科研創(chuàng)新(泡沫鋁夾層板制備研究)

1、科研創(chuàng)新姓 名: quanmuyi 學(xué) 號(hào) : 00000000 學(xué) 院:材料科學(xué)與工程專(zhuān) 業(yè):材料成型及控制科研題目:泡沫鋁及夾層板制備研究指導(dǎo)教師:二 O 一一 年 三 月 徐州1.泡沫鋁1.1泡沫鋁概述泡沫鋁是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后,經(jīng)過(guò)發(fā)泡工藝而成,同時(shí)兼有金 屬和氣泡特征, 是一種多空隙低密度的新型多功能材料。 它具有密度小、 高吸收 沖擊能力強(qiáng)、耐高溫、防火性能強(qiáng)、抗腐蝕、隔音降噪、導(dǎo)熱率低、電磁屏蔽性 高、耐候性強(qiáng)、有過(guò)濾能力、易加工、易安裝、成形精度高、可進(jìn)行表面涂裝等 特點(diǎn)。因此,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。早在 1948年美國(guó)人 Sosnik就提出了用汞在鋁中氣化發(fā)泡制備泡沫鋁

2、的方 法 ,隨后 Ellist于 1951年成功地制備出泡沫鋁。 20世紀(jì) 60年代美國(guó) Ethyl公司成為研制泡沫鋁的科研中心基地。 但由于發(fā)泡工藝與泡的尺寸很難控制, 一 直沒(méi)有得到發(fā)展。 直到 20世紀(jì) 80年代中期以后, 才取得長(zhǎng)足進(jìn)展, 開(kāi)發(fā)出一些 有工業(yè)價(jià)值的工藝:1991年 ,日本九州工業(yè)金屬研究所開(kāi)發(fā)出泡沫鋁工業(yè)化生 產(chǎn)工藝。 1999年 ,第一屆世界泡沫金屬學(xué)會(huì)議在德國(guó)不來(lái)梅順利召開(kāi) ,重點(diǎn)是 關(guān)于泡沫鋁的制造和應(yīng)用。 隨后 ,世界泡沫金屬學(xué)術(shù)會(huì)每隔兩年召開(kāi)一次 ,泡沫 金屬已發(fā)展成為一門(mén)重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域 1。目前 ,在泡沫鋁研究方面加拿 大、 美國(guó)和日本處于世界領(lǐng)先地位

3、其中日本的研究進(jìn)展速度最快 ,不僅將泡沫 鋁投入了生產(chǎn)并進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。 國(guó)內(nèi)自 80年代中期開(kāi)始進(jìn)行泡沫金屬材 料的研究 ,經(jīng)過(guò) 20多年的探索和研究 ,東南大學(xué)、 東北大學(xué)、 中國(guó)科學(xué)院、 北 京科技大學(xué)、 昆明理工大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)都先后做過(guò)許多研究。在泡沫金屬制備 方面 ,國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)泡法和滲流法研究得較多且基本趕上國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平 ,只是 對(duì)連續(xù)生產(chǎn)方法的研究還屬空白 ,仍然有待開(kāi)發(fā) ,從而擴(kuò)大泡沫金屬的實(shí)際應(yīng) 用。由于泡沫鋁具有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能與可回收性能等,被 認(rèn)為是一類(lèi)很有開(kāi)發(fā)前途的工程材料, 有著廣泛的應(yīng)用前景, 特別在在建筑、 交 通運(yùn)輸、 機(jī)械、 電子、 通

4、訊和軍工等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景。最常用的泡沫鋁合金是純鋁、 2×××系列合金及 6×××合金。鋁 -硅系鑄 造合金因其熔點(diǎn)低與良好的成型性能, 也可用于制造泡沫材料。 目前, 世界各國(guó) 已研制開(kāi)發(fā)出多種制造泡沫鋁的方法和加工工藝, 生產(chǎn)出了不同的規(guī)格品種和用 途的泡沫鋁材,已取得可喜成果,正在向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方向發(fā)展。1.2泡沫鋁的特性及其應(yīng)用1.2.1泡沫鋁的主要特性 2由于制備工藝的不同 , 從結(jié)構(gòu)看泡沫鋁可分為閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁和開(kāi)孔結(jié)構(gòu) 的泡沫鋁。前者含有大量獨(dú)立存在的氣泡 , 而后者則是連續(xù)貫通的三維孔結(jié)構(gòu)。 泡沫鋁的性能主要取決

5、于分布在三維骨架間的孔隙特征 , 即孔的形態(tài)和分布 , 包 括孔的類(lèi)型、 孔的形狀、 孔的分布、 孔的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的性能差異 , 使其具有不同的用途。在冶金、 化工、 航空航天、 船舶、 電子、 汽車(chē)制造 和建筑業(yè)等領(lǐng)域得到了和將要得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的金屬鋁相比 , 泡沫鋁具有 如下特征:(1 密度小 3泡沫鋁是一種輕質(zhì)功能材料。泡沫鋁密度通常為 180- 480 kg/ m3, 約為鋁密 度的 1/ 10、鈦密度的 1/ 20、鋼密度的 1/ 30及木材密度的 1/ 3。一般建筑材 料采用密度為 200- 300 kg/ m3的泡沫鋁材 , 而用做消聲材料時(shí)則用密度為 320- 42

