科研創(chuàng)新(泡沫鋁夾層板制備研究)

1、科研創(chuàng)新姓 名: quanmuyi 學 號 : 00000000 學 院:材料科學與工程專 業(yè):材料成型及控制科研題目:泡沫鋁及夾層板制備研究指導教師:二 O 一一 年 三 月 徐州1.泡沫鋁1.1泡沫鋁概述泡沫鋁是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后,經(jīng)過發(fā)泡工藝而成,同時兼有金 屬和氣泡特征, 是一種多空隙低密度的新型多功能材料。 它具有密度小、 高吸收 沖擊能力強、耐高溫、防火性能強、抗腐蝕、隔音降噪、導熱率低、電磁屏蔽性 高、耐候性強、有過濾能力、易加工、易安裝、成形精度高、可進行表面涂裝等 特點。因此,應用領域十分廣泛。早在 1948年美國人 Sosnik就提出了用汞在鋁中氣化發(fā)泡制備泡沫鋁

2、的方 法 ,隨后 Ellist于 1951年成功地制備出泡沫鋁。 20世紀 60年代美國 Ethyl公司成為研制泡沫鋁的科研中心基地。 但由于發(fā)泡工藝與泡的尺寸很難控制, 一 直沒有得到發(fā)展。 直到 20世紀 80年代中期以后, 才取得長足進展, 開發(fā)出一些 有工業(yè)價值的工藝:1991年 ,日本九州工業(yè)金屬研究所開發(fā)出泡沫鋁工業(yè)化生 產(chǎn)工藝。 1999年 ,第一屆世界泡沫金屬學會議在德國不來梅順利召開 ,重點是 關于泡沫鋁的制造和應用。 隨后 ,世界泡沫金屬學術會每隔兩年召開一次 ,泡沫 金屬已發(fā)展成為一門重要的學科和技術領域 1。目前 ,在泡沫鋁研究方面加拿 大、 美國和日本處于世界領先地位

3、其中日本的研究進展速度最快 ,不僅將泡沫 鋁投入了生產(chǎn)并進入了實際應用階段。 國內自 80年代中期開始進行泡沫金屬材 料的研究 ,經(jīng)過 20多年的探索和研究 ,東南大學、 東北大學、 中國科學院、 北 京科技大學、 昆明理工大學等多家機構都先后做過許多研究。在泡沫金屬制備 方面 ,國內對發(fā)泡法和滲流法研究得較多且基本趕上國外發(fā)達國家水平 ,只是 對連續(xù)生產(chǎn)方法的研究還屬空白 ,仍然有待開發(fā) ,從而擴大泡沫金屬的實際應 用。由于泡沫鋁具有優(yōu)異的物理性能、化學性能、力學性能與可回收性能等,被 認為是一類很有開發(fā)前途的工程材料, 有著廣泛的應用前景, 特別在在建筑、 交 通運輸、 機械、 電子、 通

4、訊和軍工等行業(yè)具有廣泛應用前景。最常用的泡沫鋁合金是純鋁、 2×××系列合金及 6×××合金。鋁 -硅系鑄 造合金因其熔點低與良好的成型性能, 也可用于制造泡沫材料。 目前, 世界各國 已研制開發(fā)出多種制造泡沫鋁的方法和加工工藝, 生產(chǎn)出了不同的規(guī)格品種和用 途的泡沫鋁材,已取得可喜成果,正在向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方向發(fā)展。1.2泡沫鋁的特性及其應用1.2.1泡沫鋁的主要特性 2由于制備工藝的不同 , 從結構看泡沫鋁可分為閉孔結構的泡沫鋁和開孔結構 的泡沫鋁。前者含有大量獨立存在的氣泡 , 而后者則是連續(xù)貫通的三維孔結構。 泡沫鋁的性能主要取決

5、于分布在三維骨架間的孔隙特征 , 即孔的形態(tài)和分布 , 包 括孔的類型、 孔的形狀、 孔的分布、 孔的結構。結構不同導致的性能差異 , 使其具有不同的用途。在冶金、 化工、 航空航天、 船舶、 電子、 汽車制造 和建筑業(yè)等領域得到了和將要得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的金屬鋁相比 , 泡沫鋁具有 如下特征:(1 密度小 3泡沫鋁是一種輕質功能材料。泡沫鋁密度通常為 180- 480 kg/ m3, 約為鋁密 度的 1/ 10、鈦密度的 1/ 20、鋼密度的 1/ 30及木材密度的 1/ 3。一般建筑材 料采用密度為 200- 300 kg/ m3的泡沫鋁材 , 而用做消聲材料時則用密度為 320- 42

