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辽宁科技大学硕士学位论文 摘要 优化熔体发泡法泡沫铝制备过程的实验研究 摘要 泡沫铝是一种新型的多功能复合材料，具有很好的应用前景。本工作以熔体 发泡法制备孔结构可控的闭孔泡沫铝为目标，在实验室条件下，研究了影响孔结 构的诸多因素和发泡剂表面改性处理的技术，并对所制备的泡沫铝试样导电性能 和静态压缩性能进行了测试与分析，为实际应用提供有价值的参考。 在对原有设备进行改进的基础上，研究了影响泡沫铝孔结构的四项主要因素， 即，增粘剂加入量，发泡剂加入量和搅拌时间，保温时间，并选取合适的冷却方 式，消除了排液层，制备出了在本实验条件下孔结构均匀可控泡沫铝样品；在孔 结构均匀的条件下，以制备高孔隙率泡沫铝为目标，用正交实验研究了以上四因 素对孑l 隙率影响的重要性，并得出最佳制备条件：炉温7 0 0 。c ，增粘剂钙2 5 w t ， 搅拌时f 自j 2 m i n ，搅拌速度8 0 0 r m i n ；发泡剂t t h 2 2 5 w t ，搅拌时间6 0 s ，搅拌速度 1 2 0 0 r m i n ；保温时间为2 5 m i n 。 发泡剂分解速度过快是制备孔结构均匀泡沫铝的一个障碍，本文通过对所选 用的t i h 2 发泡剂采用沉淀法表面改性实验，分别以s i 0 2 和a 1 2 0 3 对发泡剂进行包 覆，使t i h 2 粒子表面包覆“一层致密的氧化物，其包覆厚度随滴加量的增大而增加； 包覆后t i h 2 初始释氢温度和峰值释氢温度均有不同程度的增加，有效的提高了泡 沫铝孔结构的质量。 对本实验所制备的泡沫铝试样进行电导率测试，发现泡沫铝试样的电导率随着 相对密度的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小；根据实验所测数据验证表明 w d o e b k e 推导出的两相系统电导率计算公式更加适合本实验所制备的泡沫铝试 样。 在单向压缩恒应变速率条件下，对本实验所制备的泡沫铝试样进行压缩性能 测试分析得出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、屈服强度随着孔隙率的增大而减小；试样的吸能能力随孔隙率 的增大呈下降趋势，能量吸收效率则随孔隙率的增大并无明显差别。 关键词：泡沫铝，熔体发泡法，发泡剂，电导率，压缩性能 辽宁科技大学硕士学位论又a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d i e so np r e p a r a t i o no ff o a m e d a l u m i n u m b yo p t i m i z i n gm e l tf o a m i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t f o a m e da l u m i n u m ( f a ) 1 so n eo fn e wk i n d so fm u l t i f u n c t i o n a lm a t e r i a l sa n dh a s g o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n i nt h i sw o r k ，t a k e nt h ep r e p a r a t i o no fc l o s e d c e l lf o a m e d a l u m i n u ms 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 ep o r es t r u c t u r ea n du n i f o r md i s t r i b u t e d p o r eb yt h em e a s u r eo fm e l t i n gf o a m i n gt e c h n i q u ea st h eg o a l ，s o m ei n f l u e n c ef a c t o r s o np o r es t r u c t u r ea n dc o a t e dd i s p o s a lm e t h o d so nt h es u r f a c eo ff o a m i n ga g e n tw e r e s t u d i e db ye x p e r i m e n t si nt h ec o n d i t i o n so fl a b o r a t o r y m o r e o v e r , t h ep r o p e r t i e so f e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dt h es t a t i c c o m p r e s s i o no ft h es a m p l e sw e r et e s t e da n d a n a l y z e d ，w h i c hc a no f f e rs o m ev a l u a b l er e f e r e n c e sf o rf u r t h