泡沫鎂的制備及應用前景

袁源平，陳 舸，陳樂平，周 全

(1. 南昌航空大學 航空制造工程學院，江西 南昌 330063； 2. 上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

泡沫金屬的首次成功制備由SOSNICK[1]于1948年完成，他在鋁中加入汞，制得了泡沫鋁。自那以后，泡沫金屬因密度小，比強度、比剛度高，阻尼性能、吸能性能好等優勢而引起了國內外學者的關注。近年來，國內外對泡沫材料的研究日漸火熱，但大部分研究針對的是泡沫鋁材料，而對于密度更小、部分性能更優的泡沫鎂材料的研究則較少。國內對泡沫鎂的研究起步較晚，開始于20世紀80年代，發展至今還多停留在不同孔隙率泡沫鎂的制備和性能測試上，很少著眼于泡沫鎂的應用。為方便學者對泡沫鎂材料進行研究，本文主要介紹了泡沫鎂的幾種重要性能、制備方法，并對泡沫鎂的應用前景進行了展望。

1 泡沫鎂的性能

泡沫鎂是一種性能優異的新興材料，結構特殊，基體中分布著大量連通或不連通的孔洞，不但具有良好的力學性能，還可用作功能材料。作為一種泡沫金屬，與實體金屬鎂相比，泡沫鎂密度低，能量吸收率好，吸聲和隔音性能好，比表面積大，強度高，阻尼減振性好。與泡沫鋁相比，泡沫鎂密度低，在追求輕量化的航天領域有廣闊的應用前景，泡沫鎂的阻尼性能和電磁屏蔽性能比泡沫鋁好，比強度和比剛度也比泡沫鋁高。

1.1 阻尼性能

泡沫鎂結構具有潛在的耗能機制，其組織結構不均勻，內部存在許多孔隙，具有很高的內耗指標，可作為一種新的輕型高阻尼材料使用。封偉民[2]對具有不同孔隙率的泡沫鎂和AZ91合金的阻尼性能進行測試，發現泡沫鎂阻尼性能比AZ91合金好，當達到一定應變量后，隨著應變量的增加，泡沫鎂阻尼值的增速大于AZ91/SiC復合材料，相同應變量下，泡沫鎂阻尼值大于AZ91/SiC阻尼值。

1.2 吸能性能

泡沫鎂具有優良的能量吸收性能和抗沖擊性能。泡沫鎂受壓時，先是孔壁發生彎曲變形，隨后孔洞開始坍塌，最后密實化。此過程中，泡沫鎂表面的塑性變形要比實體金屬的塑性變形大。泡沫鎂可吸收大量的壓縮能量，吸能性能好。泡沫鎂具有較低的屈服應力和較長的應力平臺，可作為良好的緩沖吸能材料使用。鄭照彬[3]對開孔泡沫鎂的吸能性能進行了研究，發現開孔泡沫鎂的吸能性能和孔隙率有關，其能量吸收能力隨孔隙率的增大而降低。XIA等[4]對閉孔泡沫鎂的吸能性能進行了研究，得出了相同結論，即隨著孔隙率增大，泡沫鎂的吸能性能降低。

1.3 電磁屏蔽性能

泡沫鎂的電磁屏蔽性能非常好。多孔結構使泡沫鎂材料具有大的比表面積。當電磁波輻射到泡沫鎂時，電磁波需要在泡沫鎂內部孔洞中經過多次反射，這會造成能量大量消耗。因此，相比于實體金屬鎂，泡沫鎂的電磁屏蔽性能極好，且在屏蔽高頻電磁波方面效果顯著。

1.4 其他性能

泡沫鎂比表面積大。聲波與泡沫鎂材料接觸面積大，作用面積大，傳播過程中發生的反射多，產生的能量損耗也大。泡沫鎂有利于聲波的吸收，吸聲性能好。泡沫鎂的機械性能與松質骨相近，適于作為一種生物醫學材料替代人骨起作用。泡沫鎂的機械性能與孔隙率，以及孔洞的形態尺寸、分布與結構有關。

