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新型多孔材料——泡沫金屬

2017-04-14 09:19:08 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

泡沫金屬是指含有泡沫氣孔的特種金屬材料。通過(guò)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，泡沫金屬擁有密度小、隔熱性能好、隔音性能好以及能夠吸收電磁波等一系列良好優(yōu)點(diǎn)，是隨著人類科技逐步發(fā)展起來(lái)的一類新型材料常用于航空航天、石油化工等一系列工業(yè)開發(fā)上。

無(wú)處不在的多孔介質(zhì)

多孔介質(zhì)，由包含相通的、不規(guī)則的孔的固體骨架和流體組成的一類復(fù)合介質(zhì)，它構(gòu)成了地球生物圈的物質(zhì)基礎(chǔ)。

人類從很早就開始認(rèn)識(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)的物理過(guò)程。例如，土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和遷移過(guò)程；動(dòng)植物中的生命過(guò)程，如植物根、莖、葉中水分和養(yǎng)分的傳遞過(guò)程、動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的新陳代謝；與生活密切相關(guān)的農(nóng)副產(chǎn)品、食品、木材和紡織品的干燥；地下巖層中石油、天然氣和地下水的開采；地?zé)豳Y源的開發(fā)及利用土壤巖層的蓄熱蓄冷過(guò)程；建筑物的隔熱保溫；現(xiàn)代鑄造技術(shù)、燃燒技術(shù)、冶煉技術(shù)、催化反應(yīng)技術(shù)和紡織、造紙技術(shù)的發(fā)展等。

那么，多孔介質(zhì)的特性有哪些呢？

研究人員主要關(guān)注結(jié)構(gòu)特性、流動(dòng)特性、傳熱特性與傳質(zhì)特性四個(gè)方面。

表征多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)主要有四個(gè)：一是孔大小，可以小到幾微米，乃至幾納米，例如熱障涂層、催化劑涂層等。也可大到幾米（例如一棟大樓），甚至更大；二是孔隙率，即多孔介質(zhì)內(nèi)空隙體積占總體積的比例，其值在0到1之間；三是孔的形狀，即孔的結(jié)構(gòu)形態(tài)。不同種類多孔介質(zhì)的孔形狀差別較大；四是比表面積，即單位體積內(nèi)固體骨架與流體接觸面面積的大小，可以較小，亦可以很大，可達(dá)到上萬(wàn)。其值由多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性決定。

表征多孔介質(zhì)流動(dòng)特性的參數(shù)主要是壓降或者滲透系數(shù)，即流體（液體、氣體）流過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)阻力損失。

多孔介質(zhì)的傳熱特性，一般熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射均會(huì)遇到，有時(shí)還涉及相變換熱。

多孔介質(zhì)的傳質(zhì)特性，即物質(zhì)在不同尺度多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的遷移特性。

工業(yè)中常見的多孔介質(zhì)

工業(yè)中的多孔介質(zhì)按尺寸可分為微納尺度多孔介質(zhì)與大孔尺度多孔介質(zhì)，它們特性迥異，適用的研究理論也不同。

大孔尺度多孔介質(zhì)基本有四種：不同形狀顆粒的、不同通道形狀蜂窩的、不同編織方式絲網(wǎng)的與不同材料泡沫的。

上述四種大孔尺度多孔介質(zhì)的孔大小在毫米量級(jí)，其孔形狀、孔隙率、比表面積、流動(dòng)特性及傳熱傳質(zhì)特性存在較大差別。

多種多孔結(jié)構(gòu)特性的比較

泡沫金屬及其應(yīng)用

作為泡沫類的大孔尺寸多孔介質(zhì)，泡沫金屬是一種的新型金屬材料，它具有優(yōu)于其它三種多孔結(jié)構(gòu)的特性，已被廣泛地應(yīng)用于航天、航空、運(yùn)輸、環(huán)保、能源、生物等各種高科技領(lǐng)域及一般工業(yè)領(lǐng)域。

泡沫鐵鉻鋁

泡沫鋁

泡沫金屬的結(jié)構(gòu)可以看成由無(wú)數(shù)開孔單元胞以無(wú)規(guī)則方式構(gòu)成的金屬支架。每個(gè)單元胞（Cell）中間是空心的，外形近似球形，然后邊界上開了十四個(gè)小孔，很像十四扇窗戶（Window）。

泡沫金屬單元胞

金屬支柱的截面形狀，隨泡沫金屬孔隙率的不同而異：孔隙率小于0.9時(shí)，金屬支柱截面為圓形；孔隙率大于0.95時(shí)，金屬支柱截面變成凹三角形。

金屬支柱橫截面

作為結(jié)構(gòu)材料，它具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度和高比表面積等特點(diǎn)，在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用中表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。例如，泡沫鋁已用于飛機(jī)機(jī)翼復(fù)合材料的芯片，并成為加熱器、熱交換器和電池極板的優(yōu)良材料。