e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so fi m p r o v e de q u i p m e n t ，f o u rm a i nf a c t o r st h a tc a ni n f l u e n c ep o r e s t r u c t u r ei m p o r t a n t l yi n c l u d i n gt h ea d d i n gc o n t e n to fv i s c o s i t yi n c r e a s e r , t h ea d d i n g c o n t e n to ff o a m i n ga g e n t ，t h es t i r r i n gt i m ea n dt h ei n v a r i a b l et i m eo ft e m p e r a t u r ew e r e s t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h ed r a i n a g el a y e rw a se l i m i n a t e db ys e l e c t i n gt h ec o o l i n g m e t h o d ss u i t a b l y f i n a l l y , s a m p l e sw i t hc o n t r o l l a b l es t r u c t u r e sa r em a n u f a c t u r e di nt h e l a b o r a t o r y i no r d e rt op r e p a r eu n i f o r md i s t r i b u t e dp o r es t r u c t u r ea n dh i g h e rp o r o s i t yf a ， f o u rf a c t o r sm e n t i o n e da b o v eo np o r o s i t ya r es t u d i e db yo r t h o g o n a lt e s t sa n dt h e o p t i m a lp r e p a r a t i o nc o n d i t i o ni so b t a i n e d ，t h a ta r e ：s t o v et e m p e r a t u r e ：7 0 0 。c ，t h ec o n t e n t o fv i s c o s i t yi n c r e a s e r ：2 5 w t ，s t i r r i n gt i m e ：2 m i n ，s t i r r i n gs p e e d ：8 0 0 r m i n ；t h ec o n t e n t o ff o a m i n ga g e n t ：2 5 w t ，s t i r r i n gt i m e ：6 0 s ，s t i r r i n gs p e e d ：12 0 0 r m i n t h eo v e r - f a s td e c o m p o s i t i o ns p e e do ff o a m i n ga g e n t ，h o w e v e r , i sa n o t h e ro b s t a c l e i np r e p a r a t i o no fu n i f o r md i s t r i b u t e dp o r es t r u c t u r ef a t oi m p r o v et h i s ，a l t e r a t i o n d i s p o s a l so nt h ep a r t i c l es u r f a c eo ff o a m i n ga g e n tw e r ed o n eb yd e p o s i t i o nm e t h o db y w h i c h ，t h es u r f a c e so ff o a m i n ga g e n tp a r t i c l e sw e r ec o a t e dw i t hc o m p a c tl a y e ro f o x i d a t i o nf i l mo fs i 0 2o ra 1 2 0 3f o r mr e s p e c t i v e l y , a n dt h em o r eq u a n t i t i e so ft i t e r , t h e t h i c k e ro ff o r m e d f i l m t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e b e g i n n i n g t e m p e r a t u r e sa n dp e a kt e m p e r a t u r e st or e l e a s eh y d r o g e no fc o a t e dt i l l 2e n h a n c e dt o d i f f e r e n td e g r e e s a n dt