目前，寶馬、奔馳、豐田、現代等汽車公司都在開發泡沫鋁材料轎車保險杠，甚至一些公司已通過撞車實驗。原因是泡沫鋁材料耐熱、阻燃，在受熱狀態下不會釋放有毒氣體，所以采用泡沫鋁材料來代替泡沫塑料或發泡樹脂材料，可以提高使用壽命，減少維修，同時也消除了傳統材料在車輛事故中產生的有害氣體，大大降低了交通事故中的損失和人員傷亡，同時也起到了環保作用。

    泡沫鋁材料的輕質結構、能量吸收和噪聲控制等優越性能，使其在汽車與交通工業中有著廣泛的應用空間。汽車日益向輕量化、低能耗、更安全舒適的方向發展，為此需采用密度低、綜合性能好、再生利用率高的材料。歐盟實行的光明歐洲計劃就是研究泡沫鋁材料在汽車上的應用。采用泡沫鋁材料構件，汽車構架的剛度得到加強，可使構架穩定性提高30%。

    泡沫鋁的制備方法、性能及應用

    摘要： 泡沫鋁是一種新型多功能材料，具有獨特的結構和許多優異的性能 ,其應用前景可觀，應用范圍日益擴大。本文概述了泡沫鋁的各種制備方法、性能及應用。

    結果表明：根據制備過程中鋁的狀態可以將制備方法分為三類：液相法、固相法、電沉積法；泡沫鋁的性能研究方面主要研究了物理性能、力學性能、吸能特性、阻尼性能、吸聲性能；泡沫鋁主要應用為建筑材料、裝飾材料、防音材料、抗振材料、型材及汽車制造業。國外對該領域的研究已相當深人、系統，與國外相比，我國對泡沫鋁材料的研究起步較晚，研究尚處于實驗范圍內，所以，我國今后還應進一步加強泡沫鋁材料的研究。

    泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布有無數氣泡的多孔質材料。目前，日本與德國在研究、生產和應用泡沫鋁與其他金屬泡沫方面居世界領先地位。我國對泡沫鋁材的研究始于1980s后期，已取得了一系列的研究成果，但尚未取得突破性的成就，仍然處于起步階段，未形成生產力。

    一、泡沫鋁的制備方法

    制備泡沫鋁的方法有多種， 根據制備過程中鋁的狀態可以分為三大類：液相法、 固相法、 電沉積法。

    1 液相法

    通過液態鋁產生泡沫結構， 可在鋁液中直接發泡，也可用高分子泡沫或緊密堆積的造孔劑鑄造來得到多孔材料。

    1.1熔體發泡法

    在鋁液中直接產生氣泡可得到泡沫鋁。通常，氣泡由于浮力而快速上升到鋁液表面，但可以加入一些細小的陶瓷顆粒增加鋁液粘度阻止氣泡的上升。當前，熔體發泡主要有兩種方法：直接從外部向鋁液中注入氣體；在鋁液中加入發泡劑。

    （1） 直接注氣法   各種泡沫鋁合金都可用此法生產， 包括鑄造鋁合金A359,鍛造合金 1061、3003、6061等。為了增加鋁液粘度，需要加入碳化硅、氧化鋁等顆粒。此方法的難點在于如何使顆粒被鋁液潤濕并均勻分布在液體中， 顆粒的體積分數通常為 10 % - 20 %, 顆粒尺寸為 5 - 20微米。然后把氣體 （空氣、氮氣、氬氣）通入鋁液中，同時對液體進行攪拌使氣泡細小并均勻分布，這一步工藝的好壞將直接影響產品質量。含有氣泡的鋁液將浮向液面，由于顆粒的存在，使液體中的氣泡相對穩定。用轉動皮帶將表面半固態的泡沫拉出就得到泡沫鋁板。這種方法優點是可以連續生產，可獲得低密度、大體積的產品。缺點是要對泡沫板材進行剪切，造成泡沫開孔，同時由于顆粒的加入，使胞壁變脆，對力學性能產生不利影響。

    （2） 加發泡劑法   用發泡劑代替氣體注入亦可得到泡沫鋁。首先在680攝氏度的鋁液中加入金屬鈣， 對于實際生產， 一般加入量為 1.5 % - 3.0 %（ w t），攪拌幾分鐘增加液體粘度，鈣的加入對鋁液粘度的影響。鈣也可用碳化硅等顆粒代替。粘度合適后，加入TH 2。在恒壓下， TH 2分解出 H2,液體膨脹泡沫化， 冷卻后即可得泡沫鋁。TH 2可被 ZrH 2等發泡劑代替。這種方法的優點是可制得非常均勻的泡沫，并且氣孔平均尺寸和鋁液粘度以及泡沫鋁密度和粘度之間存在關系，使孔徑可控。