2 泡沫鎂制備方法

因泡沫鎂材料具有諸多優良性能，故國內外對于泡沫鎂合金的研究越來越重視?，F有的泡沫鎂制備方法多種多樣，主要包括滲流鑄造法、熔模鑄造法、粉末冶金法、熔體發泡法等。

2.1 滲流鑄造法

滲流鑄造法是一種常見的制備泡沫鎂材料的方法。首先將水溶性鹽顆粒制成帶有孔隙的預制體放入鑄型中，然后在壓力下澆入熔融的金屬鎂或鎂合金，使金屬液滲入預制體孔隙并填充，待其冷卻后取出，得到毛坯件，再進行機加工得到需要的形狀后，取出水溶性鹽顆粒，得到帶有孔隙的泡沫鎂鑄件。使用此方法得到的泡沫鎂孔隙結構即為水溶性鹽顆粒堆積成的預制體結構，因此可通過控制預制體的結構來有效控制所得到的泡沫鎂合金孔洞的大小和分布。此方法制備工藝簡單，制得的泡沫鎂孔隙均勻，適合制作尺寸較大的泡沫鎂材料。此外，該方法在壓力下制備泡沫鎂材料，使得泡沫鎂結構間的結合更緊密，力學性能較好。但滲流過程中鎂或鎂合金金屬液易被氧化，從而引起燃燒甚至爆炸，因此該方法對設備和制備過程中的安全防護要求較高。

NaCl是廣泛用于制備泡沫鋁的一種水溶性鹽顆粒，但并不適用于制備泡沫鎂，原因在于NaCl具有很強的腐蝕性，而鎂活潑性很強，易被氧化腐蝕，因此必須尋找其他材料來制成預制體。徐建輝等[5]分別選用NaCl和MgSO4作為填料，制備了通孔泡沫鎂材料，在選用MgSO4作為填料時發現鎂基體被腐蝕程度明顯降低，并制備了孔隙率大于70%、孔徑小于1.4 mm的泡沫鎂材料。此方法雖然解決了鎂基體腐蝕問題，但MgSO4溶解時間仍較長，且高壓下熔融狀態的鎂易發生燃燒甚至爆炸，需通入保護氣體。WANG等[6]選用鹽-面粉混合料作為填料，采用熔體滲透法制備出了高純度、高質量的開孔泡沫鎂。采用滲流鑄造法制備的泡沫材料如圖1所示[6]。圖1(a)，1(b)分別是孔隙率為64%的泡沫鎂的場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)圖像和Mg質量分數為84.73%、O質量分數為15.27%的泡沫材料的能量彌散X射線譜(EDS)剖面。使用該方法制備的泡沫鎂材料采用鹽-面粉混合物作為填料，易于成形。該方法利于控制泡沫鎂孔隙結構和力學性能，可按照不同要求制備孔隙結構和性能不同的泡沫鎂材料。此外，面粉易溶解，清理方便，可縮短制備周期。因此，該方法是制備高質量泡沫鎂材料的一種有效方法。

圖1 滲流鑄造法制備的泡沫材料Fig.1 Foamed material prepared by seepage casting

2.2 熔模鑄造法

熔模鑄造法的工藝原理是將帶有三維連通結構的泡沫海綿置于具有需要制備的泡沫鎂材料形狀的容器中，加入耐火性能好的漿料進行填充，待漿料干燥硬化后進行焙燒，使泡沫海綿分解，將其清理去除，得到具有三維連通結構的鑄型，再澆入鎂金屬液，待其冷卻凝固后去除，得到需要的泡沫鎂材料。MUKAI等[7]使用AZ91鎂合金，采用熔模鑄造法制備出了開孔泡沫鎂材料。該材料試樣如圖2所示[7]，其密度僅為0.05 g/cm3，屈服強度為0.11 N/mm2。

