泡沫鋼的制備、性能及應用研究進展

梁繼超,張光成,宋少威,周 蕓,左孝青

（昆明理工大學 材料科學與工程學院,昆明 650093）

科技的進步與發展使人們的生活更加便捷，同時對材料特別是超輕材料及多功能材料提出了更高的要求，泡沫金屬是順應這一要求迅速發展的新型材料。泡沫鋼作為近年來開發的新型多孔材料，與傳統的實體鋼材相比，泡沫鋼具有高比表面積、輕質、吸能減震、多孔過濾、電磁屏蔽等優勢，另外，相對于泡沫鋁等低熔點多孔金屬來說，泡沫鋼具有較高的抗壓強度和抗沖擊性、較強的耐高溫性、較低的導熱性、較好的生物相容性、易焊接、可以與鋼結構共容等優勢[1-3]。因此，泡沫鋼作為一種新型結構-功能材料，可用作輕型結構材料、吸能減震材料、吸聲材料、散熱隔熱材料、過濾材料、催化載體材料、電磁屏蔽材料、生物醫用材料等，在航空航天、汽車船舶、土木工程、散熱隔熱、催化過濾、電磁屏蔽、生物醫療等領域呈現出廣闊的應用前景，如航空航天用超輕質構件與散熱面板、新型坦克防爆裝甲及防彈衣、汽車的緩沖裝置、催化載體、房屋隔熱材料、道路吸聲降噪材料、軍工電磁屏蔽材料、人造骨骼材料等[4-6]。

相比于低熔點的泡沫鋁，熔點高的泡沫鋼制備難度和成本高，制約了泡沫鋼的研究與開發應用。隨著技術的進步，泡沫鋼的制備技術也得到不斷發展，目前國內外有關泡沫鋼的制備工藝主要包含聚合物浸漬技術、空心球法、共晶定向凝固、增材制造法、粉末冶金等方法[1]。近年來國內外研究者對泡沫鋼的制備工藝、力學性能、物理性能及生物性能等方面進行了一些研究。Jain和Mondal等[5,7-10]使用粉末冶金法、聚合物浸漬技術等工藝制備了不同孔隙率和不同結構的泡沫鋼，并對泡沫鋼的微觀結構、力學性能、電磁屏蔽性能等進行了研究；Mutlu和Oktay等[11-14]對17-4PH 泡沫鋼的力學性能和生物相容性進行了研究，推動了泡沫鋼應用于人體骨骼等醫學研究的發展；Capek等[15]采用SLM 技術制備出高性能泡沫鋼并研究了其微觀結構和力學性能；周蕓團隊[4,6,16-19]致力于粉末冶金技術制備300 系列和400 系列泡沫鋼及泡沫鋼填充管的工藝優化、微觀結構以及力學性能的研究；劉培生團隊[20]對泡沫鋼制備工藝及其吸聲特性進行了探索；陳長軍團隊[21-22]對增材制造技術制備的泡沫鋼的微觀組織、力學性能和生物相容性等方面進行研究。經過多年的探索和創新，在泡沫鋼制備技術方面已經取得顯著進步，隨著泡沫鋼工藝-結構-性能關系的深入研究，將推動泡沫鋼結構及性能的進一步優化，未來泡沫鋼及其構件的實際應用價值將會逐步顯現。

本文闡述泡沫鋼的主要制備方法及特點，綜述泡沫鋼的性能及相關的應用情況，為泡沫鋼的進一步研究和應用提供參考。

1 泡沫鋼的制備

目前國內外泡沫鋼的制備方法主要有聚合物浸漬法、激光選區熔化法、熔體金屬發泡法、空心球燒結法、滲流鑄造法、電沉積法、金屬-氣體共晶定向凝固法、粉末冶金法等[9,23]。

1.1 聚合物浸漬法

聚合物浸漬法是選擇聚合物作為載體，將鋼粉漿料與其混合，經過高溫燒結除去聚合物獲得開孔泡沫鋼。本方法主要用于制備具有三維開孔網狀結構的泡沫鋼材料。通過改變聚合物種類形狀，調整孔形及孔隙率，制備的泡沫鋼的孔隙率可達90%。Wang等[24]用PU 泡沫載體制備孔隙率為81.4%的316L 泡沫鋼。聚合物浸漬技術制成的開孔泡沫鋼具有高孔隙率、開孔網狀結構等特點，可用作熱交換器、催化劑載體、過濾器。另外，該技術制備的泡沫鋼具有良好的電磁屏蔽效果，因此可以用作電磁屏蔽材料[8,24-25]。

