多孔金屬材料的制備及應(yīng)用

摘要：近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技也在不斷的進(jìn)步，對(duì)于多孔金屬材料的制備工藝技術(shù)也在不斷的提高，并且在日常工作、生活中被廣泛的應(yīng)用。可以說(shuō)，多孔金屬材料的出現(xiàn)，在很大程度上解決了陶瓷材料的難加工問(wèn)題。并且，這種多孔材料在電極和裝飾性材料方面發(fā)展空間很大。因此，我們有必要深入、科學(xué)的研究多孔金屬材料的制備工藝以及它的實(shí)際應(yīng)用，讓它能夠更好的發(fā)揮其作用。

關(guān)鍵詞：制備技術(shù)；多孔金屬材料；應(yīng)用；

多孔金屬材料是一種具備良好物理性能的新型材料，它具有密度小、減震性能好、吸收噪音能力強(qiáng)等特點(diǎn)。現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于高溫度的液體過(guò)濾器、催化劑當(dāng)中，甚至被作為航空以及一些建筑材料當(dāng)中的某一結(jié)構(gòu)材料。可以說(shuō)，多孔金屬材料有很可觀的發(fā)展前景，對(duì)它進(jìn)行深入的探索，通過(guò)技術(shù)的加工處理，可以使它滿足更多領(lǐng)域的工藝需求，創(chuàng)造更多的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.多孔金屬材料的制備工藝

1.1.發(fā)泡法

發(fā)泡法主要分為直接吹氣法、粉末發(fā)泡法以及金屬氫化物分解發(fā)泡法。它們之間有各自的特點(diǎn)。首先，直接吹氣法。直接吹氣法，它是一種非常簡(jiǎn)單的方法，同時(shí)它具備便捷、迅速、能耗低等特點(diǎn)。它主要是通過(guò)特定的吹氣裝置，把底部的氣體吹進(jìn)熔體，然后將所產(chǎn)生的氣泡凝聚到一起，形成整個(gè)泡沫，再用傳送帶將這些金屬泡沫進(jìn)行運(yùn)輸，并在運(yùn)輸過(guò)程中把這些泡沫冷卻，形成泡沫產(chǎn)品。其次，粉末發(fā)泡法。這種工藝是通過(guò)把發(fā)泡劑和金屬按照比例來(lái)進(jìn)行混合，然后攪拌均勻之后會(huì)對(duì)它施加一定的壓力，最后將其壓制成形。把成型之后的材料經(jīng)過(guò)第二次的加工，成為半成品，然后放入鋼模中進(jìn)行加熱，讓發(fā)泡劑在受熱之后分解發(fā)泡，最終制成多孔泡沫金屬材料。最后，金屬氫化物分解發(fā)泡法。這種方法主要是把金屬氫化物粉末加入到熔融的液體金屬當(dāng)中，氫化物經(jīng)過(guò)高溫加熱之后，會(huì)分解出氫氣，同時(shí)，自身的體積也會(huì)膨脹，整個(gè)液態(tài)金屬進(jìn)而發(fā)泡，再經(jīng)低溫冷卻之后制成泡沫金屬材料。

1.2.燒結(jié)——脫溶法

燒結(jié)——脫溶這種制備技術(shù)的具體步驟如下：先把金屬的粉末以及一些可以去除掉的填充顆粒進(jìn)行均勻的攪拌，攪拌均勻之后將這種混合物放到壓制設(shè)備當(dāng)中開(kāi)始?jí)褐疲⑶倚纬砂氤善罚詈笤賹?duì)溫度進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試到一個(gè)適合的溫度后開(kāi)始燒結(jié)半成品，經(jīng)過(guò)這個(gè)程序之后，多孔金屬的整個(gè)制備過(guò)程就結(jié)束了。具體制備程序如下圖所示：

1.3.滲流鑄造法

滲流鑄造法的基本流程是：將填充原料放進(jìn)鑄造模具當(dāng)中，然后，在它的周圍進(jìn)行金屬澆鑄，最后把最初所填充的原料拿掉，獲得泡沫金屬材料。這種滲流的澆鑄方法，可以按照不同的滲透壓力來(lái)進(jìn)一步劃分為低壓滲流和高壓滲流兩種方法。低壓滲流是把一些具有可溶性的填充材料放到預(yù)熱爐的上部位置，進(jìn)氣口對(duì)其進(jìn)行加壓，使液態(tài)的金屬順著腔體上升，進(jìn)入到預(yù)熱爐里和事先填充好的原料顆粒進(jìn)行混合，最后經(jīng)過(guò)冷卻之后去除顆粒。高壓滲流則是把具有可燃性的調(diào)節(jié)載體與填充原料按照規(guī)定的比例進(jìn)行均勻的混合，把二者的混合物放在同一個(gè)模型中施加壓力將其壓制，在進(jìn)行烘干之后，把所得到的預(yù)制塊放到高壓滲流的模具內(nèi)，隨之加入呈熔融狀的液態(tài)金屬，讓金屬塊能夠迅速的滲入到預(yù)制塊的各個(gè)縫隙中，最后經(jīng)過(guò)冷卻把一些可燃性的預(yù)制塊進(jìn)行高溫燃燒除掉，得到呈三維網(wǎng)狀的泡沫金屬。無(wú)論是那種滲流鑄造法，都需要注意的是，所填充的燃料顆粒一定是要經(jīng)過(guò)事先預(yù)熱的，因?yàn)檫@樣一來(lái)，就可以避免在滲透的過(guò)程中由于金屬液的提前凝固，而導(dǎo)致無(wú)法充分滲透的現(xiàn)象發(fā)生。滲流鑄造法解析圖如下：

