金屬多孔材料的制備及研究現(xiàn)狀分析

裴海龍，徐 薇，朱發(fā)燊

（西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司，陜西 西安 710201）

金屬纖維多孔材料是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)功能材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由金屬纖維交錯(cuò)搭接相連，形成三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，具有高精度、全連通的孔徑，孔隙直徑低至10μm，孔隙率高達(dá)98%，比表面積大。金屬多孔材料良好的基礎(chǔ)性能和其具備獨(dú)特的功能特性，令其收到了廣泛的關(guān)注，并且在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，得到了應(yīng)用和發(fā)展。

1 金屬多孔材料的制備

金屬多孔材料是隨著材料制備和加工技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型輕質(zhì)多孔金屬材料。目前，金屬多孔材料的制備方法分為傳統(tǒng)制備和增材制造兩大類。傳統(tǒng)的制備工藝主要包括成型和燒結(jié)，即從金屬中得到一定長度、直徑和縱橫比的金屬纖維，然后將它們均勻混合分散，然后在真空或常壓保護(hù)下燒結(jié)。傳統(tǒng)制備方式是通過拉拔法、紡絲法或切削法等方式，制造出金屬材料。將制作好的金屬，按照一定的長徑比等均勻混合，將其置于真空或氣體保護(hù)情況下進(jìn)行燒結(jié)。實(shí)現(xiàn)多孔材料的制備。增材制造的方式與3D打印的邏輯基本相同，即通過三維沉積的方法，通過噴嘴將熔融的金屬粉末進(jìn)行噴涂，實(shí)現(xiàn)定向沉積，該過程將傳統(tǒng)工藝當(dāng)中的制備和燒結(jié)兩個(gè)工藝結(jié)合在一起，并且通過預(yù)先設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在加工中，對多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造[1]。

1.1 傳統(tǒng)制備技術(shù)

金屬的制備：金屬的制備是美國Memtec公司率先研發(fā)而成，在20世紀(jì)70年代，我國開啟了對金屬材料的研制工作。金屬材料制造有很多種方法，主要使用的工藝有拉拔法、紡絲法、切削法、研磨法和鍍覆金屬燒結(jié)法，不同的工藝方法具有不同的特點(diǎn)[2]。與此同時(shí)，我國也著手進(jìn)行金屬材料的研發(fā)。西北有色金屬研究院、常山礦冶研究院等機(jī)構(gòu)代表已成功研制出直徑2μm～40μm的不銹鋼纖維、鐵、鉻、鋁與其他產(chǎn)品。

（1）拉拔法：這種方法是一種較為傳統(tǒng)的機(jī)械制造工藝，通過利用金屬自身具有延展性的特點(diǎn)，對金屬進(jìn)行加工。其最大的特點(diǎn)在于這種方式可以形成良好的表面光滑度，并且在生產(chǎn)制造的過程中，可以控制較高的尺寸精度。但缺點(diǎn)在于生產(chǎn)效率低，并且在進(jìn)行拉拔的過程中，需要制造專用的模具，這種模具費(fèi)用高，因此導(dǎo)致了拉拔法的制造成本較高的缺陷。

（2）集束拉拔法：這種方法是拉拔法工藝改良之后提出的一種加工方式，即將多根金屬線同時(shí)進(jìn)行拉拔加工，提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)，也有有效的降低了生產(chǎn)加工的成本。這種方式的原理是將原料金屬線使用在專用道包套中拉拔，在反復(fù)多次的加工中，金屬材料由于其自身的延展性等，會(huì)變得越來越纖細(xì)，并且表面光滑，在拉拔中附加退火工序，保證材料的質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)達(dá)到指定的直徑后，通過包套材料進(jìn)行包裝，在此之后繼續(xù)拉拔，由于包套材料的存在，避免了在加工中金屬結(jié)構(gòu)徑過細(xì)出現(xiàn)斷裂的問題。在加工完成后，通過使用酸溶的方式，去掉包套材料，籍此獲得目標(biāo)尺寸的技術(shù)材料。

