关于浅谈金属腐蚀与防护方式论文
无论是在学校还是在社会中，大家都写过论文，肯定对各类论文都很熟悉吧，论文是对某些学术问题进行研究的手段。你所见过的论文是什么样的呢？以下是我整理的关于浅谈金属腐蚀与防护方式论文，仅供参考，欢迎大家阅读。
摘要： 本文简单阐述了金属腐蚀的类别与影响因素，对于腐蚀的防护方式与必要性展开了具体的探究，并同时指明了部分经常使用的化学涂料，对于它们的原理与功能展开了简单的阐释。此外还论证了金属腐蚀的防护方式并非单一的，它是具有多样性的。最终对防护领域进行了忠告，尽可能的降低由于金属腐蚀的因素而引发的恶劣后果。
关键词： 金属腐蚀；因素；防护方式
化学工业、石油化工、原子能等领域中，因为材料腐蚀导致的跑、冒、滴、漏，不但会让社会承受重大的损失，还会导致大量的有害物质甚至是放射性物质外泄对环境造成不可恢复的伤害，继而对人们的身体健康造成威胁，一些物质在短时间内不会消失，会长时间内对环境以及人身造成威胁；同时因为金属腐蚀所引发的灾难性事故会危及人民的生命财产安全，例如氢脆和应力腐蚀断裂等类型的失效事故，一般会导致爆炸、火灾等重大的事故，使人们的生命财产承受巨大的损失。
1、金属腐蚀的类别
金属的腐蚀的发生主要是在环境的影响下所导致的破坏和变质。根据腐蚀过程来划分，主要包含化学腐蚀与电化学腐蚀；根据金属腐蚀破坏的状态与腐蚀区的布局，重点包含全面腐蚀与局部腐蚀；此外根据腐蚀的条件来划分。重点包含高温腐蚀与常温腐蚀；干腐蚀与湿腐蚀等。
2、影响金属腐蚀的因素
①空气相对湿度与金属腐蚀的临界相对湿度。空气内的氧气总是比较充足的，腐蚀反应的速率重点是基于水分的产生，假如到达或者超越特定的相对湿度，锈蚀就会以较快的速度出现和恶化，通常而言，钢铁的临界相对湿度大概是75%。
②空气中污染性物质的影响。通常能够见到的为SO2，CO2，Cl-，灰尘等，多数皆为酸性气体。
③温度。环境温度和变化规律影响金属表面水份凝聚及电化学腐蚀反应速率。
④酸碱盐。重点体现在影响水膜电解质浓度与H+浓度，进而加快腐蚀的速度。
3、防护方式
金属腐蚀的防护方式具有多样性，重点对象为金属本质，将被保护金属和腐蚀介质进行隔离，或者对金属的表面进行操作，改变腐蚀条件和电化学保护等。
3.1改善金属本质
按照差异性的用途采取差异性的材料构成耐蚀合金，或者于金属内加入合金元素，提升它的耐腐蚀性，能够预防或者降低金属腐蚀的速度。比方，于钢内融入镍制成不锈钢能够强化防腐蚀等级。
3.2构成保护层
于金属表面设置各类保护层，将被保护的对象和腐蚀性介质进行隔离，此为预防金属腐蚀的最佳方式。
3.2.1金属的磷化处理
在钢铁制品去油、除锈操作之后，添加一定组成的磷酸盐溶液中浸泡，就能够在金属表面产生一层不溶于水的磷酸盐薄膜，此类过程即为磷化操作。磷化膜表现为暗灰色到黑灰色，厚度通常是5至20μm之间，于空气内具备较强的耐腐蚀能力。
3.2.2金属的氧化处理
把钢铁制品融入至NaOH的混合溶液内，加热，在它的'表面就能够产生一层厚是0.5～1.5μm的蓝色氧化膜（主要组分是Fe3O4），来实现钢铁防腐蚀的目标，这个过程就叫做发蓝处理。此类氧化膜具备较强的弹性与润滑度，不会对零件的精度产生任何负面的作用。因此精密仪器与光学元件等通常选择这种操作。
3.2.3非金属涂层
通过非金属比如油漆、喷漆、沥青等涂抹于金属表层产生保护层，叫做非金属涂层，亦能够实现防腐蚀的目标。比如船身、车厢、水桶等通常选择油漆，车辆的表面经常喷漆等。
3.2.4金属保护层
其为将一类耐腐蚀能力较大的金属或者合金镀于保护对象的表层上所产生的保护镀层。此镀层的产生，不仅可以通过电镀、化学镀实现，还能够通过热浸镀、渗镀、真空镀等方式实现。
3.3改善腐蚀条件
改善条件对于降低与避免腐蚀具有必要性。比如，能够选择在腐蚀介质内融入可以减小腐蚀速度的物质，也就是缓冲剂，来降低与避免腐蚀的发生。缓冲剂属于一类化学物质，将其适量的融入至腐蚀介质内，即能够大幅度降低金属腐蚀的速度。因为缓冲剂的用量较小，便捷和廉价，因此这也是一类十分重要的防腐蚀方式。
3.4电化学保护法
此类方式为以电化学原理为基础的，于金属设备上进行操作，让其变成腐蚀电池中的阴极，进而成为预防或者减缓金属腐蚀的方式。
3.4.1阴极保护
此外通过外加电源来保护金属。将保护的对象接于负极，变成阴极防止腐蚀的产生。同时选择部分铁块接于正极，让其变成阳极，使其腐蚀，也就是说牺牲阳极。此类方式重点应用于化工厂的部分酸性溶液贮槽或者管道，地下水管、输油管等。