1.2 選區激光熔化法

選區激光熔化（SLM）法是以球形鋼粉作為原料，通過計算機完成泡沫鋼模型程序設計，在不銹鋼基板上預鋪一定厚度鋼粉，激光束按照預先編制好的程序進行選擇性掃描，層層累加制備出所需幾何形狀的泡沫鋼。具體工作原理示意圖如圖1所示。Caiazzo等[26]使用SLM 制備了有效平均孔隙率為70.1%～72.5%的泡沫鋼。李洋等[21]采用SLM 制備出孔隙率為10.67%～30.26%、孔徑尺寸在10～300 μm 間的316L 泡沫鋼。SLM 作為增材制造領域的一項重要技術，其一體化制造和可生產復雜結構的特點在制備泡沫鋼領域有顯著優勢，目前SLM 制備的泡沫鋼具有很好的力學性能和應用潛力，通常用在航空航天，汽車和醫療領域，但SLM 制備成本較高，應用較少[15,21,26]。

圖1 SLM 法制備泡沫鋼的過程Fig.1 Manufacturing process of steel foam by SLM

1.3 熔體金屬發泡法

熔體發泡法是在金屬熔體中添加發泡劑，發泡劑分解產生氣體使金屬熔體膨脹，然后快速冷卻得到泡沫鋼。常用的發泡劑有金屬氮化物（氮化鉻、氮化錳等）、金屬碳酸鹽（碳酸鎂 、碳酸鋇 、碳酸鍶等）。張冬平等[27]通過實驗證明金屬氮化物作為發泡劑的效果要好于金屬碳酸鹽，而金屬氮化物中氮化鉻的發泡效果要強于氮化錳。該方法對于高熔點的鋼鐵材料，發泡過程中孔尺寸和分布都很難控制，所以理想熔體黏度、與鋼熔點溫度相匹配的發泡劑、添加劑均勻分散程度等成為該技術制備泡沫鋼的關鍵[27-29]。

1.4 空心球法

空心球法是將鋼制空心球排列，通過燒結/黏結/焊接的方式而形成多孔結構[30]。空心球法制備泡沫鋼的過程示意圖如圖2所示[31]。空心球燒結法是目前制備均勻孔結構泡沫鋼的有效方法，球形生坯經過預壓縮和燒結生產出的泡沫鋼，可以避免弱界面產生，提高材料的強度。Fiedler等[32]使用空心球燒結法制備出孔隙率為86.7%的泡沫鋼，并通過實驗和有限元分析分別證明了此方法制備的泡沫鋼在壓縮載荷下表現出優異的變形能力，通過增加燒結球的壁厚，可以進一步提高泡沫鋼的壓縮強度，但需要注意的是，空心球法由于工藝流程長、成本高等缺點，研究及應用較少[23,32]。

圖2 空心球法制備泡沫鋼的過程[31]Fig.2 Manufacturing process of steel foam by hollow sphere method[31]

1.5 滲流鑄造法

滲流鑄造法是將耐高溫且可除去的無機/有機顆粒或低密度顆粒堆積在鑄模中，預熱后澆入熔融的鋼液，待鋼液滲入預制體的縫隙間凝固后，形成金屬-顆粒復合體，然后通過合適溶劑或熱處理的方法將顆粒去除，獲得泡沫鋼。沈陽鑄造研究所[33]開展了預制體材料的選擇以及脫溶技術的探索工作，采用三維網狀陶瓷預制體制備泡沫鋼，用化學法將陶瓷預制體去除。這種方法通過改變顆粒的大小來控制泡沫鋼的孔徑大小，但由于鋼熔點高，對預制體的綜合性能要求較高，加大了制備泡沫鋼的難度[33-34]。

