泡沫铝及其合金的制备

泡沫铝及其合金的制备

随着工业的发展，噪声已成为世界上的三个主要水源之一。噪声不仅危害人的听觉系统,使人疲倦、耳聋,而且还会加速建筑物、机械结构的老化,影响设备及仪表的精度和使用寿命。噪声控制问题逐渐引起各国政府和科技工作者的重视,目前的主要解决办法是采用吸声材料进行吸声降噪处理。吸声材料按吸声机理分为多孔吸声材料和共振吸声结构材料两大类。多孔吸声材料具有高频吸声系数大、比重小等优点,但低频吸声系数低;共振吸声结构材料的低频吸声系数高,但加工性能差。当前我国所采用的吸声材料以超细玻璃棉为主,它的吸声系数大、比重小,但是强度低、性脆易断裂、易飞扬、吸尘,使其应用受到了严重限制。因此,必须开发性能优良的新型吸声材料。目前相继出现了泡沫金属、泡沫塑料、泡沫玻璃、聚氯乙烯/无机物复合泡沫等吸声材料。1泡沫金属的发展过程泡沫金属是一种新型多孔材料,经过发泡处理在其内部形成大量的气泡,这些气泡分布在连续的金属相中构成孔隙结构,所以泡沫金属把连续相金属的特性如强度大、导热性好、耐高温等与分散相气孔的特性如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等有机结合在一起。泡沫金属最早由美国Ethyl公司在20世纪60年代开始研究,我国对泡沫金属的研制始于80年代。目前泡沫金属研究已经涉及到的金属包括Al、Ni、Cu、Mg等,其中研究最多的是泡沫铝及其合金。1.1合成泡沫铝的工艺泡沫金属的制备方法有多种,大体上可分为直接法和间接法两种。所谓直接法,就是利用发泡剂直接在熔融金属中发泡,或者利用化学反应产生大量气体在制品凝固时减压发泡。间接法是以高分子发泡材料为基材,采用沉积法或喷溅法使之金属化,然后加热脱出基材并烧结。下面以泡沫铝为例说明。泡沫铝是一种在金属铝基体中分散着无数气泡的多孔超轻型金属材料,可分为开孔型图1(a)和闭孔型图1(b)两类。泡沫铝在国外已经形成工业化生产,比较著名的公司和品牌有加拿大Cymat铝业公司,日本ShinkoWire公司(Alporas泡沫铝),美国ERG公司(Duocel泡沫铝)等。下面介绍两种典型的生产工艺。加拿大Cymat铝业公司采用Alcan工艺制备泡沫铝,如图2所示。把空气通入熔融金属中,搅拌使气泡均匀化,气泡的大小可以通过改变气流速度、喷嘴的数量和尺寸、叶轮的旋转速度来控制。金属发泡后被输送到传送带上冷却固化,经切割得到所需要的产品。熔融金属中需要加入细小的陶瓷颗粒增加其粘度,以保证空气在金属内部发泡而不逃逸。Alcan泡沫铝的气孔直径为3~25mm,孔隙率为80%~98%。日本ShinkoWire公司生产的Alporas泡沫铝工艺流程如图3所示。首先把Ca(w=1.5%)加入680℃下的熔融铝中,在此温度下Ca被氧化成颗粒状的CaO和CaAl2O4,它们分散到熔融金属中,可以增加金属的粘度和气泡的稳定性。然后把TiH2(w=1.6%)粉末加入熔融金属中,TiH2分解后产生氢气使金属发泡,经过冷却、固化、脱模,得到尺寸为2050mm×450mm×650mm的泡沫体,最后切成所需要的形状。该方法采用固体粉末发泡剂,它在放出气体前就与金属充分混合,可以更有效地控制气孔的位置和大小,所以Alporas泡沫铝比Alcan泡沫铝孔径更小,结构更均匀。通过改变TiH2的含量和发泡冷却条件,所得到的Alporas泡沫铝孔径为0.5~5mm,孔隙率为84%~93%。除以上方法外,制备泡沫金属的方法还有渗流铸造法、粉末冶金法、沉积法等。1.2泡沫金属材料泡沫金属中气泡的不规则性及其立体均布性产生了优良的吸声特性。(1)泡沫金属中的介质在声波作用下产生振动和形变,摩擦生热而消耗声能;(2)无数的气孔使声波产生反射、折射和干涉现象,起到消声作用;(3)泡沫金属被切断或压缩加工后其气泡壁会破裂,声波可使气孔产生膨胀消声。泡沫金属用作吸声材料,与玻璃棉、石棉相比有很多优点。它是由金属骨架和气泡构成的泡沫体,为刚性结构,且加工性能好,能制成各种形式的吸声板;不吸湿且容易清洗,吸声性能不会下降;不会因受振动或风压而发生折损或尘化;能承受高温,不会着火和释放毒气。泡沫金属不仅在高频区,而且在中、低频区也具有较好的吸声性能。以泡沫铝为例,随着孔隙率的增大,其吸声系数先增加,后减小,当孔隙率达75%时有最佳吸声效果。压缩加工可明显提高泡沫铝的吸声性能,当压缩率为40%时效果最好。从综合效果来看,随着气孔分布均匀,孔径减小,孔隙率增加,泡沫铝在各频段的吸声系数均有升高的趋势。