多孔金属材料

金属材料 多孔金属材料MetalMaterial PorousMetalMaterial 目录 1 2 3 4 多孔金属结构特征与特性 多孔金属的制备方法 多孔金属的展望 5 研究进展 多孔金属的应用 概述 密度小 孔隙率高 比表面积大 强度及韧性高 导电导热性好 抗冲击能力强 能量吸收性好及特殊的传热和声学等特点 骨骼及骨骼的显微照片 珊瑚及珊瑚剖面示意图 1 研究进展 密度小 孔隙率高 比表面积大 强度及韧性高 导电导热性好 抗冲击能力强 能量吸收性好及特殊的传热和声学等特点 1 2 3 多孔金属材料是20世纪40年代发展起来的一种新型材料 由金属基体和大量孔隙组成 孔隙将金属相分割成许多小单元 又称为多孔泡沫金属 具有与传统材料不同的新型结构 多孔金属在近几十年得到了广泛的关注并实现了快速的发展 在能源环保 石油化工等领域得到了应用 可解决生产过程中液体 气体原料和贵重资源的回收 产品的提纯净化等问题 推动了现代工业技术的进步 王静 杨军 张建 多孔金属材料制备技术研究进展 A 兵器材料科学与工程 2013 多孔金属材料的类型 根据其孔洞的连通性可分为闭孔和开孔二大类 前者是含有大量独立存在的孔洞 后者是连续畅通的三维多孔结构 三维闭孔材料 三维开孔材料 闭孔材料具有比重小 刚性和比强度好 吸振及吸音性能好等特点 开孔材料除了具有上述特点之外 还具有渗透性 通气性好等特点 田大容 柏凯 王扬 赵领晨 米娇娇 孙琦 多孔金属材料制备工艺及展望 A 甘肃冶金 2014 2 多孔金属结构特征与特性 孔径分为体孔径和面孔径 体孔径是指孔的等效直径 但不易直接测量 面孔径指截面上孔的截面多边形的等效直径 孔隙率为孔隙所占体积与总体积之比 孔径 孔隙率 比表面积 气孔形状 比表面积指一定体积下的表面积与其体积之比 多孔金属的比表面积大约为10 40cm2 cm3 由于制备方法的不同 多孔金属的气孔可分为球状 胞状 多边形状和不规则形状等多种形态 卢天健 何德坪 陈常青 赵长颖 方岱宁 王晓林 超轻多孔金属材料的多功能特性及应用 A 力学进展 2006 多孔金属的主要特性有 卢天健 何德坪 陈常青 赵长颖 方岱宁 王晓林 超轻多孔金属材料的多功能特性及应用 A 力学进展 2006 热物理性能 导热性能 多孔金属材料的导热系数介于金属材料 10 300W mK 与隔热材料 0 2W mK 之间 并随着孔隙率的增加而减小 耐热性能 多孔金属是一种骨架或薄膜结构 所以其拥有很强的耐热性 即使达到基体金属的熔点也不融化 散热性能 当热量流经开孔多孔金属时 其巨大的比表面积使散布在其中的流体产生复杂的三维流动 从而具有较高的散热能力 力学性能 导热性能 耐热性能 散热性能 多孔金属的抗拉强度比较低 但是抗压强度和抗弯强度较高 多孔金属在承受压应力时其应力 应变曲线上的塑性变形阶段 名义应变在0 5 75 范围 的应力几乎恒定不变 它们在变形时大量的能量被转变为塑性能 并以热量形式耗散 付全荣 张依鈖 段滋华 李煜 多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用 A 化工机械 2010 能量吸收性能 耐热性能 散热性能 多孔金属的能量吸收性能表现出两种特性 即阻尼特性和抗冲击特性 在交变应力作用下发生振动时 会造成内部的应力应变分布不均匀 引起孔洞发生膨胀 缩小 和扭曲 产生膨胀能和畸变能 使能量损失 因此多孔金属表现出良好的阻尼特性 多孔金属的抗冲击特性表现在其具有显著的吸收碰撞能量的能力 付全荣 张依鈖 段滋华 