h u s ，t h eq u a l i t yo fp o r es t r u c t u r eo ff ac a nb ee f f e c t i v e l y i m p r o v e d 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 as a m p l e sw e r et e s t e di nt h i se x p e r i m e n t ，t h e r e s u l ts h o wt h a te l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc o m p a r a t i v ed e n s i t y a n dd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gp o r o s i t y ；a n dt h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y c a l c u l a t i o n f o r m u l ai n f e r r e db yw d o e b k ei sm o r es u i t a b l et of as a m p l e si nt h i se x p e r i m e n t u n i l a t e r a l i s ms t a t i c c o m p r e s s i o np r o p e r t i e s o ff as a m p l e sw e r et e s t e dw i t h 硕士学位论又 a b s t r a c t i n v a r i a b l es t r a i nr a t e s t h er e s u l t ss h o wt h a ts t r e s s s t r a i nc u r v ef o rc o m p r e s s i o n u n d e r g o e st h r e es t a g e s ：l i n e a re l a s t i c ，c o l l a p s ep l a t e a u ，a n dc o m p a c t i o ns e g m e n t s e l a s t i cm o d u l u s y i e l ds t r e n g t ha n de n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t yd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g p o r o s i t y , b u tt h ee n e r g ya b s o r p t i o ne f f i c i e n c yh a sn od i s t i n c td i f f e r e n c ew i t hi n c r e a s i n g p o r o s i t y 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 ga g e n t ，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i w ，s t a t i cc o m p r e s s i o n i 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 获得辽宁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：弦争 e t 期：塞! ：! 聋塑旧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、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i n 芹g l 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) 一身夕新虢缁 日 辽宁科技大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 泡沫金属材料概述 第一章绪论 。金属材料的使用已经有几千年的历史了，它具有综合性能优良、价格低廉、 生产工艺成熟、供应稳定、使用方便，易于大规模生产等优势，更重要的是，金 属材料可以回收，不存在污染和废弃物的问题。因此，在当今的经济建设与社会 的可持续发展中成为不可替代的基础材料。 随着科技的发展和社会需求的提高，人们更加重视了对新型金属材料的研究。 在过去对金属材料研究中，大量的科学研究都试图消除铸件、粉末冶金件、焊接 件或涂层中的气孔，并认为无孔洞的构件才是最理想的。但是，多孔结构材料在 自然界中大量存在，例如木材、骨骼、抱浮石等等，这些事实告诉我们多孔结构 可以在较轻重量下有效地发挥其力学性能和结构功能。因此，科技工作者增加了 对多孔金属材料的研究。 自二十世纪四十年代开始，多孔金属逐渐成为材料研究领域的热点。因最初 采用发泡法制备，故称为多泡性金属，通常称之为多孔泡沫金属。