6、0 kg / m3的材料。泡沫鋁的密度可在很大范圍內(nèi)變化 , 目前所能獲得的最大 孔隙率可達(dá) 97% ,其尺寸從幾個(gè)微米到幾十個(gè)毫米。一般規(guī)律是孔隙率越大 , 泡 沫鋁的密度越小。(2 耐熱性強(qiáng)泡沫鋁具有較高的耐熱性。一般鋁合金的熔解溫度范圍在 560- 700 ,但 泡沫鋁即使加熱到 1 400,也不熔解 , 而且在高溫下不釋放有害氣體。以此 , 在 許多場(chǎng)合可以取代發(fā)泡樹(shù)脂或石棉類(lèi)制品用做隔熱與耐熱材料及各種熱交換器 的芯件。 還可用做航天設(shè)備的核心材料、 高溫填料、 電磁屏蔽材料、 阻燃器、 慢性約束核聚變激光實(shí)驗(yàn)中的超熱電子抑制材料等。(3 通透性好 4具有良好通透性的貫通孔泡沫鋁可作

7、為過(guò)濾材料 , 從液體或氣體中將固體顆 粒過(guò)濾出去。通常 , 通透性隨孔徑的增加而增加 , 但它也受表面粗糙度的影響 , 而 且受閉孔數(shù)目的影響較大?？捎糜诟鞣N液體、 氣體的過(guò)濾器和高溫除塵器中。 (4 剛性強(qiáng)泡沫鋁不具有密實(shí)金屬那樣的延展性 , 拉伸試驗(yàn)無(wú)法測(cè)出拉伸率 , 彈性模 量約為鋁合金的 1/ 50-1/ 100。泡沫鋁質(zhì)脆 , 與鋁合金不同 , 當(dāng)發(fā)生大的變形時(shí) , 其蜂窩組織產(chǎn)生破壞 , 反之 , 如果蜂窩組織不達(dá)到破壞強(qiáng)度 , 泡沫鋁是不會(huì)產(chǎn)生 變形的。(5 比表面積大利用泡沫鋁的大比表面積 , 可達(dá)到高的換熱性 , 由此它可用做制造加熱器和 熱交換器的良好材料。 另外 , 也

8、可用做需要巨大表面化學(xué)反應(yīng)的載體 , 如作為催化 劑的載體、 多孔電極、 充電電池的極板材料、 換熱器、 能量吸收器和催化劑的載 體等。(6 隔聲性能強(qiáng)泡沫鋁可通過(guò)氣孔壁的振動(dòng)來(lái)吸收聲音的能量 , 用來(lái)消聲、去除噪聲。一般 情況下 , 通孔泡沫鋁的吸聲性能更好?？椎某叽缬绊懫鋵?duì)整個(gè)聲波頻率范圍的吸 收性能 , 孔越小 , 吸聲能力越大。 通過(guò)改變泡沫鋁孔的尺寸和形狀可以獲得好的吸 聲性能?？捎糜诮ㄖ袠I(yè)中的內(nèi)外裝飾件、 幕墻、 間壁活動(dòng)門(mén)板 , 制造高性能 吸聲板、 隔聲墻、 各種消聲器等。泡沫鋁的隔音性能見(jiàn)表 1 37 具有吸收沖擊能量的能力泡沫鋁不像蜂窩材料那樣具有方向性 , 也不像高分子

9、泡沫材料具有反彈作 用 , 它有很好的減震(阻尼性能 , 是制造抗沖擊部件的良好材料?？捎糜谄?chē) 剎車(chē)器、 夾緊裝置以及航空航天設(shè)備中的保護(hù)封套和緩沖器。其阻尼性的大小 與氣孔孔徑的大小有關(guān)。可用于升降機(jī)和傳送器的安全墊、 高磨床防護(hù)裝置的 減震吸能內(nèi)襯、 高精密機(jī)床的底座等。而且泡沫鋁的減振(阻尼性能與其氣 孔孔徑的大小有關(guān) , 可通過(guò)調(diào)整材料的孔隙特征對(duì)其阻尼性能進(jìn)行調(diào)節(jié)8 良好的吸音性泡沫鋁中大量的孔洞允許聲波進(jìn)入其中 , 泡沫內(nèi)介質(zhì) (一般為空氣 在聲波 作用下發(fā)生壓縮伸張變形 , 引起介質(zhì)與孔壁之間摩擦 , 使聲能轉(zhuǎn)化為熱能; 泡內(nèi) 介質(zhì)在聲波作用下 , 產(chǎn)生振動(dòng)引起聲波射向金屬表面

10、 , 從而產(chǎn)生漫射而干涉消 音。 尤其在中、 低頻率時(shí)。 這是由于泡沫鋁的孔隙的慣通性、 體積膨脹性及孔壁 的良好導(dǎo)熱性 , 必將補(bǔ)償由于聲波頻率降低、 振動(dòng)衰減及孔壁摩擦阻力減小所引 起的不良吸聲性 , 可使泡沫鋁在中、 低頻率下取得優(yōu)良的吸聲效果 , 尤其在低于 1 000 Hz 左右的頻率范圍。隨著孔徑的減小、孔隙率的增大 , 吸聲性能有規(guī)律的提 高。泡沫鋁吸音性能見(jiàn)表 2 39 其他性能泡沫鋁還具有氣敏性、催化性、良好的保溫性 , 同時(shí)還具有電磁屏蔽性能 , 對(duì) 高頻電磁波有良好的屏蔽作用 , 能夠使電磁干擾降低 80%以上。 5 mm 厚、孔隙率 為 90%的閉孔泡沫鋁 , 在 60

