（材料加工工程专业论文）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.pdf

摘要 粉末冶金发泡法由于能够实现泡沫铝异型件的近净成型和制备泡沫铝芯三明治而受到广泛的关注，但 其也存在着泡沫孔结构不均匀、工艺稳定性差等问题。为进一步了解制备机理、改进制备工艺，提高泡沫 铝孔结构的均匀性，本文重点研究了固相颗粒对泡沫铝孔结构均匀性及其力学性能的影响。 研究表明：固相颗粒的含量、尺寸及其与铝基体之问的润湿性是决定泡沫铝孔结构的关键。对润湿性 较好的氧化铝膜来说，铝粉表亟氧含量越高，孔结构均匀性越好。这是因为预制件中的氧化膜三维网络在 气泡膨胀力作用下破裂、团聚形成氧化铝微团，并在熔体运动作用下偏聚形成s z 区，减缓了胞壁熔体减 薄速率，提高了泡沫铝孔结构的均匀程度而对润湿性不好的s i c 来说，随着s i c 颗粒含量增加，孔结构 均匀程度逐渐上升至一个最佳值；之后，s i c 含量的继续增加反而使孔结构出现恶化。这是因为s i c 含量 较低时，颗粒全部被氧化膜包覆，增大了氧化膜的作用范围，抑制了熔体排液；s i c 含量继续增加有助于 进一步提高熔体粘度，改善孔结构；而当s i c 体积含量很高时，大量未被包覆的s i c 颗粒倾向于吸附在胞 壁边界，由于s i c 颗粒与铝熔体间的润湿性较差( 结合力较弱) ，易造成裂纹而使胞壁破裂，导致孔结构 的恶化 s i c 颗粒含量对泡沫铝力学性能有着显著的影响：随着s i c 体积含量增加、粒度下降，泡沫铝压缩时 的屈服强度、表观弹性模量、吸能能力和弯曲刚度、极限载荷均有显著提高，但韧性却急剧下降。这是因 为s i c 颗粒与铝基体间润湿不良，结合强度较低。压缩时泡沫铝骨架以受压为主，s i c 与铝基体间的结合 强度对性能影响不大：但在弯曲时的拉伸载荷作用下，s i c 易与基体界面脱粘形成裂纹源，导致材料在较 小挠度下屈服和断裂。 关键词：粉末冶金，泡沫铝，孔结构，氧含量，润湿性，s i c ，粘度 本文中文字数5 1 8 4 0 ，图8 8 幅，表5 张，公式3 4 条，试验次数6 0 0 次 a b s t r a c t p o w d 盯m e t a l l u r g i c a lf o a m i n gm e t h o db e c o m e sa r r e s t i n g , b e c a u s ei ti ss p e c i a l i z e di nm a n u f a c t u r i n g 3 - d i m e u s i o n a ln e t - n e a rs h a p ea l u m i n u mf o a mp a r t sa n ds a n d w i c hs t r u c t u r e s t h ee x i s t i n gp r o b l e m sa r et h a tt h e p o r e5 1 r u c t l n e so b t a i n e db yt h i sm e t h o dh a v ep o o rh o m o g e n e i t y , a n dt h ef o a m i n gt e c h n o l o g yi su n s t a b l e t o i m p r o v et h ef o a m i n gt e c h n o l o g ya n dt h ep b r es t r u c t u r e so fa l u m i n u mf o a m ，t h ei n f l u e n c eo fs o l i dp a r t i c l e so n 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 de m p h a t i c a l l yi nt h ep r e s e n tp a p e r i t sf o u n dt h a tt h ep o r eh o m o g e n e i t yw a si m p r o v e dw i t l li n c r e a s i n gt h es u r f a g eo x y g e nc o n t e n to f a l u m i n u m p a r t i c l e s ，t h em e c h a n i s mi ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ：t h ea 1 2 0 3n e t w o r ki np r e c u r s o rw a sb r o k e ni n t os p h e r i c a l p a r t i c l e sb yt h ee x p a n s i v ef o r c eo f g a sd u r i n gf o a m i n g , a n dt h e s eo