（材料加工工程专业论文）泡沫镁合金的制备与性能研究.pdf

jj 1 j i 1 一j 1 泡沫金属作为一种新型多功能材料 以其特殊的结构与性能特征 在当前高速发展 的科技领域倍受关注 对泡沫金属的制备 性能以及应用方面的研究近年来越来越广泛 和深入 而泡沫金属从制备到性能研究再到实际应用 仍然存在很多未得以解决的问题 为此 我们针对制备工艺方法与性能进行研究 以使其更快更广泛的得到应用 本文基于以前的研究经验 进一步深入理论分析并经过多次试验 采用盐粒渗流法 与石膏型熔模铸造法实现了泡沫镁合金试样的成功制各 并研究分析了泡沫镁合金的压 缩性能与散热性能 从而得到如下研究成果 1 得到盐粒渗流铸造法制备泡沫镁合金的各项工艺方法和参数 1 铸型制备 填料 盐粒子 n a c l 采用分层紧实 2 浇注 模具 铸型预热温度为5 9 0 6 1 0 c 镁合金 熔炼温度为7 6 0 7 8 0 浇注温度为7 2 0 一7 3 0 c 真空度为一0 0 3 l p a 3 清理 高压 清水冲刷试样 4 n a c l 溶液对泡沫镁合金的腐蚀机理分析 成功制备出孔隙率范围在 4 0 7 5 的试样 最大的试样为直径7 5 r a m 高1 0 0 m m 的圆柱形试样 2 得到石膏型熔模铸造法制备泡沫镁合金的各项工艺方法和参数 1 石膏型的 灌制 采用聚氨酯海绵作为母体材料进行石膏型的制备 石膏浆料配置 固体粉料 石 膏粉与硫酸镁粉混合 比例1 0 0 1 5 清水 每1 0 0 9 水配以5 5 9 固体粉料 配置完成后 灌制石膏型 2 焙烧 得到焙烧工艺温度曲线 3 浇注工艺同盐粒渗流法 4 清理 流水冲刷或附加微震 5 浇注过程中燃烧现象分析 成功制备出孔隙率达9 5 的试样 3 由静态压缩试验获得泡沫镁合金压缩应力 应变曲线 对材料的压缩变形机制 进行分析 判断其为脆性变形 发现孔隙率越高 应力 应变曲线平台越低 及应力越 小 压缩变形过程中 应力平台阶段反应出泡沫镁合金材料强大的能力吸收性 4 测定出泡沫镁合金材料的导热系数 其值极低 相当于阻热材料 经过对泡 沫镁合会散热作用原理的分析 制作出各样式以泡沫镁合金为散热体的电脑c p u 散热 器 并测定其散热性能 通过对比分析提出优化方案 关键词 泡沫金属 泡沫镁合金 真空渗流 石膏型 压缩性能 散热性能 泡沫镁合金的制备 j 性能研究 a b s t r a c t a san e wt y p eo ff u n c t i o n a lm a t e r i a l f o a m e dm e t a li sa t t a c h e dl m p o i r t a n c e t ot h eh i g ht e c h n o l o g ya r e a si m p r o v i n gr a p i d l yd u e t oi t ss p e c i a ls t r u c t u r ea n d p e r f o m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c ho f f o a m e dm e t a li np r e p a r a t i o n p r o p e r t ya n da p p l i c a t i o n si sm o r ew i d e l ya n dd e e p l y b u t t h e r ea r em a n y p r o b l e m so ff o a m e d m e t a lf r o mp r e p a r a t i o nt oa p p l i c a t i o nw h i c h a r en o ts o l v e d i nt h i sc o n d i t i o n w em a k ed e e p l yr e s e a r c ho f f o a m e dm e t a li nt h ep r e p a r a t l o n s a n dp r o p e r t i e s b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c he x p e r i e n c e s f u r t h e r t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d m a n yt e s t s w es u c c e s s f u l l yp r e p a r e df o a m e d m e t a ls a m p l e si nt h ew a y s o t v a c u u mi n f l i t r a t i o nc a s t i n gw i t hn a c ip a r t i c u l a t ea n dp l a s t e rm o l d w e a l s o r e s e a r c ht h ep r o p e r t i e so f f o a m e dm e t a li nc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e a n dh e a t