金屬材料-多孔金屬材料

1、金屬材料金屬材料& &多孔金屬材料多孔金屬材料Metal MaterialMetal Material & Porous Metal & Porous Metal MMaterialaterial 報告人：報告人： 符彩濤符彩濤 學(xué)學(xué) 號：號：157692196157692196 材料科材料科學(xué)與學(xué)與工工程程 導(dǎo)導(dǎo) 師師：劉劉芳老芳老師師目錄目錄多孔金屬結(jié)構(gòu)特征與特性多孔金屬結(jié)構(gòu)特征與特性多孔金屬的制備方法多孔金屬的制備方法多孔金屬的展望多孔金屬的展望研究進展研究進展多孔金屬的應(yīng)用多孔金屬的應(yīng)用優(yōu)點1.研究進展研究進展密度小、孔隙率高、比表面密度小、孔隙率高、比

2、表面積大積大強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗沖擊能力強抗沖擊能力強能量吸收性好及特殊的傳熱能量吸收性好及特殊的傳熱和聲學(xué)等特點和聲學(xué)等特點123 多孔金屬材料是20世紀40年代發(fā)展起來的一種新型材料，由金屬基體和大量孔隙組成，孔隙將金屬相分割成許多小單元，又稱為多孔泡沫金屬，具有與傳統(tǒng)材料不同的新型結(jié)構(gòu)。 多孔金屬在近幾十年得到了廣泛的關(guān)注并實現(xiàn)了快速的發(fā)展，在能源環(huán)保、石油化工等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，可解決生產(chǎn)過程中液體、氣體原料和貴重資源的回收，產(chǎn)品的提純凈化等問題，推動了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進步。王靜,楊軍,張建. 多孔金屬材料制備技術(shù)研究進展A. 兵器材料科學(xué)與工程,20

3、13.多孔金屬材料的類型多孔金屬材料的類型 根據(jù)其孔洞的連通性可分為閉孔和開孔二大類，前者是含有大量獨立存在的孔洞，后者是連續(xù)暢通的三維多孔結(jié)構(gòu)。三維閉孔材料三維閉孔材料三維開孔材料三維開孔材料 閉孔材料具有比重小，剛性和比強度好，吸振及吸音性能好等特點;開孔材料除了具有上述特點之外，還具有滲透性、通氣性好等特點。田大容,柏凱,王揚,趙領(lǐng)晨,米嬌嬌,孫琦. 多孔金屬材料制備工藝及展望A.甘肅冶金,2014.2.多孔金屬結(jié)構(gòu)特征與特性多孔金屬結(jié)構(gòu)特征與特性孔徑分為體孔徑和面孔徑。體孔徑是指孔的等效直徑，但不易直接測量；面孔徑指截面上孔的截面多邊形的等效直徑?？紫堵蕿榭紫端俭w積與總體積之比。閉孔

4、多孔金屬的孔洞之間互不連通；而開孔多孔金屬的孔洞之間相互連通。結(jié)構(gòu)特征孔徑孔徑孔隙率孔隙率比表面積比表面積氣孔形狀氣孔形狀比表面積指一定體積下的表面積與其體積之比。多孔金屬的比表面積大約為10-40cm2/cm3。由于制備方法的不同，多孔金屬的氣孔可分為球狀、胞狀、多邊形狀和不規(guī)則形狀等多種形態(tài)。盧天健,何德坪,陳常青,趙長穎,方岱寧,王曉林.超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用A.力學(xué)進展,2006. 多孔金屬的主要特性有：盧天健,何德坪,陳常青,趙長穎,方岱寧,王曉林.超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用A.力學(xué)進展,2006.特性熱物理性能力學(xué)性能能量吸收性能聲學(xué)性能電磁波屏蔽性能滲透性能

5、熱物理性能熱物理性能導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能多孔金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于金屬材料（10-300W/m K）與隔熱材料（0.2 W/m K）之間，并隨著孔隙率的增加而減小。耐熱性能耐熱性能多孔金屬是一種骨架或薄膜結(jié)構(gòu)，所以其擁有很強的耐熱性，即使達到基體金屬的熔點也不融化。散熱性能散熱性能當(dāng)熱量流經(jīng)開孔多孔金屬時，其巨大的比表面積使散布在其中的流體產(chǎn)生復(fù)雜的三維流動，從而具有較高的散熱能力。 力學(xué)性能力學(xué)性能導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能耐熱性能耐熱性能散熱性能散熱性能 多孔金屬的抗拉強度比較低，但是抗壓強度和抗彎強度較高。 多孔金屬在承受壓應(yīng)力時其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的塑性變形階段(名義應(yīng)變在0.5%75%范圍)的應(yīng)力幾