x i d ep a r t i c l e sw e r ea g g r e g a t e da n dr e l o c a t e di n t h ei n t e r m e d i a t ez o n eb e t 、v 唧c e l lf a c ea n dp l a t e a ur e g i o nt of o r mas t a t i cz o n e t h u sd e p r e s s i n gt h et h i n n i n gr a t e o f e e l lw a l l i t ss h o w nt h a tt h 9p o r eh o m o g e n e i t yw a si m p r o v e dw i t ht h ea d d i t i o no f s i cp a r t i c l e s ，b u te x c e s s i v ea d d i t i o n o ft h e mr e s u l t e di nw o r s ep o r e 曲r u c t u r e s w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no fs i cp a r t i c l e si sl o w e r , t h ep a r t i c l e sw c r e c o a t e db ya 1 2 0 3f i l m ，t h u sd e p r e s s i n gt h et h i n n i n gr a t eo f c e l lw a l le f f e c t i v e l y ；t h ef u r t h e ra d d i t i o no f s i cp a r t i c l e s i n c r e a s e dt h ev i s c o s i t yo ft h em e i t , r e s u l t i n gi nb e t t e rp o r es t r u c t u r e s ；w h e nt h ea d d i t i o no fs i cp a r t i c l e si s e x c e s s i v e ，t h es i cp a r t i c l e su n c o a t e db ya 1 2 0 3f i l mw i l ls e g r e g a t ei nt h es b r f a c 2o ft h ec e l lw a l l ，r e s u l t i n gi n c r a c k so f t h ec e l lw a l lb e c a u s eo f t h ep o o rb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e ns i cp a r t i c l e sa n dt h ea l u m i n u mm e l t w j t i lt h ei n c r e a s eo ft h ev o l u m ef r a c t i o no fs i cp a r t i c l e s t h e c o m p r e s s i v ey i e l d i n gs t r e n g t h , y o u n g s m o d u l u s ，e n e r g y - a b s o r b i n ga b i f i l yu n d e rc o l f l p r e s s i o nw c f eg r e a t l yi m p r o v e da n dt h ef l e x u r a lr i g i d i t ya n dc o l l a p s e l o a du n d e rb e n d i n gw e r ei m p r o v e dt o o i ti sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o no fs i cp a r t i c l e sd e c r e a s e dt h eb e n d i n g d u c t i l i t yo ft h ea l u m i n u mf o a m w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h ew e a kb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e nt h ep a r t i c l e sa n d a l u m i n u mm a t r i x k e y w o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y , a l u m i n i u mf