d i s p e r s i o n t h r o u g ht h er e s e a r c h e sa n da n a l y s i s w eg e tr e s u l t s a sf 0 1 1 0 w s 11i nv a c u u mi n f i l t r a t i o np r o c e s s n a c lp a r t i c l e sw a s s e l e c t e da sf i l l i n g m a t e r i a la n dw a sc o m p a c t e di nm o l dl a y e rb yl a y e r f o u rp o u r i n gp a r a m e t e r s p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo fp a r t i c l e m e l t i n gt e m p e r a t u r e p o u r i n g t e m p e r a t u r e a n dv a c u u md e g r e ew e r ed e t e r m i n e da s5 9 0 6 10 c 7 6 0 7 8 0 c 7 2 0 7 3 0 c a n d 0 0 3 m p a r e s p e c t i v e l y p a r t i c l ec l e a n i n gp r o c e s sw a s i m p r o v e d t o r e s i s t i n gn a c ic o r r o s i o n w h i c hi n c l u d e dw a t e rw a s h i n g a n db r u s h i n g s o a k i n g s e l f m a d es o l u t i o n h i g hp r e s s u r ew a t e rw a s h i n ga n dh i g hp r e s s u r ea l rd r y i n g t h es a m p l e sw e r eo b t a i n e dw i t h4 0 一75 p o r o s i t y t h el a r g e s ts a m p l e 1 s c y l i n d r i c a lw i t h7 5 m md i a m e t e r 1 0 0 m mh i g h 2 ls p o n g i n e s sm a g n e s i u ma l l o y w a sp r e p a r e db yu s i n gp o r o u sp l a s t e r m o l d i nt h i sp r o c e s s t h ea d d i n gq u a n t i t y t h er a t i oo fw a t e ra n ds o l i dm a t e r i a lo 5 5 o fm g s 0 4w a s15w t o fp l a s t e r t h ep l a s t e rm o l dw a sh e a t e da n d b a k e ds t e pb ys t e p t h ep o u r i n gp a r a m e t e r sa r es i m i l a rw i t hv a c u u m i n f i l t r a t i o np r o c e s s p l a s t e rw a sc l e a n e db yw a t e rw a s h i n g a n dv i b r a t i o n t h e i n e r t i ag a sw a sa d o p t e dt op r e v e n te x p l o s i o na n d c o m b u s t i o ni np o u r i n g t h e s a m p l es t r u c t u r ei n h e r i t e dt h es p o n g es t r u c t u r e w h i c hp o r e d i a m e t e rw a s5 m m a n dp o r o s i t y9 5 3 t h ec o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff o a m e dm g a n dt h e e f f e c t so f p o r o s i t y m a t e r i a la n dp o r es i z eo nc o m p r e s s i o n p r o p e r t yw e r e 1 n v e s t i g a t e d w h i c hc a np r o v i d en e c e s s a r yt h e o r yf o rt h ea p p l i c a t i o no f e n e r g y a b s o r p t i o n t h em