泡沫金属具有 如下的结构特征【1 j 【2 j ： ( 1 ) 孑l 径：孔径较大，一般为( p 0 5 7 5 r a m ； ( 2 ) 孔隙率：孔隙率根据制备方法的不同会有较大变化，一般为4 0 9 0 ； ( 3 ) 表观密度：密度随着孑l 隙率的提高而降低，一般为基体金属的0 1 o 4 倍； ( 4 ) 比表面积：比表面积较大，一般可以达到10 4 5 c m 2 c m 3 ： ( 5 ) 孔结构：根据制备工艺的不同有不同的孔结构，主要是开孔和闭孔结构； 孔形貌也因制备工艺而异，主要有球形，椭球形和不规则的多面体结构。 ( 6 ) 有多种基体金属：铝、铁、钛、镍、铜等。 泡沫铝则是一种在铝基体中形成无数个气孔的多孔金属材料，因其独特的性 能在世界上许多国家f 获得日益广泛的研究和应用。 1 2 泡沫铝国内外发展和现状 1 2 1 国外泡沫铝技术的发展和现状 国外对泡沫金属的开发研究始于2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 8 年，b s o s n i c k 首次进行 了金属发泡尝试，他在熔融铝中加入了低熔点物质汞，由于汞的气化而在金属中 获得了孔洞。1 9 5 6 年，j c e l l i o t 用热分解气体的发泡剂代替了汞，成功地制备出了 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 泡沫铝，所以现代科学家和工程师在丌发泡沫金属时就不必考虑汞的毒性了。2 0 世纪6 0 年代美国e t h y l 公司成为研制泡沫铝的科研中心基地【3j 。尽管制备泡沫金属 的多项专利已经出现，但是由于发泡工艺，泡的尺寸很难控制以及缺乏后处理的 基本原理和方法等原因，泡沫铝一直未能实现大规模的商业化生产。1 9 8 0 年末， 德国不来梅f r a u n h o f e r 先进材料研究所的研究活动推动了泡沫铝研究的进展，激起 了人们对泡沫金属研究的热情【4j 。1 9 9 1 年，日本九州工业金属研究所开发出泡沫铝 工业化生成的工艺路线，已能用金属发泡法和渗流法生产大型和小型部件。目前 日本、美国、德国、加拿大等国已上市供应泡沫铝材。1 9 9 9 年【5 j ，第一届世界泡沫 金属学术会议在德国不来梅顺利召开，重点是关于泡沫铝的制造和应用。随后， 世界泡沫金属学术会议每隔两年召开一次，2 0 0 5 年9 月，第四届世界泡沫金属学术 会议在日本京都召开。泡沫金属研究已经发展成为重要的技术领域。 1 2 2 国内泡沫铝技术的发展和现状 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，基本上起步于 上世纪9 0 年代初期。东南大学、东北大学、昆明理工大学、哈尔滨工业大学、中 国科学院固体物理研究所、中国船舶重工集团公司7 2 5 研究所、太原重型机械学院、 太原理工大学，中国铝业股份有限公司郑州研究院等多家单位都以纯铝为基体金 属，进行了泡沫铝的发泡工艺探索和性能研究。我国台湾地区1 6 j 近几年也开展了对 泡沫铝的研究。这些科研单位都能够制出部分样品，但由于产品的成品稳定性和 生产的连续性亟待提高、成本仍需降低以及产品的品种单等原因的限制，泡沫 铝的商业化生产程度还不高，目前仅有北京罗伯泰克自动化装备有限公司和上海 众汇泡沫铝材有限公司等几家生产泡沫铝材料的厂家，一些泡沫铝生产项目f 在 招标投产过程中，东南大学、东北大学及中国科学院等研究机构也在技术产业化 方面取得较大进展，如东北大学已经建成年产5 0 0 0 n r 【泡沫铝材生产示范线。据报 道，国内泡沫铝材料市场年需求量在2 0 万吨以上，但目前有关泡沫铝应用的报道 还比较少，仅有上海卢浦大桥的建设( 中国第一座钢结构拱形大桥) 等极少几项【5 】。 1 3 泡沫铝制备方法概述 由于制备工艺的不同，从结构看泡沫铝可分为闭孔结构的泡沫铝和开孔结构 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。 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 闭孔泡 耒金属il 开孔泡沫金属 气 泡 法 1 3 1 气泡法 熔 体 发 泡 法 粉 来 冶 金 法 添 加 球 料 法 喷 溅 沉 积 法 镀 覆 金 属 法 浮 流 铸 造 法 图1 1 泡沫金属制造方法 熔 模 铸 造 纤 维 烧 结 法 烧 结 溶 解 法 气泡法是将气体直接注入熔体底部，气体经过搅拌后在铝基体中形成无数个 分散的气泡的制造方法。气泡的大小可以通过调整气体流速、搅拌器设计和搅拌 速度来控制，气体分散的均匀性取决于搅拌器的形状。气泡法制造的泡沫铝具有 气孔间相互独立，造价比较低廉，而且可以连续不问断的生产大块低密度泡沫铝 的优点，但缺点是生产控制难度大，孔结构中存在有少量大气泡，存在孔尺寸较 大和孔形状不规则的不足。 切割 ；鲤： 图1 2 气泡法示意图 泡沫的相对密度主要受工艺参数影响，如搅拌速度，注入气体流量等”。目前 主要是通过加入陶瓷颗粒s i c 来提高熔体粘度和气孔的孔壁稳定性8 1 。2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代a l c a n 和n o r s kh y d r o 各自同时开发成功工业生产工艺，该工艺 可以制备相对密度为2 2 0 的泡沫板，其平均孔径在2 5 3 0 m m 的范围内变化。 