科研创新(泡沫铝夹层板制备研究)

1、科研创新姓 名: quanmuyi 学 号 : 00000000 学 院:材料科学与工程专 业:材料成型及控制科研题目:泡沫铝及夹层板制备研究指导教师:二 O 一一 年 三 月 徐州1.泡沫铝1.1泡沫铝概述泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后,经过发泡工艺而成,同时兼有金 属和气泡特征, 是一种多空隙低密度的新型多功能材料。 它具有密度小、 高吸收 冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性 高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装等 特点。因此,应用领域十分广泛。早在 1948年美国人 Sosnik就提出了用汞在铝中气化发泡制备泡沫铝

2、的方 法 ,随后 Ellist于 1951年成功地制备出泡沫铝。 20世纪 60年代美国 Ethyl公司成为研制泡沫铝的科研中心基地。 但由于发泡工艺与泡的尺寸很难控制, 一 直没有得到发展。 直到 20世纪 80年代中期以后, 才取得长足进展, 开发出一些 有工业价值的工艺:1991年 ,日本九州工业金属研究所开发出泡沫铝工业化生 产工艺。 1999年 ,第一届世界泡沫金属学会议在德国不来梅顺利召开 ,重点是 关于泡沫铝的制造和应用。 随后 ,世界泡沫金属学术会每隔两年召开一次 ,泡沫 金属已发展成为一门重要的学科和技术领域 1。目前 ,在泡沫铝研究方面加拿 大、 美国和日本处于世界领先地位

3、其中日本的研究进展速度最快 ,不仅将泡沫 铝投入了生产并进入了实际应用阶段。 国内自 80年代中期开始进行泡沫金属材 料的研究 ,经过 20多年的探索和研究 ,东南大学、 东北大学、 中国科学院、 北 京科技大学、 昆明理工大学等多家机构都先后做过许多研究。在泡沫金属制备 方面 ,国内对发泡法和渗流法研究得较多且基本赶上国外发达国家水平 ,只是 对连续生产方法的研究还属空白 ,仍然有待开发 ,从而扩大泡沫金属的实际应 用。由于泡沫铝具有优异的物理性能、化学性能、力学性能与可回收性能等,被 认为是一类很有开发前途的工程材料, 有着广泛的应用前景, 特别在在建筑、 交 通运输、 机械、 电子、 通

4、讯和军工等行业具有广泛应用前景。最常用的泡沫铝合金是纯铝、 2×××系列合金及 6×××合金。铝 -硅系铸 造合金因其熔点低与良好的成型性能, 也可用于制造泡沫材料。 目前, 世界各国 已研制开发出多种制造泡沫铝的方法和加工工艺, 生产出了不同的规格品种和用 途的泡沫铝材,已取得可喜成果,正在向产业化生产方向发展。1.2泡沫铝的特性及其应用1.2.1泡沫铝的主要特性 2由于制备工艺的不同 , 从结构看泡沫铝可分为闭孔结构的泡沫铝和开孔结构 的泡沫铝。前者含有大量独立存在的气泡 , 而后者则是连续贯通的三维孔结构。 泡沫铝的性能主要取决

5、于分布在三维骨架间的孔隙特征 , 即孔的形态和分布 , 包 括孔的类型、 孔的形状、 孔的分布、 孔的结构。结构不同导致的性能差异 , 使其具有不同的用途。在冶金、 化工、 航空航天、 船舶、 电子、 汽车制造 和建筑业等领域得到了和将要得到广泛应用。与传统的金属铝相比 , 泡沫铝具有 如下特征:(1 密度小 3泡沫铝是一种轻质功能材料。泡沫铝密度通常为 180- 480 kg/ m3, 约为铝密 度的 1/ 10、钛密度的 1/ 20、钢密度的 1/ 30及木材密度的 1/ 3。一般建筑材 料采用密度为 200- 300 kg/ m3的泡沫铝材 , 而用做消声材料时则用密度为 320- 42

