泡沫金属的开发应用与发展

南京航空航天大学泡沫金属的开发、应用与发展朱春生二ОО九年十一月南京航空航天大学主要内容1、泡沫金属的各发展阶段2、泡沫金属的突出特点及应用3、各种泡沫金属的制备方法、优缺点及产品应用范围4、泡沫金属技术最新发展动态南京航空航天大学1泡沫金属的各发展阶段南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（1）序号突出特点应用1特殊的物理表观性：表观密度小，比表面积大，材料细微结构可设计性和可优化性。（分为通孔型和闭孔型）2优异的力学性能：比强度、比刚度大且潜力巨大；不同材质、不同形态、不同状态下的泡沫金属在缓冲、抗疲劳、抗蠕变、抗断裂等方面变化范围巨大。可用于机翼及舵面的刚化、强化填充件；飞机及汽车的刚性支撑板；汽车、飞机的座椅；汽车的正面碰撞盒；卡车的下钻碰撞保护器。南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（1）各种轻质高强结构的比较南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（1）实例南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（2）序号突出特点应用3优异的吸纳性能：优异的非线性机械能吸纳特性；优异的声能吸纳特性；优异的热能吸纳特性；优异的电磁波屏蔽特性；优异的微细物质吸纳和过滤特性。可用机械缓冲器；消音器、隔音板；(孔径0.1~0.5mm为佳）航天飞机的隔热、散热板；电磁阻隔器；微结构泡沫可用于飞机、潜艇的吸波隐身蒙皮；空气、水和油等的净化器。南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（2）实例南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（3）序号突出特点应用4优异的交换性能：优异的物质交换性能；优异的物质渗透性能；优异的能量交换性能。高效催化剂及催化剂；高效电极；微电子元件的散热器；泡沫钛植入生物体可促进其相应部位的细胞生长；高效热交换器。南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（3）实例南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用（4）序号突出特点应用5极大的复合性能：多孔的特点可以使得泡沫金属与众多种类的材料均匀复合、交融在一起从而表面出新的特性，其开发前景无可估量。泡沫金属强化复合材料可用于减少摩擦、磨损的轴承开发；高强度特殊复合面料；无静电积累面料。南京航空航天大学2泡沫金属的突出特点及应用实例南京航空航天大学3各种泡沫金属的制备方法及其优缺点、产品应用范围泡沫金属制备方法基本分为四大类，约十几种，各资料命名不统一。南京航空航天大学3.1铸造法3.1.1熔模铸造法南京航空航天大学3.1.1熔模铸造法南京航空航天大学3.1.1熔模铸造法熔模铸造法制备的泡沫金属优、缺点：优点：孔结构易于控制，孔连通，孔隙率高，约为80～97％。缺点：工艺过程环节多，生产效率低，价格高。产品应用：由于孔隙率高，宜用于声能吸纳特性、吸尘净化和细微颗粒过滤；工艺过程中没有强化措施，比强度、比刚度不突出，不宜作为轻质高强材料使用。南京航空航天大学3.1.2渗流铸造法渗流铸造法原理示意南京航空航天大学3.1.2渗流铸造法渗流铸造法产品样件南京航空航天大学3.1.2渗流铸造法渗流铸造制备的泡沫金属优、缺点：优点：通过所选颗粒的大小来控制泡沫金属的孔径大小，成本不高，可制备铝、镁、锌、铅、锡等金属泡沫。缺点：孔隙率受限，最大孔隙率可达80%，生产工艺较为复杂。产品应用：用该工艺制造的泡沫铝具有质轻、比强度高和比面积在等特点，作为结构材料，已经用于飞机机翼复合材料的芯片，并成为加热器、热交换器和电池极板的优质材料。南京航空航天大学3.1.3中空球法中空球法原理示意南京航空航天大学3.1.3中空球法微细中空球泡沫显微形貌南京航空航天大学3.1.3中空球法中空球法的泡沫金属优、缺点：优点：为金属+陶瓷空心球复合结构的泡沫金属，该泡沫材料结构均匀，性能近乎于各向同性，比强度、比刚度好。缺点：孔隙率只能在一定范围一般为40%～55%。产品应用：目前已应用该方法制备具有三明治结构的复合板材，用作轻质高强承载件。南京航空航天大学3.2发泡法3.2.1气体发泡法气体注入法原理示意图南京航空航天大学3.2.1气体发泡法气体发泡金属泡沫试样外观南京航空航天大学3.2.1气体发泡法气体发泡法制备的泡沫金属优、缺点：优点：成本低廉，生产效率高，可达到较高孔隙率，约为80～97.5％。缺点：孔不连通，孔结构不均匀，力学性能不突出且离散性大，一般仅用于制造泡沫铝。产品应用：用于制造隔热、缓冲等元件，该材料的压制板可作为力学性能要求不高的板料。