侯 飛，張樹(shù)玲，王錄才

（太原科技大學(xué)材料學(xué)院，山西 太原 030024）

泡沫鋁是一種在鋁基體中包含許多孔的新型功能結(jié)構(gòu)材料，其特殊的多孔結(jié)構(gòu)決定了其具有密度低、孔隙率高、比表面積大的特性，與許多普通金屬材料相比，還具有電磁屏蔽、隔熱、吸能、吸音、減震等優(yōu)良特性，由于其眾多的優(yōu)良特性，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車(chē)等領(lǐng)域[1-4]。

泡沫鋁依據(jù)孔結(jié)構(gòu)的劃分可分為兩種：一種是閉孔泡沫鋁，其氣孔互不連接，獨(dú)立的分散在金屬基體中；另一種是通孔泡沫鋁，其氣孔相互貫通，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[4-7]。PCM法是生產(chǎn)閉孔泡沫鋁的一種方法，它是由德國(guó)不萊梅研究所發(fā)明的，由于這種方法能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜的泡沫鋁產(chǎn)品而越來(lái)越受到關(guān)注。

歐美日等一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)泡沫鋁合金的制備研究起步較早，已能生產(chǎn)出泡沫鋁合金零件，在船身的建造、汽車(chē)的制造上已有應(yīng)用，一些公司甚至實(shí)現(xiàn)了泡沫鋁生產(chǎn)的批量化和工廠(chǎng)化，其產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了相當(dāng)高的水平[8]。斯洛伐克的Neumancompany，德國(guó)的FrauhoferInstitute和奧地利的Mepura公司都已經(jīng)成功生產(chǎn)出了泡沫鋁合金產(chǎn)品[6]。這些都是我們國(guó)內(nèi)目前無(wú)法企及的[4]。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也有越來(lái)越多的科研院所例如太原科技大學(xué)[9]、東南大學(xué)[5]等都開(kāi)展了對(duì)泡沫鋁的研究工作并取得了初步的進(jìn)展。

1 PCM 法的制備工藝

PCM（PowderCompactingmelting）法也稱(chēng)粉末冶金熔體發(fā)泡法，就是將發(fā)泡劑(發(fā)泡劑一般使用二氫化鈦或其他氫化物）和金屬粉末充分混合后，進(jìn)行壓制，制成所需形狀的、密實(shí)的金屬基體，然后將所得到的預(yù)制體加熱，當(dāng)加熱到金屬類(lèi)粉末熔點(diǎn)以上的溫度時(shí)，發(fā)泡劑就會(huì)受熱發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，由于內(nèi)外的壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)熔融狀態(tài)下預(yù)制體的膨脹，這樣就在金屬內(nèi)部形成了許多孔洞，當(dāng)冷卻后就可以得到具有閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬產(chǎn)品[4，10]?；赑CM法可以制備出泡沫鋁填充件和三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。PCM法制備泡沫金屬的工藝流程圖如圖1所示。

2 PCM 發(fā)制備泡沫鋁填充件復(fù)合結(jié)構(gòu)

泡沫鋁填充件復(fù)合結(jié)構(gòu)是將其他材料的中空毛坯內(nèi)部填充泡沫鋁而形成的復(fù)合體。比較典型的有兩種：一種是管狀填充件如圖2，一種是三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)件，如圖3所示。

最簡(jiǎn)單的方法是將可發(fā)泡的預(yù)制體放在中空毛坯中，然后進(jìn)行加熱。預(yù)制體受熱發(fā)泡，直到把毛坯充填滿(mǎn)。這種方法的缺點(diǎn)是，只有毛坯材料的熔點(diǎn)比發(fā)泡預(yù)制體的熔點(diǎn)高很多的情況下才可以使用，例如：發(fā)泡預(yù)制體的材料是鋁而管件是鋼的時(shí)候[11]。影響泡沫鋁填充件復(fù)合結(jié)構(gòu)制備的主要因素為：預(yù)制體制備方式、增粘劑的種類(lèi)與加入量、發(fā)泡溫度、冷卻方式、加熱方式等。

