金属多孔材料应用及制备的研究进展.pdf

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1、第3 5 卷增刊22 0 0 6 年8 月稀有金属材料与工程RA R EM E T A LM A T E R I A L SA N DE N G I N E E R I N G、，0 1 3 5，S u p p l 2A u g l l s t2 0 0 6金属多孑L 材料应用及制备的研究进展梁永仁，杨志懋，丁秉钧(西安交通大学金属材料及强度国家重点实验室，陕西西安7 1 0 0 4 9)摘要：综述了金属多孔材料在作为结构材料和功能材料方面所表现出来的优异性能及其应用。并对固相法、液相法、电沉积法、气相沉积法等金属多孔材料的主要制备方法进行了总结，同时，指出当前金属多孑L 材料的研究热点和今后

2、所需解决的问题。关键词：金属多孔；制备方法；功能应用；结构应用中图法分类号：T G1 4 6 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 一1 8 5 x(2 0 0 6)S 2 一0 3 0 一0 51引言近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。金属多孑L(泡沫金属)材料是2 0 世纪8 0 年代后期国际上迅速发展起来的，是由刚性骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能，如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高，使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等【卜”。通孔的金属多孔材料还具

3、有换热散热能力强、渗透性好、热导率高等优点；而闭孔金属多孔材料的物理特性则与通孔的相反。为了得到不同性能的多孔金属，各种制备方法被相继提出，如直接发泡法，精密铸造法，气泡法，烧结法和电沉积法等。2 金属多子L 材料的应用2 1功能材料在过滤与分离方面，利用通孔金属多孔材料的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与分离，从而达到介质的净化或分离作用。由金属多孔材料制得的过滤器可用作从液体(如石油、汽油、制冷剂、聚合物熔体和悬浮液等)或空气和其他气流中滤掉固体颗粒心1。在热交换方面，由于金属本身具有良好的导热性，所以，具有很大表面积的通孔金属多孔材料适于制造换热器、加热器和

4、散热器。闭孔金属多孔材料的导热系数很低，只有纯金属的1 5 1 1 5 0，可用作绝热材料，其强度及耐热性能优于相应的传统材料 2，4】。在化学工业方面，金属多孔材料由于比表面大，且有较高的强度、韧性和导热性能，可代替传统材料用作催化剂载体。金属多孔材料作为载体可使催化剂的有效接触面积增加，提高催化效率。如基于金属多孔材料的这种性能的催化剂可用于乙醇的选择性氧化、石油化工中的己烷重组等反应工程 6】。在吸声降噪、消音方面，金属多孔材料由于具有开口孔隙和半开口孔隙，当声波传入时，气孔内空气受力振荡，但由于气孔很小，空气在气孔内的震动会受到摩擦和阻碍，导致声波的传播受到抑制，声音震动衰减，大部分的

5、声能转化为热能，从而起到吸声的作用。金属多孔材料被广泛应用于建筑和自动办公设备、无线电录音室等就是基于其性能的这一方面考虑的，还有装饰的作用。在汽车上，可用于既要求高吸声性能又要求良好绝缘性能的零部件 4，7】。在流体流量控制方面，如用于气体或液体的流量计、自动化系统中的信号控制延时器、风道的直流器和阀门的布流器等 1】。采用粉末冶金法生产的多孔材料制备的流体限流器比传统的微分限流器具有更高的可靠性和精确度。在电极基体方面，多孔金属导电性能良好，并具有一定的自支撑能力和很大的比表面积以提供广阔的界面电化学电荷传递空间，因而成为一种优良的电极材料，适用于各种蓄电池、燃料电池、空气电池和太阳能电池