    1.2   固-氣共晶凝固法

    近年來開發的一種新方法，依據是在H2中一些金屬可形成共晶系統。在高壓H2下能獲得含氫的均勻鋁液，如果降低溫度通過定向凝固將發生共晶轉變， H2在凝固區域內含量增加，并且形成氣泡。因為體系壓力決定共晶組成， 所以外部壓力和氫含量必須協調好。最終孔的形狀主要取決于氫含量、鋁液外部壓力、凝固的方向和速率、金屬液的化學成分，通常沿凝固方向形成管狀孔， 孔直徑 10um -10mm, 長度 100um -300mm。

    1.3   鑄造法

    （1） 熔模鑄造   熔模鑄造工藝：先準備開孔的高分子泡沫， 用耐熱材料填充高分子泡沫。耐熱材料可用莫來石、酚醛樹脂、碳酸鈣混合物或石膏等， 然后通過加熱除去高分子泡沫并將鋁液鑄入模型中來復原高分子泡沫的結構，這一步可以采用加壓和加熱模型的方法使細小孔洞得到充分填充，最后用水溶等方法除去耐熱材料，即得到與原高分子泡沫相同結構的泡沫鋁。此法的難點在于如何使鋁液充分填充到模型中， 以及如何在不破壞泡沫鋁結構的同時除去耐熱模型。優點是可制備多種泡沫金屬，并且可以得到開孔結構，生產重復性好，有相對穩定的密度。

    （2） 滲流鑄造   在無機或有機顆粒周圍鑄入鋁液可制得多孔鋁。無機材料可用蛭石、泥球、可溶性鹽等，有機材料可用高分子顆粒。采用這種方法時，造孔劑堆積密度要高，以保證顆粒之間互相接觸，以便將來除去，為了防止鋁液在鑄入時過早凝固，要將造孔劑預熱。由于鋁液具有大的表面張力，使得鋁液很難成功鑄入顆粒間隙中，所以可以先將造孔劑塊體抽真空， 然后加壓滲透。待鋁液凝固后，可用水溶法或熱解法除去造孔劑。此法的優點是通過控制造孔劑顆粒大小來控制孔徑大小， 缺點是最大孔隙率不超過 80%。

    2 固相法

    用鋁粉末代替液態鋁同樣可制得多孔材料。因為大部分固相法通過燒結使鋁顆粒互相聯結，鋁始終保持在固態，所以此法生產的泡沫鋁多數具有通孔結構。

    2.1   散粉燒結法

    這種生產方法包括三個過程： 粉末準備， 粉末壓縮， 粉末燒結。此方法多用于制備泡沫銅。由于鋁粉表面具有的致密氧化膜將阻止顆粒燒結在一起，因此用散粉燒結法制備泡沫鋁相對困難。這時可以通過變形手段破壞氧化膜，使顆粒更易粘結在一起； 或加入鎂、 銅等元素在 595 ~ 625攝氏度燒結時形成低共熔合金。用散粉燒結制備的泡沫金屬優點是工藝簡單、成本低， 缺點是孔隙率不高、材料強度低。如果用纖維代替粉末燒結同樣可制得多孔材料。

    2.2   粉漿燒結

    把金屬粉漿、發泡劑、活性添加劑混合后注入模子中逐漸升溫，在添加劑、發泡劑影響下，漿開始變粘，并隨產生的氣體開始膨脹。如果工藝參數控制得當， 經燒結后就可得到一定強度的泡沫金屬。對于鋁粉，可以用正磷酸加氫氧化鋁充當發泡劑。該法存在的主要問題是制得的泡沫材料強度不高并有裂紋。如果把粉漿直接灌入高分子泡沫中，通過升溫把高分子材料熱解，燒結后同樣可制得開孔泡沫材料。

    2.3   填加造孔劑法

    Bram等人用高分子球、鎂顆粒、尿素作為造孔劑制備了多孔鈦。由于鋁表面致密的氧化層使顆粒之間在燒結時結合困難，所以用此法制備泡沫鋁并不多。由于鎂的加入可以有效消除氧化層的影響， 趙玉園等用類似方法制得泡沫鋁， 稱為燒結溶解法。