6、0 kg / m3的材料。泡沫铝的密度可在很大范围内变化 , 目前所能获得的最大 孔隙率可达 97% ,其尺寸从几个微米到几十个毫米。一般规律是孔隙率越大 , 泡 沫铝的密度越小。(2 耐热性强泡沫铝具有较高的耐热性。一般铝合金的熔解温度范围在 560- 700 ,但 泡沫铝即使加热到 1 400,也不熔解 , 而且在高温下不释放有害气体。以此 , 在 许多场合可以取代发泡树脂或石棉类制品用做隔热与耐热材料及各种热交换器 的芯件。 还可用做航天设备的核心材料、 高温填料、 电磁屏蔽材料、 阻燃器、 慢性约束核聚变激光实验中的超热电子抑制材料等。(3 通透性好 4具有良好通透性的贯通孔泡沫铝可作

7、为过滤材料 , 从液体或气体中将固体颗 粒过滤出去。通常 , 通透性随孔径的增加而增加 , 但它也受表面粗糙度的影响 , 而 且受闭孔数目的影响较大。可用于各种液体、 气体的过滤器和高温除尘器中。 (4 刚性强泡沫铝不具有密实金属那样的延展性 , 拉伸试验无法测出拉伸率 , 弹性模 量约为铝合金的 1/ 50-1/ 100。泡沫铝质脆 , 与铝合金不同 , 当发生大的变形时 , 其蜂窝组织产生破坏 , 反之 , 如果蜂窝组织不达到破坏强度 , 泡沫铝是不会产生 变形的。(5 比表面积大利用泡沫铝的大比表面积 , 可达到高的换热性 , 由此它可用做制造加热器和 热交换器的良好材料。 另外 , 也

8、可用做需要巨大表面化学反应的载体 , 如作为催化 剂的载体、 多孔电极、 充电电池的极板材料、 换热器、 能量吸收器和催化剂的载 体等。(6 隔声性能强泡沫铝可通过气孔壁的振动来吸收声音的能量 , 用来消声、去除噪声。一般 情况下 , 通孔泡沫铝的吸声性能更好。孔的尺寸影响其对整个声波频率范围的吸 收性能 , 孔越小 , 吸声能力越大。 通过改变泡沫铝孔的尺寸和形状可以获得好的吸 声性能。可用于建筑行业中的内外装饰件、 幕墙、 间壁活动门板 , 制造高性能 吸声板、 隔声墙、 各种消声器等。泡沫铝的隔音性能见表 1 37 具有吸收冲击能量的能力泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性 , 也不像高分子

9、泡沫材料具有反弹作 用 , 它有很好的减震(阻尼性能 , 是制造抗冲击部件的良好材料。可用于汽车 刹车器、 夹紧装置以及航空航天设备中的保护封套和缓冲器。其阻尼性的大小 与气孔孔径的大小有关。可用于升降机和传送器的安全垫、 高磨床防护装置的 减震吸能内衬、 高精密机床的底座等。而且泡沫铝的减振(阻尼性能与其气 孔孔径的大小有关 , 可通过调整材料的孔隙特征对其阻尼性能进行调节8 良好的吸音性泡沫铝中大量的孔洞允许声波进入其中 , 泡沫内介质 (一般为空气 在声波 作用下发生压缩伸张变形 , 引起介质与孔壁之间摩擦 , 使声能转化为热能; 泡内 介质在声波作用下 , 产生振动引起声波射向金属表面

10、 , 从而产生漫射而干涉消 音。 尤其在中、 低频率时。 这是由于泡沫铝的孔隙的惯通性、 体积膨胀性及孔壁 的良好导热性 , 必将补偿由于声波频率降低、 振动衰减及孔壁摩擦阻力减小所引 起的不良吸声性 , 可使泡沫铝在中、 低频率下取得优良的吸声效果 , 尤其在低于 1 000 Hz 左右的频率范围。随着孔径的减小、孔隙率的增大 , 吸声性能有规律的提 高。泡沫铝吸音性能见表 2 39 其他性能泡沫铝还具有气敏性、催化性、良好的保温性 , 同时还具有电磁屏蔽性能 , 对 高频电磁波有良好的屏蔽作用 , 能够使电磁干扰降低 80%以上。 5 mm 厚、孔隙率 为 90%的闭孔泡沫铝 , 在 60

