第三章发泡剂的选择.docVIP

第一章 绪论 多孔材料是当前材料科学中发展比较迅速的一种材料，由于其兼有结构材料和功能材料的特点，比其它材料具有更加广阔的应用前景，受到科学界的广泛重视，成为了近些年材料学科中研究的重点。目前研究的多孔材料主要包括各种无机气凝胶、有机气凝胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。 多孔金属材料又称为多孔泡沫金属，是20世纪40年代发展起来的一种具有与传统材料不同的特殊结构的新型材料，它由金属基体和大量孔隙组成，因此多孔泡沫金属具有比重小、高比强、比表面积大，能量吸收性好，特殊的传热、声学、电磁学性能等。根据其内部孔隙的结构不同，可分为通孔及闭孔两大类。通孔是金属内部孔洞相互连通，称之为多孔金属(Porous Metals)。闭孔是孔洞之间相互独立，不连通形成闭孔，称之为泡沫金属(Foamed Metals)。无论是多孔金属还是泡沫金属它们都既具有金属材料的性质，而结构上又与泡沫塑料相似，因此材料科学界通常称为此类材料为多孔泡沫金属(Porous Foam Metals)[1-5]。 泡沫金属的应用相当广泛，现已经成功应用在建筑工业、航空工业、计算机工业、交通工具及包装工业等很多领域，而且随着泡沫金属生产工艺的不断完善及对其研究开发的不断深入，泡沫金属的工业化生产将更进一步成熟，应用领域将更加广泛。因此，对泡沫金属进行研究开发有着重大的实际应用价值。 1．1泡沫金属的发展现状 泡沫金属是一种在金属基体中形成无数气泡的多孔性金属材料，又称多孔性泡沫金属[1]，由于它兼有金属特性和非金属的一些特殊物理性能，因而得到国内外的普遍关注。金属泡沫或金属多孔材料是20世纪40年代后期国际上迅速发展起来的一种具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。自从1948年由美国的Soknik首先发明利用金属中低熔点物质气化而得到泡沫金属的专利技术以来的50多年里[2]，材料研究者们对泡沫金属的制备、性能研究、应用开发等方面做了大量的研究工作。Soknik发明的方法是在铝中加入汞，从而获得泡沫金属，而汞是有毒性的，到了1956年，J.C.Elliot用可分解出气体的固体发泡剂代替了汞，解决了在发泡过程中容易汞中毒的问题[3]。1959年，B.C.Allen首次采用了PCF（powder compact foaming）[4],也就是我们通常所说的粉末冶金法，目前此法以成为制备泡沫金属的重要方法之一，并且采用这种方法制备低熔点泡沫金属已经在一些国家实现了小规模的工业化生产。1957年J.Bjiorksten[10]胡宣布：“泡沫金属有巨大的市场潜力，在未来的20年内可占金属市场份额的10％。”但同时他又说：“要实现大规模的工业生产还许多工作要做，比如如何解决密度、孔径和尺寸的控制问题。”遗憾的是他的话只是第二句得到了验证，尽管金属泡沫制备工艺的第一项专利发明了好多年，但由于缺乏足够的构建设计、性能再现性较差、缺乏计算和测试方法、缺乏后处理的基本原理方法、生产技术太复杂以及成本较高等原因，这种材料一直未得到大规模的商业化生产。泡沫金属的发展也处于发展相对缓慢阶段。1980年，德国的Fraunhofer先进材料研究所制造出了可以漂浮在水上的泡沫铝［5-6］，标志着对泡沫金属的研究进入了一个崭新的时代。科学家们通过对金属液中加入增黏介质提高熔体的稳定性，改善泡沫的机构质量，这种方法制备工艺更加合理，制造成本更加低廉，从而使发泡金属发展向前迈进了一大步。从泡沫金属的出现到20世纪70-80年代，研究主要集中在泡沫金属的制备方面，而且取得了很大的成果。比如，在制备泡沫金属铝时增粘问题的解决对泡沫铝的制备有很大的推动作用[13] [14][15]。另外，气泡核心机理的提出及应用对泡沫金属的制备又是一次很大的突破，这种理论就如同金属凝固过程中加入形核剂一样，使泡沫金属的直接成型成为可能，这两次重大的突破使对泡沫金属的研究进入到了系统化的研究中，1983年，G.J .DVIES和SHU ZHEN(舒震，中国)[16]发表的论文是泡沫金属系统化研究开始的标志，近20多年来，泡沫金属的研究和开发都十分活跃，同时也是材料研究的重要课题。期间，主要的出版物主要有:Lorna.J.Gibson,Michael F. Ashby于1987年出版的“Celluar solids：structure and properties”专著[17] ，该专著作于2003年由我国学者刘培生教授翻译成中文[18]。该书总结了作者及国际同行多年来辛勤劳动的成果，是多孔金属泡沫材料领域近年来的必威体育精装版力作。1992年Michael F. Ashby[19]第一次系统地总结了泡沫金属的制备、性能和应用；2001年，J.Banhart的论文[20]对泡沫金属的近期研究和发展工作进行了系统的总结；2002年