a t e r i a lh a st h em o s ti n f l u e n c eo nc o m p r e s s i o n p r o p e r t y t o t h es a m e m a t e r i a l w i t hi n c r e a s i n gr e l a t i v ed e n s i t y t h ey i e l ds t r e s si n c r e a s e d a n dy i e l dr e g i o nd e c r e a s e d p o r es i z eh a dl o we f f e c tt oy i e l d s t r e n g t h 4 d e t e r m i n e dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ff o a m e dm a g n e s i u m a 1 1 0 v b yt h ea n a l y s i so fi t st h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r e s w e m a n u f a c t u r et h er a d i a t o ro nc o m p u t e rc p u a n dt e s tt h ee f f e c t k e y w o r d s f o a m e dm e t a l f o a m e d m a g n e s i u m v a c u u mi n f i l t r a t i o n p 1 a s t e r m o l d c o m p r e s s i o np r o p e r t y h e a td i s p e r s i o np r o p e r t y i v h 录 目录 第一章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 泡沫金属结构 l 1 3 泡沫金属性能 3 1 3 1 力学性能 3 1 3 2 能量吸收性能 3 1 3 3 声学性能 4 1 3 4 热物理性能 5 1 3 5 电磁屏蔽性能 6 1 3 6 渗透性能 6 1 4 泡沫金属应用 7 1 5 泡沫镁合会制备工艺 1 0 1 5 1 负压渗流法 1 0 1 5 2 熔体发泡法 1 0 1 5 3 熔模铸造法 1 l 1 5 4 定向凝固法 1 l 1 5 5 粉木冶金法 1 3 1 5 6 真空发泡法 1 3 1 5 7 触融压铸法 1 3 1 5 8 脉冲电流烧结法 1 4 1 6 研究内容的选择 1 4 第二章盐粒渗流法制备泡沫镁合金 1 6 2 1 制备工艺原理与设备准备 1 6 2 1 1 工艺原理 1 6 2 1 2 渗流装置 j 1 7 2 1 3 材料准备 1 8 2 1 4 试验工具及设备 1 9 2 1 5 试样制备过程 1 9 2 2 泡沫镁合金的制备过程 2 0 v 泡洙镁合会的制备 j 性能研究 2 2 1 铸型的制备 2 0 2 2 2 镁的熔炼 2 0 2 2 3 吸铸泡沫镁合金 2 l 2 2 4 盐粒的清理 2 5 2 3 渗流过程分析 2 5 2 4 清理过程分析 2 8 2 4 1 盐粒溶出机理 2 8 2 4 2 a z 9 1 d 镁合余在n a c l 水溶液中的腐蚀机理 2 9 2 4 3 清理工艺注意事项 3 0 2 5 试样成品结构与分析 3 0 2 6 本章小结 3 2 第三章石膏型熔模铸造法制备泡沫镁合金 3 3 3 1 工艺原理和工序 3 3 3 2 材料准备 3 4 3 3 预制石膏型的制备 3 5 3 3 1 聚氨酯海绵的选择及处理 3 5 3 3 2 石膏浆料的配制工序 3 5 3 3 3 灌浆过程 3 6 3 3 4 石膏型的干燥和焙烧工序 3 6 3 4 浇注工序 j 3 8 3 5 清理工序 3 8 3 6 渗流过程中出现的爆炸现象分析 3 9 3 7 本章小结 4 0 第四章泡沫镁合金压缩性能研究 4 2 4 1 静态压缩试验设备 4 2 4 2 压缩试样的制备 4 2 4 2 测试过程和结果 4 3 4 3 压缩变形机理分析 4 6 4 4 泡沫镁合金的吸能性 4 8 4 5 孑l 结构因素对压缩性能的影响 4 8 4 6 本章小结 5 0 v i 目录 第五章泡沫镁合金散热性能研究 5 1 5 1 泡沫镁导热性能测试 5 1 5 1 1 测试原理 5 1 5 l2 导热相关参数的确定 5 2 5 1 3 测试实验过程 5 4 5 1 4 导热系数比较 5 5 5 2 泡沫镁散热器 5 5 5 2 1 泡沫金属强化散热的作用原理 5 5 5 2 2 泡沫镁合金散热器的研究进展 5 5 5 2 3 泡沫镁合金散热器的制作及性能测试过程 5 6 5 2 4 散热测试结果及分析 5 7 5 3 散热器整体结构的优化 6 1 5 4 本章小结 6 l 第六章结论 6 2 参考文献 6 3 致谢 6 7 攻读学位期间发表的学术论文目录 6 8 v i l 泡沫镁合金的制备与性能研究 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人类社会不断进步 