4、结语
不管是在社会中的哪个领域，金属腐蚀工作皆具有十分重要的意义，对环境、经济、安全皆会产生严重的影响。石油化工设施比方新建油库、管道、大型石化生产设备等，应当采取防腐措施。但防腐蚀的方式具备多样性，其形成的因素也是多种多样的，这对于这个领域中的所有人员都是一个巨大的挑战，值得所有人员做出相应的努力。
金属的腐蚀与防护
金属有许多优良的性质，例如导电性、导热性、强度、韧性、可塑性、耐磨性、可铸造性等。金属材料至今依然是最重要的结构材料，广泛应用于生产、生活和科技工作的各个方面。金属制品在生产和使用的过程中，受到各种损坏，例如，机械磨损、生物性破坏、腐蚀等。
1、金属腐蚀的定义
金属的腐蚀是金属在环境的作用下所引起的破坏或变质。金属的腐蚀还有其他的表述。所谓环境是指和金属接触的物质。例如自然存在的大气、海水、淡水、土壤等，以及生产生活用的原材料和产品。由于这些物质和金属发生化学作用或电化学作用引起金属的腐蚀，在许多功能情况下还同时存在机械力、射线、电流、生物等的作用。金属发生腐蚀的部分，由单质变成化合物，至使生锈、开裂、穿孔、变脆等。因此，在绝大多数的情况下，金属腐蚀的过程是冶金的逆过程。
2、金属腐蚀的分类
有多种分类方法。
（1）按腐蚀过程的分，主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀过程中没有电流产生。例如金属在高温的空气中或氯气中的腐蚀，非电解质对金属的腐蚀等。引起金属化学腐蚀的介质不能导电。电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，在腐蚀过程中有电流产生。引起电化学腐蚀的介质都能导电。例如，金属在酸、碱、盐、土壤、海水等介质中的腐蚀。电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别在于它可以分解为两个相互独立而又同时进行的阴极过程和阳极过程，而化学腐蚀没有这个特点。电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍。
（2）按金属腐蚀破坏的形态和腐蚀区的分布，分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀，是指腐蚀分布于整个金属的表面。全面腐蚀有各处的腐蚀程度相同的均匀腐蚀；也有不同腐蚀区腐蚀程度不同的非均匀腐蚀。在用酸洗液清洗钢铁、铝设备时发生的腐蚀一般属于均匀腐蚀。而腐蚀主要集中在金属表面的某些区域称为局部腐蚀。尽管此种腐蚀的腐蚀量不大，但是由于其局部腐蚀速度很大，可造成设备的严重破坏，甚至爆炸，因此，其危害更大。金属在不同的环境条件下可以发生不同的局部腐蚀。例如孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀等。还有按腐蚀的环境条件把腐蚀分为高温腐蚀和常温腐蚀；干腐蚀和湿腐蚀等。
当金属和周围介质接触时，由于发生化学和电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。从热力学观点看，除少数贵金属（如Au、Pt）外，各种金属都有转变成离子的趋势，就是说金属腐蚀是自发的普遍存在的现象。金属被腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能方面都将发生变化，造成设备破坏、管道泄漏、产品污染，酿成燃烧或爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，使国民经济受到巨大的损失。据估计，世界各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值3.5％～4.2％，超过每年各项大灾（火灾、风灾及地震等）损失的总和。有人甚至估计每年全世界腐蚀报废和损耗的金属约为1亿吨！因此，研究腐蚀机理，采取防护措施，对经济建设有着十分重大的意义。
金属防腐蚀的方法很多，主要有改善金属的本质，把被保护金属与腐蚀介质隔开，或对金属进行表面处理，改善腐蚀环境以及电化学保护等。
（1）改善金属的本质