1.6 電沉積法

電沉積法是利用電化學的方法將金屬鐵離子置換出來沉積在易分解的有機泡沫基體上，經過燒結或化學方法去除有機基體，最后獲得泡沫鋼[29]。陳紅輝等[35]使用聚氨酯海綿基體鍍覆一層金屬薄膜，然后鍍鐵，高溫燒結，制備出高結合力、高熔點、高抗壓強度的泡沫鋼。孫路陽等[36]以導電聚氨酯泡沫為基體，采用電沉積/還原處理方法制備了開孔率>95%，孔隙率>97%的泡沫鐵基材料。電沉積法制備泡沫鋼可以有效地確保產品的孔隙率和通孔率，常用來制備高孔隙率、孔分布均勻的金屬多孔薄膜材料，但這種制備方法主要問題是工藝復雜、對設備要求較高、沉積速度慢和成本高等。

1.7 金屬-氣體共晶定向凝固法

金屬-氣體共晶定向凝固法又稱藕狀法，是一種將金屬-氣體(一般為H2)共晶體系放在高壓密閉爐體中進行定向凝固，讓溶解氣體析出形成氣泡，并隨固相一起協同生長，從而獲得氣孔沿凝固方向規則分布的藕狀多孔金屬的新工藝[31,37-38]。這種工藝可以通過調整工藝參數實現對孔隙率、孔徑等結構參數以及力學性能的有效調控。Ide等[39]采用連續區域熔化技術在高壓氫/氦氣下制備了具有單向排列圓柱孔的藕型多孔304L 不銹鋼。由于其規則氣孔定向排列的結構特點，除了具有傳統多孔金屬的性能特點外，還具有獨特的力學和熱學性能，如平行于孔方向的拉伸、壓縮的疲勞強度高于垂直于孔方向；平行于孔方向的熱、電導率高于垂直于孔方向的熱、電導率[40-42]。但該方法制備的泡沫鋼的孔隙分布均勻性較難控制。

1.8 粉末冶金-造孔劑法

粉末冶金-造孔劑法是指鋼粉和造孔劑經過混料→壓坯→除造孔劑→燒結過程，獲得泡沫鋼的方法。粉末冶金-造孔劑法制備泡沫鋼的過程如圖3所示[4]。粉末冶金-造孔劑法是制備泡沫鋼最常使用的方法，也是制備高孔隙率泡沫鋼的主要方法。按照去除造孔劑的方法不同，可將造孔劑分為兩類：一類是低溫蒸發型，如鎂、碳酸氫銨[5]、蔗糖、淀粉和尿素等材料[9]；另一類是水浸出型，如尿素、氯化鈣[16]、氯化鈉和溴化鉀等材料。Sazegaran[43]使用尿素作造孔劑并用水洗去除造孔劑的方法制備出開孔泡沫鋼，并通過一系列實驗研究了施加壓力、燒結溫度和燒結時間對泡沫鋼孔型、孔隙率、孔壁微觀結構以及壓縮性能的影響。Guo等[16]使用氯化鈣作為造孔劑制備出孔隙率在65%～85%的316L 泡沫鋼。需要注意的是，在選擇造孔劑、去除造孔劑方法以及燒結溫度不同時，制備的泡沫鋼相關力學性能會出現較大差別[10,43-44]。

圖3 粉末冶金法制備泡沫鋼的過程示意圖[4]Fig.3 Manufacturing process of steel foam by powder metallurgy method[4]

上述8 種方法為泡沫鋼的主要制備方法，采用不同方法制備的泡沫鋼具有相應孔形特征，從而表現出不同的性能特點。表1 總結比較了泡沫鋼的各種主要制備方法、孔結構特征及應用。

表1 泡沫鋼制備方法及特點Table 1 Manufacturing methods and characteristics of steel foam

2 泡沫鋼的性能及應用

泡沫鋼是一種結構與功能一體化多孔材料，具有高比強度、高比模量、耐高溫、輕質、吸聲減震、多孔過濾、生物相容性等優點，在力學性能、熱學性能、聲學性能、電磁屏蔽性能、過濾催化性能、生物性能等方面表現出如下一些優異的特性[4]。

