泡沫鋁及其制備方法

  泡沫鋁是同時兼有金屬和氣泡特征的新型輕質功能-結構一體化材料,其特殊的結構決定了它具有許多致密金屬所沒有的特殊性能,如(1)輕質:密度僅為金屬鋁的10%~40%;(2)高比剛度:其抗彎比剛度為鋼的1.5倍;(3)高阻尼減震性能及沖擊能量吸收率:阻尼性能為金屬鋁的5~10倍;(4)良好的隔聲性能(閉孔)和吸聲性能(通孔):聲波頻率在800~4000HZ之間時,閉孔泡沫鋁的隔聲系數達0.9以上;聲波頻率在125~4000HZ之間時,通孔泡沫鋁的吸聲系數可達0.8;(5)優良的電磁屏蔽性能:電磁波頻率在2.6~18GHz之間時,泡沫鋁的電磁屏蔽量可達60~90dB;(6)導熱系數低,閉孔泡沫鋁導熱系數相當于大理石;而通孔泡沫鋁則具有良好的散熱性。泡沫鋁性能的優劣主要取決于其孔隙率、孔徑、通孔率、孔類型、比表面積等孔結構參數,而其孔結構參數主要取決于制備工藝。因此泡沫鋁的制備技術已成為新材料領域的研究熱點。

  一、粉末冶金發泡法

  粉末冶金發泡法是將鋁或鋁合金粉末與發泡劑(一般為TiH2) 按一定比例配制并混合均勻,在適當的壓力下壓成致密的預制胚體,然后將壓好的預制體進一步加工成半成品,再將此半成品放入所需零件形狀的鋼模內,加熱到接近預制體熔點的溫度,使發泡劑分解釋放出氣體形成氣泡,制得閉孔泡沫鋁。類似于粉末冶金法的燒結工藝過程的另一種方法是燒結脫溶法。首先將鋁或鋁合金粉末和可去除填充顆粒混合均勻,再把混合物壓制成致密的半成品,然后在一定溫度燒結。若填充顆粒為尿素、碳酸氫氨等可分解有機物,則燒結過程中顆粒會分解氣化;若填充顆粒為NaC1等可溶性鹽,則在燒結后用溶劑將其溶去得到通孔泡沫鋁。

  二、熔體發泡法

  熔體發泡法發泡過程在液相進行,主要有直接吹氣法、發泡劑發泡法等。直接吹氣發泡法是: 首先向金屬熔融液中加入SiC、Al2O3等,并均勻分散以提高熔體粘度,然后向熔體底部吹入氣體(如氮氣、惰性氣體等),在金屬液中形成大量氣孔后冷卻凝固。發泡劑發泡法是:在鋁熔融體中加入發泡劑攪拌均勻,加熱使發泡劑分解產生氣體,氣體膨脹而發泡,冷卻后得泡沫金屬。所用發泡劑通常為TiH2或ZrH2等金屬氫化物。通過高速攪拌使發泡劑顆粒迅速均勻分散于鋁熔融體中、使用增粘劑(如金屬鈣)增大熔體的粘度以防止發泡過程中氣泡逸出或結合長大,可以使孔結構得到改善。

  三、二次發泡法

  二次發泡法是一種綜合了粉末冶金發泡法及熔體發泡法優點的泡沫鋁制備方法,其技術工藝路線是在鋁熔體中加入增粘劑( Ca、Al2O3等) 攪拌均勻,在合適的溫度和粘度條件下加入發泡劑( 預處理好的TiH2),分散均勻,在TiH2未分解前將熔體鑄入模具中快速冷卻凝固,即得到發泡先驅體。當發泡先驅體受熱達到一定溫度時,先驅體中TiH2開始分解并發泡,最終制得泡沫鋁。