o a m ，p o r es t r u c t u r e ，o x y g e nc o n t e n t , w e t t a b i l i t y , s i c ，v i s c o s i t y w o r d n u m b e r s ：5 1 8 4 0 ，g r a p h s n u m b e r s ：8 8 ，t a b l e s n u m b e r s ：5 ，f o r m u l a n u m b e r s ：3 4 ，e x p e r i m e n t t i m e s ：6 0 0 n 东南大学学位论文独创性声明 本人声q 晰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。 一：狃毯日期 翌五：丝2 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) 论文舱部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：苞宝壮号师签名：乏三二耍丑么彳一日期 o ， 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 众所周知，多孔结构常用于隔热、绝缘、包装和过滤等方面，但很少有人相信多孔材料也是非常有用 的结构材料。大量的科学研究都试图将承载构件中的孔洞数减到最小，工程师们也在努力消除铸件、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。然而，自然界中由多孔结构材料所 构成的大量自然多孔物质却存在了数千年，这个事实告诉我们多孔结构是在保证较轻重量的前提下最有效 地发挥材料力学性能和多功能性能的结构。由于金属具有较高的强度、较好的韧性、较高的熔点及可回收 等特点，使得它成为构件材料的最佳选择。在此基础上，人们开发研究出了一系列金属多孔材料，泡沫铝 就是其中的典型代表。 作为多孔金属材料的一个重要分支，泡沫铝至今已有5 0 多年的发展历史。早在1 9 4 3 年，s o s n i k 就 提出利用汞在铝合金中汽化制取泡沫铝的设想；e l i o t t y 发展了这种设想( 用可热分解气体的发泡剂代替汞) 并于1 9 5 3 年成功制备出泡沫铝，同时第一次提出了金属泡沫的概念。然而，尽管泡沫金属制备工艺的第 一项专利已经出现了很多年，但由于实验手段等各方面的原因这种材料一直未能实现大规模的商业化生 产，这种情况一直持续到上个世纪8 0 年代。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 标志着泡沫金属研究新时代的开始。在此之后，美国和欧洲各国均投入巨资进行泡沫金属的研究，如美国 的多学科研究机构( m u r i ) 的超轻结构研究项目、德意志研究联合会( d f g ) 的。胞状金属”优先研究计划 等，其中还出现了象c y m a t 、s h i n k o - w i r e 等泡沫铝产业化的佼佼者。时至今日，美国、日本、英国、德 国、加拿大和独联体【嘲等相继出现了几十个生产泡沫铝的技术专利，其中涉及诸多不同的泡沫铝制备方法。 泡沫铝是一种在铝基体内分布着大量气泡的新型材料，根据孔的连通状态可分为通孔泡沫铝和闭孔泡 沫铝两大类。其中，前者称多孔铝( p o r o u s a i ) ，后者称为胞状铝( c e l l u l a r a i ) ，上述结构统称为超轻型 金属结构( u l t r a - - l i g h tm e t a ls t r u c t u r e s ) 1 1 捌。 这种把金属相与空气相有机地结合在一起的特殊结构和实体结构材料相比具有一系列特殊的性能：良 好的可压缩性、稳定的压缩平台应力及在变形过程中泊松比的改变等。良好的综合力学性能( 主要是强度 和刚度) 以及重量轻是其最基本的优点。此外，多孔金属可以吸收与冲击方向无关的较高冲击能量，还可 有效地应用于声音吸收、电磁屏蔽和振动阻尼等方面。尽管多孔金属的多数力学性能也可以通过其他材料 获得( 有时甚至更好) ，但多孔金属能将多种性能( 甚至是明显矛盾的性能) 结合在一起，这是传统材料 所不能达到的【1 - 1 。 随着汽车、航空、电子等工业的不断发展，泡沫铝多功能兼容的特点表现得越来越突出，新的用途也 不断被提出和证实。然而一切应用研究都是建立在样品制备的基础上，由于各种泡沫铝制备方法均存在不 同程度的缺陷有待加以改善，因而制备环节仍然是诸多研究的热点。 目前，泡沫铝的制备方法有多种，其中粉末冶金发泡法 8 - 1 1 能够制备出形状复杂的泡沫铝异型件以及 泡沫铝芯复合结构( 三明治结构，管芯填充结构) 而受到越来越多关注。1 9 9 9 年起德国d f g 设立。胞状 金属”的优先研究计划，联合2 0 多个著名高校和国立研究所从事以粉末冶金法为主的泡沫金属制备和性能 研究，应用目标为汽车工业。奥地利和斯洛伐克等欧洲高校和公司也有相应的研究。 