泡沫鎂制備技術研究現狀及其在航空航天領域的應用前景

盧翰林，陳樂平，周全

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

20 世紀50 年代以來，泡沫金屬因其密度低、比剛度和比強度高、阻尼性能良好等優點，引起了國內外研究人員的廣泛關注。鋁由于其較穩定、儲量豐富、密度小等優點，一直是泡沫材料中的熱門。由于鎂的密度比鋁小，電磁屏蔽性能比鋁好，泡沫鎂同樣是非常有潛力的一種材料，但由于鎂較活潑，易引起氧化燃燒甚至爆炸，故關于泡沫鎂的研究較少。文中主要介紹了泡沫鎂的幾種性能特點、制備方法，并對泡沫鎂在航空航天領域的應用前景進行了展望。

1 泡沫鎂的性能

泡沫鎂作為一種多孔材料，與實體金屬相比，有著更優良的阻尼性能和吸能性能，泡沫鎂的特殊結構，使其兼具優良的結構性和功能性，其密度比泡沫鋁還小，比強度和比剛度也比泡沫鋁高，在功能上，其阻尼性能和抗電磁干擾能力比泡沫鋁更好，在航空航天領域有著廣闊的應用前景。

1.1 阻尼性能

泡沫鎂材料由氣孔與鎂基體組成，其組織結構不均勻，內部存在許多孔隙，使其壓縮應力應變曲線存在一段較長平臺區，即泡沫鎂具有優良的阻尼性能[1]。封偉民[2]測試了AZ91 合金與泡沫鎂的阻尼性能，應變量相同的情況下，相較于AZ91/SiC 復合材料，泡沫鎂材料具有更大的阻尼值，其阻尼性能更優。

1.2 吸聲性能

入射到泡沫鎂材料內部的聲波在孔隙結構中傳播時，會產生振動，進而引起孔隙內的空氣運動，使孔壁與空氣產生摩擦，由于流體具有粘滯性，孔壁表面的空氣流速緩慢，此時一部分聲能由于摩擦和粘滯力的影響轉變為其他能量，空氣與孔壁接觸也會產生熱交換，使聲波衰減，從而使泡沫鎂材料具有吸聲性能。鄭照彬[3]研究了開孔泡沫鎂的吸聲性能，研究表明開孔泡沫鎂的孔隙率增大會增強其吸聲性能。

1.3 吸能性能

泡沫鎂受到外加應力作用而壓縮時，由于其獨特的孔洞結構，表面的塑性變形比實體金屬的塑性變形大，且由于具有較長的應力平臺，可吸收大量的能量，故具有優良的吸能性能，因此泡沫鎂在緩沖吸能方面的應用較為廣闊。鄭照彬[3]研究了開孔泡沫鎂的吸能性能，研究表明孔隙率增大會導致其吸能性能降低。

1.4 散熱性能

由鎂基體和孔隙組成的泡沫鎂材料有較高的比表面積，熱交換面積較大，故孔隙中的空氣流通時，空氣的熱量能迅速且均勻地傳導至泡沫鎂各部分，因此泡沫鎂可應用于散熱器領域。王超星等[4]對強制對流下通孔泡沫鎂的孔隙率、孔徑和散熱效果的關系進行了研究，發現泡沫鎂孔徑對其散熱性能影響最大，其次為孔隙率。李賢昌等[5]也探討了強制對流下泡沫鎂散熱器的散熱情況，發現其散熱效果比傳統散熱器的散熱效果更好，且其孔徑、孔隙率的增大會使其綜合散熱性能增強。李楠楠等[6]對LED 燈上泡沫鎂合金散熱器的散熱效果進行了研究，發現其底座厚度、孔結構及孔徑對散熱效果影響最大，且與原散熱器相比，泡沫鎂合金散熱器使 LED 燈的溫度下降了1.2～3.9 ℃。南森[7]研究了自然對流和強制對流下孔隙率泡沫鎂合金的散熱性能，發現無論在自然對流還是強制對流條件下，泡沫鎂散熱器的散熱效果都優于傳統散熱器。徐夢欣[8]分析了泡沫鎂合金散熱器的散熱原理，并以泡沫鎂材料為散熱體，制作出了電腦CPU散熱器。

1.5 生物醫學性能

泡沫鎂可作為生物材料應用于醫學。例如泡沫鎂可以用于制作骨架，因為人體體內含有鎂元素，不會對泡沫鎂產生免疫排斥。另外，從力學性能方面看，泡沫鎂與人體骨骼的力學相容性好，故泡沫鎂材料在骨骼工程方面有良好的應用前景[9—15]。沈劍[16]利用堿熱處理法對泡沫鎂表面進行改性，研究了不同孔隙率的泡沫鎂經多孔鎂堿熱處理后在SBF 中的耐腐蝕性能，結果表明泡沫鎂經堿熱處理后抗腐蝕性能明顯加強，同時發現泡沫鎂孔隙率提高時，彈性模量下降，這為泡沫鎂的彈性模量與人體相匹配提供了可能。

