多孔金屬材料的制備工藝及性能探究

謝中柱許并社樊建鋒

（1.太原學(xué)院機(jī)電工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學(xué)新材料工程技術(shù)中心，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

多孔金屬材料的制備工藝及性能探究

謝中柱1，2，3許并社2，3樊建鋒2，3

（1.太原學(xué)院機(jī)電工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學(xué)新材料工程技術(shù)中心，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

本文介紹了多孔金屬材料的發(fā)展情況，以多孔金屬材料的制備工藝為主，闡述了其功能應(yīng)用及未來發(fā)展。多孔金屬材料的制備方法主要體現(xiàn)在熔體、粉末和沉積三個(gè)方面。介紹了各種工藝的制備原理和性能以及優(yōu)缺點(diǎn)和工藝的金屬材料，并簡單介紹了國內(nèi)的造孔劑給多孔金屬材料帶來了現(xiàn)在的狀況和成果。多孔金屬材料的用處多，可以用于結(jié)構(gòu)和功能上，有益于減振、吸能及輕量化。

多孔金屬材料；制備工藝；性能應(yīng)用

隨著社會的進(jìn)步，多孔金屬材料越來越發(fā)展快速，已經(jīng)成為近幾十年來發(fā)展的新型結(jié)構(gòu)和功能的材料，它的內(nèi)部分布著多量的孔洞?？锥从址譃殚]孔和開孔。閉孔材料的比重較小，它的剛度和強(qiáng)度比較大，吸振性能強(qiáng)，它的孔洞一般都是單獨(dú)存在的，這是與開孔不同的地方；開孔的滲透性和通透性比較好，一般都是三維多孔結(jié)構(gòu)組成的，它的特點(diǎn)可能比閉孔更好一點(diǎn)。這種多孔的金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域也是越來越廣泛，不僅在交通領(lǐng)域、建筑工程等領(lǐng)域，在航天技術(shù)上有著更大的作用。

1 多孔材料的金屬熔體的工藝

1.1 熔體發(fā)泡法

熔體發(fā)泡法是一種向熔融金屬中加入發(fā)泡劑的方法，這種發(fā)泡劑能夠使金屬受熱分解產(chǎn)生氣體，產(chǎn)生的氣體會凝固在金屬的內(nèi)部，經(jīng)過處理的過程，最后生成多孔材料。使用這種方法一般都是低熔點(diǎn)的金屬，關(guān)鍵就在于選擇合適的發(fā)泡劑。這種發(fā)泡劑要適應(yīng)金屬熔體的材料，在選擇上也是一種必須的工作。這種金屬工藝雖然簡單方便，但是制成的多孔金屬材料可能還有待提高質(zhì)量。

1.2 滲流鑄造法

滲流鑄造法是另外一種金屬熔體的方法，它是將無機(jī)或者有機(jī)的可溶性顆?；蛘呤侵锌涨蚍旁谀透邷氐蔫T模內(nèi)，然后在這些孔隙中滲入金屬溶液，然后通過其他的熱處理方法將顆粒去除，最終得到想要的多孔金屬材料。這種制造方法成本低，但是在一定程度上，它制成的多孔金屬的空隙率比較低，適用于多孔金屬材料。但是還是要提高它的制造質(zhì)量，這樣才能使得制造的多孔金屬材料質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

1.3 熔模鑄造法

還有一種方法是熔模鑄造法，它首先是要形成一個(gè)模具，要將發(fā)泡的塑料中填入一定幾何形狀的容器中，然后在他的周圍填上高熔點(diǎn)的金屬材料，材料升溫加熱由硬化變成氣化，形成帶有塑料狀的模具，再將液態(tài)金屬澆筑在模具上冷卻去除多余的高熔點(diǎn)材料，最后形成多孔金屬。這種方法的好處就在于制成的孔隙率比較高，但是它的弊端就在于成本高，制成的多孔金屬材料數(shù)量比較低，一般適用于制造多孔鉛和鋁。

