1、. .金屬多孔材料的力學性能及制備方法研究進展*:李國燦 專業(yè):材料科學與工程 班級:材料092 學號:2摘要:綜述了金屬多孔材料的幾種常見的力學性能的研究進展，并對固相法、液相法、電沉積法、氣相沉積法等金屬多孔材料的主要制備方法進展了總結。同時，指出當前金屬多孔材料開展方向以及前景。關鍵詞:金屬多孔；制備方法；力學性能；開展方向1 引言 金屬多孔材料是一類具有功能和構造雙重屬性的特殊的工程材料。近年來金屬多孔材料的開發(fā)和應用日益受到人們的關注。金屬多孔(泡沫金屬)材料是20世紀80年代后期國際上迅速開展起來的，是由剛性骨架和內(nèi)部的孔洞組成，具有優(yōu)異的物理特性和良好的機械性能的新型工程材料。它

2、具備的優(yōu)異物理性能，如密度小、剛度大、比外表積大、吸能減振性能好、消音降噪效果好、電磁屏蔽性能高，使其應用領域已擴展到航空、電子、醫(yī)用材料及生物化學領域等。近年來隨著金屬多孔材料的應用領域不斷擴大，對金屬多孔材料的性能提出了更高的要求。例如高溫氣體除塵用的過濾材料要求具有優(yōu)良的高溫強度、良好的耐高溫氣體腐蝕能力、可再生等要求因此對金屬多孔材料力學性能的研究是十分有必要的。為了得到不同性能的多孔金屬，各種制備方法被相繼提出，如直接發(fā)泡法，精細鑄造法，氣泡法，燒結法和電沉積法等。2 金屬多孔材料的學性能測試方法與結果2.1 金屬多孔材料的環(huán)拉強度 針對過濾管在使用過程中受到徑向沖擊力的受力狀態(tài)，設

3、計了環(huán)拉強度及其檢測方法。其示意圖如圖l所示。樣品采用等靜壓成型的中50 mm×2 5 mm的管樣，2個半圓柱狀拉伸模套在多孔管內(nèi)壁，從拉伸模通孔處施加一對向外的拉力。圖1金屬多孔材料環(huán)拉強度檢測方法示意圈環(huán)拉強度由以下公式計算:：環(huán)拉強度： F：破壞金屬多孔環(huán)時的瞬時力： S：多孔圓環(huán)受力面積。 環(huán)拉試驗采用等靜壓成型管和美國PALL公司的相應產(chǎn)品進展對照試驗。結果如袁1所示。表l說明按國標等靜壓成型的金屬多孔管材的環(huán)拉強度到達了PALL公司同等紱樣品的環(huán)拉強度。表1 等靜壓成型管與PALL公司樣品管的環(huán)拉強度比照2.2 彎曲性能 金屬多孔材料的彎曲性能是指金屬多孔材料在不被破壞的

4、條件下能彎曲的最大角度。由于軋制成型的多孔板(帶)材通常需要在卷管機上卷制成管材，因此對多孔材料的彎曲性能的研究是有必要的，彎曲角直接決定了卷管的最小直徑。但是目前并沒有對金屬多孔材料彎曲性能的統(tǒng)一標準。本實驗模擬彎曲過程的受力狀態(tài)，采用如圖2所示的方法進展研究。試驗過程是將寬度為30 mm的試樣兩點支撐在壓力試驗機平臺上，試樣中部正對壓頭，緩慢加壓，試驗時觀察試樣底部中間部位，當出現(xiàn)裂紋時立即停頓。圖2彎曲性能實驗示意圖 根據(jù)材料的彎曲強度實驗結果，當彎曲角度為58°時可以制各的晟小圓管直徑為120 mm。根本符合實際卷管直徑大小。說明可以用彎益性能來表征金屬多孔材料在實際卷管的雖

5、大內(nèi)應力。3.3 金屬多孔材料的剪切強度 金屬多孔材料的剪切強度是指金屬多孔片材抗剪切破壞的能力。目前沒有對金屬多孔材料剪切強度的統(tǒng)一標準。本實驗根據(jù)實際工況過程中的受力情況，自行設計剪切裝置(實驗方法如圖4所示)。試驗時將金屬多孔材料加工為廬60 mm×5 mm的片樣，用上沖頭向下加力，直到多孔試樣破壞為止，用試樣所承受的晟大壓力計算剪切強度。圖3剪切強度檢測方法示意圖3 金屬多孔材料制備方法3.1 從液態(tài)(熔融)金屬開場制備3.1.1 熔體發(fā)泡法在一定的條件下金屬熔體中可生成氣泡，并且一般情況下多數(shù)氣泡由于浮力作用會迅速上升到液體外表而溢出。為了使更多氣泡留在熔體中，可在其中參加