11、- 1 000 MHz 电磁屏蔽性能为 35- 75 db,可用于电磁 屏蔽室 (罩 、电子仪器外壳、无线电录音室 电磁屏蔽等场合。由于泡沫铝具有如此众多的特性 , 预计其在航空航天、 电讯及环境保护等新 领域中必将有很好的应用前景。1.2.2泡沫铝的应用泡沫铝具有各种优良性能 :密度小,耐热性强,隔音性好,耐冲击,通透性好。 因此在民用、 工业、 交通、 航空、 航天及军事国防等领域有着非常广泛的应用前 景。泡沫铝从结构上可分为开孔和闭孔两种,孔结构是决定其应用的主要因素, 例如许多应用需要介质、 液体或气体流通泡沫铝, 这就需要完全开孔结构, 而承 载件就要求闭孔结构的泡沫铝。 图 1展示

12、了不同应用领域对孔形态的要求。 根据 应用范围的不同,可以将泡沫铝的应用分为两类 :结构材料的应用和功能材料的 应用 5。(1泡沫铝作为结构材料的应用作为结构材料,泡沫铝在汽车、航天、建筑、铁路行业、机械制造业、体育 器材、生物医学中都有着广泛的应用前景。汽车工业上的应用未来汽车将要求更加轻便节能、 安全、 有良好的抗震性。 如果采用泡沫铝材制造 盖板、 卡车盖与滑动顶板等可减轻重量并提高刚度。 德国卡曼汽车公司与夫需霍 弗研究所共同使用“夹层板”泡沫铝制造轿车顶盖板 . 其刚度比原来钢构件大 7倍左右。而其质量却比钢件小 25%。此外,这种泡沫铝还具有更高的吸收冲击能 和声能的效果。航天工业

13、同时具有多项优良性能的泡沫铝是航天工程一直追寻的理想结构材料。 在空 间技术中, 泡沫金属轻质结构具有非常重要的应用前景。 用泡沫铝夹层材料替代 昂贵的蜂窝夹层结构件, 在获得更高的性能的同时又使成本大幅度下降。 波音公 司试验了用泡沫钦和泡沫铝夹层材料制成直升飞机的尾架, 这种材料与以往的蜂 窝夹层材料相比还有一个很重要的特点就是可以制成弯曲甚至三维的形状。 正是 这个原因,一些直升飞机制造商正考虑用泡沫铝夹层材料部分替代蜂窝夹层材 料。建筑业建筑业中泡沫铝有着广泛的应用范围。 例如, 用泡沫铝材制造电梯可大大减 轻其重量, 从而减少能量消耗, 而且泡沫铝优良的能量吸收性能又保证了电梯的 安

14、全性。 如果泡沫铝作为装饰材料, 既轻便美观, 又可以起到防火、 隔音的效果。 (2泡沫铝作为功能材料的应用过滤器过滤器主要是从液体中分离固体颗粒或从气体中分离固体和液体。 例如, 净 化熔融聚合物, 除去空气中的油烟和水汽。 过滤器要求有良好的过滤性能, 耐蚀 性以及优良的力学性能,而开孔泡沫铝正是制备过滤器的理想材料。热交换器高热导性泡沫铝可以作为热交换器材料, 这就要使用诸如铸造法生产的开孔 泡沫铝, 通过加热或冷却泡沫铝, 使流通过的气体或液体得到加热或冷却。 如泡 沫铝可以制成一种紧凑的散热器用于微电子装置上对高密度发热元件的冷却, 如 对计算机的集成电路和电源的冷却。催化剂载体高效

15、催化剂要求在与气体、 液体反应时有大的接触面积, 因此催化剂就可以 被注入多孔材料中。 由于多孔泡沫铝有大的表面积, 同时有很好的塑性和导热性, 所以可以充当催化剂载体。同时催化剂在泡沫铝中有良好的机械完整性,例如, 即使在经历多次升降温循环,催化剂基本没有损失。作为功能材料, 泡沫铝还可以制备电极、 喷雾器、 消声器、 自润滑轴承等多 种产品,其应用前途十分广阔。1.3泡沫铝的制备方法最常用的泡沫铝合金是 2XXX, 6XXX系合金。铝硅系铸造合金因其熔点低与 良好的成型性能, 也可用于制造泡沫材料。 目前, 世界各国已研制开发出多种加 工工艺和制造方法, 使不同规格和品种的泡沫材料正在向产