11、- 1 000 MHz 電磁屏蔽性能為 35- 75 db,可用于電磁 屏蔽室 (罩 、電子儀器外殼、無(wú)線(xiàn)電錄音室 電磁屏蔽等場(chǎng)合。由于泡沫鋁具有如此眾多的特性 , 預(yù)計(jì)其在航空航天、 電訊及環(huán)境保護(hù)等新 領(lǐng)域中必將有很好的應(yīng)用前景。1.2.2泡沫鋁的應(yīng)用泡沫鋁具有各種優(yōu)良性能 :密度小,耐熱性強(qiáng),隔音性好,耐沖擊,通透性好。 因此在民用、 工業(yè)、 交通、 航空、 航天及軍事國(guó)防等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前 景。泡沫鋁從結(jié)構(gòu)上可分為開(kāi)孔和閉孔兩種,孔結(jié)構(gòu)是決定其應(yīng)用的主要因素, 例如許多應(yīng)用需要介質(zhì)、 液體或氣體流通泡沫鋁, 這就需要完全開(kāi)孔結(jié)構(gòu), 而承 載件就要求閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁。 圖 1展示

12、了不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)仔螒B(tài)的要求。 根據(jù) 應(yīng)用范圍的不同,可以將泡沫鋁的應(yīng)用分為兩類(lèi) :結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用和功能材料的 應(yīng)用 5。(1泡沫鋁作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用作為結(jié)構(gòu)材料,泡沫鋁在汽車(chē)、航天、建筑、鐵路行業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、體育 器材、生物醫(yī)學(xué)中都有著廣泛的應(yīng)用前景。汽車(chē)工業(yè)上的應(yīng)用未來(lái)汽車(chē)將要求更加輕便節(jié)能、 安全、 有良好的抗震性。 如果采用泡沫鋁材制造 蓋板、 卡車(chē)蓋與滑動(dòng)頂板等可減輕重量并提高剛度。 德國(guó)卡曼汽車(chē)公司與夫需霍 弗研究所共同使用“夾層板”泡沫鋁制造轎車(chē)頂蓋板 . 其剛度比原來(lái)鋼構(gòu)件大 7倍左右。而其質(zhì)量卻比鋼件小 25%。此外,這種泡沫鋁還具有更高的吸收沖擊能 和聲能的效果。航天工業(yè)

13、同時(shí)具有多項(xiàng)優(yōu)良性能的泡沫鋁是航天工程一直追尋的理想結(jié)構(gòu)材料。 在空 間技術(shù)中, 泡沫金屬輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有非常重要的應(yīng)用前景。 用泡沫鋁夾層材料替代 昂貴的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件, 在獲得更高的性能的同時(shí)又使成本大幅度下降。 波音公 司試驗(yàn)了用泡沫欽和泡沫鋁夾層材料制成直升飛機(jī)的尾架, 這種材料與以往的蜂 窩夾層材料相比還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是可以制成彎曲甚至三維的形狀。 正是 這個(gè)原因,一些直升飛機(jī)制造商正考慮用泡沫鋁夾層材料部分替代蜂窩夾層材 料。建筑業(yè)建筑業(yè)中泡沫鋁有著廣泛的應(yīng)用范圍。 例如, 用泡沫鋁材制造電梯可大大減 輕其重量, 從而減少能量消耗, 而且泡沫鋁優(yōu)良的能量吸收性能又保證了電梯的 安

14、全性。 如果泡沫鋁作為裝飾材料, 既輕便美觀(guān), 又可以起到防火、 隔音的效果。 (2泡沫鋁作為功能材料的應(yīng)用過(guò)濾器過(guò)濾器主要是從液體中分離固體顆?；驈臍怏w中分離固體和液體。 例如, 凈 化熔融聚合物, 除去空氣中的油煙和水汽。 過(guò)濾器要求有良好的過(guò)濾性能, 耐蝕 性以及優(yōu)良的力學(xué)性能,而開(kāi)孔泡沫鋁正是制備過(guò)濾器的理想材料。熱交換器高熱導(dǎo)性泡沫鋁可以作為熱交換器材料, 這就要使用諸如鑄造法生產(chǎn)的開(kāi)孔 泡沫鋁, 通過(guò)加熱或冷卻泡沫鋁, 使流通過(guò)的氣體或液體得到加熱或冷卻。 如泡 沫鋁可以制成一種緊湊的散熱器用于微電子裝置上對(duì)高密度發(fā)熱元件的冷卻, 如 對(duì)計(jì)算機(jī)的集成電路和電源的冷卻。催化劑載體高效

15、催化劑要求在與氣體、 液體反應(yīng)時(shí)有大的接觸面積, 因此催化劑就可以 被注入多孔材料中。 由于多孔泡沫鋁有大的表面積, 同時(shí)有很好的塑性和導(dǎo)熱性, 所以可以充當(dāng)催化劑載體。同時(shí)催化劑在泡沫鋁中有良好的機(jī)械完整性,例如, 即使在經(jīng)歷多次升降溫循環(huán),催化劑基本沒(méi)有損失。作為功能材料, 泡沫鋁還可以制備電極、 噴霧器、 消聲器、 自潤(rùn)滑軸承等多 種產(chǎn)品,其應(yīng)用前途十分廣闊。1.3泡沫鋁的制備方法最常用的泡沫鋁合金是 2XXX, 6XXX系合金。鋁硅系鑄造合金因其熔點(diǎn)低與 良好的成型性能, 也可用于制造泡沫材料。 目前, 世界各國(guó)已研制開(kāi)發(fā)出多種加 工工藝和制造方法, 使不同規(guī)格和品種的泡沫材料正在向產(chǎn)