东南大学超轻型多功能金属材料实验室于2 0 0 1 年起开展了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，取得了相当进展。在制备工艺方面，摸索出了适合本实验室条件的最佳工艺参数， 并获得了一定尺寸的样品。同时，在泡沫铝的泡沫化机制、铝粉表面氧化膜增粘机制以及陶瓷颗粒增粘、 强化机制等方面也开展了相关研究，取得了一些成果。 1 2 高孔隙率闭孔泡沫铝的制备方法 在五十多年的发展过程中，出现了多种闭孔泡沫铝的制备方法。目前主要应用的闭孔泡沫铝生产方法 有三种：熔体路线有熔体吹气法、熔体发泡法、粉末冶金法，其他的方法因缺点较多而未能得到广泛应用。 由于能制备复杂形状泡沫铝和泡沫铝三明治等复合结构，粉末冶金法已逐渐成为当今各国竞相发展的主流 东南大学硕士学位论文 方法现将这几种方法简介如下： 1 。2 1 熔体吹气法 切 口= = 图1 1 a 熔体吹气法闭装置图 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 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 a 所示。 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、氧化镁等颗粒来增加粘度、 稳定气泡，获得颗粒均匀分布的熔态铝基复合材料。然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铝泡沫的连续化生产。 图1 1 b 熔体吹气法所制备出的样品 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陆q 。 缺点：孔结构难以控制，只能得到板状件，生成的样品见图1 1 b 。 1 2 2 熔体发泡法 该方法是1 9 8 6 年由日本人发明，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 , 9 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 q ，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 a 。 2 第一章绪论 图1 2 a 熔体发泡法闭生产流程图 制备工艺：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 1 2 0 3 、c a a l 2 0 3 ) 使铝熔体达到适当的粘度；接着加入发 泡剂r i l l 2 ( 约1 6 w t ) 并高速搅拌均匀，使1 1 h 2 受热分解释出氢气，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。 图1 2 b 熔体发泡法制备出的泡沫孔结构( 右上图为多边形孔，右下图为球形孔) 优点：孔结构均匀、成本较低，能制备大尺寸泡沫铝，并且可以通过控制1 1 h 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，无法制备异型件。在制备三明治等复合结构时板芯间需要用有机胶粘 结，强度无法保证，不耐高温，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 粉末冶金发泡法p 堤由德国不来梅f r a u n h o f e r 研究所发明，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。 制备工艺：首先将金属粉末与发泡剂均匀混合，以保证获得孔结构均匀的高质量泡沫铝；然后通过压 制、挤压、轧制等工艺得到致密的可发泡预制件。最后再将预制件置于模具中加热发泡，使发泡剂分解， 释放出的气体迫使熔融金属膨胀充满模具，从而得到近净成型的三维异型泡沫件，生产过程如图1 3 。 3 东南大学硕士学位论文 图1 3 粉末冶金发泡法生产流程图 优点：生产工艺相对简单，成分可通过调整混粉工艺来控制：能够实现异型件近挣成型，直接做成复 杂形状的零件，无需加工和粘结( 图1 4 ) ：可生产具有冶金结合界面的泡沫铝与实体金属组成的复合结构 ( 图1 5 ) 。 缺点：缺乏液态增粘过程，粘度不易调节，从而导致孔结构均匀性较难控制：金属粉末比块状金属昂 贵且需要致密化，生产成本较高，且可制备的泡沫铝构件尺寸较小。 图1 4 粉末冶金法制备的泡沫铝异型件【习 图1 5 粉末冶金法制备的具有冶金结合界面的泡沫铝复合结构【2 - 3 习 4 第一章绪论 1 2 4 二次发泡法i f o r m g 刚p ) 图1 6 二次发泡法f o r m g r i p 法圈生产流程图 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。 制备工艺：首先将发泡剂1 1 h 2 在5 0 0 c 下氧化处理，使得1 1 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1 1 h 2 表面有氧化膜的存在，只有部分n h 2 分船。