本文是由John Banhart博士撰写,题为“Manufacture, Characterisation and Application of Cellular Metals and Metal Foams”的综述性文章,发表于期刊《Progress in Materials Science》,详细讨论了金属泡沫和多孔金属材料的制备、性能表征以及应用领域。作者隶属于Fraunhofer-Institute for Manufacturing and Advanced Materials。文章发表于2001年,为读者概括了近年来这一领域的科学研究进展。
文章从科学与工业应用的双重角度全面回顾了金属泡沫(metal foam)这一新兴材料的制备方法、性能评估方式以及潜在用途。金属泡沫因其高比刚度、低密度和优越的热导率而备受关注,是结构和功能件材料领域的重要研究方向。除了聚合物泡沫,金属泡沫作为人工制造的高级多孔材料近年来展现出潜在的应用空间。本综述试图通过系统归纳不同制备方法、特性研究手段及工业应用实例,为学界和工业界提供参考。
文章首先对金属泡沫的制备方式进行了详细分类,分成四种主要类别:液态、固态、气态或离子态金属加工。
1.1 直接发泡法:
通过注入气体或者添加气体释放剂使液态金属(如铝)直接发泡。其中值得注意的是,成功发泡的关键是增加熔体粘度,这可以通过掺杂陶瓷粉末或者合金元素来实现。生产成本较低且产量高。
1.2 气体-固体共晶凝固法(Gasars):
通过将液态金属与氢气形成共晶液态系统,并在降温过程中导致气体析出形成孔隙。此方法的优势在于孔隙形态高度可控,特别是在定向凝固中形成柱状孔结构。
1.3 粉末坯料熔融技术:
此方法常被称为粉末冶金法,实际是在金属粉末中混合发泡剂如TiH2,然后经热处理发生受控分解,进而释放气体并形成泡沫组织。
1.4 间接浇铸法:
利用开孔聚合物泡沫作为模板,通过熔融金属浇注并移除聚合物,得到具有精确形态复制的金属泡沫。
1.5 喷涂成型法:
金属熔体通过喷涂机械化形成薄膜,并产生预期孔隙,但需优化工艺以避免孔隙分布不均的问题。
2.1 粉末烧结与纤维法:
直接烧结金属粉末或纤维可以生成具有开放孔隙的结构。此技术可扩展至钛合金等高端材料。
2.2 气体捕获法:
在热等静压过程中将气体捕获在粉末金属块材中,通过后续退火处理使气体膨胀形成孔隙。
2.3 利用填料材料制作多孔金属:
填料如可溶盐颗粒与金属粉末混合并烧结,利用溶剂洗去填料后形成多孔结构,孔径分布较均匀可控。