6、0 kg / m3的材料。泡沫鋁的密度可在很大范圍內變化 , 目前所能獲得的最大 孔隙率可達 97% ,其尺寸從幾個微米到幾十個毫米。一般規(guī)律是孔隙率越大 , 泡 沫鋁的密度越小。(2 耐熱性強泡沫鋁具有較高的耐熱性。一般鋁合金的熔解溫度范圍在 560- 700 ,但 泡沫鋁即使加熱到 1 400,也不熔解 , 而且在高溫下不釋放有害氣體。以此 , 在 許多場合可以取代發(fā)泡樹脂或石棉類制品用做隔熱與耐熱材料及各種熱交換器 的芯件。 還可用做航天設備的核心材料、 高溫填料、 電磁屏蔽材料、 阻燃器、 慢性約束核聚變激光實驗中的超熱電子抑制材料等。(3 通透性好 4具有良好通透性的貫通孔泡沫鋁可作

7、為過濾材料 , 從液體或氣體中將固體顆 粒過濾出去。通常 , 通透性隨孔徑的增加而增加 , 但它也受表面粗糙度的影響 , 而 且受閉孔數(shù)目的影響較大?？捎糜诟鞣N液體、 氣體的過濾器和高溫除塵器中。 (4 剛性強泡沫鋁不具有密實金屬那樣的延展性 , 拉伸試驗無法測出拉伸率 , 彈性模 量約為鋁合金的 1/ 50-1/ 100。泡沫鋁質脆 , 與鋁合金不同 , 當發(fā)生大的變形時 , 其蜂窩組織產(chǎn)生破壞 , 反之 , 如果蜂窩組織不達到破壞強度 , 泡沫鋁是不會產(chǎn)生 變形的。(5 比表面積大利用泡沫鋁的大比表面積 , 可達到高的換熱性 , 由此它可用做制造加熱器和 熱交換器的良好材料。 另外 , 也

8、可用做需要巨大表面化學反應的載體 , 如作為催化 劑的載體、 多孔電極、 充電電池的極板材料、 換熱器、 能量吸收器和催化劑的載 體等。(6 隔聲性能強泡沫鋁可通過氣孔壁的振動來吸收聲音的能量 , 用來消聲、去除噪聲。一般 情況下 , 通孔泡沫鋁的吸聲性能更好?？椎某叽缬绊懫鋵φ麄€聲波頻率范圍的吸 收性能 , 孔越小 , 吸聲能力越大。 通過改變泡沫鋁孔的尺寸和形狀可以獲得好的吸 聲性能?？捎糜诮ㄖ袠I(yè)中的內外裝飾件、 幕墻、 間壁活動門板 , 制造高性能 吸聲板、 隔聲墻、 各種消聲器等。泡沫鋁的隔音性能見表 1 37 具有吸收沖擊能量的能力泡沫鋁不像蜂窩材料那樣具有方向性 , 也不像高分子

9、泡沫材料具有反彈作 用 , 它有很好的減震(阻尼性能 , 是制造抗沖擊部件的良好材料?？捎糜谄?剎車器、 夾緊裝置以及航空航天設備中的保護封套和緩沖器。其阻尼性的大小 與氣孔孔徑的大小有關?？捎糜谏禉C和傳送器的安全墊、 高磨床防護裝置的 減震吸能內襯、 高精密機床的底座等。而且泡沫鋁的減振(阻尼性能與其氣 孔孔徑的大小有關 , 可通過調整材料的孔隙特征對其阻尼性能進行調節(jié)8 良好的吸音性泡沫鋁中大量的孔洞允許聲波進入其中 , 泡沫內介質 (一般為空氣 在聲波 作用下發(fā)生壓縮伸張變形 , 引起介質與孔壁之間摩擦 , 使聲能轉化為熱能; 泡內 介質在聲波作用下 , 產(chǎn)生振動引起聲波射向金屬表面

10、 , 從而產(chǎn)生漫射而干涉消 音。 尤其在中、 低頻率時。 這是由于泡沫鋁的孔隙的慣通性、 體積膨脹性及孔壁 的良好導熱性 , 必將補償由于聲波頻率降低、 振動衰減及孔壁摩擦阻力減小所引 起的不良吸聲性 , 可使泡沫鋁在中、 低頻率下取得優(yōu)良的吸聲效果 , 尤其在低于 1 000 Hz 左右的頻率范圍。隨著孔徑的減小、孔隙率的增大 , 吸聲性能有規(guī)律的提 高。泡沫鋁吸音性能見表 2 39 其他性能泡沫鋁還具有氣敏性、催化性、良好的保溫性 , 同時還具有電磁屏蔽性能 , 對 高頻電磁波有良好的屏蔽作用 , 能夠使電磁干擾降低 80%以上。 5 mm 厚、孔隙率 為 90%的閉孔泡沫鋁 , 在 60