16、業(yè)化方向發(fā)展。 制備 泡沫鋁的方法有多種,根據(jù)制備過(guò)程中鋁的狀態(tài)可以分為三大類(lèi) :液相法、固相 法、電沉積法,見(jiàn)圖 1-1,圖中英文為該法生產(chǎn)的泡沫鋁商品名稱(chēng)。 圖 1-1 泡沫鋁制備方法 61.3.1液相法(1熔體發(fā)泡法 (Direct foaming其基本原理主要是將鋁或鋁合金熔化,隨后加入增粘劑使鋁熔體的粘度增 加, 以防止氣泡從熔體中溢出, 最后經(jīng)冷卻使熔體中的氣體滯留在熔體內(nèi)部。 氣 體的來(lái)源有兩種 :一是直接從外部向鋁液中注入氣體 ; 二是在鋁液中加入發(fā)泡劑。 但目前液相法只能做出板狀泡沫鋁。熔體注氣法 (Foaming by gas injection各種泡沫鋁合金都可用此法生產(chǎn)

17、。 將鋁合金熔融后, 加入一定體積分?jǐn)?shù)的增 粘顆粒 (碳化硅、氧化鋁等 進(jìn)行增粘,然后從熔融鋁液底部吹入氣體 (空氣、氮 氣、氫氣 ,同時(shí)對(duì)液體進(jìn)行攪拌使氣泡細(xì)小并均勻分布,在金屬液中形成大量 氣孔后冷卻凝固制得泡沫鋁。 這種方法優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn), 可獲得低密度、 大 體積的產(chǎn)品。 缺點(diǎn)是要對(duì)泡沫板材進(jìn)行剪切, 造成泡沫開(kāi)孔, 同時(shí)由于顆粒的加 入,使胞壁變脆,對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。圖 1-2熔體注氣法示意圖加發(fā)泡劑法 (Foaming with blowing agents該法將發(fā)泡劑與合金進(jìn)行混合, 加熱使發(fā)泡劑釋氣, 由此可形成泡沫鋁。 國(guó) 內(nèi)目前采用較多的發(fā)泡劑是金屬氫化物,如 T

18、iH 2或 ZrH 2等。此方法具有工藝簡(jiǎn) 單, 成本較低, 所得樣品孔隙率高等優(yōu)點(diǎn), 適合于制備尺寸較大的試樣。 缺點(diǎn)是氣泡分布不均且局部氣泡尺寸過(guò)大。(2固 -氣共晶凝固法 (Solid-gas eutectic該法是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新方法,依據(jù)是在 H 2中,一些金屬可形成共晶系 統(tǒng)。 在高壓 H 2下 (50x106Pa 得含氫的均勻鋁液, 如果降低溫度通過(guò)定向凝固將發(fā) 生共晶轉(zhuǎn)變, H 2在凝固區(qū)域內(nèi)含量增加,并且形成氣泡。因?yàn)轶w系壓力決定共晶 組成, 所以外部壓力和氫含量必須協(xié)調(diào)好。 最終孔的形狀主要取決于氫含量、 鋁 液外部壓力、 凝固的方向和速率、 金屬液的化學(xué)成分, 通常沿凝

19、固方向形成管狀 孔,孔直徑 1 Om-lOmm ,長(zhǎng)度 100m-300mm 。(3鑄造法熔模鑄造 (Investment casting用耐熱材料 (莫來(lái)石、 酚醛樹(shù)脂、 石膏 填充開(kāi)孔的高分子泡沫, 然后通過(guò)加 熱除去高分子泡沫并將鋁液鑄入模型中來(lái)復(fù)原高分子泡沫的結(jié)構(gòu), 這一步可以采 用加壓和加熱模型的方法使細(xì)小孔洞得到充分填充, 最后用水溶等方法除去耐熱 材料, 即得到與原高分子泡沫相同結(jié)構(gòu)的泡沫鋁。 此法的難點(diǎn)在于如何使鋁液充 分填充到模型中, 以及如何在不破壞泡沫鋁結(jié)構(gòu)的同時(shí)除去耐熱模型。 優(yōu)點(diǎn)是可 制備多種泡沫金屬, 并且可以得到開(kāi)孔結(jié)構(gòu), 生產(chǎn)重復(fù)性好, 有相對(duì)穩(wěn)定的密度。 滲流

20、鑄造法 (Infiltration casting將液態(tài)鋁合金滲入到填料顆粒的間隙中而獲得鋁合金填料復(fù)合體的一種方 法。 填料可以使用耐熱且可溶的材料 (如精鹽 。 樣品制成后, 填料粒子可從鑄件 中浸洗掉, 從而獲得具有連通空隙結(jié)構(gòu)的泡沫鋁。 滲流鑄造法又可分為上壓滲流 鑄造法和負(fù)壓滲流鑄造法, 這兩種方法都可以得到通孔性良好的泡沫鋁樣品, 并 且填料粒子可以迅速去除,并重復(fù)使用。1.3.2固相法 (Solid用鋁粉末代替液態(tài)鋁同樣可制得多孔材料。 因?yàn)榇蟛糠止滔喾ㄍㄟ^(guò)燒結(jié)使鋁 顆?；ハ嗦?lián)結(jié),鋁始終保持在固態(tài),所以此法生產(chǎn)的泡沫鋁多數(shù)具有通孔結(jié)構(gòu)。 (1 散粉燒結(jié)法 (Sintering o

21、f aluminum powders這種生產(chǎn)方法包括三個(gè)過(guò)程 :粉末準(zhǔn)備,粉末壓縮,粉末燒結(jié)。此方法多用 于制備泡沫銅。 由于鋁粉表面具有的致密氧化膜將阻止顆粒燒結(jié)在一起, 因此用 散粉燒結(jié)法制備泡沫鋁相對(duì)困難。 這時(shí)可以通過(guò)變形手段破壞氧化膜, 使顆粒更 易粘結(jié)在一起 ; 或加入鎂、銅等元素在 595 -625燒結(jié)時(shí)形成低共熔合金。用 散粉燒結(jié)制備的泡沫金屬優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、 成本低, 缺點(diǎn)是孔隙率不高、 材料強(qiáng) 度低。如果用纖維代替粉末燒結(jié)同樣可制得多孔材料。(2 粉漿燒結(jié) (Foaming of slurries把鋁粉、 發(fā)泡劑 (磷酸加氫氧化鋁 、 活性添加劑混合后注入模子中形成含有 泡