1.4 氣體吹入法

氣泡吹入法首先就要對熔融金屬進(jìn)行處理，然后在這些金屬中加入增稠劑顆粒，穩(wěn)定好之后在這些熔融金屬的底部進(jìn)行吹起處理，使這些金屬在溶液中產(chǎn)生氣泡，使這些氣泡均勻存在再進(jìn)行冷卻，最終得到多孔的金屬材料。這種方法是目前制造多孔金屬材料比較省錢的方法，并且和其他方法相比具有簡單方便的好處，比較適合多孔金屬材料的制備，適合工藝的發(fā)展。

1.5 固—?dú)夤簿Х磻?yīng)法

固—?dú)夤簿Х磻?yīng)法是一種跟化學(xué)有關(guān)的方法，它主要是在高氫的情況下進(jìn)行融化金屬，然后就會在這種情況下產(chǎn)生含有氫氣的金屬液，金屬液還會隨著溫度的變化而變化，只要溫度降低，金屬液產(chǎn)生反應(yīng)會形成一定形狀的模具，然后氣體析出后就會形成多孔金屬。這種方法是制造多孔金屬材料的一種新型技術(shù)，但是制備孔洞的結(jié)構(gòu)是最困難的，也在一定程度上增加了困難性。

2 多孔金屬材料的粉末制備工藝

2.1 粉末燒結(jié)法

粉末燒結(jié)法是另外一種工藝的制備方法，它主要是要形成一個(gè)預(yù)制體，這個(gè)預(yù)制體是由金屬粉末和造孔劑均勻混合形成的，然后加熱這個(gè)預(yù)制體可以得到多孔金屬材料或者是直接用金屬粉末形成一個(gè)模具然后進(jìn)行燒結(jié)，這種方法就是粉末燒結(jié)法，他為主要用于電極的使用制造上。這種方法有好處，主要在于粉末好控制，孔洞的尺寸好掌握，時(shí)間和溫度的控制上也是比較方便的。這種方法制造出來的孔洞金屬材料的孔洞細(xì)小，比較均勻，主要適用于制備多孔的鎂銅等金屬材料。

2.2 漿料發(fā)泡法

漿料發(fā)泡法包括金屬粉末、發(fā)泡劑和活性添加劑，首先是要將漿料混合注入模具中，然后放在溫度較高的環(huán)境下，使得漿料處于一定的黏度，然后發(fā)泡劑在加熱的情況下產(chǎn)生氣體，放在漿料中，最后燒結(jié)成多孔的金屬材料。這種方法適合用于不銹鋼等一些金屬材料。這種方法下的多孔金屬材料的孔隙率高并且制造成本低，是一種適合應(yīng)用的制備工藝，符合人們的使用條件。

2.3 空心球燒結(jié)法

這種方法主要適用于制造含有開孔和閉孔的多孔金屬材料，而且這種方法制成的材料的孔的尺寸分布是進(jìn)行選擇的，它是由空心球的選擇而選擇的，所形成的孔洞尺寸也是穩(wěn)定的，所以他的一些物理和化學(xué)性能也是可以進(jìn)行預(yù)估的，比較方便。

3 多孔金屬材料的沉積技術(shù)的制備工藝

3.1 電解沉積法

電解沉積法采用電鍍工藝的方法在開口結(jié)構(gòu)的骨架表面鍍層金屬，然后在高溫的情況下烘焙除去內(nèi)部的開口結(jié)構(gòu)材料，這樣制成多孔的金屬。這種高孔率的開口結(jié)構(gòu)材料主要采用有機(jī)泡沫，這種泡沫成三維網(wǎng)狀。目前國內(nèi)外普遍采用這種方法進(jìn)行制造多孔的金屬材料，這種情況下制成的金屬材料孔隙率高，孔的分布比較均勻，孔隙之間也是相互相通的，但是好的方法還是存在弊端就是成本比較高，生產(chǎn)時(shí)間比較長。