李煜 多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用 A 化工机械 2010 声学性能 导热性能 耐热性能 散热性能 声波射向多孔金属时 孔内介质 一般为空气 在声波作用下 产生振动引起声波射向孔壁表面 产生漫射而干涉消音 同时 孔内介质在声波作用下发生压缩伸张变形 引起介质与孔壁之间摩擦 使声能转化为热能 从而起到吸声 消音效能 如果声波能进入多孔金属内 通孔 就会使其内部骨架振动而吸收声能 借机械运动将声能转换为热能 由于多孔金属具有不同的结构特征 一般情况下闭孔多孔金属具有吸音 隔声性能 而开孔多孔金属的吸声 消音性能更好 付全荣 张依鈖 段滋华 李煜 多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用 A 化工机械 2010 电磁波屏蔽性能 导热性能 耐热性能 散热性能 多孔金属对电磁波具有优良的屏蔽作用 特别是对高频电磁波屏蔽效果更好 高频电磁场通过多孔泡沫金属时产生感应电势而形成感应涡流 与原磁场反向的涡流磁场产生抵消作用 起到电磁屏蔽效果 屏蔽作用远高于导电性涂料及导电性材料 付全荣 张依鈖 段滋华 李煜 多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用 A 化工机械 2010 渗透性能 导热性能 耐热性能 散热性能 渗透性能是开孔多孔金属的一种特性 渗透性能随孔隙率的增加而增大 又随两端压力差增大而增加 通过对多孔金属孔结构 如孔隙率 孔径 开孔度 的控制 可以获得不同透过性能的多孔金属材料 多孔金属既可作为许多应用的结构材料 也可作为一些场合的功能材料 而一般情况下它兼具功能和结构双重作用 是一种性能优异的多功能工程材料 付全荣 张依鈖 段滋华 李煜 多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用 A 化工机械 2010 3 多孔金属的制备方法 按照孔隙的产生方式 典型的制备方法主要分为 刘京雷 叶先勇 何元章 徐宏 多孔金属材料制备方法的研究进展 A 材料导报A 综述篇 2013 铸造法 铸造法是目前比较成熟的工业化生产多孔金属材料的方法 铸造法适用于材料熔点相对较低的金属材质 主要有铝合金 钢 铜 青铜 黄铜等 所制备的多孔金属孔隙度可达90 以上 根据具体工艺不同 铸造法又分为直接吹气法 熔体发泡法 渗流法 金属 气体定向共晶凝固法等 刘京雷 叶先勇 何元章 徐宏 多孔金属材料制备方法的研究进展 A 材料导报A 综述篇 2013 铸造法 直接吹气法是通过吹气装置将气体由熔体底部吹入 产生气泡上浮并聚集形成泡沫 经传送带运输液态金属泡沫并使其冷却成为泡沫产品 该技术要求材料发泡温度区间宽 金属熔体粘度合适 以便提高泡沫稳定性 保证收集与成形过程中多孔体不破碎 铸造法 熔体发泡法是在熔融金属中加人发泡剂而产生气孔 主要包括熔化合金锭 熔体增粘 加人发泡剂搅拌 保温发泡 成型等工序 铸造法 渗流法是将金属熔液渗入装有耐高温且可去除颗粒的铸模中 经后续去除颗粒工序而获得多孔金属 根据颗粒模板不同 可以获得开孔或闭孔多孔金属材料 铸造法 金属 气体定向共晶凝固法如图所示 合金锭在高压氢气气氛中熔化 大量氢气溶解于液态金属中 当达到饱和时将熔体定向凝固 熔体分解为固相和气相 得到圆柱形气孔沿凝固方向排列的有序多孔材料 烧结法 烧结法是以金属纤维 金属丝网或者金属粉末作为原材料 在一定的成型工艺条件下预成型 