22、沫的鋁粉漿,逐漸升溫,在添加劑、發(fā)泡劑影響下,漿開(kāi)始變粘,并隨產(chǎn)生的 氣體開(kāi)始膨脹。如果工藝參數(shù)控制得當(dāng),經(jīng)燒結(jié)后就可得到一定強(qiáng)度的泡沫鋁。 該法存在的主要問(wèn)題是制得的泡沫材料強(qiáng)度不高并有裂紋。 如果把粉漿直接灌入 高分子泡沫中,通過(guò)升溫把高分子材料熱解,燒結(jié)后同樣可制得開(kāi)孔泡沫材料。 (3 填加造孔劑法 (Based on space holderBrain等人用高分子球、鎂顆粒、尿素作為造孔劑制備了多孔鈦。由于鋁表 面致密的氧化層使顆粒之間在燒結(jié)時(shí)結(jié)合困難,所以用此法制備泡沫鋁并不多。 (4粉末冶金法(powder metallurgy由于此法的原料是鋁粉末, 所以有的文獻(xiàn)將其列入固相法。

23、 但該法實(shí)際的發(fā)泡階段是在液相,因此也有文獻(xiàn)將其列入液相法。在此將其列入固相法討論。 該法的原理是將鋁粉或鋁合金粉與一種發(fā)泡劑粉末混合, 將這種混合物壓制 成密實(shí)的金屬基體, 然后對(duì)其加熱升溫。 當(dāng)溫度升至鋁粉或鋁合金粉的熔點(diǎn)以上。 發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體在熔融狀態(tài)的鋁或鋁合金內(nèi)部形成無(wú)數(shù)的氣孔, 冷卻這種鋁基 體后, 即可得到泡沫鋁產(chǎn)品, 該工藝相對(duì)簡(jiǎn)單, 優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)具體要求制作各 種復(fù)雜的異型件。 缺點(diǎn)是比熔體發(fā)泡法成本高, 工件尺寸受到限制, 孔尺寸難控 制 7。1.3.3電沉積法 (Electro-deposition電沉積法是以泡沫塑料為基底, 經(jīng)導(dǎo)電化處理后為陰極, 工業(yè)純鋁板為陽(yáng)極

24、, 在烷基鋁溶液中電鍍制成泡沫鋁。 采用此電沉積法制備的泡沫鋁具有容易控制孔 隙結(jié)構(gòu)、 孔徑小、 孔隙均勻、 孔隙率高等特點(diǎn)。 其隔熱性能和阻尼特性?xún)?yōu)于鑄造 法生產(chǎn)的泡沫鋁 ; 其吸聲性能與聲頻率有關(guān),聲頻率在 1000-2000Hz 之間時(shí),平 均吸聲系數(shù)為 0.751,是一種很好的吸聲降噪材料。2.泡沫鋁夾層板泡沫鋁夾層板(Aluminum Form Sandwich 即 AFS 或泡沫鋁夾芯板、泡沫鋁 三明治。 隨著泡沫鋁制備技術(shù)日益成熟以及對(duì)其比強(qiáng)度應(yīng)用需求, 其應(yīng)用設(shè)計(jì)研 究的重要性日益增大,而泡沫鋁夾層板是其很重要的應(yīng)用方面。 泡沫鋁夾芯板 泡沫鋁夾層板有三個(gè)特點(diǎn) :1、 兩個(gè)比較

25、薄的、 高強(qiáng)度、 高密度材料作為表面。 2、 一個(gè)材料密度較低的夾心層。 3、 面板與夾心層的結(jié)合通過(guò)膠粘或冶金結(jié)合實(shí)現(xiàn)。 生產(chǎn)泡沫鋁夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)首先由德國(guó) Fraunhofer 先進(jìn)材料制造研究所和 德國(guó)卡曼汽車(chē)公司聯(lián)合推出。 由金屬面板與泡沫鋁芯構(gòu)成的夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)是輕質(zhì)、 高比剛度, 并具有良好的減震性能, 主要應(yīng)用為泡沫鋁夾層板梁、 板、 管以及夾層板異型件。在汽車(chē)、航天、航空等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。此外, 還有吸收沖擊能與聲能的效果,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬板、金屬網(wǎng)、木材、塑料、有 機(jī)玻璃等作為機(jī)床防護(hù)罩材料。目前在國(guó)外己經(jīng)成功地用于高速磨床吸能內(nèi)襯, 充分地起到了吸聲減振

26、的作用。 泡沫鋁夾層板既是一種熱穩(wěn)定好不可燃材料, 也 是一種抗破壞的耐用材料,并能完全回收與再生利用。2.1泡沫鋁夾層板的結(jié)構(gòu)與性能2.1.1良好的抗沖擊及能量吸收特性泡沫鋁是一種輕質(zhì)的具有吸收能量和抗沖擊性能的多孔材料,但強(qiáng)度相對(duì)較低。 然而, 將其做合成結(jié)構(gòu)則既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度要求, 又能滿(mǎn)足高能量吸 收的要求。2.1.2良好的抗震性泡沫鋁本身是一種輕質(zhì)高阻尼材料, 其金屬框架及孔隙結(jié)構(gòu)具有高能量吸收的特 性,阻尼值可為鑄鐵材料的 5一 10倍。采用泡沫鋁作為芯層材料時(shí),芯層材料 作為阻尼層在振動(dòng)發(fā)生時(shí)會(huì)被迫伸縮, 層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力和應(yīng)變, 因此會(huì) 損耗更多的能量。 特別是