16、业化方向发展。 制备 泡沫铝的方法有多种,根据制备过程中铝的状态可以分为三大类 :液相法、固相 法、电沉积法,见图 1-1,图中英文为该法生产的泡沫铝商品名称。 图 1-1 泡沫铝制备方法 61.3.1液相法(1熔体发泡法 (Direct foaming其基本原理主要是将铝或铝合金熔化,随后加入增粘剂使铝熔体的粘度增 加, 以防止气泡从熔体中溢出, 最后经冷却使熔体中的气体滞留在熔体内部。 气 体的来源有两种 :一是直接从外部向铝液中注入气体 ; 二是在铝液中加入发泡剂。 但目前液相法只能做出板状泡沫铝。熔体注气法 (Foaming by gas injection各种泡沫铝合金都可用此法生产

17、。 将铝合金熔融后, 加入一定体积分数的增 粘颗粒 (碳化硅、氧化铝等 进行增粘,然后从熔融铝液底部吹入气体 (空气、氮 气、氢气 ,同时对液体进行搅拌使气泡细小并均匀分布,在金属液中形成大量 气孔后冷却凝固制得泡沫铝。 这种方法优点是可以连续生产, 可获得低密度、 大 体积的产品。 缺点是要对泡沫板材进行剪切, 造成泡沫开孔, 同时由于颗粒的加 入,使胞壁变脆,对力学性能产生不利影响。图 1-2熔体注气法示意图加发泡剂法 (Foaming with blowing agents该法将发泡剂与合金进行混合, 加热使发泡剂释气, 由此可形成泡沫铝。 国 内目前采用较多的发泡剂是金属氢化物,如 T

18、iH 2或 ZrH 2等。此方法具有工艺简 单, 成本较低, 所得样品孔隙率高等优点, 适合于制备尺寸较大的试样。 缺点是气泡分布不均且局部气泡尺寸过大。(2固 -气共晶凝固法 (Solid-gas eutectic该法是近年来开发的一种新方法,依据是在 H 2中,一些金属可形成共晶系 统。 在高压 H 2下 (50x106Pa 得含氢的均匀铝液, 如果降低温度通过定向凝固将发 生共晶转变, H 2在凝固区域内含量增加,并且形成气泡。因为体系压力决定共晶 组成, 所以外部压力和氢含量必须协调好。 最终孔的形状主要取决于氢含量、 铝 液外部压力、 凝固的方向和速率、 金属液的化学成分, 通常沿凝

19、固方向形成管状 孔,孔直径 1 Om-lOmm ,长度 100m-300mm 。(3铸造法熔模铸造 (Investment casting用耐热材料 (莫来石、 酚醛树脂、 石膏 填充开孔的高分子泡沫, 然后通过加 热除去高分子泡沫并将铝液铸入模型中来复原高分子泡沫的结构, 这一步可以采 用加压和加热模型的方法使细小孔洞得到充分填充, 最后用水溶等方法除去耐热 材料, 即得到与原高分子泡沫相同结构的泡沫铝。 此法的难点在于如何使铝液充 分填充到模型中, 以及如何在不破坏泡沫铝结构的同时除去耐热模型。 优点是可 制备多种泡沫金属, 并且可以得到开孔结构, 生产重复性好, 有相对稳定的密度。 渗流

20、铸造法 (Infiltration casting将液态铝合金渗入到填料颗粒的间隙中而获得铝合金填料复合体的一种方 法。 填料可以使用耐热且可溶的材料 (如精盐 。 样品制成后, 填料粒子可从铸件 中浸洗掉, 从而获得具有连通空隙结构的泡沫铝。 渗流铸造法又可分为上压渗流 铸造法和负压渗流铸造法, 这两种方法都可以得到通孔性良好的泡沫铝样品, 并 且填料粒子可以迅速去除,并重复使用。1.3.2固相法 (Solid用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料。 因为大部分固相法通过烧结使铝 颗粒互相联结,铝始终保持在固态,所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。 (1 散粉烧结法 (Sintering o

21、f aluminum powders这种生产方法包括三个过程 :粉末准备,粉末压缩,粉末烧结。此方法多用 于制备泡沫铜。 由于铝粉表面具有的致密氧化膜将阻止颗粒烧结在一起, 因此用 散粉烧结法制备泡沫铝相对困难。 这时可以通过变形手段破坏氧化膜, 使颗粒更 易粘结在一起 ; 或加入镁、铜等元素在 595 -625烧结时形成低共熔合金。用 散粉烧结制备的泡沫金属优点是工艺简单、 成本低, 缺点是孔隙率不高、 材料强 度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。(2 粉浆烧结 (Foaming of slurries把铝粉、 发泡剂 (磷酸加氢氧化铝 、 活性添加剂混合后注入模子中形成含有 泡