南京航空航天大学3.2.2熔融金属发泡法熔融金属发泡法原理示意图南京航空航天大学3.2.2熔融金属发泡法熔融金属发泡法试样放大后的外观形貌南京航空航天大学3.2.2熔融金属发泡法熔融金属发泡法制备的泡沫金属优、缺点：优点：即可用于泡沫铝也可适用于黑色泡沫金属的生产,成本不高，可以达到的孔隙率较高，约为91～93％。缺点：孔不连通，工艺过程难控制,气泡分布及大小不均匀，优质产品力学性能尚可。产品应用：用于制造隔振、缓冲等元件，优质产品可作强化填充料和。南京航空航天大学3.2.3粉体发泡法熔融金属发泡法原理示意图南京航空航天大学3.2.3粉体发泡法粉体发泡法试样放大后的外观形貌南京航空航天大学3.2.3粉体发泡法粉体发泡法制备的泡沫金属优、缺点：优点：可较理想地控制泡沫铝材料孔隙率，气孔均匀较好，也可以直接得到结构形状比较复杂的试件,无需进一步的加工，且产品力学性能较好。缺点：孔不连通，工艺成本高，往往适用延展性较好的金属材料（如钛合金等）,否则易成轧制缺陷。产品应用：用于制造隔振、缓冲、承载等的元件，比其他方法更适合用于制造复杂型面的轻质零件。南京航空航天大学3.3.1电沉积法3.3沉积法原理：电沉积法泡沫金属是先将聚氨酯软泡沫放入除油剂溶液中除油，然后依次经过粗化、敏化、活化、解胶、化学镀、电镀的过程就可以制得含有机基体的泡沫铜，然后将其进行焚烧，去除聚氨酯有机基体，再进行烧结还原处理，可获得泡沫金属。南京航空航天大学3.3.1电沉积法电沉积泡沫铜的放大结构用于过滤的电沉积泡沫铜南京航空航天大学3.3.1电沉积法电沉积法制备的泡沫金属优、缺点：优点：孔结构易于控制，孔连通，孔隙率高，孔隙率可达97％。缺点：电沉积法的主要缺点是受到极限电流密度的限制，因此沉积速度较慢，生产效率低，成本较高。产品应用：可用于消声、散热、隔磁、电极、净化等器件的制造。南京航空航天大学3.3.2喷射电沉积法原理：在工件(阴极)和喷嘴(阳极)之间施加一定的电压，同时电解液高速喷射到阴极基板上，在喷射覆盖区，阴极与阳极通过电解液构成回路，此时喷射覆盖区有电流通过，产生电沉积，而其它部位没有电流通过，则不产生沉积。南京航空航天大学3.3.2喷射电沉积法喷射电沉积泡沫镍喷射电沉积获得的泡沫镍的50倍和100倍形貌南京航空航天大学3.3.2喷射电沉积法喷射电沉积法制备的泡沫金属优、缺点：优点：是一种局部高速电沉积技术，比电沉积法效率高，孔连通。缺点：孔结构均匀性差。产品应用：可用于电极、散热、净化填充等器件制造。南京航空航天大学3.4烧结法3.4.1金属粉末烧结法原理：将金属粉末松装于模具内进行无压烧结，在烧结过程中粉末颗粒相互粘结，从而形成多孔烧结体。烧结方式有物理反应烧结法、化学反应烧结法和激光烧结法。该法所得产品孔率为40%~60%。为提高孔率，常加人疏松剂，它可在烧结时分解或挥发，也可通过升华或溶解而得以去除。如在生产FeNi、Cu、或其合金多孔体时，常加入甲基纤维素作疏松剂，孔率可提高到70%~90%。南京航空航天大学3.4.1金属粉末烧结法激光烧结法制成的Al-7%Si样品金属粉末化学反应烧结法烧结法获得的NiAl3南京航空航天大学3.4.1金属粉末烧结法金属粉末烧结法制备的泡沫金属优、缺点：优点：成本不高，生产效率较高，孔隙率可达70～90％（不同材质有所差异），可用于多种泡沫金属制造。缺点：孔隙分布和孔隙大小不均匀。产品应用：用于制造隔热、缓冲等元件，压制后可作为力学性能要求不高的板料。南京航空航天大学3.4.2金属纤维烧结法原理：以金属纤维作原料，在较高温度时物料产生初始液相，在表面张力和毛细管的作用下，物料颗粒相互接触，相互作用，冷却后物料发生固结而成为泡沫金属。南京航空航天大学3.4.1金属粉末烧结法短纤维泡沫金属南京航空航天大学3.4.2金属纤维烧结法金属纤维烧结法制备的泡沫金属优、缺点：优点：纤维烧结法制备的多孔金属的渗透性比粉末法制取的高几十倍，被称为“第二代多孔金属过滤材料”，孔隙率高（95%），比表面积大。缺点：力学性能不高。产品应用：用于过滤元件、电极、燃料电池的制造。南京航空航天大学4泡沫金属发展动态（1）2000年，美国能源部启动FreedomCar项目，定下了2006年和2012年分别达到汽车自重减轻40%和60%的目标，其主要实现手段就是开发轻质高强材料。德国在1999年启动一个在政府和汽车制造商支持下的几十所大学、研究所参加的关键泡沫金属材料大型研究项目，侧重于这些材料在汽车工业中的应用前景。南京航空航天大学4泡沫金属发展动态（2）开发模式：1）固态成形工艺、液态成形工艺、气态成形工艺、离子态成形工艺都相应地、有针对性地发展；2）多种金属复合，产品性能多元化（如泡沫铁、镍、铬、钴四元合金泡沫）；3）应用纳米技术等微观手段向精细方向发展；4）泡沫结构由不规则构型向设计规定构型发展；5）工艺优化，性能升级，产品朝高质品、低成本和多功能方向发展。南京航空航天大学谢谢！