伴随着高新技术的革新 在材料科学领域 科技对新型材料的 需求也不断提高 多孔泡沫金属作为一种新型多功能材料 充分适应了当前的发展要求 多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料 正是由于这种特殊的结构 使之 既有金属的特性又有气泡特性 具有其它金属材料所没有的优良性能 综合表现为能 量吸收性 如吸音 减震等 渗透性 阻燃耐热性 轻质 耐冲击及优良的电学性能和 可回收性等特点 因此它在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的 应用 1 别 而在多孔泡沫金属的制备过程中 仍然存在诸多的问题有待解决 特别是在一些关 键性工艺技术 如气孔结构的精确控制技术 短流程连续化工业生产技术等方面 如果 得到突破性的研究进展与成果 多孔泡沫金属材料将为金属材料及其它相关领域带来革 命性推进作用 1 2 泡沫金属结构 泡沫金属所有的宏观性质在不同程度上都受孔隙结构的影响 其各种性能在很大 程度上都依赖于其特殊的孔结构 具有强烈的结构敏感性 不同孔结构的泡沫金属 包括孔的类型 形状 大小 分布 数量 均匀性 贯通性等因素的不同 其性能和 用途差异很大 因此 对于孔结构应有正确的描述 描述泡沫金属孔结构的主要参数包括r i o i l l 表观体积 孔隙率 孔径 通孔率 表观密度 比表面积等 1 表观体积 指泡沫金属表面覆盖所占据的体积 是泡沫金属中的实体金属部分与 孔隙部分体积的总和 用v 表示 2 孔隙率 指泡沫金属中孔隙所占表观体积的百分数 用尸表示 而泡沫金属的 图1 泡洙铝孔结构示意图 1 通孔2 闭孔3 半通孔 f i g 1 1 p o r es t r u c t u r eo ff o a m e dm e t a l 泡沫镁合金的制备与性能研究 孔隙包括通孔 半通孔和闭孔三种 孔隙率的变化可以从接近零到几乎等于1 的范围 内 并且根据孔隙类型的不同 把开孔 通孔 半通孔 体积对表观体积之比的百分 数叫开孔孔隙率p 开 闭孔体积对表观体积之比的百分数叫闭孔孔隙率p 闭 两者之和 叫总孔隙率 即一般说的孔隙率 用p 表示 如图1 1 所示 孔隙率的测定方法有多种 直接法 光学法 气体膨胀法 密度法等 一般泡沫金 属的孔隙率在4 5 9 0 左右 在此 我们运用较为简洁的密度法对泡沫材料进行孔隙率的测定 即测量出试样的 表观体积与实体金属所占体积后 利用下式 卜1 进行计算而得 尸 1 一矿形 l 一形 y 1 1 式中 p 一泡沫金属的孔隙率 圪一泡沫金属骨架的体积 m 3 v 一泡沫金 属的表观体积 m 3 p 坍一泡沫金属骨架的密度 k g m j 3 孔径 目前对此参数没有明确统一的定义 本论文在此将其诠释为在应用盐粒渗流铸造过 程中 填充材料盐粒的粒度即为孔径 因为在此 方法中 盐粒的大小等于孔隙的大小 4 通孔度 泡沫会属某一孔洞连通相邻孑l 洞 问的通道直径与原有孔径之比称为泡沫铝孔隙 图卜2 泡沫金属通孔度示意图 的通孔度 如图卜2 通孔度对于泡沫金属的f i g 1 2c o n n e c t i v i t yo f f o a m e dm e t a l 透过性能和过滤性能具有很大的作用 一般用咖 表示 r r x l 0 0 5 1 2 5 表观密度 指泡沫金属单位体积的质量 用p 表示 即有 p m v 1 3 式中 聊一泡沫金属的质量 堙 y 一泡沫金属的表观体积 m 3 6 比表面积 多孔材料的比表面积是指单位质量或t 社位容积的多孔材料中孔洞和孔 隙的内表面积 单位质量具有的孔壁表面积记为s g 单位容积的表面积记为s 对泡沫 金属而言 比表面积是一个非常重要的结构参数 是其它结构参数的综合表现 一般来说 泡沫金属的结构特征通常包括以下几个方面 力 1 孔径较大且变化范围大o 1 数m m 一般粉末冶金多孔金属孔径不大于0 3 m m 2 孔隙率高 可达4 0 9 8 一般粉术冶金多孔会属的孔隙率低于3 5 第一章绪论 3 密度小 随孔隙率而变化 仅为同体积金属的1 1 0 3 5 4 比表面积大 可达到1 0 4 0 c m 2 c m 3 5 网状骨架成分组织可以调节 保持金属特征 1 3 泡沫金属性能 多孔泡沫金属的独特性能是由实体金属与孔隙复合这种特殊结构所决定 因而它 在作为结构和功能材料上具有实体金属无法获得的优势 另一方面 在泡沫金属之间 由于制造方法的不同 制造工艺的差别 使其中的复合孔隙形态各式各样 从而更能 得到性能各异的泡沫金属 总体而言 泡沫金属的特殊性能主要在于其力学性能 能 量吸收性能 声学性能 热物理性能 电磁屏蔽性能及渗透性能等方面 具体介绍如 下 1 3 1 力学性能 在力学性能方面 泡沫金属就其本身来况并不占优势 泡沫金属家族中发展最快 的泡沫铝合金 例如当孔隙率为8 5 时 压缩屈服应力os 6 m p a 抗拉强度ob 仅约 等于1 m p a 泡沫铝的这两方面 以及其他力学性能都随着孔隙率的提高而逐渐降低 通过g i b s o n a s h b y 模型可以描述泡沫金属的力学性能与相对密度之间的变化关系即 x x s k p p 扩 1 4 式中x s 是金属基体材料的力学性能 x 是相应的泡沫金属材料的力学性能 此力 图1 3 泡沫金属的典型压缩应力一应变曲线 