22、沫的铝粉浆,逐渐升温,在添加剂、发泡剂影响下,浆开始变粘,并随产生的 气体开始膨胀。如果工艺参数控制得当,经烧结后就可得到一定强度的泡沫铝。 该法存在的主要问题是制得的泡沫材料强度不高并有裂纹。 如果把粉浆直接灌入 高分子泡沫中,通过升温把高分子材料热解,烧结后同样可制得开孔泡沫材料。 (3 填加造孔剂法 (Based on space holderBrain等人用高分子球、镁颗粒、尿素作为造孔剂制备了多孔钛。由于铝表 面致密的氧化层使颗粒之间在烧结时结合困难,所以用此法制备泡沫铝并不多。 (4粉末冶金法(powder metallurgy由于此法的原料是铝粉末, 所以有的文献将其列入固相法。

23、 但该法实际的发泡阶段是在液相,因此也有文献将其列入液相法。在此将其列入固相法讨论。 该法的原理是将铝粉或铝合金粉与一种发泡剂粉末混合, 将这种混合物压制 成密实的金属基体, 然后对其加热升温。 当温度升至铝粉或铝合金粉的熔点以上。 发泡剂产生的气体在熔融状态的铝或铝合金内部形成无数的气孔, 冷却这种铝基 体后, 即可得到泡沫铝产品, 该工艺相对简单, 优点是可以根据具体要求制作各 种复杂的异型件。 缺点是比熔体发泡法成本高, 工件尺寸受到限制, 孔尺寸难控 制 7。1.3.3电沉积法 (Electro-deposition电沉积法是以泡沫塑料为基底, 经导电化处理后为阴极, 工业纯铝板为阳极

24、, 在烷基铝溶液中电镀制成泡沫铝。 采用此电沉积法制备的泡沫铝具有容易控制孔 隙结构、 孔径小、 孔隙均匀、 孔隙率高等特点。 其隔热性能和阻尼特性优于铸造 法生产的泡沫铝 ; 其吸声性能与声频率有关,声频率在 1000-2000Hz 之间时,平 均吸声系数为 0.751,是一种很好的吸声降噪材料。2.泡沫铝夹层板泡沫铝夹层板(Aluminum Form Sandwich 即 AFS 或泡沫铝夹芯板、泡沫铝 三明治。 随着泡沫铝制备技术日益成熟以及对其比强度应用需求, 其应用设计研 究的重要性日益增大,而泡沫铝夹层板是其很重要的应用方面。 泡沫铝夹芯板 泡沫铝夹层板有三个特点 :1、 两个比较

25、薄的、 高强度、 高密度材料作为表面。 2、 一个材料密度较低的夹心层。 3、 面板与夹心层的结合通过胶粘或冶金结合实现。 生产泡沫铝夹芯板复合结构技术首先由德国 Fraunhofer 先进材料制造研究所和 德国卡曼汽车公司联合推出。 由金属面板与泡沫铝芯构成的夹芯板复合结构的特 点是轻质、 高比刚度, 并具有良好的减震性能, 主要应用为泡沫铝夹层板梁、 板、 管以及夹层板异型件。在汽车、航天、航空等领域将有广泛的应用前景。此外, 还有吸收冲击能与声能的效果,可代替传统的金属板、金属网、木材、塑料、有 机玻璃等作为机床防护罩材料。目前在国外己经成功地用于高速磨床吸能内衬, 充分地起到了吸声减振

26、的作用。 泡沫铝夹层板既是一种热稳定好不可燃材料, 也 是一种抗破坏的耐用材料,并能完全回收与再生利用。2.1泡沫铝夹层板的结构与性能2.1.1良好的抗冲击及能量吸收特性泡沫铝是一种轻质的具有吸收能量和抗冲击性能的多孔材料,但强度相对较低。 然而, 将其做合成结构则既能满足结构件的刚度和强度要求, 又能满足高能量吸 收的要求。2.1.2良好的抗震性泡沫铝本身是一种轻质高阻尼材料, 其金属框架及孔隙结构具有高能量吸收的特 性,阻尼值可为铸铁材料的 5一 10倍。采用泡沫铝作为芯层材料时,芯层材料 作为阻尼层在振动发生时会被迫伸缩, 层内产生较大的剪切应力和应变, 因此会 损耗更多的能量。 特别是