11、- 1 000 MHz 電磁屏蔽性能為 35- 75 db,可用于電磁 屏蔽室 (罩 、電子儀器外殼、無線電錄音室 電磁屏蔽等場合。由于泡沫鋁具有如此眾多的特性 , 預計其在航空航天、 電訊及環(huán)境保護等新 領域中必將有很好的應用前景。1.2.2泡沫鋁的應用泡沫鋁具有各種優(yōu)良性能 :密度小,耐熱性強,隔音性好,耐沖擊,通透性好。 因此在民用、 工業(yè)、 交通、 航空、 航天及軍事國防等領域有著非常廣泛的應用前 景。泡沫鋁從結構上可分為開孔和閉孔兩種,孔結構是決定其應用的主要因素, 例如許多應用需要介質、 液體或氣體流通泡沫鋁, 這就需要完全開孔結構, 而承 載件就要求閉孔結構的泡沫鋁。 圖 1展示

12、了不同應用領域對孔形態(tài)的要求。 根據(jù) 應用范圍的不同,可以將泡沫鋁的應用分為兩類 :結構材料的應用和功能材料的 應用 5。(1泡沫鋁作為結構材料的應用作為結構材料,泡沫鋁在汽車、航天、建筑、鐵路行業(yè)、機械制造業(yè)、體育 器材、生物醫(yī)學中都有著廣泛的應用前景。汽車工業(yè)上的應用未來汽車將要求更加輕便節(jié)能、 安全、 有良好的抗震性。 如果采用泡沫鋁材制造 蓋板、 卡車蓋與滑動頂板等可減輕重量并提高剛度。 德國卡曼汽車公司與夫需霍 弗研究所共同使用“夾層板”泡沫鋁制造轎車頂蓋板 . 其剛度比原來鋼構件大 7倍左右。而其質量卻比鋼件小 25%。此外,這種泡沫鋁還具有更高的吸收沖擊能 和聲能的效果。航天工業(yè)

13、同時具有多項優(yōu)良性能的泡沫鋁是航天工程一直追尋的理想結構材料。 在空 間技術中, 泡沫金屬輕質結構具有非常重要的應用前景。 用泡沫鋁夾層材料替代 昂貴的蜂窩夾層結構件, 在獲得更高的性能的同時又使成本大幅度下降。 波音公 司試驗了用泡沫欽和泡沫鋁夾層材料制成直升飛機的尾架, 這種材料與以往的蜂 窩夾層材料相比還有一個很重要的特點就是可以制成彎曲甚至三維的形狀。 正是 這個原因,一些直升飛機制造商正考慮用泡沫鋁夾層材料部分替代蜂窩夾層材 料。建筑業(yè)建筑業(yè)中泡沫鋁有著廣泛的應用范圍。 例如, 用泡沫鋁材制造電梯可大大減 輕其重量, 從而減少能量消耗, 而且泡沫鋁優(yōu)良的能量吸收性能又保證了電梯的 安

14、全性。 如果泡沫鋁作為裝飾材料, 既輕便美觀, 又可以起到防火、 隔音的效果。 (2泡沫鋁作為功能材料的應用過濾器過濾器主要是從液體中分離固體顆?；驈臍怏w中分離固體和液體。 例如, 凈 化熔融聚合物, 除去空氣中的油煙和水汽。 過濾器要求有良好的過濾性能, 耐蝕 性以及優(yōu)良的力學性能,而開孔泡沫鋁正是制備過濾器的理想材料。熱交換器高熱導性泡沫鋁可以作為熱交換器材料, 這就要使用諸如鑄造法生產(chǎn)的開孔 泡沫鋁, 通過加熱或冷卻泡沫鋁, 使流通過的氣體或液體得到加熱或冷卻。 如泡 沫鋁可以制成一種緊湊的散熱器用于微電子裝置上對高密度發(fā)熱元件的冷卻, 如 對計算機的集成電路和電源的冷卻。催化劑載體高效

15、催化劑要求在與氣體、 液體反應時有大的接觸面積, 因此催化劑就可以 被注入多孔材料中。 由于多孔泡沫鋁有大的表面積, 同時有很好的塑性和導熱性, 所以可以充當催化劑載體。同時催化劑在泡沫鋁中有良好的機械完整性,例如, 即使在經(jīng)歷多次升降溫循環(huán),催化劑基本沒有損失。作為功能材料, 泡沫鋁還可以制備電極、 噴霧器、 消聲器、 自潤滑軸承等多 種產(chǎn)品,其應用前途十分廣闊。1.3泡沫鋁的制備方法最常用的泡沫鋁合金是 2XXX, 6XXX系合金。鋁硅系鑄造合金因其熔點低與 良好的成型性能, 也可用于制造泡沫材料。 目前, 世界各國已研制開發(fā)出多種加 工工藝和制造方法, 使不同規(guī)格和品種的泡沫材料正在向產(chǎn)

