泡沫鋁加工制備工藝及應(yīng)用研究進(jìn)展

朱聰

關(guān)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(nèi)部是類似蜂窩狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，物理性能優(yōu)異，強(qiáng)度和承載能力非常大。相比其他材料，泡沫鋁具有較多優(yōu)點(diǎn)，例如防腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、隔音效果佳等。泡沫鋁的誕生可以追溯到20世紀(jì)50年代，因?yàn)槠漭p質(zhì)和高承載力的特性，起初主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。1984年，法國國家科學(xué)研究中心（CentreNational de la Recherche Scientifique，CNRS）的科學(xué)家根據(jù)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)原理，開發(fā)出一種將鋁液發(fā)泡成泡沫鋁的成熟工藝，極大地拓寬了泡沫鋁的應(yīng)用范圍。目前，泡沫鋁的制備方法主要有發(fā)泡法、粉末冶金法、電沉積法、熔體滲流法等[2]。憑借優(yōu)異的物理性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，泡沫鋁材料必定備受矚目，發(fā)展?jié)摿τ写M(jìn)一步發(fā)掘。本研究參考國內(nèi)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(yīng)用進(jìn)展。

1 泡沫鋁的制備工藝進(jìn)展

過去數(shù)十年，在技術(shù)創(chuàng)新和市場需求的推動下，泡沫鋁材料的生產(chǎn)制備工藝不斷改進(jìn)和完善，主要有以下4種。

1.1 發(fā)泡法

發(fā)泡法主要分為熔體發(fā)泡法和注氣發(fā)泡法兩種。

熔體發(fā)泡法的基本原理是利用鋁在高溫下的熔化和發(fā)泡特性，通過控制鋁熔體的溫度、壓力、氣氛等參數(shù)，在熔體中加入發(fā)泡劑材料、引入氣體制備泡沫鋁材料。熔體發(fā)泡法的主要工藝流程如下：（1）原料準(zhǔn)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(jīng)過混合的鋁材料放入電爐中進(jìn)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(hù)氣氛，避免氧化反應(yīng)對熔融鋁的影響。（3）發(fā)泡。在發(fā)泡過程中，泡沫鋁的結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外逐漸形成并不斷擴(kuò)大，直至整個熔融鋁完全發(fā)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(jié)構(gòu)。（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(shù)，避免泡沫鋁因?yàn)闇囟冗^高或者氣體排放不暢而出現(xiàn)問題[3]。熔體發(fā)泡泡沫鋁制備法具有制備規(guī)模大、生產(chǎn)能力強(qiáng)、材料性能可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為制備泡沫鋁材料的主流技術(shù)之一[4]。

注氣發(fā)泡法和熔體發(fā)泡法類似。不同的是，該方法是將氣體從外部引到熔體中實(shí)現(xiàn)發(fā)泡的。當(dāng)熔融鋁達(dá)到一定溫度時，通過氣動裝置向熔融鋁中注入氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w，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(shù)，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(shù)使熔融鋁中的氣體逐漸擴(kuò)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(jié)構(gòu)[5]。相對于其他泡沫鋁制備工藝，注氣發(fā)泡法的特點(diǎn)是操作簡單、工藝成本低。但相對于熔體發(fā)泡法，注氣發(fā)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(fā)泡技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)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(fā)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(yù)制件，并將其放入發(fā)泡爐中加熱。在發(fā)泡爐中，發(fā)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(qū)體保持了韌性，且可以制造形狀符合要求的零件，生產(chǎn)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(fā)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(kuò)散作用將泡沫狀聚合物轉(zhuǎn)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(fā)泡法是將金屬粉末混合后制成燃料，點(diǎn)燃后在自反氧化氣氛下進(jìn)行爆炸反應(yīng)，產(chǎn)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(yōu)異，具有孔隙度高、孔徑小、連通孔道多等優(yōu)點(diǎn)。但一些技術(shù)難題尚未得到解決，如泡沫鋁起始密度大、工藝參數(shù)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(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度和金屬粉末顆粒度對泡沫鋁的機(jī)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(yè)制備開孔多孔金屬技術(shù)。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(jìn)行清洗、干燥等后續(xù)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(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。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]?？傊?，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(diǎn)，但憑借制備成本低、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)贏得了市場的青睞。隨著技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，電沉積法制備泡沫鋁的應(yīng)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(yù)制好的具有開放孔隙和通道結(jié)構(gòu)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(jìn)入，沿著多孔體中的通道持續(xù)擴(kuò)散和滲流，最終形成孔隙率高、強(qiáng)度高、密度分布均勻、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)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(diǎn)是具有較高的均勻孔隙率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而在注氣法、模板法、復(fù)合法等其他方法制備泡沫鋁的過程中，常常出現(xiàn)孔隙率不均、密度分布不均、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。這是因?yàn)樵谄渌椒ㄖ苽渑菽X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(xù)步驟都會影響泡沫鋁的質(zhì)量和性能。

2 泡沫鋁的性能及應(yīng)用進(jìn)展

泡沫鋁因其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)而獲得輕質(zhì)、強(qiáng)度高、吸聲性能好、導(dǎo)熱性能可調(diào)控和屏蔽電磁干擾等優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.1 力學(xué)性能