6、峭，9 J。在生物材料方面，钛及钛合金的多孔材料由于与人体组织有良好的相容性且对人体无害而得到广泛应用，如人造骨头、镶牙和人造关节等 9，1 0】。多孔人造骨还能通过孔隙率来调整弹性模量，使其与人骨能很收稿日期：2 0 0 5 一1 1 2 5基金项目：“9 7 3 计划”项目资助(2 0 0 6 C B 6 0 1 2 0 2)作者简介：梁永仁，男，1 9 7 9 年生，硕士研究生，西安交通大学1 9 0 8 信箱，陕西西安7 l 0 0 4 9，电话：0 2 9 8 2 6 6 5 9 9 5 万方数据增刊2梁永仁等：金属多孔材料应用及制备的研究进展3 1 好相容，同时具有很好的减振效果【

7、1 1 1。2 2 结构材料金属多孔材料作为结构材料，可用在汽车、航空航天、建筑、造船业及机械构造领域，其中汽车和建筑是两个最有发展前途的应用领域。在汽车工业方面，交通运输工具质量的减轻，将大大节省动力能源，从而减少汽油的消耗量，对环境污染也会减少 8】。质量的减轻是汽车工业发展的新趋势，汽车是金属多孔材料最大的应用领域。轻质、高刚度且有吸能和隔音性能的多孔铝已在汽车上得到应用，如顶盖板、底盖板和滑动顶板等高刚度构件。德国卡曼汽车公司将三明治式复合泡沫铝板用于刚度和质量问题十分突出的两用车和赛车(其中两块泡沫铝夹层部件，一件用于前舱壁，一件用于后车壁)，替换了由冲压钢板制成的传统元件，刚度比原

8、来的钢构件大7 倍左右，质量仅有原来的1 4【1 2，”】。金属多孔材料还是一种热稳定的不可燃材料，也是一种可抗破坏的耐用材料，并可以回收与再利用。在建筑装修上，可以广泛应用于建筑装修业的内装饰材料、箱体材料、包装材料和高速公路的护栏u 1。一般用于制造质量轻、对保温绝热性能和热稳定性能有要求的元件。在航空航天工业上，被用作轻质、传热的支撑构件“。如作为机翼金属外壳的支撑体、导弹鼻锥的防外壳高温倒塌支撑体。宇宙飞船的起落架、宇航员空间行走保暖装置等旧。金属多孔材料还具有很好的阻燃、防爆性能，具有能量吸收和缓冲减振性能，优异的电磁波吸收性能，可用于电磁屏蔽、电磁兼容器件。3 金属多孑L 材料制备

9、方法3 1从液态(熔融)金属开始制备3 1 1 熔体发泡法在一定的条件下金属熔体中可生成气泡，并且一般情况下多数气泡由于浮力作用会迅速上升到液体表面而溢出。为了使更多气泡留在熔体中，可在其中加入增粘剂来阻碍气泡的上浮 1 1 5 4 6】。1 9 世纪6 0 至7 0年代，人们就已经尝试用这种方法制备铝、镁、锌及其合金的泡沫材料。过去的1 0 年中，又涌现出了大量的新思路、新工艺，其中有两种熔体发泡工艺特别具有发展前景：其一是直接将气体通入金属熔体中，其二是将发泡剂加入熔体中，发泡剂分解释放大量气体。直接吹气法：首先在熔融的金属中加入增粘剂以防止气泡从熔体中逸出。随后，采用旋转浆或振动的喷嘴将

10、发泡气体(空气、氮气、二氧化碳、氩气等)通入熔体中，旋转浆或喷嘴的作用是在熔体中产生足够多的优良气泡并使他们分布均匀。常用的增粘剂包括碳化硅、氧化铝以及氧化镁，加入量一般为1 0 2 0(质量分数)。增粘剂的加入量和颗粒尺寸有一个适当的范围，太高或太低均会影响金属多孔材料的制备。直接吹气法制备的金属多孔材料的孔隙率为8 0 9 0，密度为0 0 6 9g c m 3 0 5 4g c m 3，气孔的平均尺寸为3m m 5m m，气泡壁厚为5 0“m 8 5u m M】。通过调整注入气体的流量和其他参数可以得到不同孔隙率的金属多孔材料。国外已把这种工艺用于连续生产泡沫铝中，铝板的产量可达9 0