16、業(yè)化方向發(fā)展。 制備 泡沫鋁的方法有多種,根據(jù)制備過程中鋁的狀態(tài)可以分為三大類 :液相法、固相 法、電沉積法,見圖 1-1,圖中英文為該法生產(chǎn)的泡沫鋁商品名稱。 圖 1-1 泡沫鋁制備方法 61.3.1液相法(1熔體發(fā)泡法 (Direct foaming其基本原理主要是將鋁或鋁合金熔化,隨后加入增粘劑使鋁熔體的粘度增 加, 以防止氣泡從熔體中溢出, 最后經(jīng)冷卻使熔體中的氣體滯留在熔體內部。 氣 體的來源有兩種 :一是直接從外部向鋁液中注入氣體 ; 二是在鋁液中加入發(fā)泡劑。 但目前液相法只能做出板狀泡沫鋁。熔體注氣法 (Foaming by gas injection各種泡沫鋁合金都可用此法生產(chǎn)

17、。 將鋁合金熔融后, 加入一定體積分數(shù)的增 粘顆粒 (碳化硅、氧化鋁等 進行增粘,然后從熔融鋁液底部吹入氣體 (空氣、氮 氣、氫氣 ,同時對液體進行攪拌使氣泡細小并均勻分布,在金屬液中形成大量 氣孔后冷卻凝固制得泡沫鋁。 這種方法優(yōu)點是可以連續(xù)生產(chǎn), 可獲得低密度、 大 體積的產(chǎn)品。 缺點是要對泡沫板材進行剪切, 造成泡沫開孔, 同時由于顆粒的加 入,使胞壁變脆,對力學性能產(chǎn)生不利影響。圖 1-2熔體注氣法示意圖加發(fā)泡劑法 (Foaming with blowing agents該法將發(fā)泡劑與合金進行混合, 加熱使發(fā)泡劑釋氣, 由此可形成泡沫鋁。 國 內目前采用較多的發(fā)泡劑是金屬氫化物,如 T

18、iH 2或 ZrH 2等。此方法具有工藝簡 單, 成本較低, 所得樣品孔隙率高等優(yōu)點, 適合于制備尺寸較大的試樣。 缺點是氣泡分布不均且局部氣泡尺寸過大。(2固 -氣共晶凝固法 (Solid-gas eutectic該法是近年來開發(fā)的一種新方法,依據(jù)是在 H 2中,一些金屬可形成共晶系 統(tǒng)。 在高壓 H 2下 (50x106Pa 得含氫的均勻鋁液, 如果降低溫度通過定向凝固將發(fā) 生共晶轉變, H 2在凝固區(qū)域內含量增加,并且形成氣泡。因為體系壓力決定共晶 組成, 所以外部壓力和氫含量必須協(xié)調好。 最終孔的形狀主要取決于氫含量、 鋁 液外部壓力、 凝固的方向和速率、 金屬液的化學成分, 通常沿凝

19、固方向形成管狀 孔,孔直徑 1 Om-lOmm ,長度 100m-300mm 。(3鑄造法熔模鑄造 (Investment casting用耐熱材料 (莫來石、 酚醛樹脂、 石膏 填充開孔的高分子泡沫, 然后通過加 熱除去高分子泡沫并將鋁液鑄入模型中來復原高分子泡沫的結構, 這一步可以采 用加壓和加熱模型的方法使細小孔洞得到充分填充, 最后用水溶等方法除去耐熱 材料, 即得到與原高分子泡沫相同結構的泡沫鋁。 此法的難點在于如何使鋁液充 分填充到模型中, 以及如何在不破壞泡沫鋁結構的同時除去耐熱模型。 優(yōu)點是可 制備多種泡沫金屬, 并且可以得到開孔結構, 生產(chǎn)重復性好, 有相對穩(wěn)定的密度。 滲流

20、鑄造法 (Infiltration casting將液態(tài)鋁合金滲入到填料顆粒的間隙中而獲得鋁合金填料復合體的一種方 法。 填料可以使用耐熱且可溶的材料 (如精鹽 。 樣品制成后, 填料粒子可從鑄件 中浸洗掉, 從而獲得具有連通空隙結構的泡沫鋁。 滲流鑄造法又可分為上壓滲流 鑄造法和負壓滲流鑄造法, 這兩種方法都可以得到通孔性良好的泡沫鋁樣品, 并 且填料粒子可以迅速去除,并重復使用。1.3.2固相法 (Solid用鋁粉末代替液態(tài)鋁同樣可制得多孔材料。 因為大部分固相法通過燒結使鋁 顆?；ハ嗦?lián)結,鋁始終保持在固態(tài),所以此法生產(chǎn)的泡沫鋁多數(shù)具有通孔結構。 (1 散粉燒結法 (Sintering o

