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泡沫铝的简介 制作人 胡阔鹏邢亚军王强 简介 泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料 是在纯铝或铝合金中加入添加剂后 经过发泡工艺而成 同时兼有金属和气泡特征 简介 分类 前者孔隙率在80 以上 孔径一般为 2 5mm 各孔互不相通 后者的孔隙率在60 75 孔径一般为 0 8 2mm 各孔相互连通 通孔结构 闭孔结构 按孔结构划分 泡沫铝通常可分为胞状铝 闭孔泡沫铝 和多孔铝 通孔泡沫铝 两类 它密度小 高吸收冲击能力强 耐高温 防火性能强 抗腐蚀 隔音降噪 导热率低 电磁屏蔽性高 耐候性强 有过滤能力 易加工 易安装 成形精度高 可进行表面涂装 制备方法 制备泡沫铝的方法有多种 根据制备过程中铝的状态可以分为三大类 液相法 固相法 电沉积法 液相法 通过液态铝产生泡沫结构 可在铝液中直接发泡 也可用高分子泡沫或紧密堆积的造孔剂铸造来得到多孔材料 1熔体发泡法2固 气共晶凝固法3铸造法 固相法 用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料 因为大部分固相法通过烧结使铝颗粒互相联结 铝始终保持在固态 所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构 1散粉烧结法2粉浆烧结3填加造孔剂法4粉末冶金法 电沉积法以泡沫塑料为基底 经导电化处理后 电沉积铝制成 可通过浸涂导电胶 磁控溅射锡膜或化学镀膜等方法使泡沫塑料导电 由于铝的电极电位比氢还负 所以不可以采用铝盐水溶液电镀 可采用烷基铝镀液 用电沉积法生产的泡沫铝具有孔径小 孔隙均匀 孔隙率高等特点 其隔热性能和阻尼特性优于铸造法生产的泡沫铝 由于此法的原料是金属粉末 所以有的文献将其列入固相法 但此法实际的发泡阶段是在液相 因此也有文献将其列入液相法 粉末冶金法自发明以来 备受人们关注 许多泡沫铝性能的研究均用此法制备试样 例如热处理性能 压缩性能等 制备方法举例 粉末冶金法 粉末冶金法是将铝粉或铝合金粉与一种发泡剂粉末混合 通常是tih2 将这种混合物压制成密实的金属基体 然后对其加热升温 当温度升至铝粉或铝合金粉的熔点以上 氢化钛分解产生的氢气在熔融状态的铝或铝合金内部形成无数的气孔 冷却这种铝基体后 即可得到泡沫铝产品 保护方式由于纯铝在高温下极易氧化 金属坯的表面上会形成氧化膜 而这些氧化膜的熔点很高 因此会出现金属坯不熔化而无法发泡的现象 为了阻止铝的氧化 需要采取一定的保护措施 一般采用氩气保护 本实验中采用熔盐进行保护 将压制好的金属坯放入熔融的熔盐中 隔绝了铝与空气的接触 防止铝氧化 同时 即使有部分被氧化 熔盐也会将其熔解掉 试验方法将铝粉与氢化钛粉末混合均匀后 放入模具中 将模具放入油压压力机中 施加不同的压力压制成金属坯 用金相显微镜观察并拍摄金属坯的显微结构 发泡试验装置如图 1 炉体2 电热偶3 钢筒4 石英玻璃观察孔5 坩埚6 铝坯7 控温仪 发泡实验装置图 在坩埚中放入熔盐 待熔盐熔化后 炉温升至所需温度 将金属坯放入熔融的熔盐中 并开始计时 金属坯开始被加热 可以通过石英玻璃观察孔观察到发泡情况 待发泡至一定时间取出 迅速冷却 得到泡沫铝材料 剖开泡沫铝 可以观察到其内部的结构 也可以通过扫描仪观察其微观结构 泡沫铝的体积可用排水法测得 体积质量及孔隙率可用下列公式计算 m v 0 0 100 式中 为泡沫铝的体积质量 v为泡沫铝的体积 m为泡沫铝的质量 为泡沫铝的孔隙率 0为实体铝的体积密度 为泡沫铝的体积密度 压制压力对泡沫铝发泡的影响压制一般包括装模 压制 脱模等工序 将原料混合均匀后 直接压制成型 成型压力的选择决定了坯的体积质量 也决定了发泡阶段孔的大小和均匀程度 图2为铝粉的可压缩性曲线 可以看出 压力在300mpa以上时 体积质量达到最大 图 2压制压力与铝粉体积质量关系曲线 图 3不同压力下金属坯显微结构的照片 图 4不同压力下的发泡得到的泡沫铝剖面照片 图3a 图4a 图4b分别为150mpa时的金相显微照片和泡沫铝表面照片及试样剖面图 可以清楚地看到 当压制压力不足时 铝粉颗粒与颗粒之间有聚集 但中间有连通的通道 氢气可以从这些通道中跑出来 因此得到的泡沫铝材料有椭圆形的大而贯通的孔 泡沫铝表面有许多不规则的椭圆形裂纹 这是造成孔隙不均匀的直接原因 试样剖面图4b显示 试样的中间有较大的椭圆形孔 边缘有许多不规则的椭圆形的孔 这说明压制压力小 颗粒之间的体积质量不足且多孔 发泡时氢气首先从表面逸出 而内部的气体随后从连通的通道中跑出 图3c 图4c显示了压力为250mpa时的金属坯的显微结构和发泡情况 随着压制压力的增大 金属颗粒之间的间隙越来越小 氢气可以被留住 所以剖面可以看到圆形孔 但毕竟压力不足 氢气可以贯穿相邻两孔之间 因此剖面图显示有大的连通孔洞存在 气孔不均匀 图3d 图4d显示了压力为300mpa时的金属坯显微结构和发泡情况 可以看到 