異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料的制備與應(yīng)用

劉浩鈺，黃聞戰(zhàn)，馮浩軒，楊東偉，郝開元，梁曉媛

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

多孔材料是材料科學(xué)中非常重要的組成部分，相比于實體金屬材料，金屬多孔材料在某些特定方面具有更優(yōu)異的性能。由于材料和孔洞結(jié)構(gòu)及分布的不同，使得多孔材料種類十分豐富。部分多孔材料中孔洞按一定規(guī)律排列分布，有些則呈不規(guī)則分布；同時孔的大小存在一定的差異，孔的直徑主要分布在2μm～3 mm 之間。隨著社會的快速發(fā)展，對材料的相關(guān)性能要求逐漸提高；為了滿足不同場合應(yīng)用需求和材料性能要求，多孔材料中孔洞的設(shè)計有了更多的選擇，如蜂窩狀、泡沫狀、蓮藕狀等。多孔材料中孔洞的類型主要分為兩種，一種是獨立型孔洞，如圖1 所示，這種孔洞密度較大，剛性強(qiáng)，吸音效果較好；另一種是連續(xù)型孔洞，如圖2 所示，這種孔洞不僅擁有獨立型孔洞的部分優(yōu)點，并且擁有更好的透氣性和滲透性。在多孔金屬材料的研究中，泡沫鋁是如今最具應(yīng)用潛力的一種，隨著金屬泡沫的制備工藝不斷改進(jìn)，近年來越來越多的科研工作者對泡沫鋁材料進(jìn)行了研究。泡沫鋁可看作是鋁和空氣的復(fù)合材料，具有密度小、質(zhì)量輕、吸能減震、消音降噪、隔熱與散熱等特點，在航空航天、電工電子和建筑等領(lǐng)域均具有較大的潛在應(yīng)用價值。通過綜述分析和討論研究，有助于我們更合理的選擇異型多孔材料的特定結(jié)構(gòu)和制備方法，使得制備出的異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料可以更好的滿足具體使用場合相關(guān)材料性能要求。

圖1 獨立型孔隙多孔材料

圖2 連續(xù)型孔隙多孔材料

1 多孔材料簡介

材料的類型主要分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩種[1]，結(jié)構(gòu)材料主要表現(xiàn)在物體的物理性能、力學(xué)性能和熱力學(xué)能等方面，而功能材料主要體現(xiàn)了物體的光、電、熱等性能。多孔金屬材料既具有實體金屬的部分特性，又具有一定的功能特性，在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。在多孔材料研究中，更多的是通過改變孔洞的大小和密度等來提高多孔材料的整體性能來滿足實際應(yīng)用中性能要求，實現(xiàn)多孔材料在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用；而異型結(jié)構(gòu)多孔材料可以針對具體的使用特點和性能要求，設(shè)計特定的結(jié)構(gòu)來滿足性能需求。但是由于異型結(jié)構(gòu)多孔材料中存在著明顯的各向異性，在棱角處容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能導(dǎo)致受力不均勻進(jìn)而引起斷裂失效，因此在使用時對材料與結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計有著較高的要求。

2 多孔金屬材料制備

針對不同實際應(yīng)用情況，人們已經(jīng)研究出多種多孔材料的制備工藝，根據(jù)所制備的多孔材料的孔結(jié)構(gòu)不同，常用的制備方法有：對于開孔多孔材料，主要有滲流鑄造法、電沉積法、熔模鑄造法和燒結(jié)鑄造法幾種制備方法；對于閉孔多孔材料，主要有粉末冶金法、注氣發(fā)泡法、發(fā)泡劑熔體發(fā)泡法和濺射噴鍍法等[2]。

2.1 開孔多孔金屬材料制備方法

2.1.1 熔模鑄造法和滲流鑄造法

利用熔模鑄造法和滲流鑄造法可以制備通孔多孔金屬，這兩種方法相對比較類似。在熔模鑄造法中，填充物主要為有機(jī)或無機(jī)塑料泡沫和耐火材料，待耐火材料硬化之后加熱升溫將填充物分解，形成泡沫狀三維骨架，將液態(tài)金屬澆注到鑄型中，待其凝固后去除耐火材料就得到了需要的多孔材料，其工藝原理圖如圖3 所示。John Banhart[3]曾用熔模鑄造法制備了多孔金屬，并詳細(xì)研究了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用。滲流鑄造法使用的填充物都是可溶性顆粒，或者是低密度中空球，其關(guān)鍵在于將鑄模內(nèi)的顆粒雜質(zhì)去除后建立一種三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多孔金屬相互連通。