2.1 力學性能與應用

目前泡沫鋼的力學性能的研究主要集中在準靜態壓縮性能、能量吸收性能和彎曲性能方面[47-48]。

2.1.1 準靜態壓縮性能

泡沫金屬準靜態壓縮性能可以通過壓縮應力-應變曲線來分析，泡沫金屬壓縮應力-應變曲線通常具有三個典型的階段，即彈性階段、應力平臺階段和致密化階段，壓縮屈服強度表示應力-應變曲線上開始發生塑性變形時的應力大小。表2 為不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的壓縮屈服強度。由表2 可以看出，在孔隙率相同時，泡沫鋼的壓縮屈服強度約是泡沫鋁的3～10 倍，由此可以得出，泡沫鋼的抗壓強度更高。另外，不同種類的泡沫鋼的壓縮屈服強度也存在差異，因此鋼基體組織也是影響泡沫鋼壓縮性能的因素之一。表3 為不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的彈性模量。由表3 可以看出，在孔隙率相同時，泡沫鋼的彈性模量要明顯高于泡沫鋁的彈性模量，說明泡沫鋼具有更高的抵抗形變能力和剛度。

表2 不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的壓縮屈服強度Table 2 Compressive yield strength of steel foam and aluminum foam with different porosities

表3 不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的彈性模量Table 3 Elastic modulus of steel foam and aluminum foam with different porosities

2.1.2 能量吸收性能

能量吸收性能由泡沫鋼壓縮時的能量吸收值決定。能量吸收值表示單位體積的樣品被壓縮到致密化應變量時所吸收的能量值，計算式為：

式中：E 為單位體積泡沫鋼的能量吸收值；εd為致密化應變；σ為應力。

單位體積吸收的能量可以用應力-應變曲線下的積分面積來表示[51]。能量吸能性能的好壞主要取決于適當的平臺區域寬度以及相對較高的平臺應力。表4 為部分泡沫鋼和泡沫鋁的能量吸收值比較。對比表4中不同孔隙率的泡沫鋼與泡沫鋁的能量吸收值，可以明顯看出，在孔隙率相近時（泡沫鋼為69%～71%，泡沫鋁為70%），泡沫鋼單位體積的能量吸收值比泡沫鋁的高4 倍以上。相比于泡沫鋁，泡沫鋼在吸能特性方面表現出更突出的優勢，此外，泡沫鋼比泡沫鋁更容易焊接，是制作吸能構件的一種理想材料[4,52]。

表4 不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的能量吸收值Table 4 Energy absorption value of steel foam and aluminum foam with different porosities

2.1.3 彎曲性能

碰撞實驗表明，大多數用于承載的結構件實際承受的不止軸向載荷，還受彎曲載荷作用，對泡沫鋼板進行三點彎曲實驗測試其抗彎曲性能。在三點彎曲測試下，樣品最大抗彎強度的計算公式如（2）所示[6,53-54]。

式中：σbb為抗彎強度；P 為極限彎曲載荷；L 為跨距；b 為泡沫鋼樣品寬度；h為泡沫鋼樣品厚度；L/bh2為被測樣品的尺寸因子。

表5 為泡沫鋼和泡沫鋁彎曲性能比較。對比表5中孫亞東等[6]制備的不同孔隙率（45 mm×24 mm ×10 mm）的泡沫鋼板和查海波等[55]制備的不同孔隙率（60 mm×10 mm ×10 mm）的泡沫鋁板的彎曲性能，可以看出：相比于泡沫鋁，在厚度和孔隙率相接近的條件下，泡沫鋼所能承受的極限彎曲載荷遠遠高于泡沫鋁，表現出更高的抗彎強度。

表5 泡沫鋼和泡沫鋁的彎曲性能比較Table 5 Comparison of bending properties of steel foam and aluminum foam

與泡沫鋁相比，泡沫鋼應用還在初始階段，但泡沫鋼具有更好的力學性能，在輕型結構件和吸能構件方面有很大的應用開發空間。在軌道運輸方面，已經用于升降機、傳送器安全墊[56]。在汽車制造方面，可用泡沫鋼做成的夾層板制作汽車的發動機罩、行李倉蓋板、防撞梁和滑動式活動車廂，提高汽車在受撞擊時的安全性[57]。在建筑方面，泡沫鋼夾心板已被用于停車庫板材，并且由于泡沫鋼的輕質、高強度的特性，常被用于室外裝飾幕墻、室內裝飾墻面、天花板、移動隔斷、滑動門、地板、活動房、裝飾件等[58-59]。在航天領域，可用于飛機發動機風扇及其各類零件，可大大減輕發動機的質量，充分發揮發動機的性能；泡沫鋼良好的吸能性能，可用于飛機的防震座椅和飛機起落架以及航天器回收艙的艙底，減緩著陸時的沖擊。