泡沫铝已经成功应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域,并取得了很好的效果。2泡沫塑料吸收材料2.1聚氨酯类氧漂料聚氨酯泡沫塑料(PUF)是一种新型系列化吸声材料,按照气孔形式不同,分为闭孔型和开孔型两类。闭孔聚氨酯泡沫主要用于隔热保温,开孔的则用于吸声。PUF无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀,对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘合性。特别是硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性。PUF在我国也已经工业化,例如宁波镇海吸音材料厂开发研制并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖,防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干胶,安装时可直接粘贴。表1是用混响室法测得的聚氨酯泡沫塑料板吸声系数。聚氨酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体,具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点,适用于机电产品的隔声罩,吸声屏障,空调消声器,工厂吸声降噪,以及在影剧院、会堂、广播室、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混响时间。因为用作吸声的聚氨酯泡沫是一种软质泡沫塑料,所以强度较低。2.2微穿吸声体最大吸声系数用EPR橡胶改性后的聚丙烯泡沫材料具有良好的吸声性能,当交联剂用量为0.67时,所得泡沫材料最大吸声系数达0.94。在此基础上,借鉴微穿孔吸声理论而研制的泡沫材料微穿孔吸声体在中低频区的最大吸声系数达0.98以上。另外还有人在研究聚偏二氟乙烯(PolyVinyliDeneFluoride)泡沫,这种被称作第二代智能泡沫的材料具有很好的吸声性能。3吸声板和玻璃泡沫玻璃是以玻璃粉为原料,加入发泡剂及其它掺加剂经高温焙烧而成的轻质块状材料,其孔隙率可达85%以上。按照材料内部气孔的形态可分为开孔和闭孔两种,闭孔泡沫玻璃作为隔热保温材料,开孔的作为吸声材料。表2为用驻波管法测量的不同厚度泡沫玻璃板的吸声系数。可以看出,泡沫玻璃板厚度的增加对吸声系数影响不明显,因此一般选用20~30mm厚的板材,可以获得比较高的性价比。泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割加工、施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点。它本身既是吸声材料,又可做成各种颜色的室内装饰材料,与常用的玻璃棉、岩棉及矿渣棉等纤维吸声材料相比,其外表不需要再加装饰穿孔护面板。泡沫玻璃适用于候车室、商场和展览大厅,用作平顶和墙面装饰,降低混响、提高广播清晰度。利用其良好的耐水和抗老化性能,可用在潮湿环境和风吹雨淋的露天条件下,如游泳馆、地铁、道路声屏障等。同时,泡沫玻璃不会产生纤维粉尘,非常适合于要求洁净环境的通风和空调系统的消声。泡沫玻璃板强度较低,背后不宜留空腔,否则容易损坏。4吸声性能分析将聚氯乙烯(PVC)、增塑剂、防老剂、发泡剂等原料按一定的配比混合均匀后,加入一定量的岩棉,然后在开放式炼塑机上进行混炼,再将混炼好的材料放入模具,在烘箱中升温发泡后得到聚氯乙烯/岩棉泡沫材料。这是一种既含有机物又含无机物的复合泡沫材料。纯聚氯乙烯泡沫塑料在低频处吸声系数相当小,而聚氯乙烯/岩棉泡沫材料则在低频处有一吸收峰。这是因为岩棉纤维共振产生摩擦,将声能转化为热能。所以,PVC/岩棉复合泡沫材料极大地改善了中低频吸声性能。进一步研究发现,在聚氯乙烯/岩棉复合泡沫吸声材料中加入丁腈橡胶(NBR)后,吸声性能将发生一定的变化。随着NBR用量的增加,高频吸声系数显著下降,而低频吸声系数有所上升。这是因为PVC发泡材料高频吸声系数高,低频吸声系数低,而NBR材料高频吸声系数低,低频吸声系数高,当两种材料共混时,吸声性能介于二者之间。PVC/NBR/岩棉复合吸声材料综合了多孔吸声材料和共振吸声材料的优点,具有低频吸声系数高、适用频率范围宽、可加工性能好、工艺简单、成本低等优点,广泛适用于工业和民用建筑等领域。其缺点是制备过程中用到岩棉,会产生纤维粉尘污染。5泡沫吸声