11、0k g l l。发泡剂发泡法：将发泡剂加入熔融金属中分解而产生气体，由于气体受热膨胀而使熔融金属发泡。发泡后，经冷却即获得金属多孔材料 1，1 7】。熔体的粘度直接影响多孔金属的品质。这种方法的优点是可制得非常均匀的金属多孔材料，并且气孔平均尺寸和熔体粘度以及多孔金属密度和粘度之间存在关系，使孔径可控。常用发泡剂为金属氢化物，如生产多孔铝采用T i H 2、z r H 2 和C a H 2 等。常用的增粘剂为金属c a和M n 0 2，还有原位金属的氧化物等【l】。3 1 2固体一气体共晶凝固法(G a s a r s)【1，1 1，1 8 2 8】这种方法是乌克兰科学家1 9 9 3 年在

12、专利中提出来的，依据是H：能于金属液体形成共晶系统。在高压H 2 下(5 1 0 6P a)能获得含氢的均匀金属液，如果降低温度通过定向凝固将发生共晶转变，H：在凝固区域内含量增加，并且形成气泡。因为体系压力决定共晶组成，所以外部压力和氢含量必须协调好。最终孔的形状主要取决于氢含量、金属液外部压力、凝固的方向和速率(一般速度为0 0 5m 州s 5m m s)、金属液的化学成分。该方法制得的多孔材料具有平行于凝固方向拉长的圆柱状孔洞，气孔的尺寸一般不均匀，且对设备的要求比较高。G a s a r 技术已用来生产许多金属多孔材料，如N i、C u、A l、M o、B e、C o、C r、W、青铜

13、、铜和不锈钢等。3 1 3 粉体发泡法 1 1 5 2 圳该法是将金属粉末或合金粉末与发泡剂粉末按一定的配比混合均匀，再将其压制成密实的预制品，然后升温到基体金属的熔点附近，使发泡剂分解释放出的气体迫使压实的预制品膨胀成为泡沫金属。常用的发泡剂有T i H 2、z r H 2 等，一般氢化物的含量不高于3，如果制备泡沫铁，则用碳化物(如S r C 0 3)做发泡剂。该法可以制备形状复杂的半成品尺寸的工件，若在其表面粘结或轧制成金属板则可以得到三明治式的 万方数据稀有金属材料与工程3 5 卷复合材料。3 1 4 熔铸法熔模熔铸法 J，3 0，3 1，3 2】：该法是先将泡沫塑料发泡成型，再将其浸

14、入到液态耐火材料中，使耐火材料填充泡沫塑料孔隙。在耐火材料硬化后，加热升温使泡沫塑料气化分解，形成一个具有原泡沫塑料形状的三维骨架，将液态金属液浇注到模具内，凝固后除去耐火材料，就可获得具有三维网状的通孔金属多孔材料。所用的耐火材料一般为酚醛树脂、碳酸钙或石膏的混合物。此法的难点在于如何使金属液充分填充到模型中，以及如何在不破坏金属多孔结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种金属多孔材料，并且可以得到开孔结构，生产重复性好，有相对稳定的密度。渗流铸造法：该法是将可燃性粒子、可溶性粒子或低密度的中空球状颗粒放置于铸模内，然后浇注使熔融金属液渗入其中形成复合体，冷却凝固后用适当的方法除去复合体中的

15、颗粒载体，从而得到多孔金属材料1，3 0，3 1，33 1。由于界面张力缘故，金属有时不能进入到粒状物料周围的缝隙中，因此需要在熔体表面施加压力或使模具具有适当的负压才可达到浇注目的。该法是目前制备通孔金属多孔材料最为有效的方法之一，可用于制备多孔不锈钢、多孔铸铁、多孔镍、多孔铝、多孔铜等以及它们的合金 3 4 1。它的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小，缺点是最大孔隙率不超过8 0。3 1 5 喷雾发泡法该法是将金属熔体雾化成小液滴并在基底沿一定形状(若相关参数控制得当可形成片状、管状等)形成沉积层。然后使氧化物、碳化物或纯金属粉末被小液滴润湿并通过化学反应而沉积在基底上。由于金属粉