（3）紡絲法：相比拉拔法，這種方法的成本更低廉一些?？梢詫?shí)現(xiàn)從液態(tài)金屬直接制造金屬結(jié)構(gòu)的。通過專用的設(shè)備，將熔融狀態(tài)下的金屬通過壓力，令其從小孔中流出，令其在保護(hù)氣體當(dāng)中實(shí)現(xiàn)凝固。剛剛凝固的金屬結(jié)構(gòu)，由于金屬晶粒間的結(jié)合力較弱，因此具有較高的脆性，通過一個(gè)較小的剪切力，就能將金屬材料加工成長短一致的短金屬纖維，這種制作方法相對簡單，并且具有加工速度快，污染小，成型的金屬材料無殘余應(yīng)力的特點(diǎn)。

（4）切削法：這種方法是通過刀具切削的方式，將固態(tài)的金屬材料切削成金屬屑。相比而言，這種加工工藝最為簡單，同時(shí)生產(chǎn)周期也最短，成本更低。但是由于加工工藝的局限性，這種加工方式得到的金屬材料大多比較粗糙，并且金屬結(jié)構(gòu)材料的長度較短。

（5）研磨法：研磨法主要是針對高硬度的金屬材料進(jìn)行加工時(shí)采用的工藝。通過將金屬裝在磨床上進(jìn)行研磨，通過調(diào)節(jié)進(jìn)給量，磨料粒度等數(shù)據(jù)，就能實(shí)現(xiàn)對金屬材料不同直徑數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)。相對而言，送料量金屬材料越細(xì)，磨料粒度越粗，獲得的金屬材料直徑就越粗。

1.2 金屬纖維材料的燒結(jié)

金屬材料的燒結(jié)，可以通過金屬狀態(tài)將其分為兩種，分別是固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。液相燒結(jié)技術(shù)是向金屬材料中添加一種或多種低熔點(diǎn)組分，壓坯后進(jìn)行燒結(jié)，此時(shí)燒結(jié)溫度介于低熔點(diǎn)和高熔點(diǎn)成分的燒結(jié)溫度之間，燒結(jié)過程中通過產(chǎn)生液相實(shí)現(xiàn)材料間的冶金結(jié)合。該方法尤其適用于制備高熔點(diǎn)金屬多孔材料，其結(jié)合強(qiáng)度更高，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，但受到材料熔點(diǎn)、表面能和潤濕性的限制。

液相燒結(jié)技術(shù)是通過在金屬中添加其他成分，通過將金屬與多種低熔點(diǎn)材料進(jìn)行混合后進(jìn)行壓坯。在燒結(jié)的過程中，采用介于兩者熔點(diǎn)之間的溫度進(jìn)行加工，即高于低熔點(diǎn)材料進(jìn)并且同時(shí)低于金屬熔點(diǎn)的溫度。在燒結(jié)過程中，低熔點(diǎn)的材料會(huì)變?yōu)橐后w流出，通過這種方式實(shí)現(xiàn)金屬材料之間的冶金結(jié)合。這種方式具有一定的局限性，適用于高熔點(diǎn)的金屬多孔材料制備工藝使用。液相燒結(jié)技術(shù)獲得的金屬多孔材料，在燒結(jié)后，其強(qiáng)度更高，并且結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。但是由于受到材料熔點(diǎn)的限制，因此難以受到廣泛的使用[3]。

1.3 新型增材制造技術(shù)

近料的力學(xué)性能降低。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以對金屬直徑以及孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，通過調(diào)整計(jì)算機(jī)輔助加工設(shè)備的參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)調(diào)整孔間隙取向等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定向加工。并且這種加工方式的生產(chǎn)成本較低，加工效率高[4]。流速過快會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)過度沉積，孔隙率降低；流速過慢則會(huì)使直徑減小，影響多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。該技術(shù)可以制造出直徑、厚度、孔結(jié)構(gòu)和取向不同的多孔材料，且生產(chǎn)成本低、效率高，表面精度高，不需要支撐材料，但其定向沉積過程易導(dǎo)致金屬多孔材料具有各向異性，如圖1所示。