根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。
（2）形成保护层
在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法，物理方法和电化学方法实现的。
①金属的磷化处理
钢铁制品去油、除锈后，放人特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理。
磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为5 μm～20 μm，在大气中有较好的耐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提高。
②金属的氧化处理
将钢铁制品加到NaOH和NaNO2的混合溶液中，加热处理，其表面即可形成一层厚度约为0.5 μm～1.5 μm的蓝色氧化膜（主要成分为Fe3O4），以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响零件的精度。故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、薄钢片、细钢丝等常用发蓝处理。
③非金属涂层
用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂抽漆，汽车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等）喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁。色泽艳丽，兼具防蚀与装饰的双重功能。
搪瓷是含SiO2量较高的玻璃瓷釉，有极好的耐腐蚀性能，因此作为耐腐蚀非金属涂层，广泛用于石油化工、医药、仪器等工业部门和日常生活用品中。
④金属保护层
它是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。
热浸镀是将金属制件浸入熔融的金属中以获得金属涂层的方法，作为浸涂层的金属是低熔点金属，如Zn、Sn、Pb和A1等，热镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝，应用最广；热镀锡用于薄钢板和食品加工等的贮存容器；热镀铅主要用于化工防蚀和包覆电缆；热镀铝则主要用于钢铁零件的抗高温氧化等。
（3）改善腐蚀环境
改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质（称缓蚀剂）来减少和防止金属腐蚀。
（4）电化学保护法
电化学保护法是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法。
①牺牲阳极保护法
牺牲阳极保护法是用电极电势比被保护金属更低的金属或合金做阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。
牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。此法常用于保护海轮外壳，海水中的各种金属设备、构件和防止巨型设备（如贮油罐）以及石油管路的腐蚀。
②外加电流法
将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。
金属的腐蚀虽然对生产带来很大危害，但也可以利用腐蚀的原理为生产服务，发展为腐蚀加工技术。例如，在电子工业上，广泛采用印刷电路。其制作方法及原理是用照相复印的方法将线路印在铜箔上，然后将图形以外不受感光胶保护的铜用三氯化铁溶液腐蚀，就可以得到线条清晰的印刷电路板。三氯化铁腐蚀铜的反应如下：2FeCl3 + Cu==2FeC12 + CuCl2
此外，还有电化学刻蚀、等离子体刻蚀新技术，比用三氯化铁腐蚀铜的湿化学刻蚀的方法更好，分辨率更高。
人们常常把贵重的东西锁到保险柜里.金子在保险柜里躺上几千年,可以分毫不差.铁却不然,即使在保险柜里,它也会被"偷"走——生锈啦.
博物馆里陈列的古代铁器,几乎没有一个不是铁锈斑斑的;切菜刀几个月不用,就会满身是锈,正如俗话所说:"快刀不用黄锈生".铁,的确容易生锈.每年,世界上有几千万吨的钢铁,变成了铁锈.
