多孔金屬材料的制備工藝及性能探究

謝中柱許并社樊建鋒

（1.太原學院機電工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學新材料工程技術中心，山西 太原 030024；3.太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

多孔金屬材料的制備工藝及性能探究

謝中柱1，2，3許并社2，3樊建鋒2，3

（1.太原學院機電工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學新材料工程技術中心，山西 太原 030024；3.太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

本文介紹了多孔金屬材料的發展情況，以多孔金屬材料的制備工藝為主，闡述了其功能應用及未來發展。多孔金屬材料的制備方法主要體現在熔體、粉末和沉積三個方面。介紹了各種工藝的制備原理和性能以及優缺點和工藝的金屬材料，并簡單介紹了國內的造孔劑給多孔金屬材料帶來了現在的狀況和成果。多孔金屬材料的用處多，可以用于結構和功能上，有益于減振、吸能及輕量化。

多孔金屬材料；制備工藝；性能應用

隨著社會的進步，多孔金屬材料越來越發展快速，已經成為近幾十年來發展的新型結構和功能的材料，它的內部分布著多量的孔洞。孔洞又分為閉孔和開孔。閉孔材料的比重較小，它的剛度和強度比較大，吸振性能強，它的孔洞一般都是單獨存在的，這是與開孔不同的地方；開孔的滲透性和通透性比較好，一般都是三維多孔結構組成的，它的特點可能比閉孔更好一點。這種多孔的金屬材料的應用領域也是越來越廣泛，不僅在交通領域、建筑工程等領域，在航天技術上有著更大的作用。

1 多孔材料的金屬熔體的工藝

1.1 熔體發泡法

熔體發泡法是一種向熔融金屬中加入發泡劑的方法，這種發泡劑能夠使金屬受熱分解產生氣體，產生的氣體會凝固在金屬的內部，經過處理的過程，最后生成多孔材料。使用這種方法一般都是低熔點的金屬，關鍵就在于選擇合適的發泡劑。這種發泡劑要適應金屬熔體的材料，在選擇上也是一種必須的工作。這種金屬工藝雖然簡單方便，但是制成的多孔金屬材料可能還有待提高質量。

1.2 滲流鑄造法

滲流鑄造法是另外一種金屬熔體的方法，它是將無機或者有機的可溶性顆粒或者是中空球放在耐高溫的鑄模內，然后在這些孔隙中滲入金屬溶液，然后通過其他的熱處理方法將顆粒去除，最終得到想要的多孔金屬材料。這種制造方法成本低，但是在一定程度上，它制成的多孔金屬的空隙率比較低，適用于多孔金屬材料。但是還是要提高它的制造質量，這樣才能使得制造的多孔金屬材料質量優質。

1.3 熔模鑄造法

還有一種方法是熔模鑄造法，它首先是要形成一個模具，要將發泡的塑料中填入一定幾何形狀的容器中，然后在他的周圍填上高熔點的金屬材料，材料升溫加熱由硬化變成氣化，形成帶有塑料狀的模具，再將液態金屬澆筑在模具上冷卻去除多余的高熔點材料，最后形成多孔金屬。這種方法的好處就在于制成的孔隙率比較高，但是它的弊端就在于成本高，制成的多孔金屬材料數量比較低，一般適用于制造多孔鉛和鋁。

1.4 氣體吹入法

氣泡吹入法首先就要對熔融金屬進行處理，然后在這些金屬中加入增稠劑顆粒，穩定好之后在這些熔融金屬的底部進行吹起處理，使這些金屬在溶液中產生氣泡，使這些氣泡均勻存在再進行冷卻，最終得到多孔的金屬材料。這種方法是目前制造多孔金屬材料比較省錢的方法，并且和其他方法相比具有簡單方便的好處，比較適合多孔金屬材料的制備，適合工藝的發展。

1.5 固—氣共晶反應法

固—氣共晶反應法是一種跟化學有關的方法，它主要是在高氫的情況下進行融化金屬，然后就會在這種情況下產生含有氫氣的金屬液，金屬液還會隨著溫度的變化而變化，只要溫度降低，金屬液產生反應會形成一定形狀的模具，然后氣體析出后就會形成多孔金屬。這種方法是制造多孔金屬材料的一種新型技術，但是制備孔洞的結構是最困難的，也在一定程度上增加了困難性。

2 多孔金屬材料的粉末制備工藝

2.1 粉末燒結法

粉末燒結法是另外一種工藝的制備方法，它主要是要形成一個預制體，這個預制體是由金屬粉末和造孔劑均勻混合形成的，然后加熱這個預制體可以得到多孔金屬材料或者是直接用金屬粉末形成一個模具然后進行燒結，這種方法就是粉末燒結法，他為主要用于電極的使用制造上。這種方法有好處，主要在于粉末好控制，孔洞的尺寸好掌握，時間和溫度的控制上也是比較方便的。這種方法制造出來的孔洞金屬材料的孔洞細小，比較均勻，主要適用于制備多孔的鎂銅等金屬材料。