待搅拌均匀后将铝液迅速冷却至常温得到可发泡 预制件( 孔隙率1 4 - 2 4 ) = 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 6 。 优点：综合了熔体发泡法和粉末冶金法二者的优点，可利用s i c 颗粒对铝熔体粘度进行控制并可得 到不同形状的泡沫铝异型件。 缺点：由于t i h ：z 的预处理效果不稳定导致1 1 h 2 消耗量较大；与熔体发泡法相比，孔结构均匀性差， 孔隙率不高。 1 3 泡沫铝性能特征 由于泡沫铝是金属相与空气相有机地结合起来的特殊结构，使其性能异于常规的金属材料，主要表现 在力学、能量吸收、阻尼及声、热和电磁屏蔽等方面。 1 3 1 力学性能。 泡沫铝的力学性能的绝对值并不高，孔隙率为8 5 的泡沫纯铝的抗拉强度仅为o 。z1m p a 左右【1 目， 压缩屈服应力仃。一3 m p a 左右【1 q ；泡沫铝合金的抗拉强度和前者差不多，而压缩屈服应力为6 m p a 左右。 泡沫铝的抗拉强度、压缩屈服应力等力学性能均随着孔隙率的增大而降低。其力学性能和相对密度的关系 可用g i b s o n a s h b y s , 3 3 】模型来描述： x - j - 7 ”p 丫 ( 1 ，) 式中，x 、x 分别是基体材料和对应的泡沫铝的相应力学性能，如弹性模量、屈服应力等，( 为经验常数， n 根据x 的不同而取不同的值，但在已确定的应变速率下n 为一常数( 1 8 2 2 之间) 。但由于泡沫铝属 于轻质多孔材料，密度在0 2 7 1 0 9 c m 3 之间，其力学性能绝对值虽然不高但却具有较高比强度，其抗弯 比刚度甚至是钢的1 5 倍1 3 4 1 。 1 3 2 能量吸收性能 泡沫铝由基体骨架和孔隙所构成，这种独特的结构赋予其优异的压缩吸能特性 3 4 1 。当泡沫铝受到冲击 时，会在压缩的应力一应变曲线上出现一很宽的平台区，因此可在较大的范围能保持应力不变，将外加能 量转化为材料变形所做的功，如图1 ，7 所示。这意味着泡沫铝具有很高的能量吸收率。其单位重量能量吸 5 东南大学硕士学位论文 收可达到4 0 m j k g 左右 示如下： i = 去0 础 盯- _ 椰 理想吸能效率能达到0 8p i - _ ，是一种优良的吸能材料闭。理想吸能率公式表 ( 1 2 ) 式中，s 。为最大应变范围，盯，为对应的应力。 1 3 3 热物理性能 泡沫铝具有很低的传热能力。这是因为孔洞中气体的导热 性很差而通过金属骨架的导热量很小，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抟热的缘故。金属铝 的热导率为2 0 5 w l ( m i ( ) 。而孔隙率为8 0 的泡沫铝的热导率 不到4 w ( m k ) 仅与大理石的导热系数相当。与其力学性能 图1 7 泡沫铝的应力应变曲线 类似，泡沫铝的导热性能随着孔隙率的增加而下降【2 0 j 。此外，铝及铝合金的软化温度通常在5 0 0 c 以上， 且由于a 1 2 0 3 或s i c 颗粒的存在，使得泡沫铝具有耐高温及阻燃的特点p q 。 1 3 4 声学性能 当声波射向泡沫铝时，声波进入泡沫铝孔隙中，一方面由于漫反射而干涉消音；另一方面由于声波使 金属骨架发生振动而转变为热能，因而具有较好的吸声性能。日本九洲工业技术试验所测试了铝、泡沫铝、 玻璃棉等的吸声性能参数，结果表明，泡沫铝的吸声系数在较低频率处出现峰值，表明泡沫铝在低频区具 有较好吸声性能，而常用玻璃棉在低频区吸声性能较差，在4 0 0 h z 以上其吸声系数才开始增高。 1 3 5 阻尼性能 泡沫铝具有较高的阻尼性能，其内耗值是致密纯铝的3 7 倍。随着孔隙率的提高，孔径的下降，或 随着应变振幅的增大，其内耗增加。影响内耗的主要因素是孔隙率。当需要轻质，高比强以及高阻尼性能 的材料时，应发展以铝合金为基体的泡沫材丰萼。 1 3 6 电磁屏蔽性能 基于电磁波折射，发射及涡流屏蔽原理，使得泡沫铝合金适合作为电磁屏蔽及电磁兼容材料。交变磁 场在相互连接的金属骨架中产生足够的涡流电流。所产生的交变磁场与外加磁场相反，从而起屏蔽作用。 传统的金属铜网因接触电阻较高，降低了电流强度使电磁屏蔽效果下降。 1 3 7 其他性能 泡沫铝合金还具有低的电导率，其电导率随相对密度的增加而增加。与普通的聚合物泡沫材料相比， 泡沫铝还具有较高的比模量、不老化等优点。 综上所述，泡沫铝具有高的比强度，良好的阻尼、吸能、隔声、隔热及电磁屏蔽等性能。相对具备某 一特殊性能的材料来说，泡沫铝合金的某一物理性能并不一定十分突出，但是在要求上述综合性能的应用 领域，泡沫铝合金就显示其优越性。 1 4 应用前景 - 泡沫铝作为一种新型工程材料，特别是近几年来，随着泡沫铝的生产研制技术日趋成熟，在各种军用、 民用的工程结构中均展现出广泛的应用前景。