铁容易生锈,除了由于它的化学性质活泼以外,同时与外界条件也极有关系.
水分是使铁容易生锈的条件之一.化学家们证明:在绝对无水的空气中,铁放了几年也不生锈.
然而,光有水也不会使铁生锈,人们曾经试验过,把一块铁放在煮沸过的,密闭的蒸馏水瓶里,铁并不生锈.
你注意到河边的那些自来水管吗它们常常是上边不锈,下边不锈,只是靠近水面的那一段才生锈.原来,只有当空气中的氧气一旦溶解在水里,才会使铁生锈.在靠近水面的部分,与空气距离最近,水中所溶解的氧气也最多,所以容易生锈.空气中的二氧化碳溶在水里,也能使铁生锈.铁锈的成分很复杂,主要是氧化铁,氢氧化铁与碱式碳酸铁等.
铁锈真糟糕,它又松又软,象块海绵,一块铁完全生锈后,体积可胀大八倍.这海绵状的铁锈特别容易吸收水分,自然,铁就烂得更快了.还有不少因素,使铁容易生锈,如水中有盐,铁制品表面不干净,粗糙,铁中杂有其他金属……等等"
人们决不能坐视空气中的水蒸气,氧气和二氧化碳等这般猖獗,从人们手中"偷"走那么多钢铁,人们想出各种各样的办法,来保护钢铁.
最普通的防锈办法,是给铁穿"衣服"——在铁的表面涂上油漆或者镀上别的不容易生锈的金属.例如,小轿车穿着一身闪闪发亮的喷漆;暖气管上涂着铝漆;做罐头用的马口铁镀了层锡;房顶上的白铁皮表面镇了一层锌;你的自来水笔笔插上,镀着一层铬或镍.更彻底的办法,是给铁注射"强心针"——加入其他金属,制成不锈合金.大名鼎鼎的不锈钢,就是在钢中加入一点镍和铝而制成的合金.
2。来自于
防锈应针对金属腐蚀的原因采取适当的方法。常用的方法有：
[改变金属的内部组织结构] 例如制造各种耐腐蚀的合金，如在普通钢铁中加入铬、镍等制成不锈钢。
[保护层法] 在金属表面覆盖保护层，使金属制品与周围腐蚀介质隔离，从而防止腐蚀。如：1．在钢铁制件表面涂上机油、凡士林、油漆或覆盖搪瓷、塑料等耐腐蚀的非金属材料。2．用电镀、热镀、喷镀等方法，在钢铁表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如锌、锡、铬、镍等。这些金属常因氧化而形成一层致密的氧化物薄膜，从而阻止水和空气等对钢铁的腐蚀。3．用化学方法使钢铁表面生成一层细密稳定的氧化膜。如在机器零件、枪炮等钢铁制件表面形成一层细密的黑色四氧化三铁薄膜等。
[电化学保护法] 利用原电池原理进行金属的保护，设法消除引起电化腐蚀的原电池反应。电化学保护法分为阳极保护和阴极保护两大类。应用较多的是阴极保护法。
[对腐蚀介质进行处理] 消除腐蚀介质，如经常揩净金属器材、在精密仪器中放置干燥剂和在腐蚀介质中加入少量能减慢腐蚀速度的缓蚀剂等。
[电化学保护] 将被保护的金属作为腐蚀电池的阴极，使其不受到腐蚀，所以也叫阴极保护法。这种方法主要有以下两种：
[牺牲阳极保护法] 此法是将活泼金属（如锌或锌的合金）连接在被保护的金属上，当发生电化腐蚀时，这种活泼金属作为负极发生氧化反应，因而减小或防止被保护金属的腐蚀。这种方法常用于保护水中的钢桩和海轮外壳等，例如水中钢铁闸门的保护，通常在轮船的外壳水线以下处或在靠近螺旋桨的舵上焊上若干块锌块，来防止船壳等的腐蚀。
[外加电流保护法] 将被保护的金属和电源的负极连接，另选一块能导电的惰性材料接电源正极。
通电后，使金属表面产生负电荷（电子）的聚积，因而抑制了金属失电子而达到保护目的。此法主要用于防止在土壤、海水及河水中的金属设备受到腐蚀。
电化学保护的另一种方法叫阳极保护法，即通过外加电压，使阳极在一定的电位范围内发生钝化的过程。可有效地阻滞或防止金属设备在酸、碱、盐类中腐蚀。
金家族之一：铝合金
航空用铝合金密度低、耐腐蚀性能好，且具有较高的比强度、比刚度，容易加工成型，有足够的使用经验，这些优点使其成为飞机结构的理想材料。从诞生以来，铝合金随着飞机设计的要求而不断发展，其性能也日益强大。例如，1954年，英国的3架“彗星”飞机先后坠毁，事故分析表明，坠机的主要原因是材料疲劳以及部分 7075-T6铝合金构件被严重腐蚀。经过探索，研究人员突破了过时效热处理问题，研制出第二代耐腐蚀铝合金，有效提升了飞机的安全水平。