圖2 熔模鑄造泡沫鎂合金試樣Fig.2 Sample of foamed magnesiumalloy for investment casting

此法可通過控制泡沫海綿的結構制得孔隙均勻、孔隙率高的泡沫鎂合金。但此法也存在一些缺點，相比于滲流鑄造法，熔模鑄造法操作復雜且困難，鑄型制作過程復雜、周期長，且澆注后漿料難以清理。目前漿料主要采用生石膏，為方便清理，可在石膏中加入鹽，或者使用MgSO4代替生石膏作為漿料。此外，澆注金屬液需要預熱、抽真空等步驟，操作復雜，成本較高，澆注時石膏如果坍塌，還會導致夾雜缺陷，加大清理難度。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法是將鎂或鎂合金粉與造孔劑均勻混合并壓制成致密的預制體，將其放入容器中加熱燒結，待造孔劑受熱分解并溶解后去除造孔劑，即制得帶有孔隙結構的泡沫鎂材料。常用的造孔劑有尿素和MgCO3。

HAO等[8]以鎂粉為基體材料，尿素為造孔劑制備了不同孔徑的泡沫鎂試樣。該試樣宏觀形貌如圖3所示[8]。圖中：3個泡沫鎂試樣的孔徑尺寸由左向右依次為0.75，1.25，1.75 mm。

圖3 不同孔徑尺寸的泡沫鎂試樣宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of foamed magnesiumsamples with different pore sizes

郭權芬[9]使用尿素作為造孔劑，改變原料和工藝參數，采用粉末冶金法制備了開孔泡沫Mg-6Al合金，其孔隙率為30%～70%，平均孔徑約為1.1 mm，平均圓度值為0.75，孔壁厚度約為100～300 μm。REDDY等[10]以NH4HCO3粉末為原料，采用粉末冶金燒結法制備了孔隙率為40%～45%的泡沫鎂單晶石支架材料，并對其進行有限元模擬，模擬結果與實驗結果擬合較好。

使用粉末冶金法制備泡沫鎂操作簡便，制作周期遠比熔模鑄造法短，清理也更簡便，可通過控制造孔劑的含量和顆粒大小來控制泡沫鎂孔隙結構大小和孔隙率等，制得孔隙均勻的泡沫鎂材料。但用此法制備的泡沫鎂材料一般孔隙率較低，孔隙范圍較窄，且使用MgCO3作為造孔劑時，受熱分解產生的CO2會腐蝕鎂基體。

2.4 熔體發泡法

熔體發泡法是目前使用較普遍的一種制備泡沫鎂的方法。它需要在合適的溫度下向經一定處理后的熔融金屬鎂或鎂合金中加入發泡劑，發泡劑受熱后分解，在金屬液內產生大量氣泡，待金屬液冷卻凝固后即制得帶有大量孔隙結構的泡沫鎂材料。目前使用較多的發泡劑為CaCO3，MgCO3等碳酸鹽。在制備過程中，為防止氣體過快逸出，常加入增粘劑來減緩氣泡逸出，以保證泡沫鎂的孔隙率符合要求，同時通過攪拌等方法來保證孔隙的均勻性。