其应用领域主要有以下几个方面： 1 4 1 兵器工业 由于使用条件的特殊性，使得兵器工业对其产品的易携带性，耐候性和可靠性有着更高的要求。而泡 沫铝在轻量化设计、能量吸收性、可回收利用性、绝缘性( 热，声) 及破坏韧性等方面有着突出的表现。 6 第一章绪论 采用通孔泡沫铝制备的枪械消声器，不仅具有结构简单，质量轻、可靠性高等特点，而且其消声性能也比 常规使用的机械式消声器提高3 0 以上；采用泡沫铝与丁晴橡胶复合体所制备的枪托，不仅质量比传统的 木质枪托要轻，而且还具有木质枪托所不具有的耐高温，耐候及能量吸收等特性；而采用陶瓷面板和泡沫 铝芯制作的复合结构超轻型防弹衣对爆炸时产生的冲击能量和冲击波有很好的吸收作用。该防弹衣是采用 泡沫铝作为芯部能量吸收材料，在泡沫铝正面嵌入小块的陶瓷面板并在反面衬以不锈钢板。试验表明，这 种将陶瓷面板、泡沫铝和不锈钢板结合起来的特殊结构比常规防弹衣、装甲所使用的复合结构的冲击能量 吸收效率要高2 0 以上，并且在保证防护效果的同时大大减轻了重量。随着世界各国对泡沫铝重视程度 的增加，相信在不久的将来，会有更多的地方会出现泡沫铝的身影。 1 4 2 汽车工业 随着社会文明的进步，人们对汽车的要求也在不断提高。安全、经济、舒适、小型是汽车领域的追求 目标然而安全性的提高必然导致整车重量的增加，加大了燃料的消耗。另外，在欧洲、日本都在减小汽 车长度，而减小长度则会影响到乘客的舒适度，这就需要减小发动机和其他结构方面的尺寸，以满足乘客 的要求。但在一个密闭的空间，发动机的热量、噪音都会给人带来不适，而缓冲区域的减小则会给其安全 性带来不利影响。具有轻质、高比强、高能量吸收等特点的泡沫铝可完美解决这些方面存在的问题。图1 8 a 概括了泡沫铝在汽车工业的应用，图中三个圈的交叉部分是冲击能鼍吸收、吸音以及隔热三方面功能综合， 可知轻质泡沫铝是汽车工业领域的理想材料。汽车2 0 的结构可以用泡沫铝板来制作，与钢部件相比，泡 沫铝的成本低，性能好，重鼍轻。据报道；美国f o r d 汽车公司从上世纪7 0 年代起就开始研究将泡沫纯铝 用于汽车的防撞安全装置【3 7 1 ；而以德国为首的欧盟在奔驰、菲亚特等汽车中的应用研究表明，一辆小车用 泡沫铝后重量可减轻6 0 k g ，每加仑汽油可多开2 3 英里。目前德国k a r m a n n 公司采用粉末冶金法制备 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 q ，如图1 8 b 。 图1 。8 泡沫铝在汽车工业的主要应用方面 1 4 3 航空航天工业 泡沫铝作为轻质结构材料，在航空领域的应用与汽车领域类似。在航空方面，采用泡沫铝板材或泡沫 铝三明治板代替昂贵的蜂窝结构不仅具有良好的性能而且可以降低成本。这是因为泡沫铝不仅具有较高的 抗弯曲性能，还具有均匀的机械性能和阻尼性能，并且可用来制作各种结构件而不用粘结连接，这在遇到 火灾时是非常有利的。目前，美国波音公司已经对泡沫材料以及泡沫铝的三明治结构在直升机的应用做了 评估。在航天方面，许多国家也开始研究用泡沫铝三明治取代铝箔制的蜂窝结构来改造人造卫星的负载结 构，并利用泡沫铝的冲击能量吸收性能制作空间飞行器的着陆垫。 7 东南大学硕士学位论文 1 4 4 海洋工业 轻结构是造船工业需要考虑地一个重要因素。为了减小吃水量，现在很多客轮都大量采用了挤压铝、 铝板以及蜂窝铝等结构。泡沫铝板材在这些结构方面的应用同样具有很大的潜力，采用合适有效的方法和 紧固件可使得泡沫铝的三明治板材在轮船制造方面的应用成为可能。另外，由于泡沫铝的金属特性、低密 度以及复杂形状的一次成型性，使其可以应用在浮标上的类似于雷达反射器的部分、窗户保护圈以及甲板 上的通风装置等方面目前，泡沫铝在英国海军方面的应用已通过鉴定的部分包括升降平台、结构防水壁、 雷达平台等【3 5 1 1 4 5 建筑工业 泡沫铝在建筑工业的可能应用范围也非常巨大。现代建筑大多使用混凝士建造，在墙的表面需用一些 薄板装饰。目前用作装饰薄板的一些材料密度较高且在耐火方面存在问题，若采用泡沫铝作为替代材料， 就可以解决这些材料的不足。泡沫铝用于电梯对于减少能耗也是十分有效的。因为在能源消耗上，轻质是 一个重要的考虑因素；而与传统的轻质材料相比，泡沫铝不仅具有能量吸收性能，同时还是具有一定的刚 度的结构材料，解决了传统轻质材料在安全上存在不足的问题。利用轻质、热导性很低的泡沫铝作为防火 门也是很有应用前景的。另外，用泡沫铝制成吸声壁也是很有前景的应用，目前日本已在高架公路利用泡 沫铝制作吸声壁1 3 7 ，在高速列车发电机室、录音室等方面也开始展开尝试。 随着泡沫铝制备技术的发展。其性能和应用领域将有新的突破。但总体上，目前对泡沫金属应用的研 究还处于实验及初步应用阶段。日本、美国、德国等国家在这方面已取得了重要进展。相信随着对其研究 的深入，它在国民经济及高技术领域中的重要地位将逐步显示出来。 1 5 粉末冶金法的研究现状及现存问题 1 5 1 国外研究现状 粉末冶金发泡法制备泡沫铝在欧洲、特别是在德国已经开展了多年的研究，并取得了很大的进展。