f i g 1 3s t r e s s s t r a i nc u r v eo ff o a m e dm e t a l 学性能包括抗力强度 弹性模量等冈素 也可以根据x 的不同而改变 1 3 2 能量吸收性能 氍 蕃 柑砖意虞 图卜4 泡洙铝的能苗吸收能力与相对密度的关系 f i g 1 4e f f e c to fr e l a t i v ed e n s i t yo i le n e r g y a b s o r p t i o np r o p e r t yo ff o a m e dm e t a l k 是泡沫金属结构的影响系数 n 可为常数 守蜀 巷逻 泡沫镁合金的制备与性能研究 泡沫金属因为其特殊的复合结构 使其拥有了 完全不同于实体金属的压缩应力 应变特性 其 中 及其突出的能量吸收性能倍受重视 如图卜3 所示 泡沫金属材料在受到外界压力时都存在三个 变形阶段 3 1 即弹性变形阶段 脆性破碎阶段和紧 实阶段 因而当泡沫金属材料受到冲击时 应变强烈 滞后于应力 再如图1 4 是泡沫金属的能量吸收能 图1 5 钢构件结构 f i g 1 5s t e e lc o m p o n e n ts t r u c t u r e 力与相对密度的关系曲线 在空心筒摆锤冲击性能测试实验 如图卜5 可以看到 填 充密度为0 5 9 c m 3 的泡沫铝后 实验钢构件抗弯强度增加了近4 倍 冲击吸收功增加了1 倍 且随着冲击速度的增加 冲击吸收功也增加 具体数据如下表卜1 所示 表1 1 材料吸能性能对比 t a b 1 1c o m p a r i s o no fe n e r g ya b s o r p t i o n 此实验也明显反映出泡沫金属在能量吸收方面的优势性能 并且已有实验寻求出了 泡沫金属孔隙率与其内耗值之间的关系 即当孔隙率增大时 内耗值也增加 内耗值基 本不随应力及应变频率而变化 而当应变幅值增大时 内耗值增大 这种非线性内耗特 征非常适合于制造能量吸收器方面 1 3 3 声学性能 泡沫金属的声学性能包括吸声与隔音两方面 这取决于孔隙的形态与结构 闭孔 泡沫金属有着良好的隔音性能 而吸音性能不佳 通孔材料则拥有非常强大的吸声性 表1 2 泡沫金属吸声系数 t a b 1 2a c o u s t i ca b s o r p t i v i t yo ff o a m e dm e t a l 4 第一章绪论 能 如表1 2 所示 其原理在于 当声波进入泡沫镁后 一方面在孔内发生多次反射 因入射声波和 反射声波之间的相互干涉而消耗掉部分声能 另一方面由于孔中介质在声波的作用下 发生压缩伸张变形 引起介质与孔道壁的摩擦 使部分声能转化为热能并通过热传导 而耗散掉 此外 由声波引起的孔壁金属的振动也会消耗掉部分声音能量 根据d a r c y 定律 多孔材料的能量流通能力与其透过系数q 成j 下比例关系n 们 即 a 口宰 尸 a 木刁 1 5 式中 矽一流量 a 一试样横截面积 7 7 一流体动力粘度 万一试样厚度 透过系数口取决于多孔材料通孔的大小和分布 因此 可通过改变泡沫金属通孔 的大小和分布状态来调整其透过系数 使其流通能力被控制在适当的范围内以获得优 良的吸声性能 泡沫金属在吸声方面的性能可广泛应用于目前需要吸声消音场所 并具有诸多优 于目前广泛使用的木质吸音材料 例如泡沫金属在刚度 耐热 耐潮 不易污染 回 收再生性等方面有着极大的优势 利用这些性能特点可以制造出各种环保吸音材料 1 3 4 热物理性能 1 导热性能泡沫金属材料的导热能力远低于其实体金属的特点主要由于其特殊 结构所决定 孔隙与实体的复合 意味着在其任意横截面上 都是部分孔隙 部分实 体金属 所占面积比例根据孔隙率不同而异 导热基本通过实体金属部分 孔隙部分 则变相成为了阻热部分 所以泡沫金属的导热能力实际上成为了金属与气体的复合导 热能力 从而大幅度降低了金属本身的导热能力 例如在有数据资料 当温度为2 0 时 纯铝为基体 密度为o 3 3 的泡沫铝导热系数为9 6w m 1 i c 7 而相应的实体锚的 导热系数为2 2 0w m 4 i c 7 同一温度下 相同密度的泡沫a i s i l 2 和a i s i m g 合金的导 热系数为3 3w m i k 1 而对应的实体泡沫铝合金的导热系数为1 0 2w m 1 i 7 实体铝 大约足泡沫铝的2 0 4 0 倍 与其力学性能一样 泡沫金属的导热性能随着孔隙率的增 加而下降 而且与基体材料以及测量温度有关 2 耐热性能泡沫金属材料还具有较高的耐热性 如a i 一7 m g 合金熔化温度5 6 0 6 4 0 其泡沫材料于5 7 0 6 4 0 c 软化 但即使加热至1 4 0 0 2 也不熔化 因而可望成 泡沫镁合金的制各勺性能研究 为耐热 不燃烧的轻质结构材料 卯 就以上两方面而言 闭孔泡沫金属可广泛开发 应用于阻燃隔热场合 3 散热性能虽然泡沫金属的导热性能远低于实体会属 但是其中通孔泡沫金属 却有着巨大的比表面积及复杂的三位结构 而热量传导能力是由三方面决定 即热对 流 热传导和热辐射 对于热量在泡沫金属中的散失 当无外在条件的情况下 主要 决定于热对流与热传导 其中热传导能力泡沫金属由于孔隙的存在而低于实体金属 自然热对流能力也不佳 这是因为泡沫金属的孑l 