压制压力足够大时 坯致密 颗粒之间孔隙较少 很少存在相互连通和通道 氢气可以完全被留住 因此剖面为比较均匀的圆形孔 发泡温度一方面影响氢化钛分解产生的氢气的分压 一方面又影响熔融金属铝的粘度 这两方面的相互作用决定了泡沫铝的体积质量与孔隙率 从图5可以看出 随着温度的升高 在670 680 温度段 泡沫铝的体积质量变小 孔隙率增大 当温度超过680 以后 随着温度的升高 孔隙率反而下降 体积质量增大 图5发泡温度对泡沫铝体积质量 孔隙率的影响 图6不同发泡温度下泡沫铝照片 从图6也可以看出 温度较低时 气孔壁较厚 孔径较小 随着温度的升高 孔壁变薄 孔径增大 但温度过高时 有连通孔存在 孔径不均匀 泡沫铝的性能 1 密度小由于泡沫铝是在铝基体中存在大大小小的气孔 因此它具有较小的密度 2 耐热性强泡沫铝具有较高的耐热性 即使达到合金的熔点也不熔解 一般铝合金的熔解解温度范围在560 700 但泡沫铝即使加热到1400 也不熔解 3 通透性好 泡沫铝可作为过滤材料 从液体或气体中将固体颗粒过滤出去 通常 通透性随孔径的增大而增大 但也受表面粗糙度的影响 开孔结构的泡沫铝具有高的通透性 4 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 5 隔音性强泡沫铝可以通过孔壁的震动来吸收声音的能量 可以用来消声 除去噪音 6 具有很高的吸收冲击能量的性能泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性 也不像高分子泡沫材料具有反弹作用 它有很好的减震性能 是制造抗冲击部件的良好材料 7 力学性能泡沫铝的力学性能主要由其其密度决定 但孔的尺寸 结构与分布同样是决定力学性能的重要参数 8 电磁屏蔽性能泡沫铝对高频电磁波有良好的屏蔽作用 能够使电磁干扰降低80 以上 其它性能泡沫铝还具有气敏性 耐火阻燃性 催化性等 泡沫铝的应用 随着泡沫铝制备工艺的改进 泡沫铝在航空航天 船舶 电子 汽车制造 建筑 包装 装饰材料 体育器材等领域中的应用正在不断扩大 多孔泡沫金属的应用主要有吸声材料 抗冲击材料 耐高温材料 催化载体材料等 吸声材料 泡沫铝隔声性能强 可以通过孔壁的振动吸收声音的能量 孔越小吸收声音的能力越强 可用于制造建筑等行业用的吸音板和消声器 试验证实 泡沫铝消声器在频率为630hz时 噪声最大可降低614db 而频率在410khz时 噪声可降低23db 7 由于成本和效率方面的优势 熔模铸造法或沉积法制备的泡沫可以取代现有的消音器材料 目前已制备出最大直径100mm的泡沫消音器 抗冲击材料 泡沫铝具有良好的吸收冲击能力 泡沫铝没有方向性和反弹能力 因此具有很好的减震性能 是良好的抗冲击部件材料 可用于航空设备的保护套和缓冲器 汽车刹车器 精密机床的底座及各种安全垫等 另外 将其设计成吸能器能大大提高舰船机械设备的冲击防护能力 所以泡沫铝在国防建设中具有广泛的应用 消音 抗冲击球体开孔型泡沫路 耐高温材料 泡沫铝耐热性强 一般铝合金的熔点在560 700 但泡沫铝即使加热到1000 也不会熔化 因此可以用作航天设备的核心材料 阻燃器和各种耐热隔热材料 催化载体材料 由于金属泡沫在韧性和热导率方面的优势 所以泡沫铝常用作催化载体材料 如将催化剂浆料涂于薄的泡沫金属片表面 后通过成型 如轧制 和高温处理 可以用于电厂废气氮氧化物 nox 等的处理 光催化空气净化载体 1 泡沫铝产品应用在航空航天领域 飞机机身壳体材料 航天飞机空气净化器 太空望远镜液氮储备系统 固体火箭发动机的点火装置和喉衬部位 2 泡沫铝产品应用在高速列车 泡沫铝应用于高速列车 3 泡沫铝产品应用在军事领域 制造装甲 战机的高性能电磁屏蔽夹芯板 闭孔泡沫铝已成功的用于汽车的a柱 b柱 保险杠 发动机支架 各种加强肋 发动机盖板 缓冲器 减震支座 火车的头部及座椅的缓冲吸能等关键部位 并取得了良好的效果 例如 德国卡曼公司用三明治泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车 ghiaroadster 的顶盖板的刚度 比原来的钢构件高7倍左右 而其质量却比钢件轻25 据测算 汽车车身构件约有20 可用泡沫铝材制造 一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造 某些零件可减重27 2kg左右 既可节约能源又可减轻对环境的污染 采用泡沫铝材结构 可大大简化结构系统 零部件数至少可减少1 3 泡沫铝在宝马汽车发动机支座中的应用 泡沫铝在高铁列车保险杠中的应用 4 泡沫铝产品应用在汽车领域 新干线和城轨的泡沫铝声屏障 5 泡沫铝产品应用在环境保护领域 首尔城轨泡沫铝隔音墙和dangsan铁路桥的全封闭型泡沫铝隔音罩 伦敦地铁bermondsey车站泡沫铝 金属空腔复合吸音壁 英国高铁枢纽站曼彻斯特piccadilly站采用的泡沫铝夹心板吸音结构 泡沫铝在纽约101号大街911纪念广场墙壁上的应用 泡沫铝应用于工厂和体育馆中的泡沫铝吸音材料 6 泡沫铝产品应用在室内防音工