圖3 熔模鑄造法制備金屬泡沫工藝步驟圖

2.1.2 電沉積法

電沉積法是指利用電化學(xué)將離子態(tài)的金屬沉積在高孔隙且容易分解的三維網(wǎng)狀有機(jī)物上，再將有機(jī)物去除便可獲得具有多孔的金屬，沉積物的形態(tài)及沉積金屬的性質(zhì)決定了這種方式的難易程度，除此以外，還與電解質(zhì)的溫度，組成和電流密度有關(guān)。單偉根等[4]利用電沉積法制備了泡沫鐵，確定了基體的熱解方式對泡沫鐵的結(jié)構(gòu)性能方面造成不同的影響，并且確定了最佳實驗條件。陳勁松等[5]針對以往制備方法的不足提出了噴射沉積法，其原理如圖4 所示，電解液從陽極高速噴射到陰極，陰極與陽極構(gòu)成電流回路產(chǎn)生電沉積，其他區(qū)域不產(chǎn)生沉積。

圖4 噴射積法原理圖[5]

2.1.3 燒結(jié)成型法

燒結(jié)成型法主要有粉末燒結(jié)法、纖維燒結(jié)法和中空球燒結(jié)法[6]三種。

粉末燒結(jié)法是指將一定比例的金屬或合成金屬粉末混合起來壓制成有一定致密度的預(yù)制體，在真空的環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)，或者把除去添加劑加入到鋼模當(dāng)中，最終就可以得到金屬多孔材料。工藝方法、粉末的粒度是粉末燒結(jié)法制備多孔金屬材料中決定材料孔隙特性的主要因素。王錄才等[7]采用冷壓、熱壓、擠壓三種方式制備預(yù)制體，詳細(xì)研究了鋁在不同爐溫下加熱的發(fā)泡行為。

纖維燒結(jié)法是指經(jīng)過特殊處理后的金屬纖維通過壓制、高溫?zé)Y(jié)等環(huán)節(jié)最終得到多孔金屬材料的方法，這樣得到的金屬材料強(qiáng)度極高，是燒結(jié)法中獲得的材料強(qiáng)度最高的方法。

中空燒結(jié)法是將金屬空心球粘結(jié)起來后進(jìn)行燒結(jié)，可以得到具有開孔和閉孔兩種結(jié)構(gòu)多孔金屬材料的方法。首先在球型樹脂的表面鍍一層金屬，此過程一般采用化學(xué)沉積法或者電沉積法，然后再將樹脂除去。這種方式的優(yōu)點在于通過調(diào)整樹脂的大小能夠調(diào)節(jié)孔隙的尺寸。

2.2 閉孔多孔金屬材料制備方法

2.2.1 粉末冶金法

發(fā)酵香腸的發(fā)酵溫度通常為25～28 ℃，為了保證作為發(fā)酵劑的酵母菌能夠在生產(chǎn)條件下良好生長，菌株的最佳生長溫度須符合此溫度范圍。

此方法是以金屬粉末為原料，并適當(dāng)添加相應(yīng)的發(fā)泡劑，制備出相應(yīng)的多孔金屬材料。通過與發(fā)泡劑的合理搭配，再嚴(yán)格按照相應(yīng)的配比進(jìn)行充分的混合之后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膲褐瞥尚?，使其成為相對緊實的坯體，將其適當(dāng)加熱到混合物的臨界熔點溫度，保證金屬塊在進(jìn)行熔化的時候發(fā)泡劑可以產(chǎn)生相對明顯的氣體，由此得到了優(yōu)良孔隙的多孔金屬材料。粉末冶金法制備金屬泡沫的工藝流程圖如圖5 所示。

圖5 粉末冶金法工藝步驟

這種方法在實際運用的過程中獲取的多孔金屬材料具有較高的孔隙率，孔隙的分布狀態(tài)較為均勻。根據(jù)相關(guān)的研究證實，在運用此方法的時候，可以使用金屬纖維替代金屬粉末，在保證孔隙率一定的情況下燒結(jié)所需要的多孔金屬，這種金屬的強(qiáng)度要比金屬粉末實際獲取的多孔金屬強(qiáng)度更強(qiáng)。此外，粉末冶金法是用來制備泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)（AFS）的一種優(yōu)良工藝，通過擠壓或軋制預(yù)先獲得面板/芯層初結(jié)合的發(fā)泡前驅(qū)體，然后通過控制發(fā)泡參數(shù)就能制備出面板/芯層冶金結(jié)合的AFS.