如今，航空铝合金的发展已经进入第六阶段。2005年 4月 27日，世界上最大的宽体客机空客A380在图卢兹机场成功首飞。A380能够取得成功，先进材料的应用立下了汗马功劳。其中，加拿大铝业公司和美国铝业公司就为 A380开发了新型铝合金材料。根据 A380各部件的特点，加拿大铝业公司开发出了7040-T7651、7449、2027-T3511等一系列铝合金。每种合金都具有不同的性能和特点。在A380项目中，用7085锻件制造的应急舱门，零件数量从 147个减至 40个，紧固件由 1400个减至 450个，重量减轻了 20%，成本降低了 20%〜25%，承载能力和疲劳寿命也得到了显著提高。
合金家族之二：钛合金
钛及钛合金材料密度低、比强度高（目前金属材料中最高）、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好，可以与复合材料结构直接连接，而且两者之间的热膨胀系数相近，不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。因此，钛合金在航空领域得到越来越广泛的应用。洛克希德公司的“黑鸟”高空高速战略侦察机 SR-71，飞行速度超过 3马赫，在高速飞行时，机体表面温度将超过常规铝合金蒙皮的极限，如果用钢制造，飞机重量会大大增加，影响飞行速度和升限等性能。因此，SR-71的机身大量采用了钛合金，总重达 30多吨，占飞机结构重量的 93%。随着人们对飞机性能要求的不断提高，民用飞机的钛合金用量也在逐渐增加。早期波音 707上的钛合金部件用量仅占结构总重量的 0.2%，到最新的波音 787，占比高达 15%。
此外，钛合金也是制造航空发动机的主要材料。早期美国 F-4战斗机使用的 J79发动机，钛合金的用量只有50千克，不到总重量的2%。而现在大多数航空发动机的钛用量已经达到发动机总重量的25%〜30%。如波音 747、767的发动机 JT9D，其用钛量为总重量的 25%；空客A320的V2500发动机，其用钛量为总重量的 31%。钛合金的另一大用途是作为螺栓、铆钉等紧固件材料。这些紧固件虽小，但用量却很大，使用钛合金紧固件可以大大减轻重量。据估算，C-5大型运输机有 70%的紧固件为钛合金紧固件，飞机因此而减重 1吨左右。现在钛合金 3D打印技术已用于飞机制造。钛合金3D打印技术由于摆脱了传统的模具制造这一显著延长研发时间的环节，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件，因而为先进飞机结构的快速研发提供了有力的技术手段。
合金家族之三：超高强度钢
超高强度钢在强度、刚性、韧性以及价格等方面具有很多优势，且拥有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的特点，在航空领域得到广泛使用。例如，飞机的起落架要承受冲击等复杂载荷，而且载荷巨大，同时还要求起落架舱容积尽可能小，超高强度钢绝对强度大、稳定性好，因此成为起落架的首选材料。
20世纪 60年代，美国成功开发了 300M超高强度钢。300M钢的抗拉强度高，达到 1860MPa以上。它的横向塑性高，断裂韧性好，与同强度低合金超高强度钢相比，300M钢的抗疲劳性能更好，在介质中的裂纹扩展速率低。这些特点使得 300M钢成为大型飞机起落架的主要材料。1992年，美国又开发了 AreMet100。AreMet100与 300M的强度级别相同，但耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能较 300M钢有较大提高，是目前综合性能最好的超高强度钢。F-22、F/A-18E/F就使用了AreMet100作为飞机起落架的主要材料。
多孔金属材料的制备工艺及性能分析
多领域有着广泛的应用前景。本文概述了多孔金属材料的常用制备方法及其主要性能。
关键词:多孔金属材料;制备;性能;应用
摘 要
:多孔金属材料是一种性能优异的新型功能材料和结构材料
,具有独特的结构和性能
,在很
科学家极大的兴趣
,成为材料类研究的热点方向之
1 引言
一
,自
20世纪
90年代以来
,美国的哈佛大学、英国
在传统的金属材料中
,孔洞
(宏观的或微观的
)的剑桥大学、德国的
Fraunhofer材料研究所、日本的
被认为是一种缺陷
,因为它们往往是裂纹形成和扩东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行
展的中心
,对材料的理化性能及力学性能产生不利了广泛的研究
,获得了一批研究成果