27、, 泡沫铝芯和金属面板之间的接触界面对结构阻尼有极 大的影响。 如果接触表面间在压力作用下可以相对滑动, 则会产生附加的界面阻 尼作用, 阻尼效应由界面的干摩擦产生, 这就使得过量的震动可得到有效的衰减。 2.1.3良好的吸音特性泡沫铝吸声板是一种先进的吸声材料, 其吸声性能除了与材质有关外, 还与材料厚度、覆面材料、空腔大小等有关。制备出来的泡沫铝夹芯板可以从中间劈开, 将其分成两半具有吸音功能的材料。2.1.4其它特性除了上述特性外,泡沫铝夹芯结构还具有重量轻、用料少、综合成本低等优点, 特别是泡沫铝夹芯板这种轻质型复合板材表而比较平整, 不易变形, 具有耐久性 和靓丽的装饰, 防水性、

28、密封性能也较好, 其耐热、 隔热性还会起到保温的作用。 鉴于泡沫铝夹芯板诸多的优良性能,因此倍受国内外的关注。 (见表 3 ; 相对于其他材料的夹层板结构,泡沫铝夹层板结构具有芯部性能各向 同性、成本低等优势 ; 采用粉末冶金发泡法还可以制成复杂形状的夹层板零件, 耐热性优良。 因而必将在汽车、 航空、 航天等领域得到广泛的应用。 图 1-3是德 国佛朗霍夫先进材料研究中心 (IFAM利用冶金发泡法制备的夹层板板样。 图中上 下两层为铝面板,中间为泡沫芯,面板与泡沫芯之间为冶金结合。 图 1-3泡沫铝夹层板 82.2泡沫铝夹层板的制备方法 9目前泡沫铝夹层板的制备工艺主要有两大类:一类是先由熔

29、体发泡法、粉末 冶金法等制备泡沫铝, 再通过金属泡沫与金属板材采用胶粘或其他方法连接在一起; 第二种方法是铝硅粉加金属发泡剂和金属板材压制成预制体, 在加热炉里加 热过熔点发泡,冷却后成泡沫铝夹层板。2.2.1粉末冶金法此法是根据所需的泡沫铝合金成分, 将铝粉和其他合金元素粉 (如硅、 镁等 及发 泡剂粉末 (如 TiH 2 按一定重量比混合。将混合粉与面板一起放入模具中 (混合粉 在两块面板之间 经过压力成型,成型方法可以是压缩或挤压,最后得到可发泡 三明治复合板。 随后将经过冷轧后的坯料放入加热炉中, 在适当的温度下加热至 复合板的芯部熔融, 发泡剂分解出气体使铝溶体发泡, 得到具有冶金界

30、面结合的 泡沫铝三明治结构。所制备出的泡沫产品的相对密度为 2040%。模具的空腔即 为泡沫铝制品的几何形状,他的优点是可以直接制造复杂形状的零件,图 1-4为其原理图。 用这种方法可直接生产用于小汽车结构的泡沫铝三明治板材。 这种 泡沫铝三明治比钢板的刚性大 10倍,而重量却轻了 50%,可用于汽车的地板、 火墙、车顶和行李厢等。 图 1-4 粉末冶金法2.2.2胶粘法胶粘法是用粘合剂把面板与泡沫铝芯板粘接起来, 如日本的 ShikeWire 公司生产 的 Alporas 三明治就是采用胶粘法,外层板材可以是铝板、钢板或大理石板等, 建筑用 Alporas 板的表面处理是喷涂丙烯酸树脂或喷涂