16、末会在雾化了的熔体中分解并释放大量气体，凝固后在沉积层中就会产生大量气孔。采用该法已制成泡沫铁 36 1，该方法的缺点是气孔分布不均匀，气孔率最高只有6 0。3 2 从固态金属粉末开始制备3 2 1 金属粉末或纤维烧结法【l，3 6 3 7 粉末烧结是把适当尺寸的金属粒子填入模具成形，然后进行无压烧结从而获得多孔烧结体。所得产品孔隙率一般在4 0 6 0。为了提高孔率，常加入造孔剂，造孔剂在烧结时分解或挥发，也可通过升华或水溶去除。该法的优点是工艺简单、成本低，缺点是孔隙率不高、材料强度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。纤维烧结是用金属纤维代替颗粒，所制得的泡沫体孔隙率可达9 8，

17、在最大的孔隙率下仍然保持了材料的结构性能。在相同的孔隙率下，其强度比金属粉末烧结高出几倍。3 2 2 气体夹带法【3 J该法系将金属粉末压成一密实的坯块，在压制的同时让气体夹在其中，然后加热坯块，由于气体的内压使坯块受热而得到泡沫金属。由于膨胀是在固态下发生的，因此称之为固态蠕变更为确切。3 2 3 料浆发泡法 1，3 8】将金属粉末、发泡剂和反应添加剂一起制成混合料浆后，填入模具内并升温，发泡剂受热产生气体滞留于有一定粘度的浆料中，最后经烧结、干燥而制成得多孔材料。该法可用来制备B e、N i、F e、C u、A 1及不锈钢和青铜等多孔材料。该制备方法存在的主要问题是材料强度不足且产品内部易

18、生成裂纹。3 2 4 海绵浸浆烧结法将海绵状材料(如天然或人工合成的塑料海绵)浸入待加工金属粉末的浆液之中，使海绵吸附达饱和。取出干燥后，在高温下使海绵状材料分解或热解，最后将留下的金属体在更高的温度下进一步加热烧结，冷却后即可得到高孔隙率的三维孔结构的固体多孔材料 3 8 。3 2 5中空球料烧结法将中空球体粘结起来再烧结可制得多孔材料，这些中空球料可由铜、镍、铁、或钛等制成。一般来说球体的直径为0 8m m 8m m，壁厚1 0m m 1 0 0m m。制备这些中空球料的方法很多：可以用化学或电沉积法将金属镀在聚合物球体上，再将聚合物去除。也可用金属粉末悬浮体将球体的聚合物(如聚苯乙烯)包

19、裹起来，再将其去除，烧结后即可得到密实的金属外壳【3 9】。该法的特点是孔的尺寸分布不是随机的，可通过中空球体的选择而得到最适当的尺寸，因此其机械或其他物理性能也是可以预测的 4 们。3 2 6 混合反应烧结法由于同一系统中不同组分的扩散系数不同，金属粉末混合物如T i+A l，F e+A 1 或T i+S i 经反应烧结而形成多孔材料【1 。3 3 从金属离子开始(电沉积法)1，3 0，4 川5】电沉积法是从金属的离子状态开始的，如电解液中的离子溶液。该法是用电化学的方法将金属沉积在易分解的薄膜有机物上，然后用热处理的方法将有机物除掉，进而烧结得到多孔金属。由于泡沫有机物不导电，故需将其浸入

