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].
. Y. Zhao, D. X. Sun. -dissolution
实验室阶段
,因而对性能的研究又提出了新课题。Scr. Mater, 2001
参考文献
:
[1]L. J.
Gibson, M. F. Ashby. Cellular Solids: Structure and 拉科夫斯基
.工程烧结材料
[M ].冶金工业出版
Properties. 2nd ed[M ], Cambridge University Press, UK,
1997.
[15]O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B.
[2 ]L.
J. Gibson. Kieback. Novel Metallic Hollow Sphere Structures [ J ].
Annu. RevAdv. Eng. Mater, 2000 (2) : 192 -195.
[3]O.
B. Fleck, M. F. Ashby, Deformation and [16]张流强
,常富华
.低密度金属泡沫的研制
[J ].功能材
FractureofAluminum Foams[J]. Mater. Sci. Eng. 2000 料
, 1996, 27 (1) : 88 -91.
(A291): 136-146. [17]E.J. Lavernia,N. J. Grant. SprayDepositionofMetals?:
[4]J.
Banhart, W. Brinkrs. FatigureBehaviorofAluminum AReview[J]. Mater. Sci. Eng, 1998 (98):381-394.
Foams[J]. J. Mater. Sci, 1999 (18):617-619. [18]X. Badiche, S. Forest, T. Guibert, Y. Bienvenu, M.
[5]Y. Yamada, C. Wen, K. Shimojima,M. Mabuchi. Effects Corset, H. Bernet. MechanicalPropertiesandNon-Hom2
ofCellGeometryon theCompressivePropertiesofNickelFo2 ogeneousDeformation of Open -Cell Nicked Foams?: Ap2
mas[J]. Mater. Trans, 2000 (41):1136-1138. plicationoftheMechanicsofCellularSolidsandPorousMa2
[6]张勇
,舒光冀
,何德坪
.用低压渗流法制备泡沫铝合金
terials[J]. Mater. Sci. Eng, 2000 (A289):276-288.
[J ].材料科学进展
,1993 (7):473 -478. [19]许庆彦
,陈玉勇
,李庆春
.加压渗流铸造多孔铝合金及
[7 ]J.
Banhart. Manufacture, characterization and application 其吸声性能
[J]1铸造
,1998 (4):1 -4.
ofcellularmetalsandmetalfoams[J]. ProgressinMateri2 [20 ]黄福祥
,金吉琰
,范嗣元等
.发泡金属的电磁屏蔽性能
als Science, 2001 (46) : 559 -632. 研究
[J]1功能材料
, 1996 (27) : 52 -54.
[8]F. Frei, V. Gergely, A. Mortensen, T.W. Clyne. The [21]J. Kovacik, F. Simancik.Aluminum FoamModulusofE2
effectofpriordeformationon thefoamingbehaviorof“form2 lasticity and Electrical Conductivity According To Percola2
grip”precursormaterial[J ] 1Adv. Eng. Mater, 2002 (4): tionTheory[J]. Scr. Mater, 1998 (39):239-246.
749 -752. [责任编辑 朱联营
]
[9]F. S. Han, Z. G. Zhu , J. C. Gao. Compressive deformation
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
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。
人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：
一、分类：
金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。
金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属 、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。
铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。
变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。
喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。
金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。
二、性能
为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。
材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。
材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。
三、生产工艺：
金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属 。
有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺 。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。
四、发展趋势：
金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。
可以从材料的发展史如石器、青铜器、铁器、非金属等的过程，谈材料科学的重要性。因为科学技术的发展过程，实际也是新型材料的发展过程。
要引用资料（数据或事例）说明新材料及材料科学的发展与民生及国民经济的密切关系。
国家计委和科技部日前共同发布了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指
南(2001年度)》，确定了当前应优先发展的十个产业的141个高技术产业
化重点领域新型金属材料产业优先发展的领域如下：
1、稀土材料及其应用
稀土是信息产业、绿色能源和环境保护等产业的重要支撑材料我国稀土储量
、产量和出口量均占世界首位
已形成较齐全的工业体系
近期产业化的重点是：高性能稀土永磁材料及制品、稀土催化材料、稀土贮氢
材料、稀土发光材料、超大磁致伸缩材料、高温超导材料、稀土硫化物涂料及颜料
的规模生产；加快发展高纯稀土氧化物和高纯稀土单质分离提取工业化生产技术和
装备；加快稀土在钢铁冶金、有色金属、玻璃、特种陶瓷、石油化工及农业等方面
的应用
2、复合金属材料制备工艺及其成套设备
由于异质金属复合材料的性能功能化和较低的成本及应用范围广泛，提高了传
统金属材料的发展潜力
近期产业化的重点是：建设铝-不锈钢、铝-钢、钛-钢、铜-钢带液-固相
复合工艺生产线
表面复合精饰技术制
备薄覆层(0.008-0.1mm)金属复合板带生产线；开发颗粒增强铝基复
合材料规模化生产技术、半固态成形技术、连续包敷复合高速钢材料及制品，并实
现产业化
3、高性能密封材料及制品
密封件是保证机械装备高效、长期、安全和稳定运行的重要基础件
其技术水
平、质量及性能直接影响配套主机产品质量和运行可靠性我国密封材料及制品经
过十多年的发展和技术引进，形成了一定的生产能力和规模
一般产品能满足各类
主机的配套要求，但高压、高速、精密、耐高温低温和耐腐蚀的密封件与国际水平
有较大差距
近期产业化的重点是：轿车及中高档轻型车动力传动、减振、制动系统用密封
材料及制品规模化生产示范基地建设；重大成套设备中高压、液压、气动系统用密
封件；电力设备中高温、高压机械密封；石化工业中高速透平压缩机非接触气膜密
封；金属磁流体动密封
4、纳米材料和特种粉末及其制品
纳米材料因其纳米效应而具有特殊的性能和广泛的用途
是目前科技发展重要
热点之一近年来
我国在纳米材料的研究开发和应用方面取得了很大进展
形成
了一批拥有自主知识产权的技术并开始产业化
近期产业化的重点是：以纳米粉体材料、纳米膜材料、纳米催化材料和纳米晶
金属材料为重点
实现低成本、环境友好以及质量稳定的规模化生产；加快纳米材
料规模化应用于信息、通信、医疗和环保等新兴产业以及能源、交通、化工、建材
、纺织和轻工等基础产业，改进性能，提高效率
促进技术进步；加快发展粉末冶
金摩擦材料、高温合金粉末以及高纯超细陶瓷粉体材料
链接：
二十一世纪将是材料-电子一体化的世纪作为新型功能材料家庭中的重要成员,形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器,在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势本文详细阐明了形状记忆合金的晶体学、热力学特性,概述了该材料的几种典型应用实例在此基础上,综述了这一功能材料的应用优势