21、f aluminum powders這種生產(chǎn)方法包括三個過程 :粉末準備,粉末壓縮,粉末燒結。此方法多用 于制備泡沫銅。 由于鋁粉表面具有的致密氧化膜將阻止顆粒燒結在一起, 因此用 散粉燒結法制備泡沫鋁相對困難。 這時可以通過變形手段破壞氧化膜, 使顆粒更 易粘結在一起 ; 或加入鎂、銅等元素在 595 -625燒結時形成低共熔合金。用 散粉燒結制備的泡沫金屬優(yōu)點是工藝簡單、 成本低, 缺點是孔隙率不高、 材料強 度低。如果用纖維代替粉末燒結同樣可制得多孔材料。(2 粉漿燒結 (Foaming of slurries把鋁粉、 發(fā)泡劑 (磷酸加氫氧化鋁 、 活性添加劑混合后注入模子中形成含有 泡

22、沫的鋁粉漿,逐漸升溫,在添加劑、發(fā)泡劑影響下,漿開始變粘,并隨產(chǎn)生的 氣體開始膨脹。如果工藝參數(shù)控制得當,經(jīng)燒結后就可得到一定強度的泡沫鋁。 該法存在的主要問題是制得的泡沫材料強度不高并有裂紋。 如果把粉漿直接灌入 高分子泡沫中,通過升溫把高分子材料熱解,燒結后同樣可制得開孔泡沫材料。 (3 填加造孔劑法 (Based on space holderBrain等人用高分子球、鎂顆粒、尿素作為造孔劑制備了多孔鈦。由于鋁表 面致密的氧化層使顆粒之間在燒結時結合困難,所以用此法制備泡沫鋁并不多。 (4粉末冶金法(powder metallurgy由于此法的原料是鋁粉末, 所以有的文獻將其列入固相法。

23、 但該法實際的發(fā)泡階段是在液相,因此也有文獻將其列入液相法。在此將其列入固相法討論。 該法的原理是將鋁粉或鋁合金粉與一種發(fā)泡劑粉末混合, 將這種混合物壓制 成密實的金屬基體, 然后對其加熱升溫。 當溫度升至鋁粉或鋁合金粉的熔點以上。 發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體在熔融狀態(tài)的鋁或鋁合金內部形成無數(shù)的氣孔, 冷卻這種鋁基 體后, 即可得到泡沫鋁產(chǎn)品, 該工藝相對簡單, 優(yōu)點是可以根據(jù)具體要求制作各 種復雜的異型件。 缺點是比熔體發(fā)泡法成本高, 工件尺寸受到限制, 孔尺寸難控 制 7。1.3.3電沉積法 (Electro-deposition電沉積法是以泡沫塑料為基底, 經(jīng)導電化處理后為陰極, 工業(yè)純鋁板為陽極

24、, 在烷基鋁溶液中電鍍制成泡沫鋁。 采用此電沉積法制備的泡沫鋁具有容易控制孔 隙結構、 孔徑小、 孔隙均勻、 孔隙率高等特點。 其隔熱性能和阻尼特性優(yōu)于鑄造 法生產(chǎn)的泡沫鋁 ; 其吸聲性能與聲頻率有關,聲頻率在 1000-2000Hz 之間時,平 均吸聲系數(shù)為 0.751,是一種很好的吸聲降噪材料。2.泡沫鋁夾層板泡沫鋁夾層板(Aluminum Form Sandwich 即 AFS 或泡沫鋁夾芯板、泡沫鋁 三明治。 隨著泡沫鋁制備技術日益成熟以及對其比強度應用需求, 其應用設計研 究的重要性日益增大,而泡沫鋁夾層板是其很重要的應用方面。 泡沫鋁夾芯板 泡沫鋁夾層板有三個特點 :1、 兩個比較

25、薄的、 高強度、 高密度材料作為表面。 2、 一個材料密度較低的夾心層。 3、 面板與夾心層的結合通過膠粘或冶金結合實現(xiàn)。 生產(chǎn)泡沫鋁夾芯板復合結構技術首先由德國 Fraunhofer 先進材料制造研究所和 德國卡曼汽車公司聯(lián)合推出。 由金屬面板與泡沫鋁芯構成的夾芯板復合結構的特 點是輕質、 高比剛度, 并具有良好的減震性能, 主要應用為泡沫鋁夾層板梁、 板、 管以及夾層板異型件。在汽車、航天、航空等領域將有廣泛的應用前景。此外, 還有吸收沖擊能與聲能的效果,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬板、金屬網(wǎng)、木材、塑料、有 機玻璃等作為機床防護罩材料。目前在國外己經(jīng)成功地用于高速磨床吸能內襯, 充分地起到了吸聲減振

26、的作用。 泡沫鋁夾層板既是一種熱穩(wěn)定好不可燃材料, 也 是一種抗破壞的耐用材料,并能完全回收與再生利用。2.1泡沫鋁夾層板的結構與性能2.1.1良好的抗沖擊及能量吸收特性泡沫鋁是一種輕質的具有吸收能量和抗沖擊性能的多孔材料,但強度相對較低。 然而, 將其做合成結構則既能滿足結構件的剛度和強度要求, 又能滿足高能量吸 收的要求。2.1.2良好的抗震性泡沫鋁本身是一種輕質高阻尼材料, 其金屬框架及孔隙結構具有高能量吸收的特 性,阻尼值可為鑄鐵材料的 5一 10倍。采用泡沫鋁作為芯層材料時,芯層材料 作為阻尼層在振動發(fā)生時會被迫伸縮, 層內產(chǎn)生較大的剪切應力和應變, 因此會 損耗更多的能量。 特別是