1.6 電磁屏蔽性能

泡沫鎂的多孔結構使其具有較大的比表面積。當電磁波傳播至泡沫鎂的孔洞中時，會發生多次反射和干涉，使得電磁波能量被大量消耗，故泡沫鎂有著優良的電磁屏蔽能力，適用于航空航天等領域。

2 泡沫鎂的制備方法

隨著泡沫鎂材料的開發越來越被重視，國內外發展起來了一系列泡沫鎂制備技術，主要包括粉末冶金法、熔體發泡法和滲流鑄造法等。

2.1 粉末冶金法

日本名古屋（AIST）研究所的Wen 等[17]最早使用粉末冶金法制備泡沫鎂。他們以鎂粉為原料，加入尿素作為發泡劑，將兩者混合均勻并壓制成緊密的預制體，放入容器內加熱燒結，待發泡劑受熱分解即可獲得帶有孔隙結構的泡沫鎂材料。后續也有一些研究人員進行了改善，郭權芬[18]使用的造孔劑為(NH2)2CO，對工藝參數和原料進行了改進，運用粉末冶金法的原理，成功實現了開孔泡沫Mg-6Al 合金的制備，成品的孔隙率為30%～70%，平均圓度值為0.75，平均孔徑約為1.1 mm，孔壁厚度約為100～300 μm。孫紅霞[19]采用的發泡劑為K2CO3，為避免鎂發生氧化燃燒甚至爆炸，在鎂發泡時充入氬氣，使其在惰性氣體氛圍中進行發泡。沈劍等[16]運用粉末冶金法原理成功制備出泡沫鎂，其孔隙率最低為20%，最高可達55%，且研究了泡沫鎂孔隙率對其壓縮性能及抗彎強度的影響。

使用粉末冶金法制備泡沫鎂方便快捷，制作周期較短，且可通過控制發泡劑的顆粒大小與含量調整泡沫鎂的孔隙大小和孔隙率，是常用的制作泡沫鎂的工藝方法之一，但是此方法制作的泡沫鎂孔隙率一般較低，孔隙范圍較窄。

2.2 熔體發泡法

熔體發泡法是制備泡沫鎂的一項成熟工藝，其原理是熔融金屬鎂中的發泡劑受熱會發生化學反應，分解出氣體，金屬液冷卻凝固時氣體逸出形成氣泡，故泡沫鎂材料最后會形成孔隙結構。

蘆國強[20]運用熔體發泡法的原理，成功實現了泡沫鎂合金的制備，并且研究了制備工藝對泡沫鎂材料制備效果的影響，結果表明使用SiC 和Ca 作為復合增粘劑可以達到更好的效果，且總結了此情況下的最佳工藝參數。南昌航空大學周全等[21]以MgCO3為發泡劑，SiC 為增粘劑，采用熔體發泡法制備出了泡沫鎂材料。此方法以MgCO3為發泡劑，降低了熔體發泡法制作泡沫鎂的成本，為泡沫鎂通過熔體發泡法實現大批量生產提供了更多的可能。

熔體發泡法制備泡沫鎂操作簡單，成本低廉，有利于大批量生產，然而發泡過程受影響較多，易導致泡沫鎂孔隙率、孔隙大小等不穩定。

2.3 滲流鑄造法

泡沫鎂材料的制備方法中，滲流鑄造法也是較為成熟的一種方法，其原理是鑄型中帶有孔隙的預制體由水溶性鹽顆粒制成，鑄型上部與大氣接觸時，控制底部氣壓小于大氣壓，存在一定壓力差，此時將熔融的金屬鎂或鎂合金注入鑄型中，金屬液就被吸進預制體中，待其冷卻凝固后取出，再進行必要的機械加工得到需要的形狀后，用溫水溶解除去填料顆粒，即得到帶有孔隙結構的泡沫鎂材料。

NaCl 和MgSO4常被用作滲流鑄造法的填料顆粒，但NaCl 對鎂具有一定的腐蝕性，故MgSO4被用作填料顆粒的頻率更高。陳樂平等[22]對真空滲流法制備泡沫鎂合金的工藝進行了研究，制備出了孔徑為1～2 mm 的開孔泡沫鎂合金，并對填料進行了比較，發現相比于NaCl，MgSO4合金基體的腐蝕較少。不過也有學者采用了特別的填料顆粒，WANG 等[23]以鹽-面粉混合料為填料，運用熔體滲透法原理成功實現高純度、高質量的開孔泡沫鎂制備。Jiang G 等[24]采用了滲流鑄造法和酸腐蝕相結合制備出了孔隙率為58.5%，平均孔徑為490 μm，具有雙層結構的多孔鈦鎂復合材料。