雙子昱等[11]選用Ca粒為增粘劑，經包覆后的CaCO3粉末為發泡劑，制備出了低密度、高孔隙率的閉孔泡沫鎂材料。該材料試樣如圖4所示[11]。張銘顯[12]選用MgCO3為發泡劑，SiC為增粘劑制備泡沫鎂，觀察發現：當發泡劑加入量不超過1.5%，增粘劑加入量不超過15%時，泡沫鎂的密度隨發泡劑和增粘劑加入量的增加逐漸減小，超過時，泡沫鎂的密度有所增大；泡沫鎂合金的密度隨發泡劑粒度的增大先減小后增大，隨發泡溫度的提高逐漸減小，發泡劑粒度為250 μm時，密度最小；泡沫鎂合金孔隙的尺寸隨發泡溫度的升高或發泡劑粒度的增大逐漸增大。周全等[13]研究了用兩步法制備泡沫鎂合金的工藝，并考察了發泡劑、增粘劑和Al加入量對泡沫鎂合金結構的影響。蘆國強[14]采用熔體發泡法制備了泡沫鎂合金，比較了不同工藝下制得的泡沫鎂材料，發現采用Ca和SiC復合增粘效果較好，并總結出了該條件下的最佳工藝參數。該實驗所用裝置如圖5所示[14]。

圖4 泡沫鎂試樣及其截面Fig.4 Foamed magnesium sample and its cross-section

圖5 熔體發泡法制備泡沫鎂實驗裝置Fig.5 Experiment equipment of melt forming method

采用熔體發泡法制備泡沫鎂材料通常難以控制發泡速度、孔隙結構、孔隙均勻度等，為解決這個問題，XIA等[15]采用改進的熔體發泡法制備了含CMs的鎂基復合泡沫材料，CMs的加入使氣泡數量增加，孔隙減小，孔結構更均勻，孔隙率更可控。

與前3種方法相比，使用熔體發泡法制備泡沫鎂操作簡便，發泡效果較好，成本較低，制作周期短，可用于批量生產，但發泡過程中影響因素較多且難以控制，泡沫鎂制品質量不穩定，高孔隙率泡沫鎂較難通過該方法制得。

2.5 其他方法

金屬-氣體共晶定向凝固(GASAR)法也是制備多孔金屬材料的一種重要方法，最早由烏克蘭科學家Shapovalov提出。利用該方法制備泡沫鎂時，將鎂或鎂合金在高壓氫中熔化，并使氫在熔體中達到飽和，再將金屬液澆入水冷鑄型中進行定向凝固，凝固過程中，過飽和的氫會沿一定方向析出，從而在得到的鑄件中產生按一定方向排列的孔洞，得到泡沫鎂材料。使用GASAR法制得的泡沫鎂試樣和GASAR法實驗裝置如圖6所示[14]。此外，中國科學院長春應用化學研究所還以膨脹珍珠巖與鎂合金作為原料，用真空吸鑄法制備出輕體鎂合金-珍珠巖泡沫復合材料。AIDA等[16]采用燒結溶解法制備了泡沫鎂，發現在不同燒結溫度下，隨空間支架數量的增加，泡沫鎂的孔隙率逐漸增大，密度逐漸減小，并在630 ℃下制備了密度為0.61 g/cm3、孔隙率為64.7%、抗壓強度為5 MPa的泡沫鎂材料。

圖6 GASAR法制得的泡沫鎂試樣與實驗裝置Fig.6 Lotus-type formed magnesium fabricated byGASAR and experiment equipment

3 泡沫鎂的應用前景

目前，國內外有關泡沫鎂材料的研究越來越熱門，制備泡沫鎂材料的方法逐漸成熟，泡沫鎂材料的應用前景也開始引起廣泛關注。泡沫鎂具有許多特殊性能，是一種應用前景極好的金屬材料。本文主要介紹泡沫鎂材料在航空航天、生物醫學、散熱器、汽車等領域的應用前景。