27、, 泡沫鋁芯和金屬面板之間的接觸界面對結構阻尼有極 大的影響。 如果接觸表面間在壓力作用下可以相對滑動, 則會產(chǎn)生附加的界面阻 尼作用, 阻尼效應由界面的干摩擦產(chǎn)生, 這就使得過量的震動可得到有效的衰減。 2.1.3良好的吸音特性泡沫鋁吸聲板是一種先進的吸聲材料, 其吸聲性能除了與材質有關外, 還與材料厚度、覆面材料、空腔大小等有關。制備出來的泡沫鋁夾芯板可以從中間劈開, 將其分成兩半具有吸音功能的材料。2.1.4其它特性除了上述特性外,泡沫鋁夾芯結構還具有重量輕、用料少、綜合成本低等優(yōu)點, 特別是泡沫鋁夾芯板這種輕質型復合板材表而比較平整, 不易變形, 具有耐久性 和靚麗的裝飾, 防水性、

28、密封性能也較好, 其耐熱、 隔熱性還會起到保溫的作用。 鑒于泡沫鋁夾芯板諸多的優(yōu)良性能,因此倍受國內外的關注。 (見表 3 ; 相對于其他材料的夾層板結構,泡沫鋁夾層板結構具有芯部性能各向 同性、成本低等優(yōu)勢 ; 采用粉末冶金發(fā)泡法還可以制成復雜形狀的夾層板零件, 耐熱性優(yōu)良。 因而必將在汽車、 航空、 航天等領域得到廣泛的應用。 圖 1-3是德 國佛朗霍夫先進材料研究中心 (IFAM利用冶金發(fā)泡法制備的夾層板板樣。 圖中上 下兩層為鋁面板,中間為泡沫芯,面板與泡沫芯之間為冶金結合。 圖 1-3泡沫鋁夾層板 82.2泡沫鋁夾層板的制備方法 9目前泡沫鋁夾層板的制備工藝主要有兩大類:一類是先由熔

29、體發(fā)泡法、粉末 冶金法等制備泡沫鋁, 再通過金屬泡沫與金屬板材采用膠粘或其他方法連接在一起; 第二種方法是鋁硅粉加金屬發(fā)泡劑和金屬板材壓制成預制體, 在加熱爐里加 熱過熔點發(fā)泡,冷卻后成泡沫鋁夾層板。2.2.1粉末冶金法此法是根據(jù)所需的泡沫鋁合金成分, 將鋁粉和其他合金元素粉 (如硅、 鎂等 及發(fā) 泡劑粉末 (如 TiH 2 按一定重量比混合。將混合粉與面板一起放入模具中 (混合粉 在兩塊面板之間 經(jīng)過壓力成型,成型方法可以是壓縮或擠壓,最后得到可發(fā)泡 三明治復合板。 隨后將經(jīng)過冷軋后的坯料放入加熱爐中, 在適當?shù)臏囟认录訜嶂?復合板的芯部熔融, 發(fā)泡劑分解出氣體使鋁溶體發(fā)泡, 得到具有冶金界

30、面結合的 泡沫鋁三明治結構。所制備出的泡沫產(chǎn)品的相對密度為 2040%。模具的空腔即 為泡沫鋁制品的幾何形狀,他的優(yōu)點是可以直接制造復雜形狀的零件,圖 1-4為其原理圖。 用這種方法可直接生產(chǎn)用于小汽車結構的泡沫鋁三明治板材。 這種 泡沫鋁三明治比鋼板的剛性大 10倍,而重量卻輕了 50%,可用于汽車的地板、 火墻、車頂和行李廂等。 圖 1-4 粉末冶金法2.2.2膠粘法膠粘法是用粘合劑把面板與泡沫鋁芯板粘接起來, 如日本的 ShikeWire 公司生產(chǎn) 的 Alporas 三明治就是采用膠粘法,外層板材可以是鋁板、鋼板或大理石板等, 建筑用 Alporas 板的表面處理是噴涂丙烯酸樹脂或噴涂