6、增粘劑來阻礙氣泡的上浮。19世紀60至70年代，人們就已經(jīng)嘗試用這種方法制備鋁、鎂、鋅及其合金的泡沫材料。過去的10年中，又涌現(xiàn)出了大量的新思路、新工藝，其中有兩種熔體發(fā)泡工藝特別具有開展前景：其一是直接將氣體通入金屬熔體中，其二是將發(fā)泡劑參加熔體中，發(fā)泡劑分解釋放大量氣體。3.1.2 固體一氣體共晶凝固法 這種方法是烏克蘭科學家1993年在專利中提出來的，依據(jù)是H：能于金屬液體形成共晶系統(tǒng)。在高壓H2下(5×106Pa)能獲得含氫的均勻金屬液，如果降低溫度通過定向凝固將發(fā)生共晶轉變，H：在凝固區(qū)域內(nèi)含量增加，并且形成氣泡。因為體系壓力決定共晶組成，所以外部壓力和氫含量必須協(xié)調好。最

7、終孔的形狀主要取決于氫含量、金屬液外部壓力、凝固的方向和速率(一般速度為0.05mm/s5mm/s)、金屬液的化學成分。該方法制得的多孔材料具有平行于凝固方向拉長的圓柱狀孔洞，氣孔的尺寸一般不均勻，且對設備的要求比較高。3.1.3 粉體發(fā)泡法 該法是將金屬粉末或合金粉末與發(fā)泡劑粉末按一定的配比混合均勻，再將其壓制成密實的預制品，然后升溫到基體金屬的熔點附近，使發(fā)泡劑分解釋放出的氣體迫使壓實的預制品膨脹成為泡沫金屬。常用的發(fā)泡劑有TiH2、ZrH2等，一般氫化物的含量不高于3，如果制備泡沫鐵，那么用碳化物(如SrC03)做發(fā)泡劑。該法可以制備形狀復雜的半成品尺寸的工件，假設在其外表粘結或軋制成金

8、屬板那么可以得到*治式的復合材料。3.1.4 熔鑄法熔模熔鑄法：該法是先將泡沫塑料發(fā)泡成型，再將其浸入到液態(tài)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，加熱升溫使泡沫塑料氣化分解，形成一個具有原泡沫塑料形狀的三維骨架，將液態(tài)金屬液澆注到模具內(nèi)，凝固后除去耐火材料，就可獲得具有三維網(wǎng)狀的通孔金屬多孔材料。所用的耐火材料一般為酚醛樹脂、碳酸鈣或石膏的混合物。此法的難點在于如何使金屬液充分填充到模型中，以及如何在不破壞金屬多孔構造的同時除去耐熱模型。優(yōu)點是可制備多種金屬多孔材料，并且可以得到開孔構造，生產(chǎn)重復性好，有相對穩(wěn)定的密度。滲流鑄造法：該法是將可燃性粒子、可溶性粒子或低密度的中

9、空球狀顆粒放置于鑄模內(nèi)，然后澆注使熔融金屬液滲入其中形成復合體，冷卻凝固后用適當?shù)姆椒ǔ秃象w中的顆粒載體，從而得到多孔金屬材料。由于界面X力緣故，金屬有時不能進入到粒狀物料周圍的縫隙中，因此需要在熔體外表施加壓力或使模具具有適當?shù)呢搲翰趴傻竭_澆注目的。該法是目前制備通孔金屬多孔材料最為有效的方法之一，可用于制備多孔不銹鋼、多孔鑄鐵、多孔鎳、多孔鋁、多孔銅等以及它們的合金。它的優(yōu)點是通過控制造孔劑顆粒大小來控制孔徑大小，缺點是最大孔隙率不超過80。3.1.5 噴霧發(fā)泡法 該法是將金屬熔體霧化成小液滴并在基底沿一定形狀(假設相關參數(shù)控制得當可形成片狀、管狀等)形成沉積層。然后使氧化物、碳化物或

10、純金屬粉末被小液滴潤濕并通過化學反響而沉積在基底上。由于金屬粉末會在霧化了的熔體中分解并釋放大量氣體，凝固后在沉積層中就會產(chǎn)生大量氣孔。采用該法已制成泡沫鐵，該方法的缺點是氣孔分布不均勻，氣孔率最高只有60。3.2 從固態(tài)金屬粉末開場制備3.2.1 金屬粉末或纖維燒結法 粉末燒結是把適當尺寸的金屬粒子填入模具成形，然后進展無壓燒結從而獲得多孔燒結體。所得產(chǎn)品孔隙率一般在4060。為了提高孔率，常參加造孔劑，造孔劑在燒結時分解或揮發(fā)，也可通過升華或水溶去除。該法的優(yōu)點是工藝簡單、本錢低，缺點是孔隙率不高、材料強度低。如果用纖維代替粉末燒結同樣可制得多孔材料。 纖維燒結是用金屬纖維代替顆粒，所制得