6、乎恒定不變。它們在變形時大量的能量被轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅?，并以熱量形式耗散。付全榮,張依鈖,段滋華,李煜. 多孔泡沫金屬及其在化工設(shè)備中的應(yīng)用A.化工機械,2010.能量吸收性能能量吸收性能耐熱性能耐熱性能散熱性能散熱性能 多孔金屬的能量吸收性能表現(xiàn)出兩種特性，即阻尼特性和抗沖擊特性。 在交變應(yīng)力作用下發(fā)生振動時，會造成內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，引起孔洞發(fā)生膨脹（縮?。┖团で?，產(chǎn)生膨脹能和畸變能，使能量損失，因此多孔金屬表現(xiàn)出良好的阻尼特性。 多孔金屬的抗沖擊特性表現(xiàn)在其具有顯著的吸收碰撞能量的能力。付全榮,張依鈖,段滋華,李煜. 多孔泡沫金屬及其在化工設(shè)備中的應(yīng)用A.化工機械,2010. 聲聲學(xué)性能

7、學(xué)性能導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能耐熱性能耐熱性能散熱性能散熱性能 聲波射向多孔金屬時，孔內(nèi)介質(zhì)（一般為空氣）在聲波作用下，產(chǎn)生振動引起聲波射向孔壁表面，產(chǎn)生漫射而干涉消音。同時，孔內(nèi)介質(zhì)在聲波作用下發(fā)生壓縮伸張變形，引起介質(zhì)與孔壁之間摩擦，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而起到吸聲、消音效能。如果聲波能進入多孔金屬內(nèi)（通孔），就會使其內(nèi)部骨架振動而吸收聲能，借機械運動將聲能轉(zhuǎn)換為熱能。 由于多孔金屬具有不同的結(jié)構(gòu)特征，一般情況下閉孔多孔金屬具有吸音、隔聲性能；而通孔多孔金屬的吸聲、消音性能更好。付全榮,張依鈖,段滋華,李煜. 多孔泡沫金屬及其在化工設(shè)備中的應(yīng)用A.化工機械,2010. 電磁波電磁波屏蔽性能屏蔽性能

8、導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能耐熱性能耐熱性能散熱性能散熱性能 多孔金屬對電磁波具有優(yōu)良的屏蔽作用，特別是對高頻電磁波屏蔽效果更好。高頻電磁場通過多孔泡沫金屬時產(chǎn)生感應(yīng)電勢而形成感應(yīng)渦流，與原磁場反向的渦流磁場產(chǎn)生抵消作用，起到電磁屏蔽效果，屏蔽作用遠高于導(dǎo)電性涂料及導(dǎo)電性材料。付全榮,張依鈖,段滋華,李煜. 多孔泡沫金屬及其在化工設(shè)備中的應(yīng)用A.化工機械,2010. 滲透性能滲透性能 導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能耐熱性能耐熱性能散熱性能散熱性能 滲透性能是開孔多孔金屬的一種特性。滲透性能隨孔隙率的增加而增大，又隨兩端壓力差增大而增加。通過對多孔金屬孔結(jié)構(gòu)（如孔隙率、孔徑、開孔度）的控制，可以獲得不同透過性能的多孔金屬

9、材料。 多孔金屬既可作為許多應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料，也可作為一些場合的功能材料，而一般情況下它兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重作用，是一種性能優(yōu)異的多功能工程材料。付全榮,張依鈖,段滋華,李煜. 多孔泡沫金屬及其在化工設(shè)備中的應(yīng)用A.化工機械,2010.3.多孔金屬的制備方法多孔金屬的制備方法 按照孔隙的產(chǎn)生方式，典型的制備方法主要分為：沉積法沉積法燒結(jié)法燒結(jié)法化學(xué)反化學(xué)反應(yīng)法應(yīng)法鑄造法鑄造法劉京雷,葉先勇,何元章,徐宏. 多孔金屬材料制備方法的研究進展A. 材料導(dǎo)報A:綜述篇,2013.鑄造法鑄造法 鑄造法是目前比較成熟的工業(yè)化生產(chǎn)多孔金屬材料的方法。鑄造法適用于材料熔點相對較低的金屬材質(zhì)，主要有鋁合金、鋼、銅、