1 3 2 铸造法 ( 1 ) 熔模铸造法熔模铸造法是先采用液态耐火材料填充到海绵状塑料中的空隙 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 中，待耐火材料硬化后加热使塑料气化而得到具有海绵状空隙结构的铸型，再向 此铸型中加入液态铝合金，待液态铝合金冷却凝固后去除耐火材料，就得到了具 有致密海绵状组织的泡沫铝的一种方法。该方法的关键是耐火材料预制型的制作， 适用于熔点较低的材料，如铜、铝、锌、铅、锡及其合金。其缺点是成本较高， 工艺局限性大一1 。 ( 2 ) 渗流铸造法渗流铸造法是将液态铝合金渗入到填料颗粒的间隙中而获得铝 合金填料复合体的一种方法。填料可以使用耐热而可溶的材料( 如精盐i l 、可溶石 膏1 1 1 1 。样品制成后，填料粒子可从铸件中浸洗掉，从而获得具有连通空隙结构的 泡沫铝。渗流铸造法又可分为上压渗流铸造法和负压渗流铸造法，这两种方法的 使用都可以得到通孔性良好的泡沫铝样品，并且填料粒子可以迅速去除，并重复 使用。 透气口 加压密封盖 图1 3 上压渗流铸造法原理图 图1 4 负乐渗流铸造法原理图 渗流铸造的效果通常用有效渗铸长度、孔隙率和连通度来衡量。渗流铸造法 生产泡沫铝合金的关键是控制合金的浇铸温度、金属型模具及粒子的预热温度和 加压速度1 2 1 。此法适于铸造泡沫铝、镁、锌、铅、锡及铸铁等，并可铸造形状复 杂的铸件，国外已可铸造泡沫铁，而国内仅限于低熔点金属，有些院校在泡沫铝 板材大规格制造上已有尝试 1 3 】。该方法优点是：1 ) 工艺简便，成本较低。2 ) 孔隙结 构可控可调，便于机加工。3 ) 孔洞连通性好，孔径分布均匀。4 ) 设备投资少。所制 备泡沫金属具有过滤、分离、渗透、排气等多种用途，是目前广泛采用的方法之 。此法的困难在于金属液表面张力阻碍金属液进入填料的空隙中，必须施以一 定充型压力才能使金属液顺利渗入。 ( 3 ) 添加球料法添加球料法是在液态铝或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而得到铝合金一颗粒复合体的一种 方法。该法主要适于难熔金属，如钨可制成直径6 0 8 0 m m 壁厚2 肛m 的微型球。其 缺点是制各工艺复杂，冷却过程中的偏析和分层现象的控制困难i l ”。 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 粉末冶金法 嚣鬈毒： 圃7 网一 ，l 图1 5 粉末冶金法制备泡沫铝示意图 图16 典型的三明治结构样品 这种方法是使用含适量发泡剂的铝合金或混合铝粉，将混合粉体压实到一定 密度，就得到了“发泡先驱体材料”。粉末混合物可经热压、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。在固相线温度以上加 热先驱体使发泡剂分解形成气泡，经过冷却可获得低密度的闭孔泡沫材料【4 】1 1 6 】。该 方法的优点1 ) 采用粉末冶金法可制成三明治式的复合夹心板，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 1 0 m m 左右，且孔径均匀，可用 于轿车的顶盖，行李箱及保险杠等，这是其它方法所不能达到的( 图1 6 ) 。2 ) 采用 粉末冶金的方法可以制成形状复杂的泡沫铝异型零件( 图1 7 ) 。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。3 ) 如果特殊需要，还可以加入陶瓷粉末，金属纤维或陶瓷纤维，提高泡沫铝材料的 强度i ”j 。缺点是粉末成本高，并且难以制备很大体积的构件。目前该技术仍处于 辽宁科技大学硕士学位论文第一章绪论 工业化实施阶段，然而，国外许多公司已经为未来的生产制定了计划，并正在建 造生产设备 1 8 。 1 3 4 喷溅沉积法 图1 7 典型的泡沫铝异型件 喷溅沉积法采用了喷溅技术把夹有惰性气体的粉末均匀地喷射到铝合金金属 上，并加热到金属的熔点，使夹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的一种方法 1 9 。这种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 范围内变化 2 0 1 。 1 3 5 镀覆金属法 镀覆金属法也叫电沉积法，这种方法就 是把泡沫塑料经粗化处理、敏化和活化处 理、化学预镀及电镀等多个步骤，将铝覆 盖在泡沫塑料上，然后加热使泡沫塑料分 解得到泡沫铝的一种方法。其中，敏化与活 化处理两道工序起着非常重要的作用，敏化 处理是使粗化后的零件表面吸附一层有还 原性的离子，以便在离子活化处理时，使零 件表面形成一层有催化作用的贵金属层， 从而使化学镀能自发的进行，使泡沫塑料成 为导体，进而促进电镀铝的成功进行【l “。然 而，电沉积法生产泡沫铝的困难很大，因为 图1 8 镀覆金属法的工艺流程 铝的电极电位比氢还负，采用铝盐水溶液电镀时，阴极只能析出氢气，而不会有 铝的沉积【2 l 】。目前主要用于制备镍镉、镍氢电池的电极材料。 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 6 粉末及纤维烧结法 采用粉末烧结法制取多孔金属在功能应用领域已经得到广泛应用1 4 j 。