位论文 ( a ) b m w 汽车中的泡沫铝零件 ( b ) 应用泡沫金属的轿车i a u d ia 8 ) 图1 1 5 泡沫金属在轿车上的应用i s , 9 1 5 粉末冶金发泡法的国内外研究现状及现存问题 1 5 1 国外研究现状 粉末冶金发泡法制各泡沫铝在国外已得到了较深入的研究，目前主要的研究机构有：美国麻 省理工学院、英国剑桥大学、德国f r a u n h o f e r 先进材料及制造研究所等，其中最具代表性的 是德国f r a u n h o f e r 先进材料及制造研究所研制的三明治泡沫铝板。德国f r a u n h o f e r 研究所以 a i m g s i ( 6 0 6 1 ) 、a 1 s i l 2 以及a i s i 7 为基体金属生产f o a m i n a l 产品；奥地利的m e p u r a 公司以a i s i 2 a i s i l 2 为基体生产a u j l i g h t 产品；斯洛伐克的n e u m a n 公司以a i m g l s i 0 6 、 a i m 9 0 4 、a i s i l 0 为基体生产a l uf o a m 产品1 1 j p q 。他们均制备出很好的泡沫铝产品，在均匀 性和稳定性方面取得了很大进展。f r a u n h o f e r 研究所制备的泡沫铝三明治比钢板的刚性大l o 倍 【阳】，而重量却轻5 0 ，可用于汽车的地板、车顶、行李厢等。采用类似的方法可以获得各种金 属或合金的三明治板。采用粉末冶金发泡法可以制备泡沫铝汽车、机械零件，耳前报道的有粉末 挤压熔化发泡法。德国s l m u kg m b h 及h o n s e la g 公司正进行小批量的工业开发阶段一。 在理论研究方面，j b a n h a r t 等从实验研究的角度进行了粉末冶金发泡过程的初步动力学研 究，对多孔金属制各工艺参数与时间膨胀量的关系进行了分析解释。日本的s v g n i l o s k u r e n k o 等对气泡生长的初始条件及动力学进行了理论研究p q 。美国研究的重点在于泡沫金属的性能及 设计应用；欧洲研究的重点仍然在于泡沫金属在汽车工业中的多样化应用：国外的某些公司已实 现了较大规模的工业化生产i 硼。其产品的质量、规模以及生产的连续性都是国内相关单位所无法 比拟的 1 5 2 国内研究现状 我国的泡沫铝研究工作较国外一些先进的工业国家起步较晚。2 0 世纪6 0 年代，钢铁研究总 l 完开发了轧制成型粉末冶金多孔材料制备技术，开创了我国粉末冶金多孔材料研制的先河删。目 前，我国报道的粉末冶金发泡法制备泡沫铝的研究主要有东北大学p “、昆明理工大学州j 、太原重 型机械学院p ”、北京有色金属研究总院等州，但也仅局限于基础性研究，即在实验室中对小剂量 的铝粉进行发泡实验，只是对发泡过程中各影响参数进行了考查。对于采用粉末冶金法进行工业 应用的研究目前还未见报道m j 。其原因在于产品的成品率亟待提高、成本还需降低以及生产的连 第1 0 页 第一章绪论 续化，此外，产品的品种单一，一般仅能生产板材。 本实验室在粉末冶金法制备泡沫铝上已经取得了定的进展，目前己摸索出了一套比较成熟 的工艺：在混粉工艺上，采用三维多轴转动混粉装置进行长时间混粉，以保证混粉的均匀性：在 压制工艺上，采用冷压、热压以及反复压制等致密化工艺保证预制件的致密度在9 9 2 以上。无 论是在控制样品孔结构的均匀性和复合结构界面冶金结合方面，还是在对泡沫成核、长大以及排 液机制的探讨等方面都处于国内领先水平。 1 5 3 现存问题及发展趋势 在粉末冶金发泡法制备泡沫铝技术取得重大进展的同时，还存在着许多阀题，还有许多工作 需要完成。 ( 1 ) 制备工艺不够稳定，工艺参数对孔结构的影响及其机制还有待迸一步研究，如泡沫的成核 长大及合并过程等金属发泡的最基本机制仍缺乏足够了解。 ( 2 ) 目前，泡沫金属稳定性问题是一个急需攻克的重大难题。泡沫金属的演变过程包括泡沫的 形核、长大、合并和坍塌破坏等，导致液态孔结构不断地恶化；另外排液问题困扰着泡沫铝的制 备。 ( 3 ) 基础研究需迸一步深入探索。例如发泡过程气泡形成机理及形状的演化；铝熔化后的粘度 对发泡的影响；发泡与凝固过程中的温度场的控制，孔结构的稳定性及发泡过程众多工艺参数控 制等等。这些问题所隐藏的规律，目前还没有清肺f 地探明，对这些方面的研究探索，将会促进粉 末冶金法制备泡沫铝技术的进一步完善。 ( 4 ) 在目前研究的基础上，应尽快进行扩大化实验研究，制备出大尺寸的泡沫铝材，以期进行 产业化。从技术上看，生产小孔径且孔径均匀的、低密度高孔隙率的泡沫铝材目前还存在许多需 要突破的难点。另外，工艺不稳定、实验的重复性差和孔结构不均匀的问题还没有彻底解决，与 大批量、工业化生产已经应用还有差距，还需进行大量的基础研究和应用研究 2 a l 。 1 6 本文的研究目的和主要内容 1 6 1 研究目的 1 在现有的泡沫铝制备工艺基础上，迸一步改进工艺，简化流程。制备出孔结构均匀性较好的 泡沫铝样品。 2 采用球磨等工艺措施以及外加固相颗粒提高泡沫铝稳定性。揭示其增粘机制和排液机制，以 期得到孔结构均匀可控的泡沫铝样品。 1 6 2 研究内容 1 研究球磨处理时间对铝粉形貌和表面氧含量的影响，通过发泡试验找出最佳球磨时间。 2 透过发泡试验找出铝粉表面氧含量对泡沫铝孔结构的影响规律，并探讨铝糟表面氧化膜对孔 结构均匀性和稳定性的影响机制。 3 研究球磨后的铝粉中外加固相颗粒对泡沫铝孔结构的影响。探讨在氧化膜和固相颗粒的共同 作用下对孔结构均匀性的影响及其稳定性机制。 