[2-5]。在我国
,
的影响。但是
,当材料中的孔洞数量增加到一定程多孔金属材料的基础和应用研究也逐步得到重视和
度时
,材料就会因孔洞的存在而产生一些奇异的功发展。近年来
,研究队伍不断壮大
,在制备技术、结
能
,从而形成一类新的材料
,这就是多孔金属材料。构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防
按照孔之间是否连通
,可以把多孔金属材料分为闭领域的应用研究均取得了一定的进展
,已经引起我
孔和通孔两类
,如图
1所示。该类材料具有良好的国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视
,尤其
吸能性能、高阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及值得一提的是
,我国在
2005年立项的国家重大基础
良好的导热导电性能
[1] ,因而在一般工业领域
(如研究计划
(973计划
)“超轻多孔材料和结构创新构
汽车工业
)、国防科技领域及环境保护领域等有着型的多功能化基础研究
”
,更是体现了对该类材料
广泛的应用前景
,它的设计、开发和应用引起了中外研究的重要性和迫切性。
水化物等,然后将均混的混合物压制成密实块体即
到目前为止
,已开发的制备多孔金属的方法很
多
,涉及到的领域也非常广。根据在制备过程中金
属所处的状态
,可将多孔金属的制备工艺分为以下
三类
:液相法、粉末烧结法和沉积法。
2. 1 液相法
液相法包括的种类比较多
,且较易制备大块的
多孔金属和产品易商业化
,成为多孔金属材料制备
的主要手段,液相法主要包括以下几种:
2. 1. 1 颗粒渗流法
颗粒渗流法[ 6 ]原理是首先将颗粒在模具内压
实,烘干形成预制块。然后通过压力将金属液渗入
中,并强烈搅拌使空心小球分散,最后得到空心球与
金属基体形成的多孔金属材料。空心球铸造法的特
点是孔径和孔隙率易于控制,材料综合力学性能好。
2. 2 粉末冶金法
粉末冶金法主要包括粉末烧结发泡法、烧结-
脱溶法、松散粉末烧结法、中空球烧结法等。
2. 2. 1 粉末烧结发泡法
这种工艺[ 12 ]是首先将金属粉末和相应的发泡
剂按一定比例均匀混合,发泡剂可以是金属氢化物、
半成品,最后将此半成品加热到接近或高于混合物
熔点的温度,使发泡剂分解,金属熔化,从而形成多
孔泡沫材料。此种方法易于制作近半成品的零件和
到颗粒预制块的间隙中,最后将颗粒溶除即可得到
通孔结构的多孔金属材料。
2. 1. 2 精密铸造法
精密铸造法
[8]是首先用耐火材料浆料填满海
绵状泡沫塑料的孔隙
,待耐火材料固化后
,加热除去
塑料
,即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属
液浇入到预制块上
,加压渗流
,这一点类似于渗流过
程。最后再除去耐火材料
,就形成与原来海绵状塑
料结构相同的多孔金属材料。
2. 1. 3 熔融金属发泡法
熔融金属发泡工艺可分为两种
,发泡剂发泡和
通气发泡
[9, 10 ]。前者是在熔融的金属液中加入发泡
剂
(如
TiH2 ) ;后者则是在金属液中通入气体
(如惰
性气体
)。这两种工艺的共同特点是可制备孔隙率
高、尺寸大、闭孔结构的多孔金属
,但过程控制较为
复杂
,孔结构分布均匀性不高。
2. 1. 4 空心球铸造法
空心球铸造法
[11 ]的原理是先采用商用酚醛塑
料小球在惰性气体环境中加热直至塑料碳化
,形成
中空的小球。然后将这些中空的小球加入到金属液
三明治式的复合材料
,而且孔隙率较高
,孔分布均
匀。
2. 2. 2 烧结
-脱溶法
这种制备工艺
[13 ]首先是将金属粉末和可去除
填充颗粒均匀混合
,其中可去除填充颗粒一般包括
两类
,一类为可溶于水或其它溶剂的盐
(如
NaCl
等
),一类为可分解有机物
(如尿素、碳酸氢氨等
),
均混后把混合物压制成致密的半成品
,然后在一合
适的温度烧结。若填充颗粒为可分解有机物
,则烧
结过程中颗粒会分解气化
;若填充颗粒为可溶性盐
,
则在烧结后可用溶剂将其溶去便得到多孔金属材
料。
2. 2. 3 松散粉末烧结法
松散粉末烧结
[14 ]是把松散状态的金属粉末不
经压实直接进行烧结的方法。此种方法可用于生产
多孔金属电极。