10、青銅、黃銅等，所制備的多孔金屬孔隙度可達90%以上。 根據(jù)具體工藝不同，鑄造法又分為直接吹氣法、熔體發(fā)泡法、滲流法、金屬-氣體定向共晶凝固法等。劉京雷,葉先勇,何元章,徐宏. 多孔金屬材料制備方法的研究進展A. 材料導(dǎo)報A:綜述篇,2013.鑄造法鑄造法 直接吹氣法是通過吹氣裝置將氣體由熔體底部吹入，產(chǎn)生氣泡上浮并聚集形成泡沫，經(jīng)傳送帶運輸液態(tài)金屬泡沫并使其冷卻成為泡沫產(chǎn)品。 該技術(shù)要求材料發(fā)泡溫度區(qū)間寬、金屬熔體粘度合適，以便提高泡沫穩(wěn)定性，保證收集與成形過程中多孔體不破碎。鑄造法鑄造法 熔體發(fā)泡法是在熔融金屬中加人發(fā)泡劑而產(chǎn)生氣孔，主要包括熔化合金錠、熔體增粘、加人發(fā)泡劑攪拌、保溫發(fā)泡、成

11、型等工序。鑄造法鑄造法 滲流法是將金屬熔液滲入裝有耐高溫且可去除顆粒的鑄模中，經(jīng)后續(xù)去除顆粒工序而獲得多孔金屬。根據(jù)顆粒模板不同，可以獲得開孔或閉孔多孔金屬材料。鑄造法鑄造法 金屬-氣體定向共晶凝固法如圖所示。合金錠在高壓氫氣氣氛中熔化，大量氫氣溶解于液態(tài)金屬中。當(dāng)達到飽和時將熔體定向凝固，熔體分解為固相和氣相，得到圓柱形氣孔沿凝固方向排列的有序多孔材料。燒結(jié)法燒結(jié)法 燒結(jié)法是以金屬纖維、金屬絲網(wǎng)或者金屬粉末作為原材料，在一定的成型工藝條件下預(yù)成型，然后在高溫保護性氣氛條件下燒結(jié)而獲得具有較高孔隙度的多孔材料，如圖所示。沉積法沉積法 金屬沉積法是采用化學(xué)或物理的方法將金屬沉積在具有一定孔隙結(jié)構(gòu)

12、易分解的有機高分子材料表面上，經(jīng)后續(xù)焙燒或其他工藝除去高分子材料，得到多孔金屬，如圖所示。 沉積法有電沉積法、反應(yīng)沉積法等。沉積法沉積法 電沉積法是利用電化學(xué)的方法將金屬沉積在易分解的多孔有機物上(如聚氨醋泡沫)，然后采用熱分解的方法將有機物除掉。 反應(yīng)沉積法是將泡沫結(jié)構(gòu)置于含有金屬化合物氣體的裝置中，在適當(dāng)?shù)臏囟认录訜崾菇饘倩衔锓纸?，金屬從其化合物中分離出來后沉積到具有多孔結(jié)構(gòu)的泡沫基體上，然后經(jīng)加熱分解有機物形成具有一定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔泡沫金屬。 沉積法制備所獲得的多孔金屬具有孔隙率高，孔結(jié)構(gòu)分布均勻、貫通，具有二維結(jié)構(gòu)等明顯優(yōu)點。反應(yīng)合成法反應(yīng)合成法 反應(yīng)合成法是一種新型的多孔金屬材料合

13、成方法，是制備FeAl, TiAl等金屬化合物多孔材料的可行工藝。成孔機理是，由于Fe, Al的固有擴散系數(shù)相差較大，通過元素的擴散效應(yīng)會產(chǎn)生一定數(shù)量的微小孔隙。 為提高制備過程的可控性，采用低溫固相擴散后高溫?zé)Y(jié)工藝制備了FeAl多孔材料，如圖所示。其他制備方法其他制備方法 通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)成功制得成功制得W-Cu多孔材料，該多孔材料的孔多孔材料，該多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)沿縱向或徑向呈梯度變化。隙結(jié)構(gòu)沿縱向或徑向呈梯度變化。采用離心噴射鑄造技術(shù)，結(jié)合球形顆粒在離心狀態(tài)下的沉降規(guī)律，成功采用離心噴射鑄造技術(shù)，結(jié)合球形顆粒在離心狀態(tài)下的沉降規(guī)律，成功制得多孔氧化