圖1 PCM 法發(fā)泡工藝

圖2 管狀填充件

圖3 三明治結(jié)構(gòu)件

2.1 預(yù)制體制備方式的影響

預(yù)制體試樣的制備方式有三種，分別是冷壓法、熱壓法和擠壓法。太原科技大學(xué)的研究人員通過(guò)對(duì)比研究預(yù)制體試樣在不同加熱溫度（760℃、790℃、820℃）下的發(fā)泡行為發(fā)現(xiàn)：只采用冷壓法制備的預(yù)制體在各溫度下都不能發(fā)泡；采用熱壓法制備的預(yù)制體試樣的發(fā)泡行為與加熱速度有很大關(guān)系；采用擠壓法制備的預(yù)制體試樣均能發(fā)泡[12-14]。

東北大學(xué)王磊等人[15]發(fā)現(xiàn)：在壓制模具充分潤(rùn)滑的狀態(tài)下，400MPa的單軸向冷壓縮完全能夠制備出滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的前驅(qū)體材料并能夠得到泡孔結(jié)構(gòu)均勻和壓縮性能相同的材料。

所以預(yù)制體制備方式的不同，其發(fā)泡效果也是有很大區(qū)別的。

2.2 增黏劑的影響

曹立等人[16，18]在采用PCM法制備泡沫鋁的過(guò)程中，分別加入了碳纖維、SiC、粉煤灰等，對(duì)泡沫鋁的熔體黏度、孔結(jié)構(gòu)以及氣泡的表面張力進(jìn)行了研究，并且還對(duì)氣泡的穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，分析了氣泡穩(wěn)定機(jī)理。結(jié)果表明，加入碳纖維的泡沫鋁，氣孔均勻性是最好的。對(duì)泡沫鋁的SEM照片分析表明，碳纖維、碳化硅顆粒和粉煤灰顆粒能夠均勻地分布在泡沫鋁的孔壁上，在發(fā)泡過(guò)程中，大量的顆粒分散在熔融或半熔的鋁液中，提高了熔體的黏度，從而增強(qiáng)了氣泡的穩(wěn)定性[17]。

林皓等[19]發(fā)現(xiàn)，將預(yù)制塊在450℃進(jìn)行不同時(shí)間的燒結(jié)處理，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)2h后，預(yù)制塊內(nèi)部Mg顆粒體積變大2～3倍，顆粒之間更加緊密接觸；Al和Mg顆粒在界面處發(fā)生均勻的相互擴(kuò)散，Mg與Al顆粒表面的氧化物反應(yīng)生成MgAl2O4尖晶石相，使二者之間形成新鮮金屬的相互接觸，增加熔體的連續(xù)性和致密性。這種方法是通過(guò)改變?cè)鲳㎝g粉顆粒的大小從而改變了熔體發(fā)泡的效果。

使用不同的增黏劑，對(duì)氣孔均勻性的影響也是不同的；對(duì)增黏劑的處理也會(huì)改變?nèi)垠w發(fā)泡的效果。

2.3 發(fā)泡溫度的影響

TiH2的熱分解曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，其開(kāi)始的分解溫度在500℃左右，在600℃左右時(shí)開(kāi)始大量分解，640℃左右達(dá)到最大值[20]。

圖4 TiH2 熱分解曲線(xiàn)

太原科技大學(xué)王錄才、王芳[21]，等研究發(fā)現(xiàn)：發(fā)泡溫度應(yīng)控制在金屬實(shí)體的熔點(diǎn)附近，發(fā)泡溫度在660℃～720℃之間時(shí)，可以控制泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)。得出結(jié)論：發(fā)泡溫度是影響粉體發(fā)泡法泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的主要因素之一，選擇合適的發(fā)泡溫度對(duì)形成良好的孔結(jié)構(gòu)非常重要[14]。

2.4 冷卻方式的影響

常用的冷卻方式有霧冷、風(fēng)冷和水冷三種。水冷這種冷卻方式的冷卻速率最高，但是進(jìn)入模具中的水會(huì)對(duì)未冷卻的泡沫鋁產(chǎn)生破壞性的影響；風(fēng)冷的冷卻速度最低，由于冷卻速率過(guò)低，不能及時(shí)停止正在演化的液態(tài)泡沫，從而增加了大孔、壞孔、塌陷的出現(xiàn)；霧冷的冷卻速率是最合適的，有效地避免了上述兩種方式的缺陷，能夠保證得到較好的產(chǎn)品[14，22，23]。但是由于受到這三種冷卻方式控制凝固速度的能力的局限，所以對(duì)發(fā)泡劑的用量要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，否則不能對(duì)孔的形貌進(jìn)行掌控。高孔隙率的熔融泡沫鋁，其導(dǎo)熱能力較低，如果沒(méi)有高效合適的冷卻方式，就會(huì)延長(zhǎng)泡沫冷卻凝固的時(shí)間，孔結(jié)構(gòu)的變化也就難以根據(jù)熔體泡沫化過(guò)程來(lái)方便控制[24]。