2.2 物理性能及應用

2.2.1 熱學性能及應用

泡沫鋼既可以作散熱材料也可以作隔熱材料，這主要取決于泡沫鋼的結構是開孔還是閉孔。開孔泡沫鋼具有較大的比表面積及復雜的三維結構，與流體的接觸面大，提高了傳熱效率，因此其具有好的散熱性能。自然對流時，一定范圍內增大孔徑、孔隙率可以增加對流熱能力；強對流時可以顯著提高換熱能力[57]。航空航天領域所應用的熱交換器通常要求小尺寸、輕質，所以開孔泡沫鋼可以用來制作熱交換器及散熱器，也可用于飛機發動機外殼，加快散熱，延長發動機的工作時間。

在保溫隔熱方面，閉孔泡沫鋼相比對應的塊狀鋼的導熱系數低，所以泡沫鋼具有良好的隔熱能力[60]。Rabiei等[61]采用粉末冶金技術（空心鋼球與316L 鋼粉燒結）制備出15.9 mm 厚、孔隙率約為66.2%的泡沫鋼板，進行模擬池火測試，如圖4所示，所得結果滿足模擬池火測試的驗收標準。因此，泡沫鋼可以應用于攜帶危險材料罐車的罐體材料，并以其優異的隔熱性能、耐火性能、輕量化以及能量吸收能力取代傳統的鋼結構。

2.2.2 聲學、電磁性能及其應用

開孔結構的泡沫鋼，當聲波接觸材料表面時，由于聲波也是一種振動，可以在材料內部發生散射、干涉和漫反射，將聲音吸收在氣孔中，使內部骨架振動，聲能部分轉化為熱能并通過熱傳遞消耗掉，起到了吸聲的作用，因此，泡沫鋼具有良好的吸聲能力。泡沫鋼的吸聲性能主要取決于孔隙率和孔形態，孔隙率越高，孔越細小，吸聲性能越好[60]。Xu等[62]利用聚合物浸漬技術制備了平均孔徑為1.8 mm，孔隙率為93.7%的304L 泡沫鋼，探究了不同厚度泡沫鋼樣品（厚度分別為9 mm、18 mm、27 mm）的吸聲性能。圖5 為開孔泡沫鋼結構和吸聲性能。如圖5所示，在中低頻范圍（250～3150 Hz）的吸聲效果較差，在高頻和超高頻范圍（4000～6300 Hz）的吸聲效果相當好，且三種厚度的樣品均在4000 Hz 處顯示出第一共振頻率，它們的最大吸聲系數大致相同，約為 0.7。泡沫鋼在中高頻段表現出良好的吸聲性能，可用于制備空壓機的消音裝備、汽車消音排氣管、公路與軌道的隔音墻或隔音帶[20,63]。

圖5 開孔泡沫鋼的結構和吸聲性能[62] （a） 聚合物浸漬技術制備的泡沫鋼樣品結構；（b） 三種厚度開孔泡沫鋼樣品的吸聲系數曲線Fig.5 Structure and sound absorption properties of open cell steel foam[62] （a） stainless steel foam sample prepared by the impregnation process；（b） sound absorption coefficient curves for the open-cell steel foam samples in three kinds of thickness

開孔泡沫鋼因基體骨架完全相通而有良好的導電性，并且比表面積大，具有良好的吸收和反射電磁波的能力，泡沫鋼內部電磁波傳輸過程如圖6所示[64-66]。泡沫鋼的電磁屏蔽效能主要受孔隙特征（孔型和孔隙率）、電磁波頻率的影響。Jain等[8]采用聚合物浸漬技術制備了孔隙率為83%的泡沫鋼，使用波導法在X 波段頻率區（8.2～12.4 GHz）中測得泡沫鋼的屏蔽效能達到45 dB，滿足工業應用標準，因此泡沫鋼可以作為電磁屏蔽材料使用。并且，優良的電磁屏蔽性能和吸聲性能也可使其作為飛機夾層結構填充材料，降低外界對飛機內部的干擾。