27、, 泡沫鋁芯和金屬面板之間的接觸界面對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼有極 大的影響。 如果接觸表面間在壓力作用下可以相對(duì)滑動(dòng), 則會(huì)產(chǎn)生附加的界面阻 尼作用, 阻尼效應(yīng)由界面的干摩擦產(chǎn)生, 這就使得過(guò)量的震動(dòng)可得到有效的衰減。 2.1.3良好的吸音特性泡沫鋁吸聲板是一種先進(jìn)的吸聲材料, 其吸聲性能除了與材質(zhì)有關(guān)外, 還與材料厚度、覆面材料、空腔大小等有關(guān)。制備出來(lái)的泡沫鋁夾芯板可以從中間劈開(kāi), 將其分成兩半具有吸音功能的材料。2.1.4其它特性除了上述特性外,泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)還具有重量輕、用料少、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn), 特別是泡沫鋁夾芯板這種輕質(zhì)型復(fù)合板材表而比較平整, 不易變形, 具有耐久性 和靚麗的裝飾, 防水性、

28、密封性能也較好, 其耐熱、 隔熱性還會(huì)起到保溫的作用。 鑒于泡沫鋁夾芯板諸多的優(yōu)良性能,因此倍受?chē)?guó)內(nèi)外的關(guān)注。 (見(jiàn)表 3 ; 相對(duì)于其他材料的夾層板結(jié)構(gòu),泡沫鋁夾層板結(jié)構(gòu)具有芯部性能各向 同性、成本低等優(yōu)勢(shì) ; 采用粉末冶金發(fā)泡法還可以制成復(fù)雜形狀的夾層板零件, 耐熱性?xún)?yōu)良。 因而必將在汽車(chē)、 航空、 航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 圖 1-3是德 國(guó)佛朗霍夫先進(jìn)材料研究中心 (IFAM利用冶金發(fā)泡法制備的夾層板板樣。 圖中上 下兩層為鋁面板,中間為泡沫芯,面板與泡沫芯之間為冶金結(jié)合。 圖 1-3泡沫鋁夾層板 82.2泡沫鋁夾層板的制備方法 9目前泡沫鋁夾層板的制備工藝主要有兩大類(lèi):一類(lèi)是先由熔

29、體發(fā)泡法、粉末 冶金法等制備泡沫鋁, 再通過(guò)金屬泡沫與金屬板材采用膠粘或其他方法連接在一起; 第二種方法是鋁硅粉加金屬發(fā)泡劑和金屬板材壓制成預(yù)制體, 在加熱爐里加 熱過(guò)熔點(diǎn)發(fā)泡,冷卻后成泡沫鋁夾層板。2.2.1粉末冶金法此法是根據(jù)所需的泡沫鋁合金成分, 將鋁粉和其他合金元素粉 (如硅、 鎂等 及發(fā) 泡劑粉末 (如 TiH 2 按一定重量比混合。將混合粉與面板一起放入模具中 (混合粉 在兩塊面板之間 經(jīng)過(guò)壓力成型,成型方法可以是壓縮或擠壓,最后得到可發(fā)泡 三明治復(fù)合板。 隨后將經(jīng)過(guò)冷軋后的坯料放入加熱爐中, 在適當(dāng)?shù)臏囟认录訜嶂?復(fù)合板的芯部熔融, 發(fā)泡劑分解出氣體使鋁溶體發(fā)泡, 得到具有冶金界

30、面結(jié)合的 泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)。所制備出的泡沫產(chǎn)品的相對(duì)密度為 2040%。模具的空腔即 為泡沫鋁制品的幾何形狀,他的優(yōu)點(diǎn)是可以直接制造復(fù)雜形狀的零件,圖 1-4為其原理圖。 用這種方法可直接生產(chǎn)用于小汽車(chē)結(jié)構(gòu)的泡沫鋁三明治板材。 這種 泡沫鋁三明治比鋼板的剛性大 10倍,而重量卻輕了 50%,可用于汽車(chē)的地板、 火墻、車(chē)頂和行李廂等。 圖 1-4 粉末冶金法2.2.2膠粘法膠粘法是用粘合劑把面板與泡沫鋁芯板粘接起來(lái), 如日本的 ShikeWire 公司生產(chǎn) 的 Alporas 三明治就是采用膠粘法,外層板材可以是鋁板、鋼板或大理石板等, 建筑用 Alporas 板的表面處理是噴涂丙烯酸樹(shù)脂或噴涂

31、陶瓷層。 由于膠是一種有 機(jī)溶劑, 不耐高溫, 在一些環(huán)境惡劣的情況下, 該種三明治結(jié)構(gòu)材料就會(huì)發(fā)生失 效。 另外, 如同蜂窩鋁三明治一樣, 膠粘部分還存在一個(gè)年限問(wèn)題, 超過(guò)一定的 使用時(shí)間, 也會(huì)出現(xiàn)老化失效情況。 此外, 膠粘 AFS 通常只能制備板狀構(gòu)件, 使 其應(yīng)用領(lǐng)域受限。2.2.3其他方法目前還有使用玻璃纖維與聚氨酯為面板的泡沫鋁夾心三明治 10, 利用超聲波扭轉(zhuǎn) 將鋁和鐵合金板焊接到閉孔泡沫鋁上制造三明治板 11, 熱固性塑料一泡沫鋁三明 治板 12, 纖維增強(qiáng)泡沫鋁三明治, 鋼包泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu) 13, 超塑性鋁合金板與閉孔泡沫鋁擴(kuò)散連接形成三明治結(jié)構(gòu) 14,15。2.3泡沫

