泡沫Al-0.2Sc-0.17Zr合金制备的探索性实验-免费范文(二)

在20世纪50年代中期,美国Borksten公司的J.C.Elliott等人第一次在制备泡沫铝是采用熔体发泡法并成功制备出泡沫铝基于Sosnick的基础[6]。他们使发泡剂（TiH2或ZrH2粉末）和熔融的金属液体均匀地混合在一起，他们使用发泡剂粉末反应产生的气体（H2）替代对人体有害的汞蒸汽在熔融体中形成气泡，熔体冷却凝固后获得闭孔泡沫铝试品。熔体发泡法的发明为泡沫铝更深一步的研究发展鉴定了基础，也导致在世界上泡沫铝的研究渐渐兴起。随后Foamaium公司和Ithly公司在实践中将次方案进行实验[7]。同时美国的LOR和ERG公司也在从事这方面的研究，并且在1960年～1980年之间这两家公司申请的泡沫铝相关的专利（包括发泡剂的选择，熔体增粘和连续生产方法）占据全世界申请的20余件专利的半数以上。但而后很长一段时间内美国的泡沫铝研究进展裹足不前，直到上世纪才有启动相关的研究，尤其是麻萨诸塞州科技学院、特拉华州大学、伊利诺斯州立大学、克罗拉多大学等多所大学，对泡沫铝的热物理、力学性能和相关应用进行探索[8]。

1959年，B.C.Allen独创了作为目前制造泡沫铝的基本制造工艺之一的PCF金属泡沫法 [9]。1970年，日本开始研究泡沫铝材料。20世纪80年代初, 因发现泡沫铝具有轻质、隔声、阻燃、还有吸能能力强和屏蔽电磁波的性质，国际上产生了探索泡沫铝的热潮。上世纪90年代后，许多国家都试图加强对泡沫铝材料的研究。这一时期取得的成功有：德国不莱梅的弗劳恩霍夫先进材料研究所就制备泡沫铝的粉末冶金法取得突破性进展和加拿大铝业国际有限公司发明了气体发泡法。迈进21世纪之后，泡沫铝的研究工作在世界范围内迅猛发展,除美国、日本、德国等一些早就开始泡沫铝的研究工作的国家之外,英国的诺丁汉大学、剑桥大学，韩国的釜山大学和科热流控制中心,乌克兰国家科学研究所,挪威科技大学,新西兰奥克兰大学,中国台湾工业技术研究院等更进一步深层次地研究了泡沫铝的气泡生成与增长理论、力学模型和制备工艺[10]。

1.1.2 国内泡沫铝研究动态

我国的泡沫铝研究与国外一些先进的工业国家相比起步相对较晚，开始于20世纪80年代后期，目前已有一系列的研究取得成果，但尚未取得突破性业绩仍处于起步阶段，还无法形成生产力[10]。

上世纪80年代后期贵州工学院和大连理工大学就对熔体直接发泡法取得了一系列研究成果。到了20世纪90年代，大量科研机构和高等院校经过多年的泡沫铝研究工作取得了丰富的科研成果。近年来，中国铝业股份有限公司郑州研究院、东北大学、东南大学、北京科技大学、吉林工业大学、中国科学院固体物理研究所、中国船舶重工集团公司725研究所、北京航空材料研究院等超过十个单位都在对泡沫铝的发泡技术和发泡技术进行研究，但有关工业生产泡沫铝的报道还不多见。

泡沫铝的研究工作已有超过50年的历史，但实现批量化生产的产品并不多，主要是因为泡沫铝的性能表征不够完善，缺乏部分构件设计、性能重复性性差、测试和计算方法不足、后处理基本原理根据不足、生产技术过于复杂、成本较高以及工艺控制过程的要求较高，这就导致无法生产可控性较高、稳定的泡沫铝的局面。一但这些难题得到解决，泡沫铝可以规模化生产，泡沫铝合金将会在金属材料和功能材料领域带来一次全新的改革[11]。

