多孔金屬的制備工藝及性能綜述

摘要：本文綜述了多孔金屬材料現(xiàn)階段的各種制備工藝及性能應(yīng)用。制備工藝主要是從金屬熔體、粉末、沉積三個(gè)方面展開論述，并根據(jù)多孔金屬所具有的輕質(zhì)、高強(qiáng)、減震、消音等特點(diǎn)，對(duì)其作為結(jié)構(gòu)材料、功能材料在建筑、化工及醫(yī)用方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。隨著現(xiàn)代工業(yè)及科技的進(jìn)步，多孔金屬材料的發(fā)展逐漸向材質(zhì)的合金化、復(fù)合化，孔徑的微細(xì)化，制備與應(yīng)用研究一體化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：多孔金屬，制備工藝，性能應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

1 前言

近年來，多孔材料逐漸成為一種發(fā)展非常迅速的熱點(diǎn)材料，從性質(zhì)上分類，它包括無機(jī)多孔材料，如多孔陶瓷、發(fā)泡玻璃、泡沫混凝土等，有機(jī)多孔材料，如有機(jī)氣凝膠，聚苯乙烯吸附樹脂等，以及金屬多孔材料。多孔金屬材料是一種由金屬基體及氣孔組成的新型多功能復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、減震、消音減噪的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于建筑、化工、交通運(yùn)輸、生物制藥、軍事及航空航天領(lǐng)域。為取得更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，獲得性能更優(yōu)異的多孔金屬材料產(chǎn)品，其內(nèi)部孔徑的研究方向已由傳統(tǒng)的多面體孔形貌向高孔隙率、均勻細(xì)小的球狀孔隙發(fā)展。

2 多孔金屬的制備工藝

多孔金屬材料的制備方法眾多，對(duì)于同一種金屬材料，所使用的制備工藝不同，得到的材料內(nèi)部氣孔孔徑及分布會(huì)有很大的差異，其性能和應(yīng)用也有變化。可根據(jù)以下幾種不同方法進(jìn)行分類：（1）根據(jù)采用工藝的不同，分為鑄造法，沉積法，燒結(jié)法和發(fā)泡法；（2）根據(jù)材料內(nèi)部形成的孔隙結(jié)構(gòu)的不同，分為開孔多孔金屬和閉孔多孔金屬；（3）根據(jù)生成氣孔時(shí)金屬狀態(tài)的不同，可分為基于金屬熔體的方法，基于金屬粉末的方法，基于金屬蒸氣的方法和基于金屬離子的方法[1～4]。

2.1 基于金屬熔體的制備工藝

該方法是先將金屬基體（如鋁合金或鐵合金）熔化，再加入第二相金屬或氧化物（如SiC、Al2O3）增加粘度，并通過攪拌使原料混合均勻，在攪拌過程中可以直接將氣體，如空氣、氮?dú)獾茸⑷肴垠w中，從而形成氣孔[1]。此方法雖然簡單經(jīng)濟(jì)，但得到的多孔金屬產(chǎn)品孔結(jié)構(gòu)往往不均勻，且力學(xué)性能不佳。此外，在得到金屬熔體后，還可以通過添加發(fā)泡劑發(fā)泡，常用的發(fā)泡劑一般為金屬氫化物，如TiH2、ZrH2，或碳酸鹽類，如CaCO3、SrCO3，加熱使發(fā)泡劑分解，產(chǎn)生氣體使熔體膨脹發(fā)泡，冷卻后得到多孔金屬[2]。此方法的關(guān)鍵在于發(fā)泡劑和金屬熔體在充分?jǐn)嚢杌旌想A段的分解量要進(jìn)行控制，混合均勻后在發(fā)泡階段可產(chǎn)生足夠的氣體。

2.2 基于金屬粉末的制備工藝

利用粉末冶金法來制備多孔金屬，是通過采用金屬粉末作為原料，并添加相應(yīng)的發(fā)泡劑來制取多孔金屬材料的一種方法。將原來與發(fā)泡劑按一定比例均勻混合后，經(jīng)過壓制成型得到緊密的塊體，并將其加熱到混合物的臨界熔點(diǎn)溫度，使金屬塊體熔化同時(shí)發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體，從而形成多孔金屬[3]。該方法得到的多孔金屬材料孔隙率較高，且孔分布較為均勻[1]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)用金屬纖維代替金屬粉末，在同樣的孔隙率下，燒結(jié)所得的多孔金屬強(qiáng)度比使用金屬粉末高出幾倍[4]。

2.3 基于沉積技術(shù)的方法

2.3.1 基于金屬蒸氣的方法

該工藝是通過在真空或較高的惰性氣氛下（102～103Pa），將熔融的液態(tài)金屬蒸發(fā)成氣態(tài)金屬，并使其在特殊的聚合物上沉積，形成具有一定厚度的金屬沉積層。冷卻后通過化學(xué)方法或熱處理去除聚合物基底，即得到具有通孔的金屬材料[5]。該方法對(duì)設(shè)備要求高，且沉積速度慢，成本很高，但適合于任何金屬與合金，得到的多孔金屬孔隙率高，分布均勻。

2.3.2 基于金屬離子的方法

該方法是采用電化學(xué)的方法將金屬沉積在易分解的多孔有機(jī)物上，然后用熱處理的方法將有機(jī)物除掉后燒結(jié)而得到的多孔金屬。由于多孔有機(jī)物不導(dǎo)電，故需將其浸入導(dǎo)電溶液中進(jìn)行電鍍處理，即在多孔有機(jī)物的表面鍍一層金屬，從而使形成導(dǎo)電性多孔基體孔隙表面[4]。該方法制得的材料具有密度低、孔隙率高、比表面積大、孔隙分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)外普遍采用該方法進(jìn)行高孔隙率多孔金屬的大規(guī)模生產(chǎn)[6]。