32、鋁夾層板的應(yīng)用2.3.1在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用輕質(zhì)、高剛度且有吸能和隔音性能的泡沫鋁夾層板己在國(guó)外汽車(chē)上得到應(yīng) 用,如頂蓋板、底蓋板和滑動(dòng)頂板等高剛度構(gòu)件。在汽車(chē)沖擊區(qū)的部件上 (如金 屬橫梁、保險(xiǎn)杠等 使用合適形狀的泡沫鋁夾層板,可控制最大能量的變形,對(duì)側(cè)面沖擊保護(hù)同樣如此。由德國(guó) Fraunhofer 先進(jìn)材料制造研究所和德國(guó)卡曼汽 車(chē)公司聯(lián)合推出的夾層板式復(fù)合泡沫鋁材制造的吉雅輕便轎車(chē)的頂蓋板的剛度 比原來(lái)的鋼構(gòu)件大 7 倍左右，而其質(zhì)量卻比鋼件輕 25%5。此外，還有更高的 吸收沖擊能與聲能的效果，其保溫絕熱性能比鋁的好 1 倍。用泡沫鋁夾層板制造 的某些汽車(chē)零件的質(zhì)量，只有原鋼件質(zhì)量的

33、1/2，而其剛度卻為鋼件的 10 倍， 對(duì)頻率大于 800Hz 的噪聲有很強(qiáng)的消聲能力。據(jù)預(yù)測(cè)，約有 20%的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu) 件可用 AFS ( Aluminum Foam sandwich材料制造，一輛中型轎車(chē)用 AFS 材料制 造的零件可減重 27.2 kg 左右，同時(shí)使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，汽車(chē)成本還會(huì)有所下降。 泡沫鋁夾層板的上述特性正適合汽車(chē)輕質(zhì)、低耗、環(huán)保等發(fā)展方面的要求，因此 該結(jié)構(gòu)材料將會(huì)受到汽車(chē)工業(yè)的極大青睞。 1.2 為部分構(gòu)件由泡沫鋁夾層板板 圖 組成的汽車(chē)。 泡沫鋁機(jī)械零件替代傳統(tǒng)的密實(shí)汽車(chē)鑄件，對(duì)于汽車(chē)的輕量化具有重要意 義。歐洲各國(guó)在 1996-2000 年的一項(xiàng)聯(lián)合科研項(xiàng)目

34、中，對(duì)泡沫鋁用于交通運(yùn)輸工 業(yè)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和吸收沖擊能量方面的效果進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)， 通過(guò)在汽車(chē)上的多 個(gè)部位采用泡沫鋁結(jié)構(gòu)的測(cè)試，認(rèn)為該材料具有很好的應(yīng)用潛力，是車(chē)輛輕量化 的關(guān)鍵材料之一。 2.3.2 航空航天業(yè)上的應(yīng)用 昂貴的蜂窩狀結(jié)構(gòu)被泡沫鋁夾層板替代能夠保證在降低成本的基礎(chǔ)上提高 性能。 美國(guó)采用氣泡夾帶法制備的大塊泡沫鋁夾層板和泡沫鋁夾層板用于直升飛 機(jī)的尾翼，對(duì)二者進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，泡沫鋁夾層板材料對(duì)比通常平板的蜂窩狀結(jié)構(gòu) 材料的一個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以用于制備彎曲的甚至 3D 形狀的結(jié)構(gòu)材料。 2.3.3 其他軍事裝備上的應(yīng)用 在坦克、輕型裝甲戰(zhàn)車(chē)方面，需求多孔超輕金屬材料制造復(fù)合裝

35、甲，提高裝 11 甲防穿透的能力和提高機(jī)動(dòng)性。在兩層鋼板之間夾一層泡沫鋁材料，當(dāng)破甲彈穿 過(guò)外層鋼板后遇到泡沫鋁層， 射流直徑驟然擴(kuò)大， 導(dǎo)致破甲彈無(wú)力穿透里層鋼板， 由此可以看出泡沫鋁夾層板在軍事上的應(yīng)用較為廣泛。 2.3.4 其它方面的應(yīng)用 泡沫鋁夾層板結(jié)構(gòu)利用其高阻尼特性可應(yīng)用于緩沖器及吸振器中，還可用于 宇宙飛船起落架、升降機(jī)、傳送器安全墊、機(jī)器人支架、航天器、風(fēng)車(chē)等。此外， 利用其吸聲減振性，夾層板式泡沫鋁板也可作為電梯艙壁、室內(nèi)裝飾吸聲材料以 及輕軌、高速公路、冷卻塔、變電所等的聲屏障。 2.4 泡沫鋁夾層板研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 2.4.1 研究現(xiàn)狀 目前國(guó)外制備泡沫鋁夾層板主要采

36、用兩種方法，一種是通過(guò)熔體發(fā)泡法和吹 氣法兩種途徑制備得到泡沫鋁然后通過(guò)膠粘結(jié)合； 另一種是通過(guò)面板與可發(fā)泡預(yù) 制件壓制，并加熱發(fā)泡形成具有冶金結(jié)合的泡沫鋁夾層板。20 世紀(jì) 90 年代中 期 , 加拿大、挪威、美國(guó)等出現(xiàn)了連續(xù)噴吹氣體制備泡沫鋁的方法 , 使連續(xù)生 產(chǎn)成為可能泡沫鋁通氣發(fā)泡連鑄的實(shí)際應(yīng)用以加拿大 Cyma 鋁業(yè)公司最為經(jīng)典 16,國(guó)內(nèi)熔體發(fā)泡法產(chǎn)業(yè)化也有少數(shù)公司生產(chǎn)。對(duì)粉末冶金法研究德國(guó) IFAM 和 奧地利取得了初步的成功外，其余研究機(jī)構(gòu)進(jìn)展不大，主要問(wèn)題是未能很好掌握 AFS 制備工藝。 國(guó)內(nèi)粉末冶金法大批量生產(chǎn)目前尚屬空白，大部分還停留在試 驗(yàn)階段。貴州科學(xué)院直接采用發(fā)