隙结构本身很复杂 不利于空气的自 然对流 但是另一方面 为了发挥其巨大的比表面积优势 如果在空气强制对流的情 况下 热对流对热量散失的贡献将极大的提高 这也是通孔泡沫金属有望开发出新型 高效散热器的原因 1 3 5 电磁屏蔽性能 曼 辱 宦 彘 i t i v 氏 l 一 气l r 鲁 蟊 霸 斟 栽 i i l l 一玉 l t l l 期睾口旧匏援摹月嘲瞻 锄 秭 图1 6 泡沫铝板 4 m m 厚 的电磁屏蔽性能 f i g 1 6e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n go ff o a m e da i 泡沫金属具有良好的电磁屏蔽性能 密度为o 5 1g c m 3 厚度为8 5m m 的a l u l i g h t 在频率范围为1m h z 1 g h z 内的磁屏蔽性能达8 0 d b 1 2 0 d b 远优于硅钢 小于4 0 如 和实体铝 小于2 0d b 泡沫锚的电子屏蔽性能在o 1m h z1 0 m h z 范围内和硅钢相当 1 0 m h z 以上则优于硅钢 频率的不同严重也影响着它的电磁屏蔽性能 有关研究机构 测得泡沫镁合金的电磁屏蔽效果远好于普通纯镁和含铜涂料的屏蔽效果 与此同时特 别指出其在高频电磁波方面的屏蔽能力更佳有效 泡沫金属的厚度影响着屏蔽效果 例如厚度为4 m m 孔隙率为8 5 的泡沫铝合金试样 测得其对于1 0 0 m h z 一1 g h z 的 电磁波屏蔽能力高达6 5 d b 9 0 d b 1 6 1 测试结果如图1 6 所示 经屏蔽后 电磁干扰 降低了8 0 以上 1 3 6 渗透性能 通孔泡沫金属的通孑l 结构 使其具有渗透 过滤 分离的性能 通孔率对其渗透 能力影响较大 同时 渗透能力还与孔径大小 孔表面光洁度 渗透物体的性质 如 6 第一章绪论 黏度 流速 渗透压力等因素有关 力 因而可以通过调整孔结构已获得不同的透 过性能要求 除了以上方面 泡沫金属还具有多功能性 如轻质 耐冲击 耐腐蚀 具有良好 的过滤性能 并且回收利用性好等 综上所述 泡沫金属作为超轻型金属功能材料 再力学 声学 热学 电学 以 及化学方面拥有巨大的综合性潜能 在各个领域都具有广阔的发展应用前景 1 4 泡沫金属应用 泡沫金属在实际应用方面的范围正快速的拓展 它被作为结构材料和功能材料 应用领域从民用到军工 到各特殊行业 泡沫金属按孔隙状态分为了闭孔和开孔两类 闭孔泡沫金属则被作为结构材料应用 开孔材料作为功能材料 在工程应用中 首先 即要根据使用场合和功能要求 选择相应的孔型状态 其次则是何种材料的泡沫金属 不同材料所制各的泡沫金属在性能方面同样有着巨大的差异 这点即类比于实体金属 例如在机械方面承重件 达到必须的力学性能的同时并且具有轻质的效果 选择泡沫 铝合会等泡沫金属则为最佳 在生物仿真材料领域 泡沫钛合会则因为其良好的组织 兼容性 可有机融合于生物体内部 从而得到生物研究领域的高度关注 这里特别指出 在泡沫金属家族中 应用最为广泛的当属泡沫铝合金 骨外研究 机构已成功将泡沫铝合金作为结构材料应用到汽车内部构架上 在汽车刚度 强度及 图1 7 泡沫金属在汽车上的应用 f i g1 7a p p l i c a t i o no ff o a m e da io na u t o m o b i l e 缓冲能力上都获得了很好的效果 经分析 汽车构架1 5 的部分可用泡沫铝合会制造 这势必带来车身重量的大幅度降低 欧共体光明欧洲计划内容之一则是泡沫铝合金在 汽车结构和零部件上的应用 如图1 7 所示 泡沫金属的制造方法不同 所制造的泡沫金属的特点也不同 其性能和应用对象 也4 i 同 各种方法是相互补充的 随着研究的不断深入 多孔泡沫金属材料制造方法 7 泡沫镁合金的制备与性能研究 也迅速发展 多孔泡沫金属材料的制造水平将不断提高 制造方法更加多样化 可以 获得多种类型的高质量多孔金属 以满足不同领域的需要 欧美 日本等国家 正逐步推进泡沫金属产业化的进程 并已达到一定规模 例 如日本 a l p o r s 德国 f o a m i n a l 奥地利 a l u l i g h t 等都形成了自己的泡沫 金属品牌 生产出一系列优质的产品 在我国 目前也有不少泡沫金属生产厂家不断 形成并投产 虽然产量有限 但这一趋势却很强劲 泡沫金属的应用领域 以最为广泛的泡沫铝合金为例 目前主要集中于以下几个 方面 1 新型建筑装饰材料 2 航空航天材料 3 交通运输业材料 1 新型建筑装饰材料 泡沫铝合金具有比强度高 轻质 隔热 吸声 耐腐蚀 阻 燃 不吸潮 电磁屏蔽等诸多优势特性 它的这些方面功能使其在很多场合能够代替 9 1 1 事件纪念壁天花板家具 图卜8 泡沫铝应用于建筑上的几个例子 f i g1 8t h ea p p l i c a t i o no ff o a m e da ii nc o n s t r u c t 传统实体金属材料与木材 这不仅提高了建筑质量 并且更有益于环保 如图1 8 所 示是泡沫铝合金的实地应用照片 而在以上应用中 并未见泡沫铝合金的吸声性能的原因在于对它的这一性能应用更加 广泛 以下作已详细论述 环保吸声材料 泡沫铝合金在拥有了以上良好的性能之外 同时兼备优良的吸音 隔声性能 木材作为声学材料的应用场合 例如影剧院 音乐场所等等 