泡沫铝及其复合材料的研究进展.docx
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泡沫铝及其复合材料的研究进展
随着社会和科学的快速发展,对材料的需求及性能的要求不断提高,尤其是对兼具超轻结构和多功能的材料需求更为迫切。
泡沫铝是一种多孔隙低密度的新型功能泡沫金属材料,它具有质量轻、结构强度适宜的特点,并兼有金属和气泡特征。
泡沫铝密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、渗透性好,具有良好的阻尼特性和电磁屏蔽能力,同时还具有金属固有的防火、防潮、无毒、无味等特点,应用领域十分广泛。
但作为结构材料,泡沫铝自身强度较低,无法在较大受力条件下使用。
因此,制备具有较高强度又能保持其优良性能的泡沫铝基复合材料是很有必要的。
复合材料增强相的研发不断丰富着泡沫铝基复合材料的种类,并提升了泡沫铝基复合材料的性能。
例如,将泡沫纯铝基体变为铝合金基体,并向基体中加入非金属硬质颗粒、纤维等增强相,以提升泡沫铝的性能。
本文讨论了泡沫铝的制备工艺和物理性能,概述了增强泡沫铝基复合材料的研究进展,以期给相关领域的研究者提供参考。
1. 泡沫铝制备方法
由于制备工艺不同,可根据孔与孔的链接方式将泡沫铝分为闭孔型泡沫铝、半闭孔型泡沫铝和开孔型泡沫铝。
泡沫铝的制备方法大致可分为三类:
液相法、固相法和沉积法。
1.1 液相法
液相法是目前发展较为成熟的泡沫铝制备方法,具有广阔的研究潜力和应用前景[1],主要包括气体吹入金属液法[2-4]、金属液发泡剂法[5-6]、熔模铸造法[5, 7]、及渗流铸造法[2, 5, 8]。
1.1.1 气体吹入金属液法
在熔融的金属铝熔液中加入增稠剂颗粒,提高熔液的黏度,常用的增稠剂有碳化硅、氧化铝以及氧化镁等。
随后,向金属熔液中通入空气、氮气、氢气或这些气体的混合气体,并不停地搅拌,在金属熔液冷却后就可得到孔隙度为80%~97.5%的泡沫铝,如图1所示[4]。
图 1 气体吹入法制备泡沫铝宏观形貌图[4]
Figure 1. Macromorphologyofaluminumfoampreparedbygasinjectionmethod[4]
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1.1.2 金属液发泡剂法
向熔融的铝熔液中加入发泡剂,经加热发泡剂分解成气体放出,气体热膨胀使金属熔液成泡沫状,冷却后可得到孔隙度为91%~93%的泡沫铝。
用于生产泡沫铝的发泡剂有TiH2、ZrH2和CaH2等。
1.1.3 熔模铸造法
采用流态耐火材料填充海绵状泡沫塑料中的孔隙,待耐火材料硬化后,加热使塑料气化而获得海绵状孔隙结构的铸型,将熔融铝浇入此铸型中,冷却凝固后去除耐火材料,能得到孔隙度为80%~97%的泡沫铝。
1.1.4 渗流铸造法
将高温液态铝在一定压力下渗流入填料间隙得到金属填料复合体,然后采用浸洗或超声振动等方法去除填料,得到孔隙率70%左右的泡沫铝。
常用的填料有可溶性盐、不可溶多孔陶瓷球、空心刚玉球、泡沫碳等。
此法又可分为上压渗流铸造法和负压渗流铸造法两种。
1.2 固相法
1.2.1 粉末冶金法[9-10]
粉末冶金法是将铝粉与发泡剂(常用TiH2)按一定比例混合,在适当的压力下制备预胚体,然后将压好的预制体进一步加工,如轧制、锻压等,再将此半成品放入所需的钢模中,加热到一定温度,使发泡剂分解形成气泡,得到泡沫铝。
此方法虽然较为复杂,但产品质量较高,性能稳定,从而发展迅速,但该方法由于原材料成本高,不能连续化生产。
1.2.2 粉末浸渍浆料法[11]
配置一定黏稠度的铝粉浆料,将多孔聚合物泡沫材料浸入此浆料中,粉末沉积在聚合物泡沫材料的孔壁上,然后干燥处理,加热使聚合物泡沫材料受热分解,海绵状材料在分解过程中起到暂时性支持作用,最后铝粉末烧结在一起,冷却后得到孔隙率70%~90%的泡沫铝。
1.2.3 添加球料法[2, 5]
将球料或空心球加入铝熔液中搅拌,使球料均匀分布在铝熔液中;继续搅拌,并冷却到足够的黏稠度,注入模型,得到金属-球料复合体。
当添加的球料为可溶性物质时,可采用浸洗的方法溶解掉球料,得到通孔型泡沫铝。
1.3 电沉积法[12]