然后在高温保护性气氛条件下烧结而获得具有较高孔隙度的多孔材料 如图所示 沉积法 金属沉积法是采用化学或物理的方法将金属沉积在具有一定孔隙结构易分解的有机高分子材料表面上 经后续焙烧或其他工艺除去高分子材料 得到多孔金属 如图所示 沉积法有电沉积法 反应沉积法等 沉积法 电沉积法是利用电化学的方法将金属沉积在易分解的多孔有机物上 如聚氨醋泡沫 然后采用热分解的方法将有机物除掉 反应沉积法是将泡沫结构置于含有金属化合物气体的装置中 在适当的温度下加热使金属化合物分解 金属从其化合物中分离出来后沉积到具有多孔结构的泡沫基体上 然后经加热分解有机物形成具有一定网络结构的多孔泡沫金属 沉积法制备所获得的多孔金属具有孔隙率高 孔结构分布均匀 贯通 具有二维结构等明显优点 反应合成法 反应合成法是一种新型的多孔金属材料合成方法 是制备FeAl TiAl等金属化合物多孔材料的可行工艺 成孔机理是 由于Fe Al的固有扩散系数相差较大 通过元素的扩散效应会产生一定数量的微小孔隙 为提高制备过程的可控性 采用低温固相扩散后高温烧结工艺制备了FeAl多孔材料 如图所示 其他制备方法 通过放电等离子烧结技术 SPS 成功制得W Cu多孔材料 该多孔材料的孔隙结构沿纵向或径向呈梯度变化 采用离心喷射铸造技术 结合球形颗粒在离心状态下的沉降规律 成功制得多孔氧化铝膜结构 采用溶胶凝胶法 以SiO2作为多孔膜层材料 以多孔钛作为多孔基体 成功实现了复合膜层的制备 运用悬浮粒子烧结法 在TiAI金属间化合物基体上成功制得多孔Ni Ni层孔径为10 6 m 4 多孔金属的应用 多孔泡沫金属除了具有优良的结构特征和性能特性外 还克服了多孔陶瓷质脆 泡沫塑料强度低且不耐火 不耐高温的弱点 因此 在化工生产及装备中逐渐得到了广泛的应用 付全荣 张依鈖 段滋华 李煜 多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用 A 化工机械 2010 4 多孔金属的应用 开孔多孔金属具有良好的渗透性能 可利用其孔隙对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用 将气体或液体进行过滤 从而达到净化或分离介质的目的 硝酸 草酸 亚硝酸 硫化氢 海水以及氢氧化钠等均可用不锈钢 钦等耐腐蚀多孔金属材料进行过滤 如图3所示的一台多孔钛板压滤机 1过滤与分离 多孔钛板压滤机示意图1 压缩空气入口2 进料口3 过滤机上盖4 过滤机壳体5 出料 卸渣 口6 多孔钛板7 多孔不锈钢板8 滤液出口 多孔钛是一种新型的过滤净化材料 特点是耐腐蚀性强 具有很好的物理机械性能 可以满足过滤工程对力学性能的需要 相对于其他多孔材料 多孔泡沫金属 尤其是高孔隙率的泡沫金属 具有导电性能好 比表面积大 气孔完全连通 通气阻力小 过电压低 气液分离性高等优点 因此 可填充更多的活性物质 使得电池的比功率 比容量都有所提高 同时还可以满足快速充电的要求 2电极基体 4 多孔金属的应用 4 多孔金属的应用 3换热器 相对于陶瓷材料和高分子材料 金属材料具有良好的导热性 所以 具有比表面积的多孔金属是热交换和加热 散热的有效材料 热管是多孔介质换热器的一个重要类型 是一种内表面覆盖多孔芯材结构的密封排液容器 典型热管中的热流和工作液流 多孔钨填充的换热器 在化学反应中 催化效果很大程度上取决于催化剂和反应物接触面积的大小 而多孔泡沫金属具有多孔和比表面积大的特点 同其他多孔材料相比也具有更高的延展性 热导率和机械加工特性 因此 多孔金属应用于气体和液体的催化