2.5 潤(rùn)濕性的影響

鋁和增黏劑的界面結(jié)合方式以及結(jié)合狀態(tài)直接影響了復(fù)合材料的一些性能和所需的攪拌時(shí)間，理想的界面結(jié)合不僅減少了所需的TiH2分散時(shí)間而且還能有效地提高材料的機(jī)械性能。常見(jiàn)的改善界面潤(rùn)濕性的方法有：添加合金元素（Mg或Ca等）、提高潤(rùn)濕過(guò)程中的溫度和使用涂層技術(shù)等。雖然使用涂層技術(shù)的效果最好，但工藝復(fù)雜、成本高也是一個(gè)需要改進(jìn)的問(wèn)題。提高溫度雖然是改善潤(rùn)濕性最簡(jiǎn)單方便的方法，但是由于在泡沫鋁發(fā)泡過(guò)程受到溫度嚴(yán)格的控制，所以首先在工藝方面就有了很大的局限性。添加合金元素是目前改善界面潤(rùn)濕性最常用的技術(shù)手段，加入合金元素，一種是通過(guò)降低液態(tài)金屬的表面張力和液-固界面能，降低潤(rùn)濕角的同時(shí)改善了潤(rùn)濕性；另一種是通過(guò)活性元素直接或間接的參與界面反應(yīng)來(lái)影響潤(rùn)濕過(guò)程的[25]。

3 泡沫鋁三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備

3.1 泡沫鋁三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法

制備泡沫鋁三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)件的主要方法有:粉術(shù)冶金法（PCM法）、膠粘法等。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金法制備泡沫鋁三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)件的工藝大致分為三個(gè)步驟:混粉、壓制和發(fā)泡成型。混粉就是將鋁粉以及發(fā)泡劑粉末（如TiH2）按一定重量比混合，為了保證后期泡沫的均勻性，盡可能的混合均勻。壓制的目的就是為了得到可發(fā)泡的三明治復(fù)合板，壓制的過(guò)程是將混合均勻的金屬粉末連同面板（粉末夾在面板中）一同放入特制的模具中，在較大壓力的作用下（擠壓或壓縮）使其密實(shí)成型。發(fā)泡成型，將制得的可發(fā)泡的三明治復(fù)合板放入加熱爐中進(jìn)行發(fā)泡，處在面板中間的密實(shí)金屬粉末在合適的溫度就會(huì)融化膨脹，經(jīng)冷卻就可以得到最終的泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合件了。此法制備出的泡沫產(chǎn)品相對(duì)密度較低，一般為為20%～40%。在制備形狀復(fù)雜的零部件，粉末冶金法有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。其原理如圖5[26].

圖5 粉末冶金法原理圖

太原科技大學(xué)王錄才教授[22]、東南大學(xué)梁曉軍[27]等人采用的工藝是將冷壓預(yù)制塊（芯）與鋼面板熱壓制成一個(gè)可發(fā)泡的面板，然后在一定溫度下加熱發(fā)泡，獲得泡沫鋁三明治板，這種工藝方法制得的三明治板在板／芯之間還形成了良好的冶金結(jié)合。東北大學(xué)張敏[28]、祖國(guó)胤[29]等人采用的工藝是粉末與鋼板軋制工藝，并且成功的制取了鋼面板泡沫鋁芯夾心結(jié)構(gòu)。PCM法制備出的復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫金屬，通過(guò)控制發(fā)泡和壓制工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)孔徑比較均勻的三明治式復(fù)合夾心鋁板及其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備[30]。