泡沫塑料经导电化工艺处理后作为阴极材料,工业纯铝板为阳极材料,在烷基铝溶液中电镀,使铝沉积在泡沫塑料表面,干燥后在一定温度下烧结,泡沫塑料受热分解,得到泡沫铝。
此方法工艺复杂、需调节的变量多,但得到的泡沫结构较为均匀。
电沉积法制备得到的泡沫铝结构如图2所示。
图 2 电沉积法制备的泡沫铝形貌图[12]
Figure 2. Macromorphologyofaluminumfoampreparedbyelectrodeposition[12]
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2. 泡沫铝物理性能
由于泡沫铝的特殊结构,使其具有低密度、高比表面积以及其他优异的物理性能,广泛应用在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域。
泡沫铝的物理性能主要包括力学性能、吸能性能、阻尼性能、热物理性能、电磁屏蔽性能等[13-14]。
由于制备工艺的不同,泡沫铝结构会有所不同,其孔隙率、孔径大小及形貌等相差很大,所表现出的物理性能也会有很大差别。
2.1 泡沫铝力学性能
泡沫铝的力学性能可通过准静态压缩过程表征。
在准静态压缩过程中,图3为泡沫铝的准静态压缩曲线[15],如图所示,泡沫铝的应力-应变曲线分为弹性变形、平台屈服和致密三个阶段。
很多学者对影响泡沫铝压缩性能的因素进行了研究,Banhart和Baumeister[16]通过泡沫铝单向压缩实验得出泡沫铝应力-应变关系主要受相对密度影响的结论,泡沫铝的相对密度越大,其屈服强度越大。
黄小清等[17]研究了泡沫铝的初始密度、孔径和试件尺寸大小等因素对其力学性能的影响,得出泡沫铝应力-应变关系主要由初始密度决定,初始密度越大,其泡沫铝的屈服平台相对越高。
图 3 泡沫铝准静态压缩曲线[15]
Figure 3. Compressivestress-straincurvesofaluminumfoam[15]
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2.2 泡沫铝吸能性能
由于泡沫铝材料的特殊结构,其阻尼性能要优于其他实体材料。
因其阻尼高,泡沫铝可以通过孔壁的震动来吸收声音的能量,以达到消声、隔音的效果。
孔的尺寸影响其对整个声波频率范围的吸收性能,孔越小,吸音能力越大,通过改变泡沫铝孔的尺寸和形状可以获得高的吸音性能。
声波也是一种振动,当声音透过泡沫铝时,可以在材料内部发生散射、干涉和漫反射,将声音吸收在其气孔中,使内部骨架振动,声能部分转化为热能并且通过热传递而消耗掉,从而起到了吸音、消音效能。
2009年,刘伟伟等[18]研究了梯度孔径和孔结构周期调制的开孔泡沫铝的吸声特性,其吸声性能与孔隙率的关系如图4所示,可以看出孔隙率对吸声效果也有较大的影响,高的孔隙率有利于低频吸声,随着孔隙率的升高,高频吸声系数反而下降。
图 4 不同孔隙率对泡沫铝吸声性能的影响[18]
Figure 4. Effectofporosityonthesoundabsorptionperformanceofaluminumfoam[18]
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2.3 泡沫铝的电磁屏蔽性能
泡沫铝凭借其独特的空隙结构,使其表面对电磁波的有效反射面积比其他屏蔽材料要大得多,泡沫铝内部复杂而曲折的孔洞通道可以大幅度地反射和折射入射的电磁波,从而达到电磁屏蔽的作用[19-20]。
凤仪等[21]研究了相同厚度(h)、不同孔隙率(θ)、不同孔径(d)闭孔泡沫铝的电磁屏蔽性能,屏蔽曲线如图5所示,结果表明,频率在100~1000MHz内,泡沫铝的电磁屏蔽性能在60~90dB之间,且随着孔隙率增加,泡沫铝的电磁屏蔽性能下降。
图 5 孔隙率对泡沫铝电磁屏蔽效应的影响[21]
Figure 5. Influenceofporosityontheelectromagneticshieldingeffectivenessofaluminumfoam[21]
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2.4 泡沫铝的热物理性能