2. 2. 4 中空球烧结法
通过将金属中空球烧结
,使之扩散结合而制造
多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔
和闭孔。金属中空球可通过下述方法制备
:在球形
树脂上化学沉积或电沉积一层金属
,然后将树脂除
明显的三阶段特征
,即初始的弹性段
(Linear Elasticity)、中间的平台段
( Plateau)和最后
的致密段
(Densification)。其中
,平台段的起始点应
力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度
,此强度远小于
其基体的屈服强度
[1]。当多孔金属材料受到外加
载荷时
,因屈服强度低很容易发生变形
,而且变形量
大、流动应力低
,在变形过程中通过孔的变形、坍塌、
破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使应力升
的。
高
,从而能有效地吸收冲击能。这种在较低应力水
形成金属烟。金属烟在自身重力作用及惰性气流的平下吸收大量冲击能的特征正是冲击缓冲所需要
携带下沉积和冷却。因其温度低
,原子难以迁移和
扩散
,故金属烟微粒只是疏散地堆砌起来
,形成多孔3. 2 高阻尼性能
泡沫结构
[16 ]。
多孔金属材料可看作是由三维网络状金属骨架
去
,或将树脂球和金属粉一同混合
,随后烧结使金属
粉结合
,同时树脂球挥发
[ 15 ]。
2. 3 沉积法
沉积法主要包括金属气相蒸发沉积法、原子溅
射沉积法和电化学沉积法三种。
2. 3. 1 金属气相蒸发沉积法
在较高惰性气氛中
,缓慢蒸发金属材料
,蒸发出
来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生一系列
碰撞作用
,使之迅速失去动能
,从而部分凝聚起来
,
与高压惰性气体原子碰撞
2. 3. 2 原子溅射沉积法
在惰性气体的压力下,元素原子在飞溅路程中
,金属原子一方面捕获气
体原子
,另一方面凝聚成金属液滴
,然后到达衬底。
在衬底上获得均匀包裹气体原子的金属体
,最后在
高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使
捕获的气体膨胀
,形成多孔金属材料。这种方法的
特点是孔结构非常理想
,但成本昂贵
,不易制备大
件
[ 17 ]。
2. 3. 3 电化学沉积法
这种方法是以聚氨基甲酸乙脂发泡材料为骨
架
,进行电解沉积
,然后加热去除有机聚合物骨架
,
得到多孔金属材料。这种方法制备的多孔材料不但
孔隙率高
,孔分布均匀
,且孔互相连通呈三维网状结
构
[ 18 ]。
3 多孔金属材料的主要性能
多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型
材料
,具有一些其基体或母体所不具备的特殊性能
和功能
,主要表现如下
:
3. 1 吸能性能
图
4 多孔金属材料典型的压缩应力
-应变曲线
多孔金属材料的应力
-应变
(σ
-ε)响应具有
与孔洞所组成的两相复合材料。除了孔洞与金属基
体之间所形成的界面外
,材料内部还存在其它大量
微观的
(主要是位错
)和宏观的
(较小的孔洞和裂
纹
)缺陷
,其组织状态和缺陷分布极不均匀。因此
当外力作用于多孔金属材料上时
,将在基体中产生
不均匀的应变
,特别是在孔洞
(宏观的或微观的
)或
裂纹附近
,其应变情况更为复杂
,从而引起缺陷区域
原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的
,因而引
起粘滞性应变
,造成能量的损耗
,导致材料的阻尼增
加。
3. 3 吸声性能
多孔金属材料的高孔隙率结构使其具有良好的
吸声性能
[19 ]。一般来讲
,通孔或半通孔多孔金属的
吸声效果比闭孔的好。多孔金属材料的吸声机制主
要可归为两种
,即声波经过多孔金属时流动阻力的
升高造成的粘性损失以及声波与孔洞表面热量交换
造成的热损失。
3. 4 电磁屏蔽、导热和导电性能
多孔金属具有良好的导电性和很高的比表面
积
,因此具备很高的电磁屏蔽性能
,即良好的吸收和
反射电磁波的能力。同时又具有良好的导热性
能
[ 20, 21 ]。
3. 5 其它性能
质轻
,易着色