1.2 泡沫铝的分类

按泡沫铝气孔结构不同分为通孔泡沫铝和闭孔泡沫铝。泡沫铝根据其内部的气孔结构的不同可以分成两种类型：闭孔型和通孔型。闭孔型泡沫铝是指气泡之间都是独立存在的，两个气孔之间只是通过孔壁连接或者是面的连接。通孔型泡沫铝则是指气泡都是连通状态的结构类型，其气孔之间是一种可渗透的结构。但是因为现今的泡沫铝还存在两者结合的，两个孔既存在独立的又存在相连的，所以通过上面的结构分类的方法是很难判定。本课题设计主要研究闭孔泡沫铝。跟据使用泡沫铝的目的的不同泡沫铝可做为吸声材料、缓冲材料及电磁屏蔽材料。吸声材料只要利用的是泡沫铝的吸声性能； 缓冲材料主要利用的是泡沫铝的吸收振动、冲击的能力；电磁屏蔽材料主要利用泡沫铝影响其电磁波[11]。

1.3 泡沫铝的制备方法

1.3.1 开孔泡沫铝的制备方法

（1） 渗流铸造法

渗流铸造法的流程是将已经经过处理并处理好的填料粒子或者支撑多个空块后倒入铸型中，再将其一起进行加热至一定温度后，把已经融化的金属熔融体倒入铸型中，并适当增加压强使金属熔融体渗透到预制块或者填料的空隙中,冷却固化后会形成一个相互连接的金属性填料粒子复杂的立体网络，将铸件铸造成所需的形状，再将填料粒子取出，从而制备出我们所需要的泡沫金属。根据压力的不同渗流铸造法可以分为负压渗流铸造法及上压渗流铸造法的两种方法。根据不同的控制压强方法，又可以分成固体压头加压法、气体加压法、差压铸造法和真空吸铸法四种方式。在制备泡沫铝的工艺方法中渗流铸造法的操作内容相对繁琐且步骤复杂，故难以完成大规格的泡沫铝制备 [11]。

（2） 电沉积法

电沉积法是其中它的阴极是用以经过导电处理后的泡沫塑料作为基底，阳级是用工业纯铝板，电解质是烷基铝溶液，这是通过电镀法的一种制备泡沫铝的方法。可用来使泡沫塑料导电的途径有浸涂电胶、磁控溅射锡膜和化学镀膜等。由于铝的电负性比氢要高，故不能采用铝盐水溶液电镀，可用烷基铝镀液来代替。此法制备的泡沫铝具有气孔均匀等较多特性。这种方法制作出来的泡沫铝的阻尼特性方面及隔热效果上都比铸造法生产的泡沫铝要更好[12]。

（3） 熔模铸造法

熔模铸造法该方法在制作上较为精密,它是在具有一定的几何形体的容器中填充入泡沫塑料，并在泡沫塑料的周围填充入液态状的耐火性材料。等到耐火材料硬化成固态后,再加热升高温度使泡沫塑料渐渐气化，从而使硬化的耐火材料变成具有泡沫塑料形状的三维网状的预制模型。将融化的金属倒入模型中，冷却后熔融状态的金属凝固并除去模型中的耐火材料,即可得到通孔泡沫金属。这一方法制得的泡沫铝样品三维孔隙渗透、结构均匀,不受材质的形状和大小的限制继承了预制模型的结构特点。这种方法可以用来生产多种用途的开孔泡沫金属。缺点是金属基体在结构上的强度不高，制作工艺较为复杂 [13]。

（4） 金属/气体共晶凝固法

金属/气体共晶凝固法(Gasar)是在一个乌克兰籍的科学家申请的一个美国专利中首次出现的[3,9]。在高压（几个或几十个大气压）氢气或氢气与氩气的气氛中熔化不与氢气反应金属或合金并保温一定的时间，使大量的氢气熔入金属熔体中。因为氢气在固相和液相金属中溶解性的演绎，使得在稍后的定向凝固中凝固界面出释放出大量的过饱和氢气从而形成气孔。与此同时,金属也会被凝固成固相,这就类似于于产生了一个固/气共晶的转变。金属/气体共晶与传统固体共晶的相同点就是生成亮相共同生长的共晶结构，不同点是前者的其中一相是气体

另外还可通过烧结法[14]、自蔓延高温合成法和腐蚀造孔法等方法制备泡沫铝合金。

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1.3.2 闭孔泡沫铝制备方法

（1） 熔体发泡法

因为熔体发泡法生产泡沫铝成本低，有利于规模化生产，产生的肥料也可以回收作为原料继续生产，所以这种方案