2.2.2 注氣發(fā)泡法

該方法也稱直接發(fā)泡法，將氣體噴射并混合到含有熔融金屬及陶瓷顆粒的攪拌槽中，引起氣泡上浮，形成液體泡沫。陶瓷顆粒存在于泡壁的氣液界面，使液體泡沫得以穩(wěn)定，液態(tài)泡沫從熔體表面移走后，在金屬及其合金的凝固溫度下冷卻，可產(chǎn)生固態(tài)金屬板。其中攪拌器和噴嘴的設(shè)計很重要，不僅要攪拌熔體還要向熔融金屬中注氣，從而形成金屬泡沫。徐方明等[8]運用此類方法，以鋁硅合金為原料、Al2O3顆粒為增黏劑制備出了孔隙率為90%以上的閉孔泡沫鋁。

圖6 注氣發(fā)泡法工藝流程圖[8]

2.2.3 熔體發(fā)泡法

在一定溫度區(qū)間的金屬熔體內(nèi)，發(fā)泡劑會發(fā)泡形成氣泡，在浮力的作用下氣泡在熔體內(nèi)會向表面上升，通過對熔體黏度及表面張力的有效控制，可影響氣泡的上升過程。相對金屬熔體來說，泡沫鋁發(fā)泡劑的分解溫度不宜過高或者過低，若溫度過高，金屬液凝固時發(fā)泡劑可能還沒來得及分解，若溫度過高，大量氣體會逸出熔體，得不到好的發(fā)泡效果，因此使發(fā)泡劑在適宜的溫度分解是對此方法的一個重要要求。而Miyoshi T[9]等人正是采用這種方法制備出了泡沫鋁。對于異型件的制備來說，可在模具中放入利用熔體法制備的含有發(fā)泡劑的發(fā)泡先驅(qū)體，然后進(jìn)行發(fā)泡，這種方法又稱為FORMGRIP 法。

2.3 其他異型結(jié)構(gòu)多孔材料的制備方法

還有一些制備異型結(jié)構(gòu)多孔材料的方法是將多孔材料的制備與異型結(jié)構(gòu)的制備分步進(jìn)行。例如泡沫鋁夾芯板的制備方法目前主要有兩類：一類是物理連接法，此方法先用熔體發(fā)泡法、粉末冶金法和熔模鑄造法等制出泡沫鋁，再將泡沫鋁通過膠合、縫合、螺栓等物理方法與金屬面板相連接；另一類方法是冶金結(jié)合法，這種方法有兩種方式，一種是通過焊接將泡沫鋁芯材與金屬面板連接，另一種是軋制或熱壓等方法先制備出可發(fā)泡復(fù)合板，再進(jìn)行發(fā)泡處理得到泡沫鋁夾芯板。

3 異型多孔金屬材料的性能及應(yīng)用

3.1 吸能特性與應(yīng)用

圖7 夾層結(jié)構(gòu)

圖8 蜂窩夾層

在公路、軌道交通領(lǐng)域，對于車輛的防撞能力要求很高，而金屬管件就是一種理想的沖撞防護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)金屬管件形狀的不同可建立多種壓縮模型，在金屬管件中使用纖維含量為25%～30%的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更能有效提高管件的防撞性能[11]。還有一種縫合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，通過加入樹脂柱的方法提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度[12]，發(fā)現(xiàn)異型結(jié)構(gòu)抑制了夾層間的損傷和沖擊的擴(kuò)散，這表示該結(jié)構(gòu)在吸收了沖擊載荷之后仍保持較高強(qiáng)度，提高了整體抗沖擊能力。

