泡沫鋁加工制備工藝及應用研究進展

朱聰

關鍵詞：泡沫鋁；鋁加工；鋁制品

泡沫鋁是一種富含空隙的金屬鋁材料，其內部是類似蜂窩狀的網格結構，物理性能優異，強度和承載能力非常大。相比其他材料，泡沫鋁具有較多優點，例如防腐蝕性強、導熱性好、隔音效果佳等。泡沫鋁的誕生可以追溯到20世紀50年代，因為其輕質和高承載力的特性，起初主要應用于航空航天領域[1]。1984年，法國國家科學研究中心（CentreNational de la Recherche Scientifique，CNRS）的科學家根據熱力學和反應動力學原理，開發出一種將鋁液發泡成泡沫鋁的成熟工藝，極大地拓寬了泡沫鋁的應用范圍。目前，泡沫鋁的制備方法主要有發泡法、粉末冶金法、電沉積法、熔體滲流法等[2]。憑借優異的物理性能和廣泛的應用領域，泡沫鋁材料必定備受矚目，發展潛力有待進一步發掘。本研究參考國內外的研究成果，介紹了泡沫鋁的制備方法，并討論了泡沫鋁的性能及應用進展。

1 泡沫鋁的制備工藝進展

過去數十年，在技術創新和市場需求的推動下，泡沫鋁材料的生產制備工藝不斷改進和完善，主要有以下4種。

1.1 發泡法

發泡法主要分為熔體發泡法和注氣發泡法兩種。

熔體發泡法的基本原理是利用鋁在高溫下的熔化和發泡特性，通過控制鋁熔體的溫度、壓力、氣氛等參數，在熔體中加入發泡劑材料、引入氣體制備泡沫鋁材料。熔體發泡法的主要工藝流程如下：（1）原料準備。采用鋁錠或者鋁合金材料，按照一定比例加入表面活性劑等輔助材料并充分混合。（2）熔煉。將經過混合的鋁材料放入電爐中進行熔煉和加熱處理，在此過程中，需要控制熔融鋁的溫度和氣氛，通常采用氬氣等惰性氣體作為保護氣氛，避免氧化反應對熔融鋁的影響。（3）發泡。在發泡過程中，泡沫鋁的結構由內到外逐漸形成并不斷擴大，直至整個熔融鋁完全發泡成泡沫鋁。此時，鋁熔體外觀呈稠密多孔氣泡狀并逐漸向外伸展膨脹，形成特殊的泡沫鋁結構。（4）冷卻。在泡沫鋁的冷卻過程中，需要控制熔體的溫度和出氣口大小等參數，避免泡沫鋁因為溫度過高或者氣體排放不暢而出現問題[3]。熔體發泡泡沫鋁制備法具有制備規模大、生產能力強、材料性能可調節等優點，逐漸成為制備泡沫鋁材料的主流技術之一[4]。

注氣發泡法和熔體發泡法類似。不同的是，該方法是將氣體從外部引到熔體中實現發泡的。當熔融鋁達到一定溫度時，通過氣動裝置向熔融鋁中注入氮氣或氬氣等惰性氣體，使其溶解在熔融鋁中。在注氣過程中，需要控制注氣量、時間和位置等參數，以保證注入的惰性氣體均勻分布在整個熔融鋁中。注入氣體后，通過控制溫度和壓力參數使熔融鋁中的氣體逐漸擴散和排出，形成不斷增大的空洞和孔洞，最終形成泡沫鋁材料結構[5]。相對于其他泡沫鋁制備工藝，注氣發泡法的特點是操作簡單、工藝成本低。但相對于熔體發泡法，注氣發泡法制備的泡沫鋁孔徑大小不易控制、尺寸偏差較大[6]。

1.2 粉末冶金法

粉末冶金法又稱粉末致密發泡技術，近年來被廣泛應用于工業領域，成為制備閉孔泡沫鋁的重要方法之一。該方法首先將鋁粉體和發泡劑粉體按一定比例充分混合，其次通過冷壓、擠壓或軋制等程序形成預制件，并將其放入發泡爐中加熱。在發泡爐中，發泡劑分解釋放氣體，冷卻后得到閉孔泡沫鋁材料。由于此法利用粉末制備前驅體保持了韌性，且可以制造形狀符合要求的零件，生產成本較低，近年來逐漸成為制備泡沫鋁的主流方法。

目前，粉末冶金法主要分為聚合物泡沫法和金屬粉末燃燒發泡法兩種。聚合物泡沫法是將金屬粉末與聚合物混合后，在高溫下熱解、生成氣體，使聚合物形成泡沫狀，然后通過金屬熱擴散作用將泡沫狀聚合物轉化為泡沫鋁。該方法可以制備較厚的泡沫鋁，但同時存在聚合物殘留、清潔難度大等問題。金屬粉末燃燒發泡法是將金屬粉末混合后制成燃料，點燃后在自反氧化氣氛下進行爆炸反應，產生大量熱和氣體，從而使金屬燃料膨脹成泡沫狀，并迅速固化成泡沫鋁。這種方法制備的泡沫鋁性能優異，具有孔隙度高、孔徑小、連通孔道多等優點。但一些技術難題尚未得到解決，如泡沫鋁起始密度大、工藝參數難以控制等[7]。蘭鳳崇等[8]以蔗糖為造孔劑，采用粉末冶金法制備了具有不同孔隙率和孔徑尺寸的泡沫鋁，并發現燒結溫度和金屬粉末顆粒度對泡沫鋁的機械行為有顯著影響。

