多孔金屬的制備工藝及性能綜述

摘要：本文綜述了多孔金屬材料現階段的各種制備工藝及性能應用。制備工藝主要是從金屬熔體、粉末、沉積三個方面展開論述，并根據多孔金屬所具有的輕質、高強、減震、消音等特點，對其作為結構材料、功能材料在建筑、化工及醫用方面的應用進行了綜述。隨著現代工業及科技的進步，多孔金屬材料的發展逐漸向材質的合金化、復合化，孔徑的微細化，制備與應用研究一體化方向發展。

關鍵詞：多孔金屬，制備工藝，性能應用

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

1 前言

近年來，多孔材料逐漸成為一種發展非常迅速的熱點材料，從性質上分類，它包括無機多孔材料，如多孔陶瓷、發泡玻璃、泡沫混凝土等，有機多孔材料，如有機氣凝膠，聚苯乙烯吸附樹脂等，以及金屬多孔材料。多孔金屬材料是一種由金屬基體及氣孔組成的新型多功能復合材料，具有輕質、高強、減震、消音減噪的優點，被廣泛地應用于建筑、化工、交通運輸、生物制藥、軍事及航空航天領域。為取得更廣泛的應用領域，獲得性能更優異的多孔金屬材料產品，其內部孔徑的研究方向已由傳統的多面體孔形貌向高孔隙率、均勻細小的球狀孔隙發展。

2 多孔金屬的制備工藝

多孔金屬材料的制備方法眾多，對于同一種金屬材料，所使用的制備工藝不同，得到的材料內部氣孔孔徑及分布會有很大的差異，其性能和應用也有變化。可根據以下幾種不同方法進行分類：（1）根據采用工藝的不同，分為鑄造法，沉積法，燒結法和發泡法；（2）根據材料內部形成的孔隙結構的不同，分為開孔多孔金屬和閉孔多孔金屬；（3）根據生成氣孔時金屬狀態的不同，可分為基于金屬熔體的方法，基于金屬粉末的方法，基于金屬蒸氣的方法和基于金屬離子的方法[1～4]。

2.1 基于金屬熔體的制備工藝

該方法是先將金屬基體（如鋁合金或鐵合金）熔化，再加入第二相金屬或氧化物（如SiC、Al2O3）增加粘度，并通過攪拌使原料混合均勻，在攪拌過程中可以直接將氣體，如空氣、氮氣等注入熔體中，從而形成氣孔[1]。此方法雖然簡單經濟，但得到的多孔金屬產品孔結構往往不均勻，且力學性能不佳。此外，在得到金屬熔體后，還可以通過添加發泡劑發泡，常用的發泡劑一般為金屬氫化物，如TiH2、ZrH2，或碳酸鹽類，如CaCO3、SrCO3，加熱使發泡劑分解，產生氣體使熔體膨脹發泡，冷卻后得到多孔金屬[2]。此方法的關鍵在于發泡劑和金屬熔體在充分攪拌混合階段的分解量要進行控制，混合均勻后在發泡階段可產生足夠的氣體。

2.2 基于金屬粉末的制備工藝

利用粉末冶金法來制備多孔金屬，是通過采用金屬粉末作為原料，并添加相應的發泡劑來制取多孔金屬材料的一種方法。將原來與發泡劑按一定比例均勻混合后，經過壓制成型得到緊密的塊體，并將其加熱到混合物的臨界熔點溫度，使金屬塊體熔化同時發泡劑分解產生氣體，從而形成多孔金屬[3]。該方法得到的多孔金屬材料孔隙率較高，且孔分布較為均勻[1]。此外，有研究發現用金屬纖維代替金屬粉末，在同樣的孔隙率下，燒結所得的多孔金屬強度比使用金屬粉末高出幾倍[4]。

2.3 基于沉積技術的方法

2.3.1 基于金屬蒸氣的方法

該工藝是通過在真空或較高的惰性氣氛下（102～103Pa），將熔融的液態金屬蒸發成氣態金屬，并使其在特殊的聚合物上沉積，形成具有一定厚度的金屬沉積層。冷卻后通過化學方法或熱處理去除聚合物基底，即得到具有通孔的金屬材料[5]。該方法對設備要求高，且沉積速度慢，成本很高，但適合于任何金屬與合金，得到的多孔金屬孔隙率高，分布均勻。