都可以被泡 沫铝合金所代替 舳 这一方面保证甚至提高了声音屏蔽效果 另 一方面也可以大大 减少木材的消耗 节省资源 另外 除了在替代木材作为声学用途外 泡沫铝也有其 独特的使用场合 例如用泡沫铝合金制造用于强噪音场合的墙面隔音吸声板 可以大 幅度吸收室内噪音并阻止其向外扩散 在国内 也在必要段落的公路及高架桥处两侧 建造泡沫铝合金隔音墙 不仅重量比以前的隔音墙降低7 0 而且效果明显 降噪2 0 d b 左右 1 9 8 第一章绪论 2 飞行器制造中 直升机目前多数采用的铝箔制造的蜂窝状部件 许多厂商正采 用泡沫金属材料来进行取代 因为它的性能优于前者并且造价更低 2 们航空飞行器 也采用了泡沫金属作为缓冲部件 如图1 9 所示 图1 9 用三明治泡沫铝制作的火箭锥体 直径3 9 4 m f i g1 9n o s ec o n ep r e p a r e du s i n gf o a m e da 1 3 交通运输业材料 在汽车构架的一部分用泡沫铝合金来制备 能够在获得良好的 力学性能的同时兼备轻质的要求 并有报道称 美国f o r d 同本本田即欧洲个别汽 车公司较早期则开始研究泡沫铝合金在汽车保险杠 防撞安全装置上的是应用问题 图1 一1 0 低重量汽下设计图 f i 9 1 9d e s i g nd r a w i n go fl i g h tw e i g h ta u t o 如图1 1 0 所示 这则利用了泡沫金属强大的能量吸收性能 使其作为缓冲件得到应用 中间为泡沫金属材料 实体金属材料覆盖于其表面所而形成的结构 即三明治结构 作为保险杠制造材料 以此方式制造的汽车保险杠缓冲效能大大提高 更重要的是对 被碰撞物体的损坏程度也大幅度减小 冲击能量主要消耗散失于泡沫金属保险杠的变 形过程中 这对汽车保险杠的制作意义重大 在另一方面 重量对于交通运输工具是 极其重要的一个环节 它关系到车辆本身的性能与能量的消耗问题 如菲亚特汽车公 司的一款小型车 运用泡沫铝合金作为结构部件后 重量减轻6 0 k g 每加仑汽油则能 多开行3 一4 5 k m 节约了能耗 9 泡沫镁合金的制备与性能研究 泡沫金属从民用到高科技领域所得到的广泛应用 都是源于其超轻的质量和它自 身独特的不同于实体金属的性能 这正符合了现代发展对新型材料的需求 1 5 泡沫镁合金制备工艺 泡沫金属的制备方法有很多 根据对孔隙结构状态的需求可以选择合适的工艺 本 文的研究重点是泡沫金属家族中的泡沫镁 因而在此重点介绍泡沫镁的主要制备方法 具体如下 负压渗流法 熔体发泡法 熔模铸造法 定向凝固法 粉末冶金法 真空发 泡法 触融压铸法以及脉冲电流烧结法等 1 5 1 负压渗流法 国内应用负压渗流法制备泡沫镁较早见于 南昌航空大学 2 近年 太原科技大学在研 制泡沫镁过程中也应用此方法取得了一定成 果 泡沫镁的负压渗流铸造工艺原理如下 首先把预先处理好的填料粒子直接放入铸型 中或制成多孔预制块后再放入铸型中 连同 铸型一起预热到一定温度 然后浇入熔融金属 图卜1 1 泡沫镁合金试样 镁合金液 镁合金液受到底部的负压作 f 嘻1 i 1f o a m e dm a g n e s i u ma l l o ys a m p l e 用 才能顺利克服充型时铸型内部的阻力 即流动边缘粘滞阻力 微孔阻力 内部气体 压力等 实现完整的充型过程 当液体最前端停止向下运动后 充型过程即停止 此时 便形成了填料离子与实体镁的复合体 待铸件凝固冷却完毕后 即可清理溶出填料粒子 获得成型的泡沫镁材料 这是我们制备出的较大尺寸泡沫镁合金试样照片 如图1 1 1 所 示 负压渗流铸造的整个工艺过程中可变因素少 容易控制 并且操作简便 这便为产 品的大批量机械化生产提供了有利的条件 此方法善于制备孔径大于l m m 的泡沫金属 可得到孔隙均匀 结构理想的产品 但对于l m m 以f 孔径的泡沫金属成型却较为困难 1 5 2 熔体发泡法眈 通过熔体发泡法制备泡沫铝己成为一项成熟工艺被广泛应用 发泡剂采用t i l l 2 但 是 以t i l l 2 为发泡剂 采用熔体发泡法很难制备出泡沫镁 南昌航空大学采用m g c 0 3 作为熔体发泡剂 成功制备出泡沫镁材料 在熔体发泡工艺过程中 需要增加合金熔体粘度 在制备泡沫镁时是在合金熔体中 混入分散的耐高温固相物质的微小颗粒 在此选用s i c 为其增粘剂 l o 第一章绪论 通过此工艺方法 可以制备出低密度 高孔隙率的泡沫镁材料 随着m g c 0 3 或s i c 含量的增加 泡沫镁的密度逐渐减小 但当m g c 0 3 含量超过1 5 或s i c 含量超过1 5 时 泡沫镁的密度有所增加 泡沫镁平均孑l 隙率的变化规律与密度的变化规律相反 此方法同样有着批量机械化生产的有利条件 整个工艺过程直接易行 不足之处在 于发泡过程的影响因素较多且敏感 从而造成孔隙的成型不够稳定 所得孔隙结构受到 影响 1 5 3 熔模铸造法 熔模铸造法首先将通孔泡沫海绵填人到一定几何形状的容器中 然后充入具有足够 耐火性能的浆液 风干 硬化后焙烧使泡沫海绵发生热分解而去除 形成三维网状骨架 再将镁合金液体浇到此铸型中 凝固后除去耐火材料 就获得了具有三维网状的泡沫镁 目前浆料的主料多为生石膏粉 但生石膏粉 作为填充浆料还存在许多弊端 如石膏支撑体在 渗流过程中若发生崩塌会造成局部镁金属包裹石 