11、的泡沫體孔隙率可達98，在最大的孔隙率下仍然保持了材料的構造性能。在一樣的孔隙率下，其強度比金屬粉末燒結高出幾倍。3.2.2 氣體夾帶法 該法系將金屬粉末壓成一密實的坯塊，在壓制的同時讓氣體夾在其中，然后加熱坯塊，由于氣體的內(nèi)壓使坯塊受熱而得到泡沫金屬。由于膨脹是在固態(tài)下發(fā)生的，因此稱之為固態(tài)蠕變更為確切。3.2.3 料漿發(fā)泡法 將金屬粉末、發(fā)泡劑和反響添加劑一起制成混合料漿后，填入模具內(nèi)并升溫，發(fā)泡劑受熱產(chǎn)生氣體滯留于有一定粘度的漿料中，最后經(jīng)燒結、枯燥而制成得多孔材料。該法可用來制備Be、Ni、Fe、Cu、A1及不銹鋼和青銅等多孔材料6。該制備方法存在的主要問題是材料強度缺乏且產(chǎn)品內(nèi)部易生

12、成裂紋。3.2.4 海綿浸漿燒結法 將海綿狀材料(如天然或人工合成的塑料海綿)浸入待加工金屬粉末的漿液之中，使海綿吸附達飽和。取出枯燥后，在高溫下使海綿狀材料分解或熱解，最后將留下的金屬體在更高的溫度下進一步加熱燒結，冷卻后即可得到高孔隙率的三維孔構造的固體多孔材料。3.2.5 中空球料燒結法 將中空球體粘結起來再燒結可制得多孔材料，這些中空球料可由銅、鎳、鐵、或鈦等制成。一般來說球體的直徑為0.8mm8mm，壁厚10mm100mm。制備這些中空球料的方法很多：可以用化學或電沉積法將金屬鍍在聚合物球體上，再將聚合物去除。也可用金屬粉末懸浮體將球體的聚合物(如聚苯乙烯)包裹起來，再將其去除，燒結

13、后即可得到密實的金屬外殼。 該法的特點是孔的尺寸分布不是隨機的，可通過中空球體的選擇而得到最適當?shù)某叽纾虼似錂C械或其他物理性能也是可以預測的。3.2.6 混合反響燒結法由于同一系統(tǒng)中不同組分的擴散系數(shù)不同，金屬粉末混合物如Ti+Al，F(xiàn)e+A1或Ti+Si經(jīng)反響燒結而形成多孔材料。3.3 從金屬離子開場(電沉積法) 電沉積法是從金屬的離子狀態(tài)開場的，如電解液中的離子溶液。該法是用電化學的方法將金屬沉積在易分解的薄膜有機物上，然后用熱處理的方法將有機物除掉，進而燒結得到多孔金屬。由于泡沫有機物不導電，故需將其浸入導電漿料中進展導電化處理(電鍍)，從而在多孔基體孔隙外表形成導電性高分子層。借助于

14、已經(jīng)比較成熟的電鍍工藝，常見的鍍液金屬有Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd等，以Cu、Ni最為常用；也可電鍍合金，如黃銅、青銅、鈷一鎳合金、銅一鋅合金等。一些不適宜用水溶液電解的金屬，可用特殊鍍液，如鋁和鍺經(jīng)常在有機鍍液中電解或溶鹽電解。3.4 從氣態(tài)金屬或其化合物開場(氣相沉積法) 氣相沉積法是氣相法制備金屬泡沫材料的主要方法，主要原理是在真空下將液體金屬揮發(fā)成金屬蒸汽，然后沉積在一定形狀的基底上，形成一定厚度的金屬沉積層。基底材料一般為網(wǎng)狀聚亞胺酯或其他聚合物。冷卻后采用化學或熱處理的方法將聚合物去除，得到通孔金屬多孔材料。缺點是操作條件要求嚴格，沉積速度慢、投資大、生產(chǎn)本錢高。4

15、金屬多孔材料開展方向及前景 目前對金屬多孔材料研究對象主要為多孔鋁，應在研究多孔鋁的根底上進一步研究其他金屬，特別是高熔點金屬為基體的金屬多孔材料，如多孔Ni、Ti等。需研究適合工業(yè)推廣應用的制備方法，制定出正確的生產(chǎn)工藝規(guī)程，以獲得高性能的金屬多孔材料；還要不斷探索準確控制多孔金屬的孔徑的方法、并對影響氣孔分布、大小、形狀的因素進展系統(tǒng)深入的研究分析。金屬多孔材料性能方面的研究還需不斷深入，沒有一套系統(tǒng)的應用理論或數(shù)學模型，尤其力學性能的研究多數(shù)只是單軸抗壓力一應變的實驗結果報告，有待于進一步研究其作用機制。另外對多軸彎曲后的行為一疲勞、蠕變、斷裂等方面的力學性能研究國外只有少量報道，國內(nèi)在