主要的 工艺过程为粉末的筛选、模压、烧结。常见的可大批量生产的材料有青铜、不锈 钢、钛及镍基合金。所生产构件的相对密度取决于颗粒形态和填充密度，晟低可 达0 4 ，但通常相对密度较高，约为o 6 o 8 ，孔尺寸为o 5 2 0 0 9 m 。 纤维烧结法所用的金属铝丝是通过束拉技术或用熔体抽取技术【2 3 2 4 1 得到细 纤维，通过粉浆浇注或机械制毡圈的方法将金属铝丝制成毡圈，然后进行烧结使 之达到所需要的强度和孑l 隙率。这种方法制各的多孔泡沫铝具有相当杰出的优点， 可获得比粉末烧结更高的孔隙率，可达9 5 ，气孔全部为相互贯通的连通孔。在 最大的孔隙度下仍然保持了材料的结构性能，在相同的孔隙度下，强度、韧性比 粉末冶金法高出了几倍。此方法还可以用于制造多种金属过滤器，如不锈钢、铜、 镍、镍铬合金等材质的过滤器【2 “。 1 3 7 烧结溶解法 烧结溶解法是近几年来发展起来的一种制造泡沫铝的新方法。此法是将铝粉 与填料颗粒通过混合、加压、烧结、溶解等工序来制取通孔泡沫铝的一种方法。 此法的优点是【2 6 】：通过选择填料的形状和粒径，可以在一定范围内方便的控制孔 洞的形貌和尺寸；通过调节铝粉和填料的比例可以精确控制孔隙率及分布等；设 备简单，易于实现大规模生产，具有较好的质量价格综合指数，是生产均匀或梯 度微细开孔的中密度泡沫铝的有效方法，所制泡沫铝在吸能、吸音等领域有着广 泛的应用前景 2 7 。此法的缺点是：只能制备孔隙率是5 0 左右的低密度泡沫铝； 当孔隙率较低或溶解不充分时，成品内常常会残存少量氯化钠等填料粒子，容易 造成铝基体的局部腐蚀，影响产品的性能及外观；由于烧结和溶盐耗时较多，工 艺周期长；需要考虑氯化钠的再生利用，以减少对环境的不利影响。 n a c l 粉末 泡沫铝 尉翱圃 溶解烧结 图1 9 烧结溶解法示意图 7 曩 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 8 熔体发泡法 熔体发泡法是当前生产泡沫铝较普遍采用的方法，其基本原理是将金属氢化 物、火山灰、碳酸钙 2 8 】等为发泡剂加入熔融的铝或铝合金中，发泡剂受热在高温 下分解，释放出气体，滞留于熔体中，凝固后成为泡沫铝 2 引。对于发泡剂的选择 前人做了很多研究，该技术的关键是对孔径、孔隙率的控制问题。发泡剂的种类、 在熔融体中的均匀性，金属熔体的黏度、温度以及凝固条件等都对制品的孔结构 有很大的影响。由于用此方法生产泡沫铝工序简单、方便掌握、成本不高，易于 大规模生产，并且回炉废料也可以作为泡沫的原料，因此这种方法工业化推广比 较成功，也就更加推动了科研工作者对这种技术研究的热情。近几年的许多专家 和学者对熔体发泡法工艺的增粘、搅拌、发泡和冷却四个工艺过程中影响孔径和 孔隙率的因素进行了多方面的研究，提出了很多改进方法【5j ：( 1 ) 提高金属液的粘 度可阻止已经均匀分散在铝熔体中的发泡荆上浮，能够使生成的气泡滞留在铝液 中而不逸出。( 2 ) 采用高速混合，使发泡剂粒子在极短时间内均匀分布在液体金属 中。( 3 ) 对发泡剂进行改性，延长它的发泡时问。如1 i h 2 焙烧法【3 0 】、氧化物包覆法p “、 金属包覆法【32 】等化学方法以及研磨混合的物理改进方珐。( 4 ) 针对不同的合金成分 与发泡剂采用与之相适应的搅拌温度和发泡温度。 1 4 泡沫铝的性能及应用 由于制备工艺的不同，所制备的泡沫铝具有j j ：同旧结构，主要体现于分布在 三维骨架问的孔隙特征，目p - f l 的形态和分布，包括孔的类型( 通孔或闭孑l ) 、孔 的形状、孔的分布、孔的结构( 孔径、孔隙率、比重等) 。这些结构的不同导致 性能的差异，故具有不同的用途。 1 4 1 密度小 由于泡沫铝是在铝基体中存在大大小小的气孔，i 丑此它具有较小的密度。其 密度范围在0 2 1 2 9 c m 3 ，与铝比较，泡沫铝的密度平均值只有铝的1 2 1 1 0 【3 3 】。 目前所能获得的孔隙率范围为4 0 9 8 ，其孔隙尺叫从几个微米到几十个毫米， 一般规律是孔的尺寸越大，泡沫铝的密度越小。| 丁用。二包装箱，尤其是空运集装 箱。 1 , 4 2 通透性好 泡沫铝可作为过滤材料，从液体或气体中将体! _ 1 粒过滤出去。通透性随孔 径的增大而增大，但也受表面粗糙度和开孔数目的影。j 。通常，那些具有开孔结 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 构的泡沫金属有高的通透性1 。具有连通气孔的泡沫铝材料可以过滤液体和高温 气体除尘，因而可用于制作多种液体、气体的过滤器。 1 4 3 比表面积大 利用泡沫铝的大的比表面积，达到高的换热性，因此，它是制造加热器和热 交换器的良好材料，另外，也可用其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、能量吸收器等2 5 1 。 1 4 4 优异的吸声隔音性能 当声波射向闭孔泡沫铝时，由于孔洞之间的相互独立，使得声波难以通过， 其隔音性能较好。而当声波射向开孔泡沫铝时，由于孔洞之间相互连通，声波进 人泡沫金属的孔隙中，一方面由于漫反射而干涉消音；另一方面使得金属骨架产 生振动，转变为热能而消耗，其吸声性能较好。