4 研究粗细粉搭配比对泡沫铝孔结构的影响，探讨孔结构改善机理。 5 研究不同工艺下制各的泡沫铝的力学性能及其影响因素。 第l l 页 东南大学硕士学位论文 参考文献 【1 】b a n h a r tj ，m a n u f a c t u r e ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f c e l l u l a rm e t a l sa n dm e t a lf o a m s j p r o g r e s si nm a t e r i a l ss c i e n c e4 6 ( 2 0 0 1 ) 5 5 9 - 6 3 2 ， 【2 】m ea s h b y , t j l u m e t a lf o a m s ：as u r v e y j s c i e n c ei nc h i n a , s e r i e sb ，2 0 0 3 ，4 6 ( 6 ) ：5 2 1 - 5 3 2 【3 】 j o h nb a n h a r t ，m f a s h b y ，n a f l e c k c e l l u l a rm e t a l sa n dm e t a lf e n m i n gt e c h n o l o g y a i n ： i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc e l l u l a rm e t a l sa n dm e t a lf o a m i n gt e c h n o l o g y ，b r e m a n ，2 0 0 1 b r e m e n ：v e r l a gm i t ，2 0 0 1 【4 】j o h nb a n h a r t ，m ea s h b y ，n a f l e c k m e t a lf o a m sa n dp o r o u sm e t a ls t r u c t i l r e s a ，i n ： i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo i lm e t a lf o a m sa n dp o r o u sm e t a ls t r u c t u r e s ，b r e m e n ，2 0 0 3 ，v e r l a g m i t ，2 0 0 3 【5 】5 m f a s h b y , a g e v a n s m e t a l f o a m s ：a d e s i g n g u i d e m ，b o s t o n ：b h p r e s s ，2 0 0 0 1 - 5 【6 】赵万祥，赵乃勤，郭新权新型功能材料泡沫铝的研究进展f j 】金属热处理，2 0 0 4 , 2 9 ( 6 ) ：7 1 1 【7 】l j g i b s o n , m ea s h b y c e l l u l a rs o l i d s ：s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s m ，s e c o n de d i t i o n ，g r e a t b r i t a i n ：c a m b r i d g eu n i v e r s i t yp r e s s ，1 9 9 9 【8 】h p d e g i s e h e r h a n d b o o k o f c e l l u l a r m e t a l s 【m 】w i l e y v c h g e r l a g g m b h , 2 0 0 2 【9 】h p d e g i s c h e r ，b k r i s z t 编，左孝青，周芸译多孔泡沫金属【 叼北京：化学工业出版社， 2 0 0 5 年1 月 【l o 】朱勇刚泡沫铝的粉末冶金制备方法及其相关性能研究： 学位论文】南京：东南大学图书 馆2 0 0 4 【l l 】刘斌泡沫铝粉末冶金法制各工艺改进及其孔结构控制研究：【学位论文】南京：东南大学材 料系，2 0 0 5 【1 2 】沈骏固相颗粒对粉末冶金泡沫铝孔结构及其力学性能影响机制研究：【学位论文】南京：东 南大学图书馆2 0 0 6 【1 3 】宋振伦，何德坪铝熔体泡沫形成过程中粘度对孔结构影响册材料研究学报，1 9 9 7 ，1 1 ( 3 ) ： 2 7 5 【1 4 何军，吴其光，郑勇等多孔铝制各工艺进展【刀广东有色金属学报，第1 6 卷第1 期 2 0 0 6 ( 3 ) ：4 6 - 5 0 【1 5 】姜斌，赵乃勤泡沫铝的制备方法及应用进展明金属热处理，第3 0 卷2 0 0 5 年第6 期，3 6 - 4 0 【1 6 】王祝堂施沫铝材生产工艺、组织性能及应用市场【j 】轻合金加工技术，1 9 9 9 ，2 7 ( 1 0 ) ：5 8 【1 7 】韩福生，一种新型的物理功能材料一泡沫铝川中外技术情报，1 9 9 6 ( 6 ) ：3 - 6 【1 8 】w uz h n o j i n ，h ed e p i n g c h a n g e si np o r o s i t yo f f o a m e d a 1d u r i n gs o l i d i f i c a t i o n m c h i n e s es c i b u l l e t i n 2 0 0 0 。4 5 ( 8 ) ：8 2 9 1 9 】b a n h a r tj