16、這方面的報道更少，而這方面的根底研究顯然會推動多孔泡沫金屬制備方法的進一步完善，開發(fā)其新的功能拓寬其應用領域，為此應加強這方面的研究12。金屬多孔材料的研究涉及到許多種學科，是一個穿插綜合的多學科領域。目前對金屬多孔材料的研究多為冶金或金屬材料工作者采用單學科方法進展的，這就需要加強根底理論與相關穿插學科知識的學習。結合現(xiàn)代高新技術，如引入計算機技術，對其成形機理，孔隙構造及其分布的內(nèi)容進展模擬，更快的推進泡沫金屬的批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化進程。擴大其在工業(yè)領域的應用范圍。金屬多孔材料隨著現(xiàn)代工業(yè)的開展，呈現(xiàn)了功能性強、應用面廣、新品種不斷涌現(xiàn)、使用空間不斷拓展的景象，其制備方法也隨之有了巨大開展，形

17、成了多學科并存的制備技術體系，利用這些新的制備技術已開發(fā)出一系列新的材質、新型孔構造及孔隙性能的金屬多孔材料，并且很快進入了實際應用。流體動力成型、振動成型、電磁場脈沖成型工藝成功地制取了孔徑分布均勻的大尺寸、超薄構造和梯度構造多孔材料并獲得優(yōu)異的性能13；瞬時液相燒結技術提高了纖維氈的強度；大孔金屬空心球制備技術用于制取超輕構造件；隨著金屬膜以及納米材料的出現(xiàn)，產(chǎn)生了自組裝、流體沉積和電化學腐蝕等技術；近年來應用了金屬/氣體共晶定向凝固技術(GASAR)工藝制備了藕狀金屬多孔材料。今后金屬多孔材料的制備仍然以傳統(tǒng)粉末冶金技術為根底，除對上述新制備技術進展進一步的深入研究外，還應加強金屬。陶瓷

18、復合多孔材料、金屬復合多孔催化材料、高精度及大流通能力梯度復合構造金屬多孔材料的制備技術研究。在我國高效干凈能量轉化與環(huán)境凈化的更高要求的背景下，金屬多孔材料的制各技術將會得到更快的開展。5 結語1) 等靜壓成型的金屬多孔材料在一樣過濾精度下環(huán)拉強度與PALL公司同等產(chǎn)品的環(huán)拉強度根本相當。2) 需研究適合工業(yè)推廣應用的制備方法，制定正確的生產(chǎn)工藝規(guī)程，以獲得高性能的金屬多孔材料；還要不斷探索準確控制多孔金屬的孔徑的方法、并對影響氣孔分布、大小、形狀的因素進展系統(tǒng)深入的研究分析。3) 金屬多孔材料性能方面的研究還需不斷深入，沒有一套系統(tǒng)的應用理論或數(shù)學模型，尤其力學性能的研究多數(shù)只是單軸抗壓力

19、一應變的實驗結果報告，有待于進一步研究其作用機制。另外對多軸彎曲后的行為一疲勞、蠕變、斷裂等方面的力學性能研究國外只有少量報道，國內(nèi)在這方面的報道更少，而這方面的根底研究顯然會推動多孔泡沫金屬制備方法的進一步完善，開發(fā)其新的功能拓寬其應用領域，為此應加強這方面的研究。4) 金屬多孔材料的研究涉及到許多種學科，是一個穿插綜合的多學科領域。目前對金屬多孔材料的研究多為冶金或金屬材料工作者采用單學科方法進展的，這就需要加強根底理論與相關穿插學科知識的學習。結合現(xiàn)代高新技術，如引入計算機技術，對其成形機理，孔隙構造及其分布的內(nèi)容進展模擬，更快的推進泡沫金屬的批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化進程。擴大其在工業(yè)領域的應用

20、范圍。參考文獻1Tang Huiping湯慧萍et al.Rare Metal Materials and Engineering(稀有金屬與工程) J,2006:35(S2):4282Xi zhengping(奚正平) et al.Rare Metal Materials and Engineering(稀有金屬與工程) J,2006,35(S2):4133Francisco Arero,Sergio Oller.International Journal of Solids and Structure J,2000,37:74374Liu P S.Materials Science and

21、 EngineeringJ,2004,A364:3705Chawla N,Deng X,Materials Science and EngineeringJ,2005,A390:986Tang Huiping湯慧萍,Liao Jichang(廖際常).China Material Eng Canon(中國材料工程大典)M.Beijing:chemical Industry Press,2005:9247Beiss P,Daigic M.Materials chemistry and Physics J,2001,67:378Wu Chunlai(X春來).Coal chemical Industry(煤化工)J,2000,11(4):39Wang Sho