    基本過程為：①將鋁粉、氯化鈉顆粒、少量鎂粉混合；

    ②將混合粉壓制成塊；

    ③對壓制的預制塊進行燒結；

    ④燒結件在水中溶去氯化鈉。

    2.4   粉末冶金法

    由于此法的原料是金屬粉末， 所以有的文獻將其列入固相法。但此法實際的發泡階段是在液相， 因此也有文獻將其列入液相法。本文將其列入固相法討論。粉末冶金法自發明以來，備受人們關注，許多泡沫鋁性能的研究均用此法制備試樣，例如熱處理性能、壓縮性能等。首先把鋁粉、發泡劑混合后壓制成致密的預制塊， 預制塊中不能存在殘留氣孔或缺陷， 否則將對產品質量造成很大影響。然后將預制塊放入爐中加熱，加熱至鋁熔點溫度附近，發泡劑開始分解，釋放的氣體將使鋁預制塊膨脹，形成多孔結構。發泡時間依據發泡溫度和預制塊大小而定，一般從幾秒鐘到幾分鐘。這種方法適于制備各種泡沫金屬，如純鋁和各種鑄造、鍛造鋁合金，以及錫、青銅、鉛等其它金屬。發泡劑一般用TH 2 等金屬氫化物，加入量通常<1 %。粉末冶金法的優點是工藝簡單， 并且可制備形狀復雜的金屬泡沫。缺點是TH 2等發泡劑價格昂貴。

    3 電沉積法

    電沉積法是以泡沫塑料為基底，經導電化處理后，電沉積鋁制成。可通過浸涂導電膠、磁控濺射錫膜或化學鍍膜等方法使泡沫塑料導電。由于鋁的電極電位比氫還負，所以不可以采用鋁鹽水溶液電鍍，可采用烷基鋁鍍液。用電沉積法生產的泡沫鋁具有孔徑小，孔隙均勻，孔隙率高等特點，其隔熱性能和阻尼特性優于鑄造法生產的泡沫鋁。

    二、泡沫鋁的性能研究

    泡沫鋁的性能主要取決于分布在三維骨架間的孔隙特征，即氣孔的形態和分布，包括孔的類型 （通孔或閉孔）、孔的形狀、孔的分布、孔的結構（孔徑、孔隙率、比重等）。

    1 物理性能

    泡沫鋁最明顯的特點就是重量輕、密度低，隨孔的變化而變化，比重僅為同體積鋁的0.1—0.6倍，但其牢固度卻比泡沫塑料高達4倍以上。泡沫鋁材料的導電性要比實心鋁材料小得多，相反電阻率就大得多，是電的不良導體。泡沫鋁的導熱性能比實心鋁小得多，約為實心鋁的 0.1—0.2 倍。另外，泡沫鋁還具有剛性大、不易燃、不易氧化、不易產生老化、耐候性好、回收再生性好等特點。

    對于承受彎曲負載的裝置，所用材料應具有較高的比強度，通過對泡沫鋁 和幾種常見結構材料（鋁 、鋼）的比強度值（泡沫鋁：鋁：鋼 =5: 2.5 :1）比較，可知泡沫鋁具有高比強度的特點。實驗研究表明，適當的熱處理可以提高其比強度。因此，泡沫鋁可用于承受較大的彎曲負載裝置中。

    2 力學性能

    同其他多孔材料一樣，泡沫鋁的彈性模量、剪切模量、彈性極限等均隨孔隙率的增大而呈指數函數下降。

    （1） 抗拉強度   泡沫鋁的抗拉強度很低，幾乎無延伸率，表現為半脆性。實驗發現孔徑大小對其拉伸性能有一定的影響。相對密度相同時，孔徑小的拉伸強度比孔徑大的高。

    （2） 抗壓強度   泡沫鋁的抗拉強度雖然很低，但它的抗壓強度卻較高。泡沫鋁壓縮應力一應變曲線可以分 3個區域：線彈性區、屈服平臺區、致密化區。孔徑不同的泡沫鋁的壓縮應力一應變曲線形狀基本相似，不同主要表現在塑性平臺的高度上，實驗發現，孔徑大小與塑性平臺的高度并不是某種簡單的線性關系，而是在某一孔徑下塑性平臺最高。由泡沫鋁的抗壓強度與其密度及壓縮率之間的關系圖可知，密度增加，抗壓強度增加。