泡沫鎳也已應(yīng)用于墻體或地板的加熱瓦；另外，用作堿性電池及燃料電池的極板材料，可極大地提高電池容量。

作為功能材料，它具有良好的吸聲、隔聲、散熱、隔燃、減振、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能。例如，已將泡沫金屬應(yīng)用于汽車工業(yè)的內(nèi)燃機(jī)氣缸、高速列車發(fā)電室、無(wú)線電錄音以及高速公路降噪等方面，取得了良好的效果。

作為隔熱、阻燃材料，泡沫金屬可用于火焰阻焰器，讓燃燒的氣體自由通過(guò)但卻能阻止火焰的蔓延。

作為緩沖、減振和吸收沖擊能材料，泡沫鋁合金可以應(yīng)用在一些機(jī)械的緊固件、航天飛機(jī)的保護(hù)外殼、碰撞記錄儀及其起落架和汽車的緩沖件等方面。

泡沫金屬的制備方法

泡沫金屬的制備方法，大體可分為鑄造法和非鑄造法。

鑄造法有熔體發(fā)泡劑發(fā)泡法、氣體注入發(fā)泡法及滲流法等。熔體發(fā)泡劑發(fā)泡法的制備原理是：將能夠產(chǎn)生氣體的物質(zhì)（發(fā)泡劑）加入熔融金屬，使之受熱分解而產(chǎn)生氣體，并使產(chǎn)生的氣體均勻地分布在金屬液體中，冷卻之后即可獲得泡沫金屬固體。

熔體發(fā)泡法

鑄造法原理基本相同，僅是加入氣體的方式有些差別。例如，氣體注入法將氣體直接注入熔融金屬。

氣體注入法

非鑄造法有粉末冶金法、燒結(jié)溶解法及金屬沉積法等。粉末冶金法的制備原理是：將金屬粉末與發(fā)泡劑粉末混合均勻，經(jīng)過(guò)冷壓或熱壓后使其成為半成品，然后將此半成品加熱到接近或高于混合物熔點(diǎn)的溫度。加熱過(guò)程中，發(fā)泡劑受熱分解，釋放出大量氣體，使致密的壓實(shí)材料膨脹，從而形成多孔的泡沫金屬材料。

粉末冶金法

非鑄造法原理基本相同，與鑄造法不同的是：鑄造法先把金屬加熱到熔融，再注入氣體；而非鑄造法，先把金屬與產(chǎn)氣物質(zhì)混合后，再加熱到熔融。

泡沫金屬的熱傳輸特性及研究

泡沫金屬具有優(yōu)異的熱傳輸特性。

導(dǎo)熱特性較好。銅的導(dǎo)熱系數(shù)387W/（m?K）左右，鋁導(dǎo)熱系數(shù)218W/（m?K）左右，因此泡沫金屬的導(dǎo)熱能力強(qiáng)；

對(duì)流傳熱特性較強(qiáng)。其無(wú)規(guī)則的骨架結(jié)構(gòu)，使熱流體、冷流體的摻混作用劇烈；

流體橫掠泡沫金屬

高溫時(shí)，泡沫金屬內(nèi)輻射傳熱亦較強(qiáng)。其高的孔隙率，使紅外輻射透過(guò)率大大增強(qiáng)；

強(qiáng)化池沸騰傳熱效果較好。在大氣壓下，對(duì)于泡沫銅，以丙酮作為工質(zhì)時(shí)，熱流密度可達(dá)到100W/cm? 以上。

泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱特性亦較好，泡沫管內(nèi)沸騰傳熱可達(dá)到光滑管的三倍之多。

鑒于泡沫金屬優(yōu)異的特性，其工業(yè)應(yīng)用潛力巨大，然而目前對(duì)其內(nèi)熱傳輸特性的認(rèn)識(shí)還不夠全面。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所在多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)方面主要進(jìn)行了兩方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究：

一是泡沫金屬內(nèi)熱傳輸特性的研究，主要用于熱交換，如蓄熱器（回?zé)崞?、振蕩流回?zé)崞鳎?chǔ)熱、強(qiáng)化換熱等。依托多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，目前已對(duì)泡沫金屬內(nèi)導(dǎo)熱特性、氣固傳熱特性及輻射傳熱特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的模擬研究；

二是耦合化學(xué)反應(yīng)的熱質(zhì)傳遞機(jī)理的研究，實(shí)現(xiàn)各種催化反應(yīng)（催化燃燒、碳?xì)浠衔镏卣?、催化裂解、碳?xì)浠衔锛託浼疤細(xì)浠衔锊糠盅趸龋┑姆磻?yīng)器設(shè)計(jì)，主要用于能源的熱化學(xué)利用。目前針對(duì)低溫?zé)崮芷肺惶嵘咝Щ瘜W(xué)熱泵內(nèi)涉及的相關(guān)科學(xué)問題進(jìn)行了研究，未來(lái)將進(jìn)一步向其它能源熱化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。

催化反應(yīng)器涉及的五個(gè)尺度