31、陶瓷层。 由于胶是一种有 机溶剂, 不耐高温, 在一些环境恶劣的情况下, 该种三明治结构材料就会发生失 效。 另外, 如同蜂窝铝三明治一样, 胶粘部分还存在一个年限问题, 超过一定的 使用时间, 也会出现老化失效情况。 此外, 胶粘 AFS 通常只能制备板状构件, 使 其应用领域受限。2.2.3其他方法目前还有使用玻璃纤维与聚氨酯为面板的泡沫铝夹心三明治 10, 利用超声波扭转 将铝和铁合金板焊接到闭孔泡沫铝上制造三明治板 11, 热固性塑料一泡沫铝三明 治板 12, 纤维增强泡沫铝三明治, 钢包泡沫铝三明治结构 13, 超塑性铝合金板与闭孔泡沫铝扩散连接形成三明治结构 14,15。2.3泡沫

32、铝夹层板的应用2.3.1在汽车工业中的应用轻质、高刚度且有吸能和隔音性能的泡沫铝夹层板己在国外汽车上得到应 用,如顶盖板、底盖板和滑动顶板等高刚度构件。在汽车冲击区的部件上 (如金 属横梁、保险杠等 使用合适形状的泡沫铝夹层板,可控制最大能量的变形,对侧面冲击保护同样如此。由德国 Fraunhofer 先进材料制造研究所和德国卡曼汽 车公司联合推出的夹层板式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车的顶盖板的刚度 比原来的钢构件大 7 倍左右，而其质量却比钢件轻 25%5。此外，还有更高的 吸收冲击能与声能的效果，其保温绝热性能比铝的好 1 倍。用泡沫铝夹层板制造 的某些汽车零件的质量，只有原钢件质量的

33、1/2，而其刚度却为钢件的 10 倍， 对频率大于 800Hz 的噪声有很强的消声能力。据预测，约有 20%的汽车车身结构 件可用 AFS ( Aluminum Foam sandwich材料制造，一辆中型轿车用 AFS 材料制 造的零件可减重 27.2 kg 左右，同时使结构系统简化，汽车成本还会有所下降。 泡沫铝夹层板的上述特性正适合汽车轻质、低耗、环保等发展方面的要求，因此 该结构材料将会受到汽车工业的极大青睐。 1.2 为部分构件由泡沫铝夹层板板 图 组成的汽车。 泡沫铝机械零件替代传统的密实汽车铸件，对于汽车的轻量化具有重要意 义。欧洲各国在 1996-2000 年的一项联合科研项目

34、中，对泡沫铝用于交通运输工 业的轻质结构和吸收冲击能量方面的效果进行了研究和评价， 通过在汽车上的多 个部位采用泡沫铝结构的测试，认为该材料具有很好的应用潜力，是车辆轻量化 的关键材料之一。 2.3.2 航空航天业上的应用 昂贵的蜂窝状结构被泡沫铝夹层板替代能够保证在降低成本的基础上提高 性能。 美国采用气泡夹带法制备的大块泡沫铝夹层板和泡沫铝夹层板用于直升飞 机的尾翼，对二者进行比较评价，泡沫铝夹层板材料对比通常平板的蜂窝状结构 材料的一个最重要的优点就是可以用于制备弯曲的甚至 3D 形状的结构材料。 2.3.3 其他军事装备上的应用 在坦克、轻型装甲战车方面，需求多孔超轻金属材料制造复合装

35、甲，提高装 11 甲防穿透的能力和提高机动性。在两层钢板之间夹一层泡沫铝材料，当破甲弹穿 过外层钢板后遇到泡沫铝层， 射流直径骤然扩大， 导致破甲弹无力穿透里层钢板， 由此可以看出泡沫铝夹层板在军事上的应用较为广泛。 2.3.4 其它方面的应用 泡沫铝夹层板结构利用其高阻尼特性可应用于缓冲器及吸振器中，还可用于 宇宙飞船起落架、升降机、传送器安全垫、机器人支架、航天器、风车等。此外， 利用其吸声减振性，夹层板式泡沫铝板也可作为电梯舱壁、室内装饰吸声材料以 及轻轨、高速公路、冷却塔、变电所等的声屏障。 2.4 泡沫铝夹层板研究现状及存在的问题 2.4.1 研究现状 目前国外制备泡沫铝夹层板主要采