当泡沫铝被压缩变为微通孔时， 则具备兼容吸声、隔音的综合性能，因而泡沫铝是一种优异的吸声隔音材料，可 以用来消声、除去噪音。一般情况下，通孔泡沫铝的吸声性能更好。孔的尺寸影 响其对整个声波频率范围的吸收性能，孔径越小，吸收效率越高。通过改变泡沫 铝孔的尺寸和形状可以获得高的吸声隔音性能口5 。” 。在国外，泡沫铝已被制成单 层或复合层的吸声板、吸声体，在高速列车的发电机室、录音室及高速公路的吸 音壁上获得应用8 j ( n 1 1 0 ) 。 1 4 5 力学性能 图1 1 0 泡沫铝板在高速公路与发电机室的应用 泡沫铝的力学性能是由其密度、孔的尺寸、结构与分布等因素决定的。泡沫 铝在压缩应力作用下，材料经初始弹性变形后，进入应力一应变曲线平台，即泡 沫铝丌始破裂，在泡沫破碎阶段应力基本保持不变的状态。经过大量的塑性变形 后泡沫全部破碎，材料进入密集化阶段，应力迅速增加。应力一应变曲线下的面 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 积反映了在基本恒定的应力下通过应变吸收的能量。屈服应力越大，平稳阶段越 长，泡沫铝的吸能能力也就越大。泡沫铝的杨氏模量与剪切模量都随密度的增加 而增加【1 4 2 5 , 3 9 - 4 2 o 正是由于泡沫铝能够在相对较低的应力水平下产生较大的塑性 变形，吸收大量的外界能量，因此它具有很好的吸收冲击性能和减震性能，是一 种优异的吸能材料，可用于制造汽车刹车器、加紧装置、航空航天设备中的保护 封套和缓冲器，升降机和传送器的安全挚，高速磨床防护装置的减震吸能内衬以 及高精密机床的底座等抗冲击设备，也可用做精密仪器的理想包装材料。 1 4 6 电磁屏蔽性能 基于电磁波折射、反射及涡流屏蔽原理，使泡沫铝适合作为电磁屏蔽及电磁 兼容材料。交变磁场在互相连接的金属骨架中产生足够大的涡流电流，所产生的 交变磁场正好相反而起屏蔽作用，传统的金属铜网屏蔽效果因接触电阻较高降低 涡流电流强度使电磁屏蔽效果下降【】。电磁屏蔽性能与孔隙率和孔径的大小有关， 对粉末冶金法制各的闭孔泡沫铝，电磁屏蔽性能会随着孔隙率和孔径的增加而降 低【4 。5 m m 厚，孔隙率为9 0 的闭孔泡沫铝，在6 0 1 0 0 0 m h z 电磁屏蔽性能为3 5 7 5 d b 【4 4 】，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。 1 4 7 优良的热物理性能 ( 1 ) 耐热性 泡沫铝具有较高的耐热性，即使达到合金的熔点也不会熔解，一般铝合金的 熔点在7 0 0 c 左右，而泡沫铝即使加热到1 4 0 0 。c 也不易熔解 4 5 。泡沫铝在无外 力作用下，即使暴露在7 8 0 的高温下也不会变形，这说明泡沫铝可以比一般的吸 声材料承受更高的温度。泡沫铝具有良好的耐火性，主要是由于在发泡过程中生 成氧化铝网架( 熔点超过2 0 0 0 。c ) 的缘故。而且泡沫铝是一种不燃材料，不会像塑料 等材料那样在高温下释放有害气体。 ( 2 ) 导热性 铝是热的良导体，其导热系数为2 0 0 w m - k ，但是由于泡沫铝含有大量气泡， 气体的导热系数很低，因此造成泡沫铝导热系数大幅度降低。导热系数随空隙率 的提高而下降，并与传热条件有关。当温度升高时，导热系数会略有增加，隔热 性能会有所降低，但不会显著变化。通孔泡沫铝的表观导热系数介于一般盒属( 或 合金) 及隔热材料之间。闭孔泡沫铝材料由于其内有静止的气体使比开孔泡沫铝具 有更优良的隔热性能，其导热率仅为纯铝的1 5 一l 1 5 0 4 “，可作为绝热材料使用。 因此泡沫铝在许多场合可以取代发泡树脂和石棉类制品作为隔热与耐热材料及各 种热交换器的芯件。 0 辽宁科技大学硕士学位论文第一章绪论 f 3 ) 散热性 通孔泡沫铝具有大的表面积，并使散布其中的流体产生复杂的三维流动，所 以具有良好的散热能力。自然对流条件下，在一定的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 4 8 其它性能 ；泡沫铝还具有气敏性、耐火阻燃性、催化性等，另外对于特殊的材料，以其 为基体泡沫材料也会有特殊的性能特点。泡沫铝的导电性能受相对密度的影响比 较大，而孔径的大小对导电性的影响不大，预计在航空航天、电讯及环境保护等 新型领域中有很好的应用前景。对其它性能的开发和利用还在不断的研究进展当 中【4 7 】。泡沫铝的主要用途列于表1 1 中。 表1 1 泡沫铝的用途 4 8 应用领域用途 室外装饰幕墙、室内装饰墙面、天花板、移动隔断、滑动门、 建筑 地板、活动房、装饰件 冲击吸收材料、缓冲件、减震材料、防冲挡板、挡泥板、侧门、 机动车前板、顶盖板、汽车底盘填充、轻量结构材料、内部用具与装饰 件、隔断、发动机隔板与防护材 机械夹持装置、升降机和传递器的安全垫、高速磨床防护装置 机械 的减震吸能内衬 交通运输铁路轻体车辆结构、车厢地板、防火墙、各种集装箱、船舶结构 宇宙飞船的起落架、空降设备的保护、车门、侧壁、船舶隔断、 航天 舱壁、飞机零部件、电梯、升降机、托盘、工作台 电磁屏蔽室( 罩) 、电子仪器外壳和电磁屏蔽等场合的结构和功 电子与通讯 能材料、高速列车发电机室、无线电录音室 民用生活浴室、卫生问设施、厨房设施 环境保护制造高性能吸音板和隔音墙、高速公路、铁路降噪 告示板、道路标志牌、护栏、包装材料、黑板、物面天线、注 塑模f 塑料制品) 、抛光用的电磁旋转抛光轮、海洋开发器材、如管 其他 道、浮标等，网球场地板、化油器浮漂、音响器材、热交换器、 过滤器、耐火阻燃与隔热制品、以及其它特殊功能的结构等 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 泡沫铝研究的发展趋势 4 1 5 1 工艺 研究人员对泡沫铝研究的兴趣和生产者的积极性充分说明了它的魅力：独特 的性能及外观。