德 国f r a u n h o f e r 材料研究所采取粉末冶金法已经制备出了结构比较均匀、近成品尺寸的零件和异型件，其优 点是直接做成复杂形状的零件，无需粘结或加工，节约了成本，保证了可靠性，见图1 4 。另外，粉末冶 金法在制备三明治( a f s ) 和复合结构方面也有独特的优点，面板和泡沫芯为冶金结合，与胶粘的方法比 较具有强度高，抗老化的优点，部分产品正进行商业化试生产，见图1 5 。表1 1 是对国外主要粉末冶金 发泡法研究机构的简要介绍 表1 1国外研究状况简介口棚 国家 单位产品名称基体金属 f r a u n h o f e r a i m g s i ( 6 0 6 1 ) 德国 f o a m i n a l l n s t i t u t e a i s i l 2 ，a t s i 7 n e u m a n a i m g l s i o6 ， 斯洛伐克a l uf o a m c o m p a n ya i m g o4 ，a l s i o m e p u r aa i s i 2 a i s i l 2 奥地利 a l ul i g h t c o m p a n ya i c u 4 1 5 2 国内研究现状 目前我国扮末冶金法制备泡沫铝都停留在实验室阶段。北京有色金属研究总院、太原重型机械学院、 东北大学、昆明理工大学2 等单位对粉末冶金法发泡法的工艺过程进行了初步研究，也制各出了一些 样品，但总体来说都很不理想，理论水平也不高。中国科学院固体研究所和合肥工业大学 2 0 , 2 1 , 3 1 等科研 单位则偏重于对粉末冶金制备样品的力学性能和物理性能进行研究，样品主要由德国i f a m 提供。 具有丰富的泡沫铝制备经验的东南大学超轻型结构实验室在陈锋教授的带领下于2 0 0 1 年开始粉末冶 金制备泡沫铝异型件的研究，目前已经取得了一定的进展，摸索出了一套比较成熟的工艺：在混粉工艺上， 通过采用三维多轴转动混粉装置长时间混粉的方式来保证粉末混和的均匀性；在压制工艺上，采用冷压、 8 第一章绪论 热压、挤压、轧制等致密化工艺保证预制件的致密度在9 9 以上；在基体的选择上，选择的是国外公认发 泡效果比较好的a l s i 7 等，并成功的制备出孔结构比较均匀的泡沫铝样件、泡沫铝芯夹层板和管状复合结 构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 德国等欧洲国家韵粉末冶金发泡技术代表了当今世界先进水平，但仍存在许多问题： 1 制备工艺不够稳定，工艺参数对孔结构的影响及其机制有待进一步研究。 2 对金属发泡的最基本机制，如泡沫的成核长大及合并过程仍缺乏足够了解。 3 发泡过程中泡沫的稳定性仍旧没有得到好的解决，排液问题困扰着泡沫铝的制各。 1 6 本文的研究目的和主要内容 1 6 1 研究目的 1 在稳定现有泡沫铝制备工艺的基础上，进一步改进工艺，简化流程，制备出结构均匀性较高的泡 沫铝样品。 2 ，揭示外加固相颗粒对熔体的增粘、泡沫形核和长大过程的影响以及抑制排液的机制，为后续研究 的展开提供理论依据。 1 6 2 研究内容 1 利用s e m 对铝粉颗粒进行成分分析，量化表面氧含量参数，并尝试通过后期处理的方式提高铝粉 表面氧含量。 2 利用发泡实验找出含氧量对泡沫铝孔结构的影响规律，并结合金相分析手段研究铝粉表面氧化膜 在基体中的形貌及分布方式，探讨其对孔结构均匀性的改善机制。 3 利用坍塌实验系统地研究s i c 颗粒含量对熔体粘度的影响，探讨铝熔体在s i c 颗粒和铝粉表面氧 化膜共同作用下的粘度变化机制。 4 研究固相颗粒对泡沫铝孔结构的影响规律并试图找出粒度、含量与孔结构的最佳结合点。 5 研究添加s i c 颗粒对泡沫铝力学性能的影响。 9 东南大学硕士学位论文 参考文献 1 m f a s h b y ，a ge v a n s m e t a lf o a m s ：ad e s i g ng u i d e 【m 】，b o s t o n ：b - hp r e s s ，2 0 0 0 1 - 5 2 b a n h a dj ，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 a o no fc 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 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 o a m i n gt e c h n o l o g yf 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 e n ，2 0 0 1 b r e m e n ： v e d a gm i t ，2 0 0 1 4 j o h nb a n h a d ，m f a 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 u r e s a ，i n ：i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nm 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 ，1 9 9 9 ，v e d a gm i t ，1 9 9 9 5 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 u r e s a 。