1.3 電沉積法

電沉積法制備泡沫鋁是一種常用的工業制備開孔多孔金屬技術。其原理是在電解液中控制電極電位和電流密度，將金屬離子在電極表面還原成泡沫狀金屬。為了得到理想的泡沫鋁樣品，在制備過程中需要選擇合適的電解液、電極材料和電解條件等。具體制備過程包括制備電極，將電極放入電解液中，控制電極電位和電流密度，使金屬離子在電極表面還原成泡沫狀金屬，最后進行清洗、干燥等后續處理。

雖然電沉積法制備泡沫鋁具有制備成本低、工藝簡單等優點，但也存在一些缺點。例如，在制備過程中需要控制電極電位和電流密度，操作比較煩瑣；制備的泡沫鋁孔徑不如模板法制備的泡沫鋁均勻，孔隙率也較低[9]。總之，電沉積法制備泡沫鋁是一種新型制備方法，雖然存在一些缺點，但憑借制備成本低、工藝簡單等優點贏得了市場的青睞。隨著技術的發展和改進，電沉積法制備泡沫鋁的應用前景更加廣闊。

1.4 熔體滲流法

熔體滲流法是一種新型材料制備工藝，以鋁為原料，在特定條件下將其熔化并注入預制好的具有開放孔隙和通道結構的多孔體中。在外部壓力的作用下，熔化的鋁從多孔體表面進入，沿著多孔體中的通道持續擴散和滲流，最終形成孔隙率高、強度高、密度分布均勻、結構性能穩定的泡沫鋁材料。其中，多孔體可以采用多種方式制備，如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫等[10]。張勇等[11]以氧化鈣為滲透劑，采用低壓滲透法制備了開孔式泡沫鋁材料和3種孔徑不同的泡沫鋁材料。潘利文等[12]采用熔模注漿方法制備了三維多孔金屬材料，并通過選取合適的孔棱增粗材料來粗化泡沫鋁筋，從而提高所制備材料的性能。

熔體滲流法制備泡沫鋁的主要特點是具有較高的均勻孔隙率和結構穩定性，而在注氣法、模板法、復合法等其他方法制備泡沫鋁的過程中，常常出現孔隙率不均、密度分布不均、結構不穩定等問題。這是因為在其他方法制備泡沫鋁的過程中，孔隙率和密度的分布往往會受到模板的限制，而模板的制備和后續步驟都會影響泡沫鋁的質量和性能。

2 泡沫鋁的性能及應用進展

泡沫鋁因其獨特的多孔結構而獲得輕質、強度高、吸聲性能好、導熱性能可調控和屏蔽電磁干擾等優勢，在多個領域具有廣泛的應用前景。

2.1 力學性能

泡沫鋁憑借多孔結構表現出密度小、剛度質量比和能量吸收能力良好等特點，具有抗壓、抗拉、抗扭曲或彎曲等機械特性，并且結構可以承受拉應力。在眾多機械特性中，泡沫鋁的抗壓特性引起了廣泛關注。在航天領域，用泡沫鋁或金屬泡沫夾層板代替昂貴的蜂窩結構可以實現更高的性能和更低的成本。波音公司制造的大型泡沫夾層構件和具有泡沫鋁芯的鋁夾層采用氣體捕集技術制造，用于直升機尾翼。與通常的平面蜂窩結構相比，該夾層的突出優點是可以制成任何形狀甚至三維形狀。因此，直升機制造商使用泡沫鋁組件替換目前使用的一些蜂窩結構組件，包括渦輪機的結構組件。航空發動機級間密封圈也是由多孔金屬制成的。在太空技術領域，泡沫鋁用于航天器著陸墊的能量吸收碰撞元件和衛星承載結構的加固材料，替代在不利環境條件下（溫度變化、真空等）出現問題的材料[13]。

當前，減重和提高燃油效率是汽車工業的發展趨勢，具有輕質和高強度特點的泡沫鋁應用潛力巨大，旨在提高汽車的碰撞安全性和安全系數。在汽車中安裝不同形狀的薄壁結構并在中心填充泡沫鋁可以有效地提高結構的彎曲強度、壓縮強度、剛度和能量吸收性能，使其成為優秀的撞擊能量吸收部件。