圖6 泡沫鋼內部電磁波傳輸過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic wave transmission process in steel foam

2.2.3 流通滲透、催化性能及應用

泡沫鋼具有良好的流通滲透性能，其流通滲透性能受孔徑、孔隙率的影響。泡沫鋼的流通性及滲透性隨孔徑、孔隙率的增大而增大，利用開孔泡沫鋼的透過性能，根據過濾精度要求設計制作成各類過濾器，用于過濾液體、空氣或其他氣流中的固體顆粒等物質[57]。

泡沫鋼利用其良好的力學性能和耐高溫以及內部表面粗糙的特性，也常作為載體材料用于催化領域。孔隙率高的開孔泡沫鋼可以作為載體，內部涂覆一層氧化物進行改性后作為催化材料，可用在汽車三元催化器中[67-69]。

針對泡沫鋼在導熱、吸音、滲透率等方面開展了一些研究工作，研究表明泡沫鋼的孔結構和孔隙率直接影響其導熱、吸音、滲透率等性能，所獲得的性能參數如表6所示[70-72]。

表6 泡沫鋼物理性能參數[1]Table 6 Physical property parameters of steel foam[1]

2.3 生物性能及應用

泡沫鋼常用于人體骨骼的制備，因為泡沫鋼的彈性模量與骨骼的相近，有研究表明，泡沫鋼可以應用于生物移植，可避免使用其他彈性模量較大的材料引起的骨骼排斥反應，并且泡沫鋼粗糙的表面也有利于骨骼與其結合。Mutlu等[11]利用粉末冶金技術制備了孔隙率為40%～82%、平均孔徑為600 μm的17-4PH 泡沫鋼，實驗證明了泡沫鋼的孔隙形態、孔徑大小和力學性能與松質骨接近，并通過XTT和MTT 實驗對泡沫鋼的細胞毒性進行體外評價，顯示出足夠的生物相容性。因為泡沫鋼能更好地與人體骨骼融合，在生物植入物中優先選用開孔泡沫鋼，并且通過改變孔隙率使泡沫鋼靈活應用在不同骨骼中[11,13,73-74]。

3 結束語

隨著當今汽車工業、航空航天、船舶工業、工程建筑等行業的發展，對高性能輕量化的材料提出迫切需求，為泡沫鋼的發展提供了有利機會。目前泡沫鋼的制備在實驗室中已經成熟，正在逐步走向商業化的過程中。現有的工藝技術已經可以制備具有各種開孔和閉孔特征、相對密度為0.1～0.9的泡沫鋼，有些方法已展現出工業規模化生產的前景。

相比于泡沫鋁，泡沫鋼在高溫輕型吸能構件方面顯現出優勢和潛在的應用價值。另外將泡沫鋼的低導熱性、磁屏蔽性和吸能性相結合，可以開發出集結構功能一體的新型材料。

雖然泡沫鋼相比于目前廣泛應用的泡沫鋁具有很多獨特的性能，但目前泡沫鋼在各個領域的實際應用還很少，分析其原因，主要存在以下問題：

（1）在制備工藝方面，盡管近年來對泡沫鋼開展了大量研究，但目前沒有形成工業化規模生產，導致泡沫鋼制品及構件制作成本高，性價比不高，難以實現規模化工業應用。未來需要進一步優化泡沫鋼的制備工藝流程，降低制備成本、提高產品合格率和可重復性。

（2）在結構-性能關系方面，缺乏深入的理論研究，未建立起分析研究泡沫鋼工藝-結構-性能關系的理論模型，尚不能從理論上對泡沫鋼制品和構件進行優化設計，未來要進一步深入研究泡沫鋼工藝-結構-性能關系，通過實驗和模擬相結合的方法建立理論分析模型。在理論指導下，設計制造針對不同需求的泡沫鋼制品和構件，逐步推廣應用到工業領域中。