2.3.2 基于金屬離子的方法

該方法是采用電化學的方法將金屬沉積在易分解的多孔有機物上，然后用熱處理的方法將有機物除掉后燒結而得到的多孔金屬。由于多孔有機物不導電，故需將其浸入導電溶液中進行電鍍處理，即在多孔有機物的表面鍍一層金屬，從而使形成導電性多孔基體孔隙表面[4]。該方法制得的材料具有密度低、孔隙率高、比表面積大、孔隙分布均勻等優點，目前國內外普遍采用該方法進行高孔隙率多孔金屬的大規模生產[6]。

3 多孔金屬的性能

3.1 功能材料

3.1.1吸聲材料

一般來說，多孔材料均具有一定的吸聲性能，多孔金屬也不例外，如泡沫鋁。影響多孔金屬材料吸聲性能的主要因素有材料厚度、孔隙率、空腔厚度、表面涂層、環境溫度等因素，從材料自身來說，材料內部的孔隙分布影響最大，其關鍵在于：微孔是相互連通的，在一定孔徑范圍內，材料內部孔隙率越高，孔徑越大，其吸聲效果越好，而閉孔的吸聲作用相對較小，甚至不起吸聲作用[7]。與傳統的木質纖維板及無機保溫板相比，多孔金屬材料不僅具有吸聲降噪的功能，而且兼具高的比強度、防火、減震、防潮、環保等優良性能[8]。

3.1.2過濾與分離

多孔金屬材料的孔隙率在30～80%之間，孔徑分布在10nm～600μm之間，具有優良的流體透過性能，由其制備的過濾材料被廣泛地應用于汽車、化工、冶金、制藥及水處理等不同領域。與多孔陶瓷相比，其強度和延展性明顯更高，且在機械加工和焊接方面具有一定的優勢，但在耐高溫及耐腐蝕方面仍有很大差距[9]。

3.1.3 催化劑載體

目前，多采用多孔陶瓷材料作為催化劑載體，但是在強度、韌性和導熱性上，多孔金屬材料具有明顯的優勢，可使其作為催化劑載體材料的新的選擇，提高催化效率。如可用于乙醇的選擇性氧化、石油化工中的己烷重組反應工程[10]；又如在多孔金屬薄片表面涂抹催化劑漿體，并通過軋制成型和高溫處理，可用來處理氮氧化物等電廠廢氣[11]。

3.1.4 醫用生物材料

根據多孔金屬的過濾分離功能，在抗菌素藥物生產時常使用多孔合金制成的過濾器過濾不需要的細菌，采用多孔鈦管進行氯霉素水解物過濾、四咪唑生產中活性炭的過濾等。此外還有利用多孔金屬材料所具有的開放多孔狀結構，例如由鈦及鈦合金制備的多孔材料，因與人體組織有良好的相容性且對人體無害，且其自身具有的機械強度及楊氏模量可通過調整孔隙率與人體天然骨骼相匹配，同時具有很好的減振效果，多被應用于生物醫學中骨科植入物、椎體融合等椎間盤疾病的治療[4，12]。

3.2 結構材料

3.2.1 建筑材料

在目前大多數建筑工程中，具有輕質、高強、耐火阻燃的保溫構件應用十分廣泛，傳統的保溫材料如聚氨酯泡沫板、巖棉等不具備一定的承重能力和防火功能，在使用過程中經常易引發火災事故。而多孔金屬材料在建筑材料方面的應用填補了傳統保溫材料的不足，其獨特的視覺效果也可用于裝飾材料，不僅被工業人士重視，同時也深受設計師和藝術家的青睞[13]。

3.2.2 汽車工業及航空航天

金屬多孔材料作為結構材料，還可用在汽車、航空航天領域。目前輕質、具有高剛度、吸能和吸音性能的多孔鋁已在汽車上得到應用，如德國Karmann汽車公司研制的三明治式復合多孔鋁制車頂蓋板，與比原來的鋼構件相比，剛度提高了7倍左右，而重量卻減輕了3/4[4]。另外，多孔金屬所具有的輕質高強、阻燃、高阻尼性能、電磁屏蔽、導熱導電性能，可以取代航天工業中使用的蜂窩結構材料、高分子粘彈材料及輕質傳熱支撐構件，制作飛機機翼金屬外殼的支撐體，宇宙飛船的起落架、宇航員空間行走的保暖裝置等[1，2]。

4 結語

隨著工業與科技的進步與發展，人們對多孔金屬材料的應用需求越來越廣泛。然而多孔金屬材料的應用價值尚未被完全開發出來，輕質化已不再是人們所追求的目標，開發出新的兼具輕質及其它優良性能的多功能復合材料成為必然的發展趨勢，同時由實驗室階段向工業化生產的推進將會對能源、建筑、國防等國家支柱產業產生極大的經濟和環保意義。

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