2.2 聲學性能

隨著社會對噪聲環境的關注度不斷提高，泡沫鋁在吸音吸聲領域的發展前景巨大。部分噪音在泡沫鋁中傳播會被粗糙表面反射，另一部分會進入多孔結構。一方面，進入泡沫鋁的聲波會導致孔內空氣壓縮或膨脹，從而將聲能轉化為熱能；另一方面，由聲波引起的振動空氣與孔壁之間的摩擦損耗會使聲能流失，進一步減弱穿過泡沫鋁的聲波以達到隔音效果。根據泡沫鋁的吸聲機理，泡沫鋁的吸聲性能受到許多因素的影響，如孔徑大小、孔隙率及孔隙均勻性等。泡沫鋁材料的聲學性能特點主要體現在以下3個方面。（1）聲阻抗。泡沫鋁材料由許多小孔組成，這些小孔中填滿了氣體，導致其聲阻抗較低，從而提高了其聲學性能。聲阻抗越低，材料吸收聲波的效果就越好。（2）聲散射。泡沫鋁材料表面粗糙，可增加聲波在材料表面的反射和散射，從而增強其吸聲效果。同時，泡沫鋁材料之間的孔隙也可以散射聲波，使聲波在材料內部得到擴散和衰減。（3）吸聲系數。泡沫鋁材料的吸聲系數高，能吸收更多的聲波，在對聲波的控制和調節方面具有廣泛的應用前景[14]。

作為新型結構功能材料，泡沫鋁因其特殊結構而獲得許多優異性能，完全滿足汽車和軌道交通內飾系統的材料要求。用于內飾的泡沫鋁采用外金屬板和內部泡沫鋁的夾層結構，在發泡過程中，外層和內層通常會粘合或復合。泡沫鋁也可以用作高速公路和高架橋兩側隔音屏的原材料。

2.3 熱性能

泡沫鋁具有高孔隙度（孔體積占比通常在75%～95%）、固體孔邊的高導熱性、大內表面積以及能在冷卻液中產生湍流和高混合的能力。因此，由其制成的換熱器具有緊湊、高效、輕量化的特點。泡沫鋁材料中的氣體孔隙對熱傳導有重要影響，熱傳導的主要機制是固體-氣體界面上的熱輻射和氣體中傳導熱的效應。由于泡沫鋁材料中氣體孔隙的存在，熱穿過材料后必須經過的反射、散射和吸收比其他類似材料多得多，從而極大地減緩了熱流的傳輸。同時，泡沫鋁材料中氣體所占比例很高，其熱傳導性能在極大程度上受到氣體熱導率的控制。

基于以上特點，泡沫鋁在工業領域得到了廣泛的應用，其中最常見的是隔熱領域。隔熱材料的功能是減少兩個區域之間的傳熱，泡沫鋁的多孔結構可以實現該功能，因此被用于生產夾芯板、保溫被、防火墻、管道保溫等隔熱產品。

2.4 電磁屏蔽性能

泡沫鋁結構獨特，因此具有與致密材料不同的電磁屏蔽機制。當電磁波射到泡沫鋁表面時，一部分會被反射，另一部分會進入泡沫鋁內部。這部分電磁波將在孔壁和孔內繼續傳播，并通過吸收損耗、反射損耗和渦流損耗而耗散。對于閉孔泡沫位錯，其在﹣100～1 000 MHz頻帶內對電磁波的屏蔽效能在60 dB以上，最高可達90 dB。在10～500 kV變電所環境中，由泡沫鋁制成的屏蔽室具有與304 L不銹鋼相同的電性屏蔽能量效率、比304 L不銹鋼更高的磁性屏蔽能量效率。結合高比強度、吸收能量和隔聲的特點，泡沫鋁在電磁屏蔽領域具有很強的競爭力[15]。

在一些研究機構中，泡沫鋁作為墻體材料之一，能起到電磁屏蔽作用，防止一些精密設備受到電磁波的干擾。泡沫鋁的電磁屏蔽性能被應用于軍用指揮車/指揮所、雷達控制系統等的保護內襯中，能有效屏蔽電磁炸彈之類的高功率電磁信號，效能可達90 dB，約為傳統鐵氧體材料的26倍。泡沫鋁材料與其他材料的復合可以進一步提高其電磁屏蔽性能。例如，將其與碳纖維等高導電材料復合，既能保持泡沫鋁材料的輕量化特性，又能提高其導電性能和抗干擾能力；還可以將其與多孔性炭材料等電磁波屏蔽材料組合，開發復合材料，拓寬應用范圍。

3 結語

泡沫鋁在工業領域的應用潛力巨大。通過不斷的研究和開發，人類可以進一步發掘泡沫鋁材料的潛力，將其應用于更多領域，為人們的生活和社會發展作出更多貢獻。泡沫鋁的研發和制備近年來得到了長足的發展，目前已經初步具備產業化能力，但是在孔結構控制、孔壁和孔徑均勻性方面還需要完善，針對泡沫鋁的理論研究和性能研究還需要進一步拓展。另外，泡沫鋁的制備成本較高，限制了該材料在更多領域的應用和推廣。泡沫鋁材料制備工藝的穩定性和成本優化是未來的研究重點。