31、陶瓷層。 由于膠是一種有 機溶劑, 不耐高溫, 在一些環(huán)境惡劣的情況下, 該種三明治結構材料就會發(fā)生失 效。 另外, 如同蜂窩鋁三明治一樣, 膠粘部分還存在一個年限問題, 超過一定的 使用時間, 也會出現(xiàn)老化失效情況。 此外, 膠粘 AFS 通常只能制備板狀構件, 使 其應用領域受限。2.2.3其他方法目前還有使用玻璃纖維與聚氨酯為面板的泡沫鋁夾心三明治 10, 利用超聲波扭轉 將鋁和鐵合金板焊接到閉孔泡沫鋁上制造三明治板 11, 熱固性塑料一泡沫鋁三明 治板 12, 纖維增強泡沫鋁三明治, 鋼包泡沫鋁三明治結構 13, 超塑性鋁合金板與閉孔泡沫鋁擴散連接形成三明治結構 14,15。2.3泡沫

32、鋁夾層板的應用2.3.1在汽車工業(yè)中的應用輕質、高剛度且有吸能和隔音性能的泡沫鋁夾層板己在國外汽車上得到應 用,如頂蓋板、底蓋板和滑動頂板等高剛度構件。在汽車沖擊區(qū)的部件上 (如金 屬橫梁、保險杠等 使用合適形狀的泡沫鋁夾層板,可控制最大能量的變形,對側面沖擊保護同樣如此。由德國 Fraunhofer 先進材料制造研究所和德國卡曼汽 車公司聯(lián)合推出的夾層板式復合泡沫鋁材制造的吉雅輕便轎車的頂蓋板的剛度 比原來的鋼構件大 7 倍左右，而其質量卻比鋼件輕 25%5。此外，還有更高的 吸收沖擊能與聲能的效果，其保溫絕熱性能比鋁的好 1 倍。用泡沫鋁夾層板制造 的某些汽車零件的質量，只有原鋼件質量的

33、1/2，而其剛度卻為鋼件的 10 倍， 對頻率大于 800Hz 的噪聲有很強的消聲能力。據(jù)預測，約有 20%的汽車車身結構 件可用 AFS ( Aluminum Foam sandwich材料制造，一輛中型轎車用 AFS 材料制 造的零件可減重 27.2 kg 左右，同時使結構系統(tǒng)簡化，汽車成本還會有所下降。 泡沫鋁夾層板的上述特性正適合汽車輕質、低耗、環(huán)保等發(fā)展方面的要求，因此 該結構材料將會受到汽車工業(yè)的極大青睞。 1.2 為部分構件由泡沫鋁夾層板板 圖 組成的汽車。 泡沫鋁機械零件替代傳統(tǒng)的密實汽車鑄件，對于汽車的輕量化具有重要意 義。歐洲各國在 1996-2000 年的一項聯(lián)合科研項目

34、中，對泡沫鋁用于交通運輸工 業(yè)的輕質結構和吸收沖擊能量方面的效果進行了研究和評價， 通過在汽車上的多 個部位采用泡沫鋁結構的測試，認為該材料具有很好的應用潛力，是車輛輕量化 的關鍵材料之一。 2.3.2 航空航天業(yè)上的應用 昂貴的蜂窩狀結構被泡沫鋁夾層板替代能夠保證在降低成本的基礎上提高 性能。 美國采用氣泡夾帶法制備的大塊泡沫鋁夾層板和泡沫鋁夾層板用于直升飛 機的尾翼，對二者進行比較評價，泡沫鋁夾層板材料對比通常平板的蜂窩狀結構 材料的一個最重要的優(yōu)點就是可以用于制備彎曲的甚至 3D 形狀的結構材料。 2.3.3 其他軍事裝備上的應用 在坦克、輕型裝甲戰(zhàn)車方面，需求多孔超輕金屬材料制造復合裝

35、甲，提高裝 11 甲防穿透的能力和提高機動性。在兩層鋼板之間夾一層泡沫鋁材料，當破甲彈穿 過外層鋼板后遇到泡沫鋁層， 射流直徑驟然擴大， 導致破甲彈無力穿透里層鋼板， 由此可以看出泡沫鋁夾層板在軍事上的應用較為廣泛。 2.3.4 其它方面的應用 泡沫鋁夾層板結構利用其高阻尼特性可應用于緩沖器及吸振器中，還可用于 宇宙飛船起落架、升降機、傳送器安全墊、機器人支架、航天器、風車等。此外， 利用其吸聲減振性，夾層板式泡沫鋁板也可作為電梯艙壁、室內裝飾吸聲材料以 及輕軌、高速公路、冷卻塔、變電所等的聲屏障。 2.4 泡沫鋁夾層板研究現(xiàn)狀及存在的問題 2.4.1 研究現(xiàn)狀 目前國外制備泡沫鋁夾層板主要采