37、泡法，用廉價(jià)的發(fā)泡劑成功制取了較大規(guī)格的泡 沫鋁型材，經(jīng)中科院聲學(xué)研究所測(cè)試吸音、屏蔽、減振抗沖擊效果、比重等性能 指標(biāo)，均達(dá)到過(guò)為同類(lèi)產(chǎn)品指標(biāo)17。東南大學(xué)何德坤教授采用粉末冶金法制備 泡沫鋁，探討了芯面/夾層板之間結(jié)合機(jī)理 18, 分析了泡沫夾芯結(jié)構(gòu)材料的彎 曲、壓縮過(guò)程及失效方式，確定了泡沫結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫鋁夾層板性能的影響因素。 2.4.2 泡沫鋁夾層板制備存在的問(wèn)題及措施 主要問(wèn)題集中在泡沫鋁的制備工藝繁多，技術(shù)發(fā)展迅速，各有優(yōu)勢(shì).但是從工 程化技術(shù)角度來(lái)看，制備出大孔徑立體網(wǎng)狀( 厘米級(jí) 及小孔徑( 微米級(jí)、 孔 隙均勻、 密度低、 骨架強(qiáng)度好的泡沫鋁是目前在制備技術(shù)上需要突破的重點(diǎn)和

38、難點(diǎn).因此，為開(kāi)發(fā)工程實(shí)用的泡沫鋁制造方法， 在制備工藝及其相關(guān)研究方面 仍需關(guān)注以下問(wèn)題。 （1）研究孔隙規(guī)整、 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及性能多樣的泡沫鋁制備工藝。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一 步探討工藝條件如何影響各種性能. 通常發(fā)泡法和注氣法制備的泡沫鋁的孔隙 大小和壁厚受到多種因素的影響， 難以控制且性能不穩(wěn)定; 而以填料造孔的方 法主要取決于填料的粒度、 形狀和壓實(shí)程度， 孔隙易控制且性能穩(wěn)定；固相法 一般用機(jī)械球磨、 酸液腐蝕等方法來(lái)破壞表面的氧化鋁薄膜或添加助熔劑， 使 其易于燒結(jié)成形；通常沉積法制備的泡沫鋁的孔隙形狀難以控制，而且很難獲得 較大的孔隙。 （2）研究簡(jiǎn)單可靠、 可批量生產(chǎn)的大尺寸泡沫鋁的工藝

39、?，F(xiàn)階段能進(jìn)行批量生 產(chǎn)的方法有熔體發(fā)泡法和熔體注氣法， 其它大部分方法還處于實(shí)驗(yàn)室的研究開(kāi) 發(fā)階段， 樣品的尺寸也受到很大程度的限制。鑄造法一般要考慮鋁液在填料中 的滲流長(zhǎng)度、 冷卻速度以及與填料相互浸潤(rùn)的問(wèn)題。 成品厚度受限， 形狀也 比較簡(jiǎn)單；固相法制備的泡沫鋁孔隙率相對(duì)較低， 難以達(dá)到工業(yè)產(chǎn)品的要求；沉 積法通常效率低，設(shè)備要求高，投資大。 12 （3）開(kāi)發(fā)新型造孔劑、 發(fā)泡劑和助熔劑等。 常用的造孔劑有 NaCl， 可以考 慮用與其性質(zhì)相似又能降低鋁的熔點(diǎn)的 KCl 來(lái)替代。添加一些作為助熔劑的堿 土金屬，改善泡沫鋁的骨架結(jié)構(gòu)性能。 （4）進(jìn)一步探討泡沫鋁的成型機(jī)理，為改進(jìn)工藝流程和

40、提高制品質(zhì)量提供理論 上的依據(jù)。 （5）泡沫鋁在制備時(shí)具有高溫和多相特性，在生產(chǎn)中取樣、 觀(guān)測(cè)和監(jiān)測(cè)都存在 困難，實(shí)驗(yàn)手段有待提高，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于泡沫鋁的發(fā)泡過(guò)程監(jiān)測(cè)及性能分析幾 乎空白。 2.5 本課題研究的目的與意義 （1）研究泡沫鋁及夾層板制備方法及各種方法特點(diǎn) （2）研究泡沫鋁及夾層板性能和應(yīng)用前景 （3）研究泡沫鋁國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r （4）為成熟的泡沫鋁夾層板生產(chǎn)工藝提供資料。 13 參考文獻(xiàn)： 1張斌 ,左孝青,張帆 泡沫鋁的制備技術(shù)。J.有色金屬加工 2008.12；37-6 2程慧靜, 張崇民, 苗信成等.泡沫鋁的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望 鞍山科技大學(xué)學(xué) 報(bào) 2005.12；28-6 3劉靜安，謝水生.合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開(kāi)發(fā) 冶金工業(yè)出版社 2004.473 478 4趙萬(wàn)祥, 趙乃勤, 郭新權(quán).新型功能材料泡沫鋁的研究進(jìn)展J . 金屬熱處 理, 2004.6；711 5覃秀鳳