3.1.2 膠粘法

膠粘法是通過(guò)黏合劑將泡沫鋁芯板與面板粘接起來(lái)制成三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，如日本的ShikeWire公司采用此法可以生產(chǎn)面板是非金屬材料（大理石）的三明治結(jié)構(gòu)。黏合劑通常采用明膠，由于其不耐高溫的性質(zhì)，所以在一些惡劣的環(huán)境條件下，通過(guò)該種方法制得的復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁就會(huì)導(dǎo)致失效。另外，由于黏合劑本身就存在一個(gè)保質(zhì)期問(wèn)題，所以黏合部分的使用壽命是由黏合劑決定的，這也是此法受局限的地方。還有，膠粘AFS通常只能制備板狀構(gòu)件，這樣使其應(yīng)用領(lǐng)域受到很大的限制[30]。

3.2 泡沫鋁三明治的性能

泡沫鋁具有很強(qiáng)的吸收沖擊能量的作用，當(dāng)制成泡沫三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合構(gòu)件后，會(huì)很大程度地提高構(gòu)件的抗沖擊能力，并且構(gòu)件的沖擊吸收功隨著沖擊速度的增加而增加。因此，填充了閉孔泡沫鋁的保險(xiǎn)杠會(huì)大大增加汽車(chē)撞擊時(shí)的能力吸收，從而提高汽車(chē)的安全性[34]。優(yōu)良的剛度是泡沫鋁三明治板材最大的有點(diǎn)。從圖6可以看出，3mm厚鋁板的剛度比相同重量的閉孔泡沫鋁的剛度減少了5倍，而相同厚度的泡沫鋁板比泡沫鋁三明治的彎曲變形又大了80%.泡沫鋁板材具有保持結(jié)構(gòu)完整和各向同性的優(yōu)點(diǎn)。由于其良好的耐燃性、防腐性和環(huán)保性等性能在動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用也受到了高度重視[32]。特別需要指出的是，閉孔泡沫鋁三明治的各項(xiàng)性能均比胞狀鋁三明治更加優(yōu)越，尤其是在需要低成本高性能的場(chǎng)合[30，31]。

圖6 三明治泡沫鋁、泡沫鋁板和鋁扳的彎曲變形

4 存在問(wèn)題及展望

1）發(fā)泡劑的處理及泡沫的穩(wěn)定性還沒(méi)有得到更好的解決辦法，排液?jiǎn)栴}仍然困擾著PCM法制備復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的生產(chǎn)；PCM法泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)（包括氣孔孔縫隙、氣孔大小、孔的形貌及其均勻性）還遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)精確控制。

2）復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁及大規(guī)格、連續(xù)化泡沫鋁生產(chǎn)工藝還需繼續(xù)深入研究

3）如何合理選擇基體材料和優(yōu)化發(fā)泡過(guò)程，以強(qiáng)化和提高復(fù)合件中金屬泡沫的物理性能是需要研究的新課題，也是滿(mǎn)足不同使用場(chǎng)合的基礎(chǔ)。

4）密度梯度泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備以及小孔徑泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備。均勻細(xì)小的泡沫孔結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高其能量吸收能力以及拉伸強(qiáng)度。

5）脆性相的影響。在泡沫鋁的制備過(guò)程中，脆性相的產(chǎn)生直接影響了泡沫鋁的機(jī)械性能，從而影響了泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能。

[1]王芳，王錄才.粉體發(fā)泡法泡沫鋁制備工藝及性能的研究[J］．鑄造設(shè)備與工藝，2002（1）：16-20.

[2]高峰．泡沫鋁研究與應(yīng)用進(jìn)展[J］．江蘇冶金，2008（3）：3-6.

[3]蔣曉虎，李志軍，王輝，等．泡沫鋁新型超輕多孔金屬的制備方法與性能[J］．湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（3）：65-69.

[4]牛雪，王錄才.泡沫鋁合金發(fā)泡特性及壓縮性能的研究[D］. 太原：太原科技大學(xué)，2009.

[5]劉斌，陳鋒．泡沫鋁的粉末冶金法制備工藝改進(jìn)及其孔結(jié)構(gòu)控制研究[J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（2）：257-260.

[6]魏莉．粉末冶金法制備泡沫鋁材料的研究[D］．沈陽(yáng)：東北大學(xué)：2005.

[7]梁曉軍，陳鋒.泡沫鋁芯三明治的粉末冶金制備及其性能研究[D］. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2004.