1.4.自蔓延合成法

這種多孔金屬材料的制備方法主要是利用材料之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在原材料組分之間，材料會(huì)相互接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出強(qiáng)烈的熱氣，在這種情況下，材料首先會(huì)確保自身的反應(yīng)能夠正常進(jìn)行，與此同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很多孔隙。這種通過(guò)放熱反應(yīng)而快速擴(kuò)展的現(xiàn)象就是自蔓延，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)快速的完成所有的燃燒過(guò)程。因?yàn)榘l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一瞬間會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，所以，也很容易就可以獲得純度高的材料。自蔓延合成法主要是依靠化學(xué)反應(yīng)形成多孔結(jié)構(gòu)，這些孔隙之間大多數(shù)都相通的，材料的孔隙度可以達(dá)到60%以上。

2.多孔金屬材料的應(yīng)用

多孔金屬材料因?yàn)樽陨砭邆涞膬?yōu)良性能，所以，它可以作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料被應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域當(dāng)中。

2.1.作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用

2.1.1.作為能量吸收材料

多孔金屬作為結(jié)構(gòu)材料，主要應(yīng)用于船舶、汽車、鐵路、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。首先，它有良好的能量吸收作用。如圖所示，將多孔金屬的壓縮應(yīng)力——應(yīng)變曲線分為下圖中的三個(gè)階段：

材料能量吸收能力的強(qiáng)弱主要是由屈服平臺(tái)區(qū)域決定的，由于這個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)是不僅寬而且很高，所以，可以獲得更大的吸附能力。正因如此，泡沫金屬可以用于汽車制造當(dāng)中，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)可以吸收各部件的能量，減少傷害。

2.1.2.生物材料

多孔金屬材料由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，帶有很多開(kāi)放的孔狀結(jié)構(gòu)，這種特點(diǎn)可以使得新的骨細(xì)胞在孔內(nèi)生長(zhǎng)。而多孔材料所具有的強(qiáng)度特點(diǎn)，可以使得骨細(xì)胞生長(zhǎng)的大小按照孔隙的大小來(lái)和自然骨進(jìn)行配合。其中，多孔鈦已經(jīng)被正式的納入骨用生物材料當(dāng)中。

2.2.作為功能材料的應(yīng)用

2.2.1.過(guò)濾與分離

因?yàn)槎嗫捉饘俨牧嫌泻芎玫臐B透性，所以，它的過(guò)濾與分離在實(shí)際生活當(dāng)中得到了充分的利用。其中，針對(duì)過(guò)濾這一特性，多孔不銹鋼的應(yīng)用最為廣泛。通過(guò)多孔不銹鋼來(lái)凈化空氣，能夠很好的抑制厭氧細(xì)菌的快速生長(zhǎng)，這種過(guò)濾設(shè)備的出現(xiàn)，幾乎代替了之前的活性炭空氣過(guò)濾器。在航天事業(yè)中，多孔不銹鋼也被應(yīng)用于對(duì)制導(dǎo)舵螺中液壓油的凈化工作當(dāng)中，同時(shí)，它還應(yīng)用在凈化燃料管路中回收催化劑等方面。

2.2.2.電池的電極材料

把具有高孔隙率的多孔金屬材料當(dāng)作電池的電極材料，可以說(shuō)這一舉措是電極事業(yè)中的一大壯舉，同時(shí)，也推動(dòng)了電極行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。我們不僅可以將泡沫鎳當(dāng)作電化學(xué)反應(yīng)堆中的電極材料，與此同時(shí)，它還能夠作為可以進(jìn)行充電的NiCd電池。用鑄造工藝進(jìn)行制備所獲得的多孔鋅電極要比以往用電沉積法制備所獲得的多孔電極在孔隙率上可以多出80% ，在這過(guò)程中可以進(jìn)一步加大電極的表面積，從而，使電極充電時(shí)和放電時(shí)所產(chǎn)生的實(shí)際電流密度有所降低，更好的改善了電極的比容量、活性物質(zhì)的利用率等參數(shù)。

總結(jié)：

綜上所述，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)多孔金屬材料的制造工藝要求的越來(lái)越高，并且對(duì)這一新型材料的需求量也隨之增大。但是，多孔金屬材料的制備過(guò)程中還存在一些技術(shù)上的局限性，因此，這也需要相關(guān)的技術(shù)人員不斷的探索和完善這項(xiàng)工藝，開(kāi)發(fā)出多孔金屬材料更大的發(fā)展?jié)摿Γ屗軌蚋鼜V泛的應(yīng)用于人們的實(shí)際生活當(dāng)中。

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作者簡(jiǎn)介：

楊曉萍，女，漢族，1967年5出生，籍貫 山東日照市莒縣，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)在山東

理工學(xué)院做機(jī)械工程材料及加工方向工作