膏区域 石膏支撑体用水溶解过程中清除困难等 上海交通大学 2 3 采用向石膏浆料中添加其他盐 类物质 含盐石膏在遇到水时更容易溶解 这在 一定程度上解决了石膏支撑体用高压水溶解清除 的困难 降低了溶模成本 太原科技大学也利用 石膏与m g s 0 4 混合料作为填料 采用特定的工 图卜1 2 泡洙镁试样 f i g 1 1 2f o a m e dm a g n e s i u ma l l o ys a m p l e 艺 也成功制备出海绵状泡沫镁材料 试样照片如图1 1 2 所示 r 本和中国台湾省的一 些研究单位对该方法较为重视以1 熔模铸造法相对于自仃两种工艺要复杂很多 且操作较为困难 石膏型的制各过程是此方法的 关键和困难之处 石膏型的制备好坏直接影响到 泡沫金属的成型效果 此方法的可取之处在于孑l 隙结构完全复制出预制体聚氨酯海绵的形貌 可 控且规则 1 5 4 定向凝固法 2 5 1 共晶凝固是金属凝固方式的其中一种 它将 同时结晶出多种结晶相 而都同属于盒属相 乌 克兰科学家s h a p o v a l o v 2 6 1 在l9 9 3 年提出另一种全 f i g 1 13m e t a l h 2b i n a r y p h a s ed i a g r a m 泡沫镁合金的制备与性能研究 新的共晶凝固思路与方法 即金属与气体进行共晶转变 如图1 1 3 所示 其中转变过程 为l 一0 l s h 2 通过这种共晶转变方式 找到了另一种制备泡沫金属的新方法 此方法 命名为金属 气体共晶凝固法 亦称 g a s a r 法 如图1 1 4 所示是此方法制备泡沫金属的 工艺工程原理 向熔化设备中通入高压氢气或者氢气和氩气的混合气体 在这样的气氛 中 熔炼无氢化物所形成的金属及其合金 熔炼的高温氛围大幅度提高了氢气在熔融状 态下无氢化物中溶解度 氢气体不断融入液态无氢化物中直至饱和状态 随后 将氢气 饱和的熔融金属液在水冷铸型中进行定向凝固 氢气的溶解度随着温度骤降也同步骤减 从而析出 定向凝固并配以特定的工艺条件 可以促使析出的氢气与熔融金属凝固过程 中固相的形成界面同步前进 共同生长这即发生了金属与气体的共晶凝固转变过程 形 成了特殊的气体与实体金属的复合体 亦即泡沫金属 以此方法制备的泡沫金属 气体 是按凝固方向不断析出 出现轴向生长状态 结构类似于莲藕状 所以也称藕状 l o t u s s t r u c t u r e d 泡沫金属材料 泡沫金属制备中的 g a s a r 法具有革命性 意义 是近年来泡沫金属制备工艺研究所得的 重大突破 原因在于它的孔型具有传统泡沫金 属的结构 而性能却有某些独特之处 他是泡 沫金属中唯一满足混合定律的材料 2 在制备 工艺上的调整 例如调整气孔内的气体压力 可以大幅度影响它的导热能力 变化范围之大 甚至可以高于实体金属材料眨踟 藕状泡沫金属 的特殊性能和结构 将会促使它的应用范围更 加宽广 拓展了泡沫金属家族的应用领域 据 报道 在火箭燃烧室中的冷却机构上 航空器 上的轻质泡沫镁隔板等高精尖领域都以后的了 应用 2 们 图1 1 4g a s e r r 艺过程 f i 9 1 1 4g a s e rp r o c e s s 对于这种具有革命性意义的泡沫金属生产工艺 各国研究机构都纷纷涉入 不断推 进着它的发展 我国清华大学等高校也对此工艺方法进行了深入研究并取得了一定的成 绩 在制备工艺方面 它同样存在着泡沫金属制各过程中的共同问题 即孔隙的分布情 况与尺寸的控制上都不能达到精确控制的状态 这一点仍需要进一步的深入研究 第一章绪论 1 5 5 粉末冶金法 粉末冶金法是金属制备中的一项重要方法 它被应用到泡沫金属的制备方面也是近 年来的一大创新 最早的使用此工艺方法制备泡沫镁的研究机构是日本名古屋 a i s t 研究所的w e n 等科研人员 3 此方法的制备过程一定而工艺可有所差异 a i s t 以 纯镁粉为原料 纯度 9 9 9 粒度 18 0 1 t m 发泡剂选用尿素 c o n h 2 2 制备过程原 理是先通过混粉机将镁粉与发泡剂进行均匀彻底的混合 所得的混合粉末在一定的压力 下进行单轴压制 形成具有必要紧实度的预制体 将预制体在一定温度 女 1 7 4 0 c 左右 进行发泡行为 这样便可以制成所需的泡沫镁材料 我国合肥工业大学 兰州理工大学等高校也应有此法成功制备出泡沫镁试样1 3 1 3 2 1 发泡剂的选择可以根据情况而定 合肥工业大学同样选择尿素作为发泡剂 而兰州理工 大学则选用李分析纯碳酸钾作为发泡剂 在发泡过程中使用了氩气作为保护性气体 在 氩气氛围中进行发泡行为 氩气保护是为了避免镁的燃烧反应 破坏发泡过程 我国运 用此工艺方法制备出的泡沫金属孔隙率在2 0 5 5 之间 未见成功制备出较高孔隙率 试样的报道 1 5 6 真空发泡法 真空发泡法 v f t 是奥地利l k r 研究机构r e n g e rb 3 1 等研发人员近年来开发出的 制备泡沫金属材料的技术方法 该工艺是发泡法成型泡沫金属的一种 类同于普通铸造 过程中的减压铸造 工艺原理是 将原料金属熔炼后浇入模具中直接生成泡沫金属 因 此陔方法的关键部分在于模具部分 模具是被设置在高压釜中并进行抽真空 在这样情 况下将熔融金属浇入模具中 熔融金属一方面温度骤降 开始凝固过程 另一方面 由 于进入真空氛围