3.2 電磁屏蔽特性

在高頻磁場中，多孔金屬材料會產(chǎn)生渦輪磁場與原來的磁場抵消，從而達(dá)到電磁屏蔽的效果。相比于純銅或純鋁，泡沫鋁作為屏蔽材料具有更好的效果。同時，多孔金屬材料具有密度小、質(zhì)量輕等特性，更有利于裝備在一些復(fù)雜電子儀器中。在實際應(yīng)用中，要發(fā)揮多孔材料的電磁屏蔽特性還需要考慮一些結(jié)構(gòu)上的問題，比如為了腔體的美觀設(shè)計和內(nèi)部元件的安裝與固定，腔體的結(jié)構(gòu)還需做成階梯等結(jié)構(gòu)。郝建紅[13]等人研究了內(nèi)置介質(zhì)板的異型開孔金屬腔體，發(fā)現(xiàn)合理安放介質(zhì)板位置會達(dá)到最佳的屏蔽效果，對電網(wǎng)的電磁屏蔽和防護(hù)具有指導(dǎo)意義。多孔金屬材料在電磁屏蔽中的應(yīng)用不足以滿足實際情況的所有需求，而異型材料的加入使其發(fā)展空間有了很大程度的提高。

3.3 在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

多孔材料在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用有著悠久的歷史，人們經(jīng)常將金屬設(shè)計成特殊形狀或幾種金屬結(jié)合代替骨骼作為醫(yī)療手段，如圖9 所示為多孔金屬制成的頭骨或其他部位骨骼組織，實現(xiàn)了異型結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用。

圖9 多孔金屬材料代替骨骼作用

不銹鋼、鈷鉻合金、鈦及鈦合金和鉭金屬材料是四種常用于醫(yī)學(xué)中的生物金屬材料，可在骨折、骨骼壞死、骨缺損修復(fù)等骨科問題中發(fā)揮重要作用，主要歸納為兩個方面：一種是做成骨或關(guān)節(jié)的代替物，另一種是在骨折治療過程起固定作用[14]。景麗等人用電子束熔融成型技術(shù)（EBM）3D 打印了鈦合金多孔支架材料，檢測其對于骨細(xì)胞的生物具有良好的安全性[15]。WINTHER 等[16]利用高孔隙率多孔鈦對患者實施全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA），術(shù)后對移植修復(fù)部位的位移情況進(jìn)行定期檢測，結(jié)果顯示重生體有著非常低的遷移速率和很小的下沉量。說明異型多孔金屬材料在生物醫(yī)療中有著很好的應(yīng)用價值和發(fā)展空間。

4 發(fā)展前景

異型結(jié)構(gòu)多孔材料是為了滿足實際應(yīng)用而制作出來的具有特殊結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，根據(jù)前文的綜述分析可知制備異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料主要可以歸納為兩種制備方式：一種是在多孔材料制備過程中通過改變模具形狀等直接制備出異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料，如在以滲流鑄造法制備泡沫鋁過程中在鹽粒中插入金屬管就可以得到異型泡沫鋁材料，在鑄造過程中需設(shè)計好鑄型，既要性能使用需求同時需要防止異型結(jié)構(gòu)引入的缺陷；另一種是將多孔金屬材料制備完成后通過加工的手段來制備出異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料，如制備成三明治結(jié)構(gòu)的泡沫鋁夾芯板可以明顯的提高其力學(xué)性能，可應(yīng)用于對力學(xué)性能要求較高的場合。

在今后的研究過程中，為了進(jìn)一步發(fā)掘異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料的應(yīng)用價值，可以從結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境和制備工藝以及性能特點為入手點繼續(xù)展開分析和研究。異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料的過濾、電磁屏蔽等特性還未得到充分的開發(fā)，其應(yīng)用還可以繼續(xù)向電工電子、建筑交通、衛(wèi)星航天等領(lǐng)域擴(kuò)展。

5 結(jié)語

多孔金屬材料有著十分廣闊的應(yīng)用前景，制備出具有異型結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料是為了滿足不同的應(yīng)用需求，所以研究異型結(jié)構(gòu)多孔金屬材料及其相關(guān)性能需要與相應(yīng)的應(yīng)用需求緊密結(jié)合。以泡沫鋁為代表的多種多孔金屬材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及電磁學(xué)等方面均表現(xiàn)出優(yōu)良特性；以泡沫鋁為原型，在制備過程中引入異型結(jié)構(gòu)，可使得其具備更好的吸能抗暴等功能。異型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍十分廣闊，在異型多孔金屬材料這一研究方向上，引起越來越多的科學(xué)家的興趣和關(guān)注，相信這種材料在未來的應(yīng)用中會具有巨大的潛力。