泡沫Al-0.2Sc-0.17Zr合金制备的探索性实验-免费文档(四)

1.4.2 泡沫铝材料的主要性能

由于泡沫铝是由金属和大量独立的孔洞组成，其兼具了结构材料和功能材料方面的特点,使得其在各方面具有优异的性能。

（1） 密度小

泡沫铝材料具有很小的密度，因为泡沫铝中具有很多独立的气泡，泡沫铝的密度一般为铝的十分之一左右为0.2～0.5g/cm3。一般来说孔隙度越小，对应得泡沫铝的密度小，气泡的密度变动较大，故泡沫铝的密度改变很多。现在获得的泡沫铝最大孔隙率可达到97％，空洞尺寸从几个微米到几十个毫米。

（2） 耐热性好

因为泡沫铝在耐热方面具有很好的表现，温度达到泡沫铝骨架合金的熔点（即使温度达到1400℃）也不熔化 ,而且高温下泡沫铝也不会不释放有害气体,因故泡沫铝可以成为优良的耐热材料。

（3） 刚性强

泡沫铝的弹性模量是铝合金的1/50～1/100且不具备像致密的金属那样的延展性，无法通过拉伸试验测试出其拉伸率。泡沫铝材料与铝合金不一样的是+泡沫铝较脆，当有较大的变形时，泡沫铝的蜂窝组织会被坏；反之，如果变形程度达不到蜂窝组织的破坏强度，泡沫铝就不会变形。

（4） 优秀的阻尼和能量吸收性能

泡沫铝既不具备蜂窝材料的方向性，也没有类似高分子聚合材料的反弹作用，但是它有优秀的吸收冲击性能和减震性能，是制造抗冲击部件和精密仪器包装的理想材料。

材料内部结构材料可将机械振动不可逆地转换为热能的这种本领就是材料的阻尼性能。可以通过材料的这种特性来降低不必要的噪声和振动。为获得最大的线性阻尼可以想办法使材料中的缺陷之间的交互作用到达，或者通过把力学放大装置加入材料来取得较大的线性阻尼，这是根据Zener的经典理论，提高金属材料阻尼性能的重要途径之一。泡沫铝是一种由金属基体和空洞组成的宏观上的多空材料，其具有不均匀的组织结构，应力作用于材料的应变现象之间存在很长的滞后时间，故其压缩应力-应变曲线中有一个较长的平台段，因为泡沫铝材料具有能量吸收和轻质阻尼的良好性能，它在消声减震等方面的应用前景非常可观。

在电学性能中泡沫铝材料也有优异的阻尼性，由于大小粗细均匀的泡沫铝的三维骨架结构没有烧结后的多空金属材料的缩颈现象，因此泡沫铝的阻尼性在电学上表现为导电率要比烧结后的具有相同孔隙率的多孔金属材料的导电率大。

（5） 吸音效果强

泡沫铝因为特有的孔隙结构从而在中、低频率上产生良好的吸收声波的性能。这是因为泡沫铝的孔洞用于连接、体积变大及孔壁的导热性良好，补偿由于降低声波频率，振动的衰减及孔壁摩擦阻力的减小所引起的不良吸音性，可使泡沫铝在中低频率（尤其是1000Hz以下）下的噪声中获得良好的吸声效果。泡沫铝起到消声作用的主要原因为：在有声波作用时,声波使空洞内的气体产生的周期性振动会与孔壁摩擦从而转化为摩擦热，此外，还会是空洞内的气体发生压缩-膨胀变形使一部分声能转换为热能，同时这些产生的热量还会通过网状的金属基体迅速到处与周围的空气通过热对流散失，此时的机械能或声能向热能的转换是不可逆的。泡沫铝的空洞结构对吸收声波的能力和吸收声波的频率有较大影响。在一般情况下，泡沫铝的孔的结构和孔径大小对材料消声能力均有影响:开孔比闭孔结构消声效果好并且开孔越多消声越好；孔径越小对声波的吸收效率越高。因此要改善泡沫铝的吸声性能可通过改变孔径和泡沫铝的材料来实现。

（6） 比表面积大

因为泡沫铝具有较大的比表面积,能够具有良好的换热性,因此可以利用泡沫铝来制备需要较高换热性的加热器和热交换。此外还可用来制作催化剂的载体、多孔电极、充电电池的极板材料、换热器、能量吸收器和催化剂的载体等这些需要巨大化学化学反应表面的载体。