36、用两种方法，一种是通过熔体发泡法和吹 气法两种途径制备得到泡沫铝然后通过胶粘结合； 另一种是通过面板与可发泡预 制件压制，并加热发泡形成具有冶金结合的泡沫铝夹层板。20 世纪 90 年代中 期 , 加拿大、挪威、美国等出现了连续喷吹气体制备泡沫铝的方法 , 使连续生 产成为可能泡沫铝通气发泡连铸的实际应用以加拿大 Cyma 铝业公司最为经典 16,国内熔体发泡法产业化也有少数公司生产。对粉末冶金法研究德国 IFAM 和 奥地利取得了初步的成功外，其余研究机构进展不大，主要问题是未能很好掌握 AFS 制备工艺。 国内粉末冶金法大批量生产目前尚属空白，大部分还停留在试 验阶段。贵州科学院直接采用发

37、泡法，用廉价的发泡剂成功制取了较大规格的泡 沫铝型材，经中科院声学研究所测试吸音、屏蔽、减振抗冲击效果、比重等性能 指标，均达到过为同类产品指标17。东南大学何德坤教授采用粉末冶金法制备 泡沫铝，探讨了芯面/夹层板之间结合机理 18, 分析了泡沫夹芯结构材料的弯 曲、压缩过程及失效方式，确定了泡沫结构对泡沫铝夹层板性能的影响因素。 2.4.2 泡沫铝夹层板制备存在的问题及措施 主要问题集中在泡沫铝的制备工艺繁多，技术发展迅速，各有优势.但是从工 程化技术角度来看，制备出大孔径立体网状( 厘米级 及小孔径( 微米级、 孔 隙均匀、 密度低、 骨架强度好的泡沫铝是目前在制备技术上需要突破的重点和

38、难点.因此，为开发工程实用的泡沫铝制造方法， 在制备工艺及其相关研究方面 仍需关注以下问题。 （1）研究孔隙规整、 结构稳定及性能多样的泡沫铝制备工艺。在此基础上进一 步探讨工艺条件如何影响各种性能. 通常发泡法和注气法制备的泡沫铝的孔隙 大小和壁厚受到多种因素的影响， 难以控制且性能不稳定; 而以填料造孔的方 法主要取决于填料的粒度、 形状和压实程度， 孔隙易控制且性能稳定；固相法 一般用机械球磨、 酸液腐蚀等方法来破坏表面的氧化铝薄膜或添加助熔剂， 使 其易于烧结成形；通常沉积法制备的泡沫铝的孔隙形状难以控制，而且很难获得 较大的孔隙。 （2）研究简单可靠、 可批量生产的大尺寸泡沫铝的工艺

39、。现阶段能进行批量生 产的方法有熔体发泡法和熔体注气法， 其它大部分方法还处于实验室的研究开 发阶段， 样品的尺寸也受到很大程度的限制。铸造法一般要考虑铝液在填料中 的渗流长度、 冷却速度以及与填料相互浸润的问题。 成品厚度受限， 形状也 比较简单；固相法制备的泡沫铝孔隙率相对较低， 难以达到工业产品的要求；沉 积法通常效率低，设备要求高，投资大。 12 （3）开发新型造孔剂、 发泡剂和助熔剂等。 常用的造孔剂有 NaCl， 可以考 虑用与其性质相似又能降低铝的熔点的 KCl 来替代。添加一些作为助熔剂的碱 土金属，改善泡沫铝的骨架结构性能。 （4）进一步探讨泡沫铝的成型机理，为改进工艺流程和

40、提高制品质量提供理论 上的依据。 （5）泡沫铝在制备时具有高温和多相特性，在生产中取样、 观测和监测都存在 困难，实验手段有待提高，将计算机应用于泡沫铝的发泡过程监测及性能分析几 乎空白。 2.5 本课题研究的目的与意义 （1）研究泡沫铝及夹层板制备方法及各种方法特点 （2）研究泡沫铝及夹层板性能和应用前景 （3）研究泡沫铝国内外发展状况 （4）为成熟的泡沫铝夹层板生产工艺提供资料。 13 参考文献： 1张斌 ,左孝青,张帆 泡沫铝的制备技术。J.有色金属加工 2008.12；37-6 2程慧静, 张崇民, 苗信成等.泡沫铝的研究现状与应用展望 鞍山科技大学学 报 2005.12；28-6 3刘静安，谢水生.合金材料的应用与技术开发 冶金工业出版社 2004.473 478 4赵万祥, 赵乃勤, 郭新权.新型功能材料泡沫铝的研究进展J . 金属热处 理, 2004.6；711 5覃秀凤