,易加工
,耐高温。
4 结语
(1)多孔金属材料具有良好的理化性能和力学
性能
,因而可以作为功能材料和结构材料
,具有良好
的应用前景。多孔金属材料的制备工艺很多
,因而
可以满足多样化的需求
,可以根据不同的应用需求
采用不同的制备工艺。
and energy absorbing characteristic of foamed aluminum.
(2)部分制备工艺在结构的可控性、孔径的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502.
匀性、样品的大尺寸化等方面仍存在局限性
,因而制[10 ]Cymat Corp, Canada. Product Information Sheets. http: / /
备工艺还需要进一步的探索和完善。
www. cymat. com.
(3)随着工业和科技的进步
,人们对多孔金属
[11 ]张勇
,舒光冀
,何德坪
.用低压渗流法制备泡沫铝合金
[J ].材料科学进展
, 1993 (7) : 473 -47.
材料的需求量越来越大
,要求也越来越高
,但目前的
[12]J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber[M]. German Pa2
研究也只是涉及到了多孔金属材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997.
点
,相当多的潜在价值尚未被开发出来
MechanicalBehaviorofMetailicFomas[J].
. Mater. Sci, 2000 (30):191-227.
Olurin,N.A.
,或仅局限在
(44) : 105 -110.
[ 14 ]B. C.
社,1982.
[13]YA Novel sintering
processformanufacturingAlfoams[J].
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实验室阶段
,因而对性能的研究又提出了新课题。Scr. Mater, 2001
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749 -752. [责任编辑 朱联营
]
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On the Preparation and Properties of the PorousMetallicMaterials
HAO Gang -ling1 , HAN Fu -sheng2 ,
LIWei-dong1, BAIShao-min1,YANGNeng-xun 1
(1. College of Physics and Electronic Information, Yanan University, Yanan, Shaanxi 716000
2. KeyLaboratoryofMaterialsPhysics, InstituteofSolidStatePhysics,
Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031)
Abstract: Porousmetallicmaterialswithuniqueexcellentstructuresandpropertiescanbeutilizedasnew function2
aland structuralmaterials, which indicatsthattheporousmetallicmaterialshaveawidelypromisingapplication in
manyfields. Thevariouspopularmanufacturingmethodsandthemainpropertiesoftheporousmetallicmaterials,
in the present paper, were summarized.
Key words: porousmetallic materials; preparation; properties; ppplication