2.2 漿料發泡法

漿料發泡法包括金屬粉末、發泡劑和活性添加劑，首先是要將漿料混合注入模具中，然后放在溫度較高的環境下，使得漿料處于一定的黏度，然后發泡劑在加熱的情況下產生氣體，放在漿料中，最后燒結成多孔的金屬材料。這種方法適合用于不銹鋼等一些金屬材料。這種方法下的多孔金屬材料的孔隙率高并且制造成本低，是一種適合應用的制備工藝，符合人們的使用條件。

2.3 空心球燒結法

這種方法主要適用于制造含有開孔和閉孔的多孔金屬材料，而且這種方法制成的材料的孔的尺寸分布是進行選擇的，它是由空心球的選擇而選擇的，所形成的孔洞尺寸也是穩定的，所以他的一些物理和化學性能也是可以進行預估的，比較方便。

3 多孔金屬材料的沉積技術的制備工藝

3.1 電解沉積法

電解沉積法采用電鍍工藝的方法在開口結構的骨架表面鍍層金屬，然后在高溫的情況下烘焙除去內部的開口結構材料，這樣制成多孔的金屬。這種高孔率的開口結構材料主要采用有機泡沫，這種泡沫成三維網狀。目前國內外普遍采用這種方法進行制造多孔的金屬材料，這種情況下制成的金屬材料孔隙率高，孔的分布比較均勻，孔隙之間也是相互相通的，但是好的方法還是存在弊端就是成本比較高，生產時間比較長。

3.2 氣相沉積法

氣相沉積法是在真空的氣氛下將液體金屬揮發成金屬蒸汽，然后再沉積在其他的聚合物上，最終形成一定程度的金屬沉積層，再經過冷卻加入物理和化學的方法再將聚合物去除，最終得到金屬材料。這種方法的好處就在于適應于任何金屬和合金，孔隙率比較高，適用性也是比較強的，但是對于設備的要求比價嚴格，沉積速度比較慢，成本很高。

4 多孔金屬材料的應用

多孔金屬材料的應用主要體現在金屬中孔洞的結構和孔洞的數量、形狀和孔洞的類型。多孔金屬材料不僅是結構材料同樣是功能材料。它的性能很多，主要體現在它的機械性能、物理性能、聲學性能和滲透性能等，在應用金屬材料的進程中有著不可替代的作用。在功能使用方面，多孔金屬材料又因為它的多孔的特點具有減振、吸收聲音和很好的滲透功效，大量的適用于各種催化劑和催化劑載體上，同樣還可以加工成加熱棒、隔音板和電熱設備。在醫學上，同樣可以使用不同的方面，可以用于造骨骼上，治療疾病也是一件重要的應用，用處會隨著社會的進步越來越多。在工業發展上，充分發揮了它耐高溫和耐高壓的特點，將是工業發展上必不可少的發展歷程。

對于多孔金屬材料的大部分使用都是要求在保證基本的使用強度下追求好的孔洞率和高的通孔率，這樣的使用條件下才會使產品的使用性能達到最大的使用狀態。一方面使得多孔金屬材料的產量大量增長，規模會越來越大；另一方面也會使三維網狀結構的高孔率金屬遍及在所有的多孔金屬材料的領域上，發揮多孔金屬材料的優勢。體現多孔金屬材料的使用已經是社會上關注的一個話題，因此，我們改進制作多孔金屬材料的制備工藝是我們很有意義的事情，會成為在機械領域上一件重要的事情。

5 多孔金屬材料的發展未來

多孔金屬材料是一種新興材料體系，其中最顯著的特點就是具有規則排列、大小可調的孔道結構，在特有的機械、光學結構以及生物醫學領域有更為廣闊的應用前景。多孔金屬材料的制備工藝主要體現在燒結法、鋳造法和金屬沉積法。雖然制造的工藝比較多，方法比較齊全，可是在現階段的發展下還不是特別的完善，對于孔洞的均勻性、形成的時間和孔洞的使用仍然需要進一步的改善。多孔金屬材料正朝著一個嶄新的時代歷程快速發展。尤其是在數字建模方面，加快了發展計算機的模擬系統，完善了各類的理論模型，優化了設備以及合成工藝，這將是多孔金屬材料發展的重點。目前，多孔金屬材料的制造設備正處在發展階段，相信在不遠的未來 多孔金屬材料的制備工藝會越來越完善。

[1]李雯霞.多孔泡沫金屬的制備和性能[J].中國鑄造裝備與技術，2009(5).

[2]張利民.多孔金屬材料制備技術及基本原理研究[J].科技創新導報，2012(19).

[3]于永亮，張德金，袁勇，劉增林.金屬多孔材料的制備及應用[J].萊鋼科技，2011(3).

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