    3 吸能特性

    多孔結構材料可用作能量吸收材料。單位質量小、能量吸收能力大的材料就具有較大的作用。泡沫鋁單位質量小、強度較高，因此泡沫鋁具有很高的能量吸收能力。泡沫鋁在壓縮過程中，有高而寬的應力平臺，可以在基本恒定的應力下通過應變來吸收能量。吸能能力由應力應變曲線下方的面積來求，因此屈服平臺高而寬時，吸能能力越大。孔徑大小對屈服平臺的高度有一定的影響，所以可以找到一個合適的孔徑，使屈服平臺較高來提高其吸能能力。另外，其吸能能力隨孔隙率呈非單調變化，在某一孔隙率下具有最大的吸能能力。

    4 阻尼性能

    材料的阻尼性能是指材料由于內部的原因，將機械振動能不可逆地轉化為熱能的本領。利用材料的這種本領，可減小所不希望的噪聲和振動。根據Zener的經典理論，提高金屬材料阻尼性能的重要途徑之一，就是設法使缺陷之間的交互作用達到最大，以獲得最大的線性阻尼，或將力學放大機制引人材料，以獲得較高的非線性阻尼。多孔材料顯然符合高阻尼材料的組織特征，而且實驗已經證明孔洞的存在，可在某些非金屬或金屬材料的阻尼響應中發揮重要作用。

    泡沫鋁作為一種宏觀多孔材料，由金屬骨架和孔隙組成，組織極不均勻，應變強烈滯后于應力，壓縮應力一應變曲線中包含一個很長的平穩段，因而它是一種具有高能量吸收特征的輕質高阻尼材料，在消聲減震等領域有著可觀的應用前景。實驗研究發現：

    （1）孔徑一定時，泡沫鋁的內耗隨孔隙率的增大而增大；

    （2）孔隙率一定時，泡沫鋁的內耗隨孔徑的減小而增大；

    （3）泡沫鋁的內耗與應變振幅密切相關，隨振幅的增大而增大；

    （4）泡沫鋁的內耗在低頻范圍內與頻率的變化無顯著關系。

    在低阻尼的鋁中加人大量孔洞以后，可以顯著提高其阻尼本領。是由孔洞本身彈性模量近乎為零的軟質性以及孔洞與基體之間形成的大量界面引起的。另外泡沫鋁內部還存在其他大量微觀和宏觀的缺陷，泡沫鋁的阻尼機制是其缺陷的綜合效應，缺陷阻尼是其主要的阻尼機制。

    5 吸聲性能

    泡沫鋁材料尤其是通孔泡沫鋁，當聲音透過泡沫鋁時，由于聲波也是一種振動，可以在材料內部發生散射、干涉和漫反射，將聲音吸收在其氣孔中，使內部骨架振動，聲能部分轉化為熱能并且通過熱傳遞消耗掉，起到了吸聲的作用，因此，泡沫鋁具有良好的聲音吸收能力。吸聲性能用吸聲系數來衡量，吸聲系數越大則吸聲性能越好，泡沫鋁的吸聲性能主要取決于孔隙特征，通孔吸聲性能較好。孔越細小，吸聲性能越好。

    三、泡沫鋁的應用

    建筑材料

    由于泡沫鋁的單位體積重量輕，防音防振、耐火不燃、保溫等性能，所以能用它來建造不承重的內墻壁、間壁墻、門、天花板、外面的裝飾材料等。也能夠利用到任何要求氣密、通氣性能好的建筑中。要用來做表面裝飾時，也能做到泡沫塑料、大理石和其他裝飾材料的效界、在電子計算機室、理化試驗室等的配線配管經常變動的情況下，適于建造所謂的移動地板。對于這個目前用的是蜂窩結構材料、壓鑄材料等，但可以用泡沫鋁代替。大型建筑物的外裝，在高層上是極力避免使用重量大的材料的，泡沫鋁正好適合這種需要。這不僅是重量輕，而且可使外表設計 自由。對強度有特殊要求時，可以利用加入鋼筋制做的泡沫鋁。

    裝飾材料

    泡沫鋁可以采用任意設計來做為建筑物內外和其他的裝飾材料，也能夠做成具 有如石質、大理石、木材、玻璃等材料的式樣。由于用它造成的雕刻物、塑像和其他物件造型即大又輕，搬運起來是極容易的。