3.1 航空航天

在航空航天產業，泡沫鎂材料有著廣闊的應用前景。泡沫鎂密度小，性能較好，既能用作結構材料，又能用作功能材料，可取代其他比其密度大的純金屬或合金應用于航天器上，大大減輕航天器的重量，降低發射成本。泡沫鎂多孔的結構使其具有良好的阻尼、吸能特性，可用來制作防振座椅。載人飛船在發射和回收過程中，沖擊振動非常強，對航天員身體傷害極大。使用泡沫鎂材料制作的防振座椅可大大減輕對航天員的傷害。泡沫鎂因其內部充滿相互連通或不連通的孔隙結構，故受壓時塑性變形比實體金屬大得多，可有效吸收振動過程中的能量。此外，航天器返航著陸時回收艙艙底與地面撞擊，產生的沖擊能量很強，可利用吸能性能良好的泡沫鎂制作航天器回收艙的艙底，緩沖著陸時的沖擊，或將泡沫鎂制成夾層結構填充在蒙皮間。泡沫鎂還具有很好的隔音和散熱性能。可在飛機發動機周圍包覆一層泡沫鎂隔板或直接用泡沫鎂制作發動機外殼，這樣既能降低發動機的噪聲，又能加快散熱。

3.2 生物醫學

泡沫鎂的仿生性能很好，可用作生物醫學材料。鎂合金是一種生物降解性能很好的材料，有很好的生物相容性能和生物吸收性能。泡沫鎂的孔隙結構與人骨類似?？赏ㄟ^控制泡沫鎂的孔隙結構使其與人骨組織相匹配，植入人體代替人骨。通常高純度開孔泡沫鎂材料的生物相容性和力學性能較為符合植入條件，因此相對于熔體發泡法、金屬-氣體共晶定向凝固法等方法，采用熔體滲透法制備的泡沫鎂材料更適合用作生物醫學材料，尤其是前文提到的使用鹽-面粉混合料作為填料的熔體滲透法，可調控性很強，可根據不同需求制備不同結構的泡沫鎂生物醫學材料。但泡沫鎂的易腐蝕性能限制了其發展，AGHION等[17]對使用粉末冶金法制備的泡沫鎂進行了耐蝕性測試，發現泡沫鎂極易被腐蝕，因此如要應用于生物醫學，則需要進行涂層處理。RA等[18]以AZ31鎂合金為基體進行陽極涂層處理，制備了一種可降解的泡沫鎂材料并對其進行測試，測試結果表明該材料適合用于生物醫學。

3.3 散熱器

泡沫鎂的散熱性能也很好，已開始被研究用來制作計算機、發光二極管(LED)等設備的散熱器。王芳等[19]研究了用泡沫鎂合金制作的LED散熱器的散熱性能，發現在自然對流條件下，在一定的孔隙率范圍內，散熱器的導熱率和熱擴散系數隨孔隙率的增大而下降，其散熱效果降低。

3.4 汽車

在汽車產業，泡沫鎂材料也逐漸得到應用。泡沫鎂材料具有良好的吸能性能，可用于制作汽車上需要緩沖減振的零部件。德國將通過粉末冶金方法制備的泡沫鎂材料設計成夾層架構用于汽車上。這種夾層架構外殼堅硬，強度高，內部有泡沫鎂材料，受到撞擊時可有效利用泡沫鎂材料的吸能性能，減輕對乘客的傷害。此外，泡沫鎂材料吸聲性能優異，可有效應用于隔音場所，如作為公路、地鐵的隔音板等。

4 結束語

泡沫鎂是一種具有諸多良好的特殊性能的材料，制備方法較多，應用前景廣闊，可用作一種新型航天材料。本文介紹了泡沫鎂材料的阻尼性能、吸能性能、吸聲性能、電磁屏蔽性能、力學性能等幾種主要性能；簡述了滲流鑄造法、熔模鑄造法、粉末冶金法、熔體發泡法、定向凝固法等幾種重要的泡沫鎂材料的制備方法；分析了泡沫鎂在航天器、生物醫學、散熱器、汽車等領域的應用前景。目前，國內外對泡沫鎂材料基本還停留在研究階段，較少有應用實例。但隨著國內外對泡沫鎂研究的不斷深入，泡沫鎂材料勢必得到廣泛應用。后續將對泡沫鎂材料進行改性研究，并逐步將泡沫鎂材料應用于生產生活。