3.2 氣相沉積法

氣相沉積法是在真空的氣氛下將液體金屬揮發(fā)成金屬蒸汽，然后再沉積在其他的聚合物上，最終形成一定程度的金屬沉積層，再經(jīng)過冷卻加入物理和化學(xué)的方法再將聚合物去除，最終得到金屬材料。這種方法的好處就在于適應(yīng)于任何金屬和合金，孔隙率比較高，適用性也是比較強(qiáng)的，但是對于設(shè)備的要求比價(jià)嚴(yán)格，沉積速度比較慢，成本很高。

4 多孔金屬材料的應(yīng)用

多孔金屬材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在金屬中孔洞的結(jié)構(gòu)和孔洞的數(shù)量、形狀和孔洞的類型。多孔金屬材料不僅是結(jié)構(gòu)材料同樣是功能材料。它的性能很多，主要體現(xiàn)在它的機(jī)械性能、物理性能、聲學(xué)性能和滲透性能等，在應(yīng)用金屬材料的進(jìn)程中有著不可替代的作用。在功能使用方面，多孔金屬材料又因?yàn)樗亩嗫椎奶攸c(diǎn)具有減振、吸收聲音和很好的滲透功效，大量的適用于各種催化劑和催化劑載體上，同樣還可以加工成加熱棒、隔音板和電熱設(shè)備。在醫(yī)學(xué)上，同樣可以使用不同的方面，可以用于造骨骼上，治療疾病也是一件重要的應(yīng)用，用處會隨著社會的進(jìn)步越來越多。在工業(yè)發(fā)展上，充分發(fā)揮了它耐高溫和耐高壓的特點(diǎn)，將是工業(yè)發(fā)展上必不可少的發(fā)展歷程。

對于多孔金屬材料的大部分使用都是要求在保證基本的使用強(qiáng)度下追求好的孔洞率和高的通孔率，這樣的使用條件下才會使產(chǎn)品的使用性能達(dá)到最大的使用狀態(tài)。一方面使得多孔金屬材料的產(chǎn)量大量增長，規(guī)模會越來越大；另一方面也會使三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高孔率金屬遍及在所有的多孔金屬材料的領(lǐng)域上，發(fā)揮多孔金屬材料的優(yōu)勢。體現(xiàn)多孔金屬材料的使用已經(jīng)是社會上關(guān)注的一個(gè)話題，因此，我們改進(jìn)制作多孔金屬材料的制備工藝是我們很有意義的事情，會成為在機(jī)械領(lǐng)域上一件重要的事情。

5 多孔金屬材料的發(fā)展未來

多孔金屬材料是一種新興材料體系，其中最顯著的特點(diǎn)就是具有規(guī)則排列、大小可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)，在特有的機(jī)械、光學(xué)結(jié)構(gòu)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有更為廣闊的應(yīng)用前景。多孔金屬材料的制備工藝主要體現(xiàn)在燒結(jié)法、鋳造法和金屬沉積法。雖然制造的工藝比較多，方法比較齊全，可是在現(xiàn)階段的發(fā)展下還不是特別的完善，對于孔洞的均勻性、形成的時(shí)間和孔洞的使用仍然需要進(jìn)一步的改善。多孔金屬材料正朝著一個(gè)嶄新的時(shí)代歷程快速發(fā)展。尤其是在數(shù)字建模方面，加快了發(fā)展計(jì)算機(jī)的模擬系統(tǒng)，完善了各類的理論模型，優(yōu)化了設(shè)備以及合成工藝，這將是多孔金屬材料發(fā)展的重點(diǎn)。目前，多孔金屬材料的制造設(shè)備正處在發(fā)展階段，相信在不遠(yuǎn)的未來 多孔金屬材料的制備工藝會越來越完善。

[1]李雯霞.多孔泡沫金屬的制備和性能[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2009(5).

[2]張利民.多孔金屬材料制備技術(shù)及基本原理研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(19).

[3]于永亮，張德金，袁勇，劉增林.金屬多孔材料的制備及應(yīng)用[J].萊鋼科技，2011(3).

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