圖1 金屬多孔材料3D 沉積法裝置

2 金屬多孔材料的研究現(xiàn)狀

2.1 過濾分離領(lǐng)域

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對于環(huán)境污染問題越來越重視。生產(chǎn)發(fā)展的過程中，不能以破壞環(huán)境為代價(jià)。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，要對工業(yè)廢氣等進(jìn)行處理。但在此的過程中，過濾材料是首要的問題。過濾材料的成果，對于尾氣中固體顆粒和懸浮物的處理具有直接的影響，過濾材料的發(fā)展，對環(huán)境保護(hù)的落實(shí)具有直接的影響。金屬多孔材料由于其自身的材料空間結(jié)構(gòu)特性，其孔隙率可以可達(dá)90%以上，并且實(shí)現(xiàn)孔徑貫通。除此之外，在相關(guān)研究匯總，對高速氣流狀態(tài)下，這種金屬材料的過濾效果進(jìn)行了研究。其結(jié)果表明，高速氣流中的氣溶膠粒子，也會(huì)被吸附到金屬材料上，針對不同的氣溶膠粒子所展現(xiàn)的吸附效率不同，對于粒徑大于1μm酸性氣溶膠粒子的吸附性極好，可以達(dá)到接近100%的吸附效果。在金屬多孔材料過濾分離的功能研究中，干燥粉塵顆粒的過濾特性與直徑和孔徑之間的關(guān)系也得到了研究。直徑的增加會(huì)直接增大沉積面積，提高過濾效率?？讖降臏p小能有效提高材料的過濾效率。在結(jié)構(gòu)方面的影響外，不同材料在特殊環(huán)境中的過濾效率也得到了研究，在316L不銹鋼材料在高溫除塵中的應(yīng)用研究中，通過具體的實(shí)驗(yàn)，對其服役時(shí)間以及絲徑的關(guān)系進(jìn)行了研究，證實(shí)了5μm絲徑的金屬材料的使用壽命最長，并且對其粉塵過濾效率進(jìn)行了研究。

2.2 吸聲降噪領(lǐng)域

環(huán)境領(lǐng)域當(dāng)中，噪聲污染也是不可忽視的問題。金屬多孔材料由于其多孔的結(jié)構(gòu)特性，使其具有優(yōu)良的吸聲效果。其低密度、高強(qiáng)度并且耐高溫性能，令其可以適應(yīng)多種極端的工作環(huán)境，在如今的使用中，演播廳、游泳館以及、機(jī)場道路中，采用的吸聲板部分就是采用鋁纖維制造的。制造研究中，不同的燒結(jié)方式，會(huì)對金屬纖維多孔材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響，相關(guān)研究中，針對不銹鋼材料的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)中，證明了厚度為1~30μm的不銹鋼材料，采用松裝燒結(jié)法制備，能夠讓監(jiān)護(hù)纖維材料的孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)梯度分布，令其得到最佳孔隙率，其吸聲性能得以達(dá)到最佳的效果。在常規(guī)情況下，想要提高吸聲的效果，大多是通過采用提高材料厚度的方式，這是十分有效的方式之一。但在具體實(shí)踐中，時(shí)常會(huì)受到成本和安裝空間的限制，導(dǎo)致無法加厚材料[5]。

2.3 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

為了使受損或受損的人體硬組織恢復(fù)原有功能，需要用骨植入物的支撐材料更換受損或受損部位，恢復(fù)原有組織。生物相容性較好的骨植入物傳統(tǒng)金屬材料為鈦及鈦合金，但致密鈦及鈦合金的強(qiáng)度和模量與真實(shí)骨骼不對應(yīng)，載荷無法從植入物轉(zhuǎn)移到骨組織。防止應(yīng)力，導(dǎo)致植入物周圍的骨吸收，最終導(dǎo)致植入物松動(dòng)或破裂。生物用多孔鈦通過控制孔隙率，可以根據(jù)人體骨骼組織調(diào)節(jié)自身的強(qiáng)度和彈性模量。與纖維制成的多孔鈦相比，粉末制成的多孔鈦是由粉末本身的孔隙缺陷造成的。

3 結(jié)束語

金屬多孔材料不僅具有金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，而且多孔材料還具有孔隙率高（＞70%）、孔徑和孔隙自由度大等優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)是功能組合，具有雙重結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特性的新型輕質(zhì)材料。此前的研究方向主要集中在金屬材料的生產(chǎn)、多孔金屬的燒結(jié)及其在過濾分離、吸聲降噪等領(lǐng)域的應(yīng)用。令其在過濾分離，吸聲降噪等領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用效果。金屬多孔材料是一種改變金屬結(jié)構(gòu)的加工工藝，能實(shí)現(xiàn)對原有材料性能的提升，在未來的發(fā)展研究中，如何在能保證材料的特殊孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立優(yōu)化模型，進(jìn)一步提升材料性能是值得關(guān)注的研究方向。