20、导电浆料中进行导电化处理(电镀)，从而在多孔基体孔隙表面形成导电性高分子层。借助于已经比较成熟的电镀工艺，常见的镀液金属有 万方数据增刊2梁永仁等：金属多孔材料应用及制备的研究进展3 3 c u、N i、F e、C o、A g、A u 和P d 等，以c u、N i 最为常用；也可电镀合金，如黄铜、青铜、钴一镍合金、铜一锌合金等。一些不适宜用水溶液电解的金属，可用特殊镀液，如铝和锗经常在有机镀液中电解或溶盐电解。该法的特点是孔隙率高且孔隙分布非常均匀，但生产工序长、操作繁琐、成本稍高。采用此法可制备泡沫镍、铝、铜、铁、银、金、钻等薄膜材料。3 4 从气态金属或其化合物开始(气相沉积法)气相沉积

21、法是气相法制备金属泡沫材料的主要方法，主要原理是在真空下将液体金属挥发成金属蒸汽，然后沉积在一定形状的基底上，形成一定厚度的金属沉积层。基底材料一般为网状聚亚胺酯或其他聚合物。冷却后采用化学或热处理的方法将聚合物去除，得到通孔金属多孔材料。缺点是操作条件要求严格，沉积速度慢、投资大、生产成本高。4结语1)目前对金属多孔材料研究对象主要为多孔铝，应在研究多孔铝的基础上进一步研究其他金属，特别是高熔点金属为基体的金属多孑L 材料，如多孔N i、T i等。2)需研究适合工业推广应用的制备方法，制定出正确的生产工艺规程，以获得高性能的金属多孔材料；还要不断探索精确控制多孔金属的孔径的方法、并对影响气孔

22、分布、大小、形状的因素进行系统深入的研究分析。3)金属多孔材料性能方面的研究还需不断深入，没有一套系统的应用理论或数学模型，尤其力学性能的研究多数只是单轴抗压力一应变的实验结果报告，有待于进一步研究其作用机制。另外对多轴弯曲后的行为一疲劳、蠕变、断裂等方面的力学性能研究国外只有少量报道，国内在这方面的报道更少，而这方面的基础研究显然会推动多孔泡沫金属制备方法的进一步完善，开发其新的功能拓宽其应用领域，为此应加强这方面的研究。4)金属多孔材料的研究涉及到许多种学科，是一个交叉综合的多学科领域。目前对金属多孔材料的研究多为冶金或金属材料工作者采用单学科方法进行的，这就需要加强基础理论与相关交叉学科

23、知识的学习。结合现代高新技术，如引入计算机技术，对其成形机理，孔隙结构及其分布的内容进行模拟，更快的推进泡沫金属的批量生产和产业化进程。扩大其在工业领域的应用范围。参考文献R e f e r e n c e s【1 B a n h a nJ P r D g r e s Jf”蔓a f e，砌詹s o f P 珂c P【J】，2 0 0 1，4 6：5 5 9 2】D a iC h a n g s o n g(戴长松)甜口tR 口旭胞胁，彻把r f 口b 口n dE 馏加P e r f 增(稀有金属材料与工程)J】，2 0 0 5，3 4(3)：3 3 7 3 L i uP e i s h e

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27、术)【J ，1 9 9 9，2 7(1 2)：1 1 4】F e n d 口，口 E k P，：g yf J】，2 0 0 4，2 9(5 6)：8 2 3 1 5】x uG u a n g(徐光)如”M d，D 厂耽，矗口玎y 巧加踟f v e 坶砂矽f P n c P 口玎d 乃c 而胛o，D(武汉冶金科技大学学报)J ，1 9 9 8，2 1(4)：4 0 1 1 6】Y uL i m i n g(于利民)甜口，胁据r f 口瓜R g v 括w(材料导报)J ，2 0 0 3，1 7(6)：1【1 7】M aLQg f 以&，驴胁朋a f 洲口矗a J】，1 9 9 8，3 9(11)：

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31、即P 口r c 肋c f P 钞妙，妒o J f 甜珊P r D c 9 8 硪n 笋【J】，1 9 9 8，5 2 1(1 3 1 5)：3 1 5 2 9 D u a n eI 甜以4 c 幻拖把r f a，f 口【J ，2 0 0 0，4 8：2 3 4 9【3 0】C h e n gw e n g(陈雯)甜口f b，咖”叼w 肘跏f 馏d 玎d 朋j 幻砌倒(有色矿冶)J ，1 9 9 9，(1)：3 3【31】D a V i e sGJe ra 正，a“，玎口，q 厂 4 白f 8 r f 口瓜f P 玎c e【J】，1 9 8 3，18：1 8 9 9口现a n g a n 蚨王甍