[8]John Banhart，M．F．Ashby，NA．Fleck．Metal Foams and PorousMetal Structures[A］，In：International Conference on MetalFoams and Porous Metal Structures，Bermen，2003，VedagMIT．2006-2024

[9]鐘秀琪．泡沫鋁發(fā)泡行為與孔演變的研究[D］．太原：太原科技大學(xué)：2007.

[10]李梅，王錄才，王芳.粉體發(fā)泡發(fā)制備泡沫金屬的影響因素[J］.鑄造設(shè)備研究，2005（2）：52-54.

[11]John Banhart. Manufacture，characterisation and application of cellular metals and metal foams[J］. Progress in Materials Science，2001，（46）： 559-632.

[12]王芳，王錄才．不同壓制方式所得預(yù)制品的發(fā)泡性質(zhì)研究[J］．鑄造設(shè)備與工藝，2008（6）：08-11.

[13]牛雪，王錄才，王芳.PCM 法泡沫鋁合金的研究現(xiàn)狀[J］.鋁加工，2009，1（186）：51-54.

[14]潘強(qiáng)，王芳，游曉紅，等.PCM 法泡沫鋁的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J］.鋁加工，2011，4（201）：9-14.

[15]王磊，姚廣春，馬佳，等.壓制方式對(duì)閉孔泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)的影響[J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（3）：406-410.

[16]Kennedy A R，Asavavisithchai S．The effect of ceramic additions on foam expansion and stability in compacted A1-TiH2powder precursors[C］Banhart J，F(xiàn)leck N A，Morten-senA．Ed．Cellular Metals：Manufacture，Properties and Applications．America：MIT verlag，2003：147-152.

[17]艾金強(qiáng)，張淑玲，王芳，等.基于PCM 法泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)影響因素分析[J］.材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（4）：57-61.

[18]魏莉，曹立，樸慧京．泡沫鋁熔體粘度的控制與氣泡穩(wěn)定性研究[J］．沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（1）：6.

[19]林皓，羅洪杰，孫威，等.鎂顆粒在燒結(jié)過(guò)程中的變化方式及其對(duì)泡沫鋁制備的影響[J］.科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（5-6）：33-36.

[20]耿亮，王錄才，王芳，等.基于PCM 法泡沫鋁制備工藝的控制及發(fā)展[J］.鋁加工，2010，3（194）：12-16.

[21]王芳，王錄才． 發(fā)泡溫度對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的影響及機(jī)理分析[J］．太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24（1）：70-71.

[22]王錄才，陳玉勇，游曉紅，等．三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的制備及界面組織分析[J］．粉末冶金技術(shù)，2010，28（6）：434-438.

[23]王祝堂，張睿.泡沫鋁性能及制備技術(shù)[J］.輕合金加工技術(shù)，2011，39（10）：10-22.

[24]張錢(qián)城，盧天健，何思淵，等.閉孔泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)控制[J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（3）：254-271.

[25]程濤，向宇，李鍵，等.泡沫鋁異形件的制備技術(shù)與工藝[J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（6）：259-261.

[26]劉斌，陳鋒．泡沫鋁的粉末冶金法制備工藝改進(jìn)及其孔結(jié)構(gòu)控制研究[J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（2）：257-260.

[27]梁曉軍，朱勇剛，陳鋒，等．泡沫鋁芯三明治板的粉末冶金制備及其板芯界面研究[J］．材料科學(xué)與工會(huì)程學(xué)報(bào)，2005，23（1）：77-80.

[28]張敏，祖國(guó)胤，姚廣春，等．泡沫鋁夾心板的制備及其界面結(jié)合機(jī)理的研究[J］．功能材料，2006，2（36）：281-283.

[29]祖國(guó)胤，張敏，姚廣春，等．軋制復(fù)合粉末冶金發(fā)泡工藝制備泡沫鋁夾心板[J］．過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2006，6（6）：973-974.

[30]于青泉，王德慶.閉孔泡沫鋁與鋁及鋁合金覆蓋板的冶金結(jié)合[M］. 大連：大連交通大學(xué)，2009.

[31]趙龍，何德坪，單建．高孔隙率高比強(qiáng)泡沫鋁合金三明治梁、柱性能及其研究[J］.材料研究學(xué)報(bào)．2004，18（5）：485-486.

[32]林永強(qiáng).泡沫鋁在高速動(dòng)車(chē)組中的應(yīng)用[J］.電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2013，36（2）：40-43.