i n ：i n t e m a t i o n a l c o n f e r e n c eo nm 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 d a gm i t ，2 0 0 3 6 l j g i b s o n ，m f a s h b y c e l l u l a r s o l i d s s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s m ，s e c o n d e d i t i o n ，1 9 9 9 1 1 0 7 w uz h a 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 ff o a m e da id u d n gs o l i d i f i c a t i o n j ，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 8 y a n gd o n g h u i ，h ed e p i n g p o r o s i t y o f p o r o u s a i a l l o y s j ，s c i e n c ei nc h i n a ( s e n e sb ) ，2 0 0 1 ， v o l 4 4 ，n 0 4 ，p 4 1 1 - 4 1 9 9 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 1 0 伊藤雅夫，秋山茂日本金属学会会报 a ，1 9 8 7 ，v 0 1 2 6 ( 4 ) ，3 1 1 1 1 上野英俊，秋山茂( 日) 轻金属 a ，1 9 8 7 ，3 7 ( 1 ) ，4 2 1 2 宋振伦，何德坪铝熔体泡沫形成过程中粘度对孔结构影响 j 材料研究学报，1 9 9 7 ，1 1 ( 3 ) ：2 7 5 1 3 z h e n gm i n g j u n ，h ed e p i n g ，d a ig e a d d i t i o n a lf o r c ef i e l di nt h ec o o l i n gp r o c e s so fc e l l u l a r a l u m i n u ma l l o y j s c i e n c ei nc h i n a ( s e r i e sb ) ，4 5 ( 6 ) ，5 9 8 - - 6 0 7 ( 2 0 0 2 ) 1 4 王斌，何德坪，舒光冀泡沫铝合金压缩机能量吸收性能 j 金属学报，2 0 0 0 ，6 ( 1 0 ) ，1 0 3 7 1 5 王斌a i s i 合金制备及性能研究：【学位论文1 南京：东南大学材料系，1 9 9 9 1 6 宋振伦泡沫铝的胞状组织及其物理性能研究：【学位论文】南京：东南大学材料系，1 9 9 8 1 7 何德坪，余兴泉孔结构对通孔泡沫铝非线性阻尼性能的影响 j 材料研究学报，1 9 9 7 ，1 1 ( 1 ) ， 1 0 1 1 8 吴照金铝熔体泡沫化和凝固过程中孔结构的变化规律及其控制：【学位论文】南京：东南大学材料系， 1 9 9 9 1 9 上海航天局，宇航材料工艺 m ，1 9 9 5 ，6 ：6 5 2 0 风仪，朱震刚，陶宁，郑海务闭孔泡沫铝导热性能 j 金属学报，2 0 0 3 ， 6 ，8 1 7 8 2 0 2 1 风仪，郑海务，朱震刚，陶宁闭孔泡沫铝的电磁屏蔽性能e j 中国有色金属学报，2 0 0 4 ，1 ，3 3 2 2 s t a n z i c kh ，w i c h m a n nm b a n h a r tj p r o c e s sc o n t r o li na l u m i n u mf o a mp r o d u c t i o nu s er e a l - t i m e x - r a yr a d i o s c o p y j a d v a n c e de n g i n e e r i n gm a t e r i a l s 2 0 0 2 ，4 ，n 0 1 0 ，8 1 4 8 2 3 2 3 b a n h a r tj ，s t a n z i c kh m e t a lf o a me v o l u t i o ns t u d i e db ys y n c h r o t r o nr a d i o s c e p y j a p p l i e dp h y s i