泡沫铝具有低的导热率,其热导率仅为纯铝的1/5~1/500,因此,泡沫铝是一种优秀的绝热保温材料。
泡沫金属的导热性能随密度增加而增加,并与传热条件有关;泡沫金属的孔类型对热传导性能也有影响,闭孔结构隔热性优于通孔结构,而通孔结构散热性优于闭孔结构。
因此,闭孔泡沫铝导热系数很低可用作绝热材料,而开孔泡沫铝由于大的比表面积及复杂的三维流动而具有高的散热能力,可被广泛应用于散热材料和热交换器元件[14]。
3. 增强泡沫铝基复合材料
泡沫铝特殊的多孔结构使其具有许多的优异性能,但泡沫铝的强度和刚度受自身材质的限制比较低,不足以在特定场合起到支撑受力的作用,因此通过在泡沫铝基体中添加增强相来提高泡沫铝材料的相关力学性能是一个很好的解决方法。
近些年来一些研究者开展了增强泡沫铝基复合材料的研究,从增强相的角度看,泡沫铝基复合材料可分为硬质陶瓷增强和纤维增强两大类。
硬质陶瓷颗粒中最为典型的是A12O3、SiC、SiO2、Y2O3颗粒及电厂废料粉煤灰等,常见的纤维增强相有碳纤维、A12O3纤维和SiC纤维等。
3.1 A12O3颗粒增强相
Daoud[22]采用熔体发泡法制备了A12O3颗粒增强A1Si9Mg0.6(A359)复合泡沫。
研究表明,将A12O3体积分数由5%增加至15%,对复合泡沫材料的密度没有明显影响,但相对密度(复合泡沫铝密度与纯铝密度的比值)随A12O3体积分数的增大而增大;随着A12O3颗粒含量的增加,泡沫复合材料的屈服强度、杨氏模量均有所提升;含体积分数15%A12O3颗粒的A359泡沫复合材料的能量吸收较纯泡沫铝提升了一倍,吸收能量达到了5MJ·m-3。
3.2 SiC颗粒增强相
SiC颗粒的加入有助于提高金属熔液黏度。
Esmaeelzadeh等[23]将实验用Al、Si、SiC和发泡剂TiH2粉末充分混合,热挤压致密处理后发泡得到SiC/A1Si7复合泡沫。
实验结果显示,SiC颗粒(平均直径为3μm)的加入提高了金属液的黏度,同时能够阻止已经均匀分散在铝熔体中的发泡剂上浮,使生成的气泡滞留在铝液中而不逸出,从而增加了膨胀率,提高了A1Si7泡沫的稳定性。
3.3 Y2O3颗粒增强相
Zhao等[24]采用填加NaCl颗粒造孔剂法制备了开孔Y2O3颗粒增强泡沫铝。
研究发现,当加入适量的Y2O3颗粒后,改善了铝颗粒间的结合性,提高了泡沫铝的力学性能。
当Y2O3质量分数在0.8%时,得到最大抗弯强度(20.4MPa),当Y2O3质量分数为0.5%~0.8%时,维氏硬度达到最大值(Hv41)。
但是,过量的Y2O3反而会降低铝颗粒的结合效果,当Y2O3的质量分数大于1.2%时,铝颗粒之间分界明显,造成其抗弯和压缩强度均明显下降。
3.4 碳纤维增强相
Mu等[25]采用熔体发泡法制备了镀铜碳纤维增强泡沫铝基复合材料。
研究表明,随着碳纤维含量的增加,复合泡沫铝材料的吸能平台应力增高,但是平台的长度变短,能量吸收能力变大。
此外,随铜包覆的碳纤维含量的增加,临界应变振幅减小,复合泡沫铝的阻尼性能增加,这是由于碳纤维的加入使界面微裂纹塑性形变增多,进而导致界面微滑移的增加,使得复合泡沫铝的阻尼增加。
3.5 碳纳米管增强相
碳纳米管(carbonnanotube,CNT)具有优异的机械、导热和导电性性能,以碳纳米管作为增强体的Al基复合材料(CNT/Al)在航空航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。
制备CNT/Al复合材料的主要目的是提高基体的强度及模量[26]。
George[27]等人采用真空热压烧结结合挤压制备CNT/Al复合材料,实现了碳纳米管强化效果,使复合材的性能和模量都得到提高[27]。
4. 结束与展望
泡沫铝及其复合材料由于自身独特的结构和优异的性能,在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域展现出很大的应用前景。
未来主要的研究方向是新泡沫铝及其复合材料的制备方法和成熟稳定的制备工艺,以解决目前泡沫铝材料孔结构分布不均和力学性能较低等问题。
此外,还需进一步研究降低制备成本,拓展其应用范围。
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- 泡沫 及其 复合材料 研究进展