泡沫鋁憑借多孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出密度小、剛度質(zhì)量比和能量吸收能力良好等特點(diǎn)，具有抗壓、抗拉、抗扭曲或彎曲等機(jī)械特性，并且結(jié)構(gòu)可以承受拉應(yīng)力。在眾多機(jī)械特性中，泡沫鋁的抗壓特性引起了廣泛關(guān)注。在航天領(lǐng)域，用泡沫鋁或金屬泡沫夾層板代替昂貴的蜂窩結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)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(gòu)件和具有泡沫鋁芯的鋁夾層采用氣體捕集技術(shù)制造，用于直升機(jī)尾翼。與通常的平面蜂窩結(jié)構(gòu)相比，該夾層的突出優(yōu)點(diǎn)是可以制成任何形狀甚至三維形狀。因此，直升機(jī)制造商使用泡沫鋁組件替換目前使用的一些蜂窩結(jié)構(gòu)組件，包括渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)組件。航空發(fā)動機(jī)級間密封圈也是由多孔金屬制成的。在太空技術(shù)領(lǐng)域，泡沫鋁用于航天器著陸墊的能量吸收碰撞元件和衛(wèi)星承載結(jié)構(gòu)的加固材料，替代在不利環(huán)境條件下（溫度變化、真空等）出現(xiàn)問題的材料[13]。

當(dāng)前，減重和提高燃油效率是汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢，具有輕質(zhì)和高強(qiáng)度特點(diǎn)的泡沫鋁應(yīng)用潛力巨大，旨在提高汽車的碰撞安全性和安全系數(shù)。在汽車中安裝不同形狀的薄壁結(jié)構(gòu)并在中心填充泡沫鋁可以有效地提高結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剛度和能量吸收性能，使其成為優(yōu)秀的撞擊能量吸收部件。

2.2 聲學(xué)性能

隨著社會對噪聲環(huán)境的關(guān)注度不斷提高，泡沫鋁在吸音吸聲領(lǐng)域的發(fā)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(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)。一方面，進(jìn)入泡沫鋁的聲波會導(dǎo)致孔內(nèi)空氣壓縮或膨脹，從而將聲能轉(zhuǎn)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(jìn)一步減弱穿過泡沫鋁的聲波以達(dá)到隔音效果。根據(jù)泡沫鋁的吸聲機(jī)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(xué)性能特點(diǎn)主要體現(xiàn)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(dǎo)致其聲阻抗較低，從而提高了其聲學(xué)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(qiáng)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(nèi)部得到擴(kuò)散和衰減。（3）吸聲系數(shù)。泡沫鋁材料的吸聲系數(shù)高，能吸收更多的聲波，在對聲波的控制和調(diào)節(jié)方面具有廣泛的應(yīng)用前景[14]。

作為新型結(jié)構(gòu)功能材料，泡沫鋁因其特殊結(jié)構(gòu)而獲得許多優(yōu)異性能，完全滿足汽車和軌道交通內(nèi)飾系統(tǒng)的材料要求。用于內(nèi)飾的泡沫鋁采用外金屬板和內(nèi)部泡沫鋁的夾層結(jié)構(gòu)，在發(fā)泡過程中，外層和內(nèi)層通常會粘合或復(fù)合。泡沫鋁也可以用作高速公路和高架橋兩側(cè)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(dǎo)熱性、大內(nèi)表面積以及能在冷卻液中產(chǎn)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(diǎn)。泡沫鋁材料中的氣體孔隙對熱傳導(dǎo)有重要影響，熱傳導(dǎo)的主要機(jī)制是固體-氣體界面上的熱輻射和氣體中傳導(dǎo)熱的效應(yīng)。由于泡沫鋁材料中氣體孔隙的存在，熱穿過材料后必須經(jīng)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(dǎo)性能在極大程度上受到氣體熱導(dǎo)率的控制。

基于以上特點(diǎn)，泡沫鋁在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中最常見的是隔熱領(lǐng)域。隔熱材料的功能是減少兩個區(qū)域之間的傳熱，泡沫鋁的多孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)該功能，因此被用于生產(chǎn)夾芯板、保溫被、防火墻、管道保溫等隔熱產(chǎn)品。

2.4 電磁屏蔽性能

泡沫鋁結(jié)構(gòu)獨(dú)特，因此具有與致密材料不同的電磁屏蔽機(jī)制。當(dāng)電磁波射到泡沫鋁表面時，一部分會被反射，另一部分會進(jìn)入泡沫鋁內(nèi)部。這部分電磁波將在孔壁和孔內(nèi)繼續(xù)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(nèi)對電磁波的屏蔽效能在60 dB以上，最高可達(dá)90 dB。在10～500 kV變電所環(huán)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(jié)合高比強(qiáng)度、吸收能量和隔聲的特點(diǎn)，泡沫鋁在電磁屏蔽領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競爭力[15]。

在一些研究機(jī)構(gòu)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(shè)備受到電磁波的干擾。泡沫鋁的電磁屏蔽性能被應(yīng)用于軍用指揮車/指揮所、雷達(dá)控制系統(tǒng)等的保護(hù)內(nèi)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(dá)90 dB，約為傳統(tǒng)鐵氧體材料的26倍。泡沫鋁材料與其他材料的復(fù)合可以進(jìn)一步提高其電磁屏蔽性能。例如，將其與碳纖維等高導(dǎo)電材料復(fù)合，既能保持泡沫鋁材料的輕量化特性，又能提高其導(dǎo)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(fā)復(fù)合材料，拓寬應(yīng)用范圍。

3 結(jié)語

泡沫鋁在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。通過不斷的研究和開發(fā)，人類可以進(jìn)一步發(fā)掘泡沫鋁材料的潛力，將其應(yīng)用于更多領(lǐng)域，為人們的生活和社會發(fā)展作出更多貢獻(xiàn)。泡沫鋁的研發(fā)和制備近年來得到了長足的發(fā)展，目前已經(jīng)初步具備產(chǎn)業(yè)化能力，但是在孔結(jié)構(gòu)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(jìn)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(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。泡沫鋁材料制備工藝的穩(wěn)定性和成本優(yōu)化是未來的研究重點(diǎn)。