3 多孔金屬的性能

3.1 功能材料

3.1.1吸聲材料

一般來說，多孔材料均具有一定的吸聲性能，多孔金屬也不例外，如泡沫鋁。影響多孔金屬材料吸聲性能的主要因素有材料厚度、孔隙率、空腔厚度、表面涂層、環(huán)境溫度等因素，從材料自身來說，材料內(nèi)部的孔隙分布影響最大，其關(guān)鍵在于：微孔是相互連通的，在一定孔徑范圍內(nèi)，材料內(nèi)部孔隙率越高，孔徑越大，其吸聲效果越好，而閉孔的吸聲作用相對(duì)較小，甚至不起吸聲作用[7]。與傳統(tǒng)的木質(zhì)纖維板及無機(jī)保溫板相比，多孔金屬材料不僅具有吸聲降噪的功能，而且兼具高的比強(qiáng)度、防火、減震、防潮、環(huán)保等優(yōu)良性能[8]。

3.1.2過濾與分離

多孔金屬材料的孔隙率在30～80%之間，孔徑分布在10nm～600μm之間，具有優(yōu)良的流體透過性能，由其制備的過濾材料被廣泛地應(yīng)用于汽車、化工、冶金、制藥及水處理等不同領(lǐng)域。與多孔陶瓷相比，其強(qiáng)度和延展性明顯更高，且在機(jī)械加工和焊接方面具有一定的優(yōu)勢，但在耐高溫及耐腐蝕方面仍有很大差距[9]。

3.1.3 催化劑載體

目前，多采用多孔陶瓷材料作為催化劑載體，但是在強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)熱性上，多孔金屬材料具有明顯的優(yōu)勢，可使其作為催化劑載體材料的新的選擇，提高催化效率。如可用于乙醇的選擇性氧化、石油化工中的己烷重組反應(yīng)工程[10]；又如在多孔金屬薄片表面涂抹催化劑漿體，并通過軋制成型和高溫處理，可用來處理氮氧化物等電廠廢氣[11]。

3.1.4 醫(yī)用生物材料

根據(jù)多孔金屬的過濾分離功能，在抗菌素藥物生產(chǎn)時(shí)常使用多孔合金制成的過濾器過濾不需要的細(xì)菌，采用多孔鈦管進(jìn)行氯霉素水解物過濾、四咪唑生產(chǎn)中活性炭的過濾等。此外還有利用多孔金屬材料所具有的開放多孔狀結(jié)構(gòu)，例如由鈦及鈦合金制備的多孔材料，因與人體組織有良好的相容性且對(duì)人體無害，且其自身具有的機(jī)械強(qiáng)度及楊氏模量可通過調(diào)整孔隙率與人體天然骨骼相匹配，同時(shí)具有很好的減振效果，多被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中骨科植入物、椎體融合等椎間盤疾病的治療[4，12]。

3.2 結(jié)構(gòu)材料

3.2.1 建筑材料

在目前大多數(shù)建筑工程中，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐火阻燃的保溫構(gòu)件應(yīng)用十分廣泛，傳統(tǒng)的保溫材料如聚氨酯泡沫板、巖棉等不具備一定的承重能力和防火功能，在使用過程中經(jīng)常易引發(fā)火災(zāi)事故。而多孔金屬材料在建筑材料方面的應(yīng)用填補(bǔ)了傳統(tǒng)保溫材料的不足，其獨(dú)特的視覺效果也可用于裝飾材料，不僅被工業(yè)人士重視，同時(shí)也深受設(shè)計(jì)師和藝術(shù)家的青睞[13]。

3.2.2 汽車工業(yè)及航空航天

金屬多孔材料作為結(jié)構(gòu)材料，還可用在汽車、航空航天領(lǐng)域。目前輕質(zhì)、具有高剛度、吸能和吸音性能的多孔鋁已在汽車上得到應(yīng)用，如德國Karmann汽車公司研制的三明治式復(fù)合多孔鋁制車頂蓋板，與比原來的鋼構(gòu)件相比，剛度提高了7倍左右，而重量卻減輕了3/4[4]。另外，多孔金屬所具有的輕質(zhì)高強(qiáng)、阻燃、高阻尼性能、電磁屏蔽、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，可以取代航天工業(yè)中使用的蜂窩結(jié)構(gòu)材料、高分子粘彈材料及輕質(zhì)傳熱支撐構(gòu)件，制作飛機(jī)機(jī)翼金屬外殼的支撐體，宇宙飛船的起落架、宇航員空間行走的保暖裝置等[1，2]。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)與科技的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)多孔金屬材料的應(yīng)用需求越來越廣泛。然而多孔金屬材料的應(yīng)用價(jià)值尚未被完全開發(fā)出來，輕質(zhì)化已不再是人們所追求的目標(biāo)，開發(fā)出新的兼具輕質(zhì)及其它優(yōu)良性能的多功能復(fù)合材料成為必然的發(fā)展趨勢，同時(shí)由實(shí)驗(yàn)室階段向工業(yè)化生產(chǎn)的推進(jìn)將會(huì)對(duì)能源、建筑、國防等國家支柱產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義。

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