滲流鑄造法工藝流程中的影響因素少，便于控制，操作也較為簡單，有利于泡沫鎂產品的大批量機械化生產。缺點是鎂作為活潑金屬，在滲流過程中易被氧化，導致燃燒甚至爆炸，故對設備的安全防護能力具有較高的要求。陳樂平等[25]對真空滲流法制備泡沫鎂合金的工藝安全性進行了研究，分析了滲流時和滲流后鎂合金發生燃燒和爆炸的原因，發現滲流時鎂液會與水或氧氣接觸反應而燃燒甚至爆炸，滲流后鎂合金的周圍溫度過高而引起鎂燃燒甚至爆炸。

2.4 其他方法

金屬-氣體共晶定向凝固法也在多孔金屬材料的制備方法中占了一席之地，也稱GASAR 法。此方法的制備原理是先在真空環境下熔化金屬，然后向金屬液中通入高壓氣體，氣體濃度達到飽和后，由于氫氣或其他氣體在金屬固液兩相中的溶解度不同，故金屬液凝固時，氣體會析出形成氣泡并與固相金屬協同定向生長，形成蓮藕狀的氣孔組織。與傳統方法制備的多孔鎂相比，GASAR 法制備的多孔鎂有著更優異的聲學、熱學、力學和吸震等性能，不過其凝固過程難以控制，金屬的孔隙分布、孔隙大小較不均勻。Kang等[26]選用NaCl 為造孔劑，利用放電等離子體燒結（SPS）技術成功制備了泡沫鎂材料，其孔徑約為240 μm，孔隙率分別為60%，70%，80%。放電等離子體燒結（SPS）技術可提高泡沫鎂在SBF 溶液中的耐蝕性，缺點是放電等離子體燒結工藝設備復雜，成本較高。陳勇[27]采用微波燒結技術制備了泡沫鎂，并對其進行了SiC 顆粒增強（形成SiC/Mg 復合材料）和微弧氧化表面改性研究。微波燒結技術的優點是快速高效、節能無污染，并可提高材料綜合力學性能和促進致密化，缺點是技術復雜，操作難度大。

3 泡沫鎂在航空航天領域的應用前景

泡沫鎂材料在航空航天領域有著廣闊的應用前景。航空航天構件材料的重要發展方向之一就是輕量化，目前實際應用的最輕金屬結構材料就是鎂合金。泡沫鎂具有多孔結構，比一般的鎂合金更輕，且擁有許多優良性能，可作為結構和功能材料應用于飛行器和航天器上，大大減輕飛行器和航天器的重量，帶來巨大的減重效益。減重相同質量的條件下，商用飛機帶來的燃油費用節省是汽車燃油費用節省的近100 倍，而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10 倍，尤其是提高戰斗機的機動性能及速度可大大提高其生存能力和戰斗力。泡沫鎂的高比剛度、高比強度，使其可作為飛機的尾翼、直升機的減速器機匣、航天器的電控箱等的制造材料之一，可以減輕較多重量[28]。泡沫鎂優良的阻尼性能、吸能性能，使其可作為飛機防震座椅的佳選材料，為乘客提供更加舒適的體驗[29]。

泡沫鎂由于其獨特的孔洞結構，塑性變形比實體金屬的塑性變形大，且具有較長的應力平臺，能吸收大量的能量，吸能性能良好，可用于制作飛機起落架和航天器回收艙的艙底，減緩著陸時的沖擊[30]。泡沫鎂亦可看作是由三維網狀金屬骨架和孔洞所組成的復合材料，當其受到外力作用時，基體會產生復雜的不均勻應變，造成能量耗散，故泡沫鎂可以作為一種新型輕質高阻尼材料應用于噴氣機控制盤的外殼等[31]。人造衛星、火箭飛船等軟著陸時依然會承受較大的沖擊，泡沫鎂材料則可以用于制作著陸器，減緩沖擊，保護航天器。優良的電磁屏蔽性能和吸聲性能也可使其作為飛機夾層結構填充在蒙皮間，降低外界對飛機內部的干擾[29]。

泡沫鎂材料的良好散熱性能可使其用于飛機發動機外殼，加快散熱，延長發動機的工作時間。

4 結語

泡沫鎂具有諸多優良性能，無論是作為結構材料還是功能材料，都領先于許多傳統材料，其制備方法也較多，有廣闊的應用前景，特別是在航空航天領域有著很大的潛力。主要介紹了泡沫鎂材料的阻尼性能、吸能性能、電磁屏蔽性能等性能特點；簡述了泡沫鎂制備方法中的粉末冶金法、熔體發泡法、滲流鑄造法，并分析了每種方法具備的優勢及存在的問題；概括了泡沫鎂材料在航空航天領域的應用前景。由于鎂的化學性質活潑，泡沫鎂易在制備過程中被氧化，引起燃燒甚至爆炸，所以現今國內外對泡沫鎂材料基本還停留在研究階段，較少有應用實例，但泡沫鎂材料優勢巨大，相信隨著其研究的繼續深入及制備工藝的不斷完善，泡沫鎂材料必會更加廣泛地被應用于生產生活中。