（7） 透过性能优良

通孔泡沫铝材料能够用来过滤液体和为高温气体除尘。

（8） 具有保温性能，隔热、耐高温性能好

泡沫铝材料的导热系数与纯铝材料小得多，约为后者的1/400，远低于大理石（0.47W/m.k），远低于石棉板（0.47W/m.K）,因此具有较好的保温性能。

泡沫铝是一种耐高温的材料,即便温度到达其骨架材料的熔点也不会熔化。如一般铝合金在560℃～700℃就会融化，而由同种合金制备的泡沫材料需要温度达到800℃才会开始软化且在1000℃也不会融化。因此可用作耐火的材料。这主要是因为在泡沫铝制备过程中在发泡时生成的氧化铝基体熔点超过2000℃。

（9） 其它性能

泡沫铝还具有电阻率高、耐腐蚀性能和电磁屏蔽等优良性能。

因为泡沫铝具有这么多的优良性能，泡沫铝材料在航空航天、电讯及环境保护、汽车、建筑等领域有广阔的应用前景[8,9,16]。

1.5 泡沫铝的用途和应用前景

泡沫铝有多种优秀的性能:密度小，高耐热性，良好的噪声消除，抗冲击效果好，透气性。因此在很多领域具有非常广阔的应用前景。在结构方面泡沫铝可分为通孔和闭孔两种,而确定泡沫铝应用关键因素就是才孔洞结构，例如很多应用必须要求介质、液体或气体流畅通过泡沫铝，这样就需要完全开孔的结构，而承载件就要求闭孔结构的泡沫铝。图1-4[9]展示了不同领域的应用对材料孔形态的要求。按照使用领域的不同，可以将泡沫铝材料的应用分为两类:结构材料和功能材料的应用。

图1-4 孔形态对应用领域的影响

1

1.4

1.5.1 泡沫铝作为结构材料的应用

泡沫铝作为结构材料在汽车、航天、建筑、机械制造业、体育器材、生物医学中皆有很好的应用前景[17]。

（1） 汽车工业上的应用

轻量化已经成为交通运输的世界性难题。为了减少车辆(汽车、机车、飞机、轮船)的重量有两个方向，一是改进车辆结构，二是使用质量较轻的材料，然而前者的研究已接近极致了，后者还有很大的可能性供挖掘。德国的卡曼汽车公司与Fraunhofer先进材料研究所共同使用复合泡沫铝材料生产的轿车顶盖板材，刚度是原材料的8倍左右，质量却是原来材料的75％。此外，火车上使用的零部件也可以用泡沫铝合金来制造利用去良好的吸能减震的特点来达到防止火车在碰撞时可能发生的变形。也可用来生产车用集装箱、其它的密闭件或经常被扭曲和压缩的保护装置等需要减震或缓冲的装配。用泡沫铝制作的汽车前后防冲挡可以在受到撞击时达到吸收冲撞力的作用来防止人和汽车收到伤害。用泡沫铝材生产的盖板、卡车盖与滑动天窗等可以起到减重增强刚度的作用[10]。

（2） 航天工业

泡沫铝材料因为同时具备的多种优良性能是航空航天理想结构材料所需具备的。因此泡沫合金的轻质机构在空间技术上具有广泛的应用前景。用泡沫铝夹芯复合材料更替价格较高的蜂窝夹层结构的工件，既能获得更好的性能又能极大地降低成本。波音公司在制作直升机尾架势试图使用泡沫钦和泡沫铝的复合夹层材料，这种复合泡沫材料与传统的蜂窝夹层材料相比还可以制造成弯曲或三维的形状。是以,少许直升飞机制造商正琢磨用这种泡沫夹层复合材料替换部分传统材料。

（3） 建筑业

泡沫铝在建筑业中的许多方面都有重要的作用。在建筑行业所要求的衰减性能和绝缘性能好的材料都可以用泡沫铝材料。用泡沫铝制造的室内外装修和天花板等既轻质美观，有可以起到防火降噪的作用。国外已经有较多的对吸音方面有要求产品采用了泡沫铝材料，例如：日本已成功的将泡沫铝材料应用在火车发电室工厂降噪装置上。用泡沫铝裸板制作的铁地道和顶棚吸音板可以有效的预防噪音对周边环境的污染。在空压机的消声器材、工厂的防声墙、门内消声件、音响室及需要降低噪声的场合可以用对大于800Hz赫兹的噪音有较强消音能力的泡沫铝材料制造。

预计泡沫铝材料在工业各个领域的使用分布情况如图1-5[4]所示。

图1-5 预计泡沫铝材料在工业各个领域的使用分布

1.5.2 泡沫铝作为功能材料的应用