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33、 胛凡“甩d 砂句z f 咖所P 厅，(铸造设备研究)J】，1 9 9 7，1：6 1【3 6】M e i r eSAH 引以，4 P 厂o s D，椰，2 0 0 0，3 1(6)：7 2 1 3 7 H s i e hWH 鲥以历f，肌口f 胁黜Z b 玎r【J】，2 0 0 0，4 3：3 0 0 l 3 8】L i uP e i s h e n g(刘培生)“以砌“朋口，矿n 玎c f f D 甩口，胁把r f 口厶(功能材料)f J ，2 0 0 2，3 3(1)：6 6 3 9】D i n gH u a d o n g(丁华东)甜以砌BC 协f 玎黜P 如“朋口，o，咖，m 淞 如

34、缸瓜(中国有色金属学报)J】，1 9 9 6，6(4)：1 2 3 4 0】L i mTJ“口正彳c 胁尬胞r 胁，抽 J】，2 0 0 2，5 0：2 8 6 7【4 1】B a d i c h ex 甜口j 蔓a f P rs c jE 馏4【J】，2 0 0 0，2 8 9：2 7 6H 毯nB a o s h a 呔李保山)e|口1 E g i H e e n gC h e m 话，M e l 口l l 甜唧(化工冶金)【J】，1 9 9 8，1 9(3)：1 9 9 4 3】H ex i h u a(何细华)酊口t 如胞r f 口居胁幻c f f D 玎(材料保护)【J】，1 9 9

35、 6，2 9(1 1)：1 2 4 4 z h a n gJ i n g h u a i(张景怀)“C 厅拥e s P 如”朋口，R 口陀 匏胁b(稀有金属)J】，2 0 0 1，2 5(3)：2 3 0 4 5 w ux i a o j u a n(武小娟)甜口f 如“埘口，鼬g 缈口肝g 如J f f 胁把矿死c 矗加，o 砂(沈阳工业学院学报)J】，2 0 0 1，2 0(1)：6 7P r o g r e s si nt h eA p p l i c a t i o n sa n dP r e p a r a t i o n so fP o r o u sM e t a l sL i

36、a n gY o n g r e n，Y a n gZ h i m a o，D i n gB i n 鲥u n(X i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y，X i a n7 1 0 0 4 9，C h i n a)A b s t r a c t；E x c e l l e n tp r o p e n i e so fp o r o u sm e t a l su s e da sf u n c t i o n a la n ds t m c t u r a lm a t e r i a l sa n dt h e i ra p p l i c a t

37、i o n sa r er e v i e w e di nt h ep r e s e n tp 印e r T h ek e ym e t l l o d sf o rm a n u f a c t u r i n gp o r o u sm e t a l ss u c ha ss 0 1 i dp h a s ep r o c e s s，】i q u i dp h a s ep r o c e s s，m e t a】v a p o rd 印o s i t i o na n de l e c t r o d e p o s i t i o n e t c a r es u m m a

38、r i z e d F i n a l l y，r e s e a r c h i n gf o c u sa n dm a j o rp r o b l e m sa r ep o i n t e do u t K e yw o r d s：p o r o u sm e t a l s；m a n u f a c t u r i n gm e t h o d s；f u n c t i o n a lm a t e r i a l；s t r I l c t I l r a lm a t e r i a lB i o g r 印h y：L i a n gY o n g r e n，C a n d i d a t ef o rM a s t er D，X i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y，x i a n7 1 0 0 4 9，P R C h i n a，T e l：0 0 8 6，2 9 8 2 6 6 5 9 9 5，E m a i l：l y g r e n s t u x j t u e d u c n 万方数据