但是，目前泡沫铝还没有专门的质量标准，本质上是按工艺过程 来区分材料的。材料的性能取决于制备技术，所以制备技术仍然是研究和开发的 主题。规模化产品的丌发、结构的再现性控制及工艺过程的控制，仍然有很大潜 力可挖。 1 5 。2 性能 泡沫铝的性能由其制备工艺方法所决定，不同的制备方法产生不同的孔结构， 因此，对孔结构的质量评定标准的建立是性能研究的方向，包括结构缺陷的评估， 结构的寿命预测，定量的无损检测方法等。 1 5 3 设计和应用 要利用泡沫铝的性能技术优势，还需要具备合适的材料工程方法和设计理念。 一定承载条件下对材料结构敏感的宏观和微观模拟方法研究是非常有前途的。理 论研究有助于重要参数的确定，但理论结果的实际应用还需要实验的验证，因此 泡沫铝测试技术的发展也是今后的研究方向。另外，市场应用主要由成本与利润 的关系所决定，降低成本，研究轻质泡沫铝的应用范围，将促进具有市场潜力的 泡沫铝金属材料的发展。 1 , 6 本论文的研究内容 熔体发泡法是最经济的泡沫铝制作工艺，因此是目前生产泡沫铝较普遍的方 法。本人在总结前人研究的基础上并结合现有实验条件，将主要研究工作在以下 几个方面展开： ( 1 、熔体发泡法制各工艺的难点在于孔结构的控制，因此改进设备，规范制各 工艺的操作步骤，确定适合本实验条件的工艺参数，获得孔结构均匀，无排液层， 孔隙率达到预期范围的泡沫铝试样。 ( 2 ) 通过对发泡剂t i h 2 进行粉体表面改性处理，使其开始释放气体的温度提 高；观察包覆体的微观结构及热分解特性，研究释氢变化机理。 ( 3 ) 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，并通过实测数据验证电导率相关理论公式的实用性。 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 测试所制备试样的力学性能，得到泡沫铝试样的压缩特性和吸能特性，并 研究试样孔结构对其静态压缩性能的影响。 辽宁科技大学硕士学位沧又 第二章熔体发泡法制备泡竦铝过程控制 第二章熔体发泡法制备泡沫铝过程控制 熔体发泡法制备泡沫铝相对其他制各方法而言具有工序简单，成本低，易于大 规模生产的特点，在工业化推j 1 。方面比较成功。然而，在制备孔结构可控的泡沫铝 试样上仍然有一定的难度。本章通过对原有设备进行改造并对影响孔结构的诸多因 素进行分析，找出适合于本实验条件的最佳条件，以制备孔结构基本可控的泡沫铝 样品。 2 1 原材料、主要设备及制备过程 2 1 1 原材料 ( 1 ) 基体材料 本实验以工业纯铝为基体材料，成分如表2 1 所示。 表2 1 工业纯铝的化学成分表 ( 2 ) 其它材料 a 增粘剂：在泡沫铝制各过程中，铝熔体的粘度是重要的工艺参数，它影响着 发泡剂及气泡分布的均匀性，并且控制着气泡的稳定性。尽管温度的变化可以使熔 体粘度产生相应的变化，但是，对于发泡过程而言，温度在略高于铝熔点的很小范 围内变化，这对实验所要求的粘度来说是不够的。因此，增粘剂的加入是十分必要 的，在经过以粉煤灰、氧化钙、镁粉，钙粉等作为预选增粘剂的前期实验后，本实 验最终选择钙粉作为增粘剂。钙粉成分如下表所示( 上海宏峰钙业有限公司生产) 。 表2 ，2 金属钙粉化学成分表 b 发泡剂：发泡剂的品质是熔体发泡法制各工艺的关键性因素。制备理想泡 沫铝的发泡剂应该具备如下条件【l 】： 辽宁科技大学硕= 坐位论又第二章熔体发泡法制备泡沫铝过程控制 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 1 单位体积的发泡剂应分解产生稳定且大量的气体： 3 ) 发泡剂小会引入太多杂质。 目前使用较多的发泡剂主要有三类【3 ：一类是在熔体中受热分解释放氢气的氢 化钛、氢化锆等金属氢化物，一类是受热释放出二氧化碳的碳酸钙、碳酸镁等碳酸 盐，再有就是含结晶水矿物，利用受热分解的水蒸气与金属反应生成氢气使金属熔 体发泡。由于氢化钛相比于其它发泡剂具有较多的优点而被广泛应用，因此，本实 验选取1 5 0 日t i i 2 粉末( 锦州市会属材料研究所生产) 为发泡剂，成分如表2 3 所示。 表2 3t i h 2 化学成分表 2 1 2 实验设备与装置 ( 1 1 加热熔化设备 以坩埚电阻炉为加热熔化设备，所使用的坩埚电阻炉型号为s g 2 7 5 1 2 ( 见附录 图1 ) ，炉膛尺寸为9 2 5 0 x 3 0 0 m m ，加热元件为o c r 2 1 a 1 6 n b 的铁铬铌合金丝，将其 绕成螺旋形后盘绕于丝槽内，均匀布置于炉膛内部，功率为7 5 k w ，空炉升温时 间 1 2 0 分钟。炉体经过改进，将原炉盖中部的热电偶移至炉子底部，置于坩埚与 炉丝之间以保证存搅拌过程中既可以保持热量不从炉顶散失，又能够及时调节控制 炉温。 坩埚采用删高温且壁厚为3 m m 的不锈钢制作，底部直径d = 1 0 0 m m ，以3 0 0 克