    防音材料

    能夠有效地利用其做為壁面來調整廣播、音樂、講堂、劇場等的音響效果。在產業部門適合做為發電室、發動機試驗室、飛機場的防音、發音機械的平臺等材料。日常生活中被用來做為唱機、立體攝影機的結構零件，室內冷卻器的防音、旅館等的防音部件等。

    抗振材料

    對于用做汽車緩沖器及其他附帶零件，以把沖撞減緩下來達到安全目的，泡沫鋁是最好的材料。與此相反，也能用來做為對于沿路的諸設備發生沖撞時的緩和振動材料。做為重量大而又貴重的物件的運搬、安裝等的防振材料是理想的。阿波羅11號的 LM在月球表面著陸時起落架下用的就是這種材料。適應著陸時月面的凹凸，并以泡沫鋁的破壞來緩和振動。也適用做為貴重物品的墊板材料。

    型材

    由于泡沫苯乙烯模型及其他高溫下使用的大型模型在操作上必需減輕重量，所以能用這種材料。試制汽車和其他大型的模型時，歷來用的是蜂窩結構及其他材料，但是它有成本高的缺點，而泡沫鋁則價格低又容易整形，并且在模形變化時，對于重復試制是非常適合的。

    在汽車制造業上的應用

    泡沫鋁優良的性能，決定了它具有廣泛的用途和廣闊的應用前景。尤其是在汽車制造業上的應用，泡沫鋁被認為是一種大有前途的未來汽車與其他交通運輸工具的良好材料。為了保護地球環境和自然資源，歐洲、北美、日本等發達國家已制訂出法律法規來提高汽車的燃油效率。減輕自重是提高燃油效率的最佳方法，減輕汽車自重的方法：（1）改進結構，（2）輕量化材料。前者已大致到了盡頭，只有后者才有潛力可挖。這樣就為泡沫鋁材料的開發應用提供了很好的機會。歐洲經濟共同體實行的光明歐洲計劃就是研究泡沫鋁在汽車上的應用。自重減小 1kg，燃油效率可提高0.01km/L。目前國外已有全鋁汽車出現，與鋁相比泡沫鋁材料具有更輕量化的特點，可以更好地提高燃油效率。

    國外研究表明，采用泡沫鋁材構件，汽車構架的剛度得到加強。在汽車制造中約有20 %的車身結構可采用泡沫鋁制造，一輛中型轎車用泡沫鋁制造零件可減重27.2 kg 左右，同時使結構系統簡化，零部件數量至少可減少 1/3 ,降低了汽車成本。泡沫鋁材料是一種良好的能量吸收體，單位體積吸收的能量可達6-9M J,強大的能量吸收能力說明了它作為汽車保險杠緩沖材料的優越性。在汽車沖擊區使用泡沫鋁制成的合適元件，可控制最大能耗的變形，例如，在中空鋼材或鋁材外殼中充入泡沫鋁，可使這些部件在負載期間具備良好的變形行為。泡沫鋁材料用于汽車乘客座位前后的可變形材料可以改善安全性。泡沫鋁耐熱、阻燃，同時，在受熱狀態下不會釋放有毒氣體，所以在交通運輸工具中采用泡沫鋁材料來代替泡沫塑料或發泡樹脂材料，可以提高使用壽命，減少維修，同時也消除了傳統材料在車輛事故中所產生的有害氣體，大大降低了交通事故中的損失和人員傷亡，同時也起到了環保作用。

    四、結語

    本文概述了泡沫鋁的各種制備方法、性能及應用。根據制備過程中鋁的狀態可以將制備方法分為三類：液相法、固相法、電沉積法；泡沫鋁的性能研究方面主要研究了物理性能、力學性能、吸能特性、阻尼性能、吸聲性能；泡沫鋁主要應用為建筑材料、裝飾材料、防音材料、抗振材料、型材及汽車制造業。目前，對泡沫鋁的研究雖然比較深人、系統，而且在某些領域已得到了廣泛的應用，但是還沒有完全達到工業化使用的需求，尤其是在應用方面的汽車工業中幾乎都未達到完善的成熟階段。國外對該領域的研究已相當深人、系統，與國外相比，我國對泡沫鋁材料的研究起步較晚，研究尚處于實驗范圍內，所以，我國今后還應進一步加強泡沫鋁材料的研究。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org 

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414