36、用兩種方法，一種是通過熔體發(fā)泡法和吹 氣法兩種途徑制備得到泡沫鋁然后通過膠粘結合； 另一種是通過面板與可發(fā)泡預 制件壓制，并加熱發(fā)泡形成具有冶金結合的泡沫鋁夾層板。20 世紀 90 年代中 期 , 加拿大、挪威、美國等出現(xiàn)了連續(xù)噴吹氣體制備泡沫鋁的方法 , 使連續(xù)生 產(chǎn)成為可能泡沫鋁通氣發(fā)泡連鑄的實際應用以加拿大 Cyma 鋁業(yè)公司最為經(jīng)典 16,國內熔體發(fā)泡法產(chǎn)業(yè)化也有少數(shù)公司生產(chǎn)。對粉末冶金法研究德國 IFAM 和 奧地利取得了初步的成功外，其余研究機構進展不大，主要問題是未能很好掌握 AFS 制備工藝。 國內粉末冶金法大批量生產(chǎn)目前尚屬空白，大部分還停留在試 驗階段。貴州科學院直接采用發(fā)

37、泡法，用廉價的發(fā)泡劑成功制取了較大規(guī)格的泡 沫鋁型材，經(jīng)中科院聲學研究所測試吸音、屏蔽、減振抗沖擊效果、比重等性能 指標，均達到過為同類產(chǎn)品指標17。東南大學何德坤教授采用粉末冶金法制備 泡沫鋁，探討了芯面/夾層板之間結合機理 18, 分析了泡沫夾芯結構材料的彎 曲、壓縮過程及失效方式，確定了泡沫結構對泡沫鋁夾層板性能的影響因素。 2.4.2 泡沫鋁夾層板制備存在的問題及措施 主要問題集中在泡沫鋁的制備工藝繁多，技術發(fā)展迅速，各有優(yōu)勢.但是從工 程化技術角度來看，制備出大孔徑立體網(wǎng)狀( 厘米級 及小孔徑( 微米級、 孔 隙均勻、 密度低、 骨架強度好的泡沫鋁是目前在制備技術上需要突破的重點和

38、難點.因此，為開發(fā)工程實用的泡沫鋁制造方法， 在制備工藝及其相關研究方面 仍需關注以下問題。 （1）研究孔隙規(guī)整、 結構穩(wěn)定及性能多樣的泡沫鋁制備工藝。在此基礎上進一 步探討工藝條件如何影響各種性能. 通常發(fā)泡法和注氣法制備的泡沫鋁的孔隙 大小和壁厚受到多種因素的影響， 難以控制且性能不穩(wěn)定; 而以填料造孔的方 法主要取決于填料的粒度、 形狀和壓實程度， 孔隙易控制且性能穩(wěn)定；固相法 一般用機械球磨、 酸液腐蝕等方法來破壞表面的氧化鋁薄膜或添加助熔劑， 使 其易于燒結成形；通常沉積法制備的泡沫鋁的孔隙形狀難以控制，而且很難獲得 較大的孔隙。 （2）研究簡單可靠、 可批量生產(chǎn)的大尺寸泡沫鋁的工藝

39、?，F(xiàn)階段能進行批量生 產(chǎn)的方法有熔體發(fā)泡法和熔體注氣法， 其它大部分方法還處于實驗室的研究開 發(fā)階段， 樣品的尺寸也受到很大程度的限制。鑄造法一般要考慮鋁液在填料中 的滲流長度、 冷卻速度以及與填料相互浸潤的問題。 成品厚度受限， 形狀也 比較簡單；固相法制備的泡沫鋁孔隙率相對較低， 難以達到工業(yè)產(chǎn)品的要求；沉 積法通常效率低，設備要求高，投資大。 12 （3）開發(fā)新型造孔劑、 發(fā)泡劑和助熔劑等。 常用的造孔劑有 NaCl， 可以考 慮用與其性質相似又能降低鋁的熔點的 KCl 來替代。添加一些作為助熔劑的堿 土金屬，改善泡沫鋁的骨架結構性能。 （4）進一步探討泡沫鋁的成型機理，為改進工藝流程和

40、提高制品質量提供理論 上的依據(jù)。 （5）泡沫鋁在制備時具有高溫和多相特性，在生產(chǎn)中取樣、 觀測和監(jiān)測都存在 困難，實驗手段有待提高，將計算機應用于泡沫鋁的發(fā)泡過程監(jiān)測及性能分析幾 乎空白。 2.5 本課題研究的目的與意義 （1）研究泡沫鋁及夾層板制備方法及各種方法特點 （2）研究泡沫鋁及夾層板性能和應用前景 （3）研究泡沫鋁國內外發(fā)展狀況 （4）為成熟的泡沫鋁夾層板生產(chǎn)工藝提供資料。 13 參考文獻： 1張斌 ,左孝青,張帆 泡沫鋁的制備技術。J.有色金屬加工 2008.12；37-6 2程慧靜, 張崇民, 苗信成等.泡沫鋁的研究現(xiàn)狀與應用展望 鞍山科技大學學 報 2005.12；28-6 3劉靜安，謝水生.合金材料的應用與技術開發(fā) 冶金工業(yè)出版社 2004.473 478 4趙萬祥, 趙乃勤, 郭新權.新型功能材料泡沫鋁的研究進展J . 金屬熱處 理, 2004.6；711 5覃秀鳳