14、鋁膜結(jié)構(gòu)。制得多孔氧化鋁膜結(jié)構(gòu)。采用溶膠凝膠法，以采用溶膠凝膠法，以SiO2作為多孔膜層材料，以多孔鈦作為多孔基體，作為多孔膜層材料，以多孔鈦作為多孔基體，成功實現(xiàn)了復(fù)合膜層的制備。成功實現(xiàn)了復(fù)合膜層的制備。運用懸浮粒子燒結(jié)法，在運用懸浮粒子燒結(jié)法，在TiAI金屬間化合物基體上成功制得多孔金屬間化合物基體上成功制得多孔Ni， Ni層孔徑為層孔徑為10.6m。4.多孔金屬的應(yīng)用多孔金屬的應(yīng)用 多孔泡沫金屬除了具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特征和性能特性外，還克服了多孔陶瓷質(zhì)脆、泡沫塑料強度低且不耐火、不耐高溫的弱點。因此，在化工生產(chǎn)及裝備中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。付全榮,張依鈖,段滋華,李煜. 多孔泡沫金屬及其在

15、化工設(shè)備中的應(yīng)用A.化工機械,2010.4.多孔金屬的應(yīng)用多孔金屬的應(yīng)用 開孔多孔金屬具有良好的滲透性能，可利用其孔隙對流體介質(zhì)中固體粒子的阻留和捕集作用，將氣體或液體進行過濾，從而達到凈化或分離介質(zhì)的目的。硝酸、草酸、亞硝酸、硫化氫、海水以及氫氧化鈉等均可用不銹鋼、欽等耐腐蝕多孔金屬材料進行過濾，如圖3所示的一臺多孔鈦板壓濾機。1 過濾與分離過濾與分離多孔鈦板壓濾機示意圖多孔鈦板壓濾機示意圖11壓縮空氣入口壓縮空氣入口 22進料口進料口 33過濾過濾機上蓋機上蓋44過濾機殼體過濾機殼體55出料（卸渣）出料（卸渣）口口66多孔鈦板多孔鈦板77多孔不銹鋼板多孔不銹鋼板88濾濾液出口液出口 多孔鈦

16、是一種新型的過濾凈化材料，特點是耐腐蝕性強，具有很好的物理機械性能，可以滿足過濾工程對力學(xué)性能的需要。 相對于其他多孔材料，多孔泡沫金屬(尤其是高孔隙率的泡沫金屬)具有導(dǎo)電性能好、比表面積大、氣孔完全連通、通氣阻力小、過電壓低、氣液分離性高等優(yōu)點，因此，可填充更多的活性物質(zhì)，使得電池的比功率、比容量都有所提高，同時還可以滿足快速充電的要求。2 電極基體電極基體4.多孔金屬的應(yīng)用多孔金屬的應(yīng)用4.多孔金屬的應(yīng)用多孔金屬的應(yīng)用3 換熱器換熱器 相對于陶瓷材料和有機材料，金屬材料具有良好的導(dǎo)熱性，所以，具有比表面積的多孔金屬是熱交換和加熱、散熱的有效材料。 熱管是多孔介質(zhì)換熱器的一個重要類型，是一種內(nèi)表面覆蓋多孔芯材結(jié)構(gòu)的密封排液容器。典型典型熱管熱管中的熱流和工作液流中的熱流和工作液流多孔鎢填充的換熱器多孔鎢填充的換熱器 在化學(xué)反應(yīng)中，催化效果很大程度上取決于催化劑和反應(yīng)物接觸面積的大小，而多孔泡沫金屬具有多孔和比表面積大的特點，同其他多孔材料相比也具有更高的延展性、熱導(dǎo)率和機械加工特性。因此，多孔金屬應(yīng)用于氣體和液體的催化反應(yīng)中有非常顯著的優(yōu)勢。4 催化劑載體催化劑載體4.多孔金屬的應(yīng)用