2.2 多孔金屬（泡沫金屬）

多孔金屬又稱為泡沫金屬，泡沫金屬顧名思義是一種多孔結構的金屬材料，由孔隙與金屬基體復合而成，其孔隙率高，孔徑范圍廣（0.05～5.5 mm）。相對于致密金屬而言，泡沫金屬具有質輕、高比強度、高比表面積、高通透性等諸多優點，在化工、機械、能源、通信、交通、國防等領域被廣泛使用。

2.2.1 泡沫金屬的發展

泡沫金屬的研究歷史[54-59]已經有70年左右，早在1948年，美國的Sosnik等人[54]，利用汞在熔融態的鋁中汽化后，得到了一種孔隙非常多的泡沫金屬鋁。自此之后，泡沫金屬受到了科學家們的特別關注。美國科學家Elliot在1956年成功開發了熔體發泡法合成泡沫鋁的技術[55]，標志著泡沫金屬材料產業化的開始。該方法是將自身受熱能分解或者汽化的物質（TiH2、ZrH2和MgH2等）加入處于熔融狀態下的金屬中，使之分解而產生氣體。利用氣體的受熱膨脹達到發泡的效果，之后可獲得泡沫固體。由于發泡工藝不夠成熟，這種發泡方法合成的泡沫固體的泡沫孔結構很不均勻。在中心部位，孔的尺寸較大，而在邊緣部位，孔的尺寸較小，材料的密度也較高，孔的均勻性很難控制。經過不斷努力，到20世紀60年代，美國Ethyl公司有效地改進了泡沫鋁的發泡技術[56-57]。20世紀70年代初，日本九州工業實驗所巧妙地使用火山灰作為發泡劑，開發出了泡沫鋁制造的新方法[58]。隨后，日本許多研究單位對泡沫鋁的生產工藝進行了持續的改進，在熔體發泡工藝方面獲得了巨大的進步。20世紀80年代末，德國不來梅Fraunhofer先進材料研究所在泡沫金屬的研究方面取得了重大進展[60]。該研究所在熔體中加入適量的增黏介質以改善熔體的穩定性，顯著地提高了泡沫金屬的質量，合成工藝更加合理，生產成本更低，達到了工業化生產的要求，使泡沫金屬的產業化進入了一個新階段。

我國在泡沫金屬研制上起步較晚，直到20世紀80年代后期，我國科技人員才進行了一些相關的嘗試性基礎研究工作[18, 61-67]。但近年來發展迅速，國內一些著名的科研機構，如清華大學、中南大學、東南大學、中國科學院固體物理研究所等單位在泡沫金屬制造工藝、泡沫金屬的性能及相關基礎理論等方面，取得了一些有國際影響力的研究成果[68-73]。我國在泡沫金屬的產業化方面，也取得了顯著的技術進步，已成長起了一批在行業內具有國際影響力的制造企業，如湖南科力遠新能源股份有限公司、上海眾匯泡沫鋁材有限公司、北京中實強業泡沫金屬公司、無錫瑞宏泡沫鋁公司等。

2.2.2 泡沫金屬的制造方法

泡沫金屬的制造方法[74]主要包括鑄造法、金屬沉積法、發泡法和燒結法，如圖2-5所示。對同種泡沫金屬材料，采用不同的制造工藝所獲得的產品在孔結構上具有較大的差異，其性能也具有相應的特點。因此，針對不同應用領域須采用不同的制造工藝。

1. 鑄造法

鑄造法的基本過程是首先將填料粒子填充在鑄模內，然后再施加一定壓力，使熔融金屬或合金進入填料間隙中，最后經過冷卻凝固，得到高孔隙率的泡沫金屬。鑄造法可分為熔模鑄造法和滲流鑄造法[75]。

1）熔模鑄造法

熔模鑄造法是使用海綿狀泡沫塑料作為模板，首先將液態耐火材料填充到模板的孔隙中，然后將耐火材料冷卻使之硬化，最后通過高溫加熱除去模板，留下海綿狀的孔隙。再將已經加熱至液態的金屬澆注入鑄模內，待冷卻凝固后把耐火材料去除，便獲得與原來海綿狀塑料模板有同等結構的泡沫金屬材料。該方法較適合用于制造低熔點的泡沫金屬，如泡沫銅、泡沫鋁、泡沫鉛、泡沫錫等，以及由它們組成的泡沫合金。熔模鑄造法主要有兩個難點：一是在制備鑄模時，液態耐火材料能否完全填滿泡沫塑料的孔隙；二是去除耐火材料時，不破壞泡沫金屬內部纖細的結構。

2）滲流鑄造法

滲流鑄造法的基本原理是預先處理好具有耐熱度高、水溶性好的填料（無機或有機顆粒）置入鑄模中，再將其預熱到一定溫度，然后澆鑄液態金屬，并加壓或在真空產生的壓差使液態金屬滲入填料的孔隙中，冷卻凝固后形成金屬-顆粒物三維網狀互連的復合體。選用合適的方式（酸或者熱處理）將顆粒物去除，從而得到多孔泡沫金屬[76-78]。工業上常用食鹽顆粒作為填料，工藝簡單，操作容易，適合大規模生產泡沫金屬，但是得到材料的孔隙率低，為50%～70%，而且存在顆粒夾雜無法除去等問題。滲流鑄造法制備的泡沫鋁如圖2-6所示。

2. 金屬沉積法

金屬沉積法是在具有三維網狀結構的聚合物模芯基體材料上，通過化學或物理的方法沉積需要的金屬材料，然后通過高溫煅燒除去聚合物模芯以獲得泡沫金屬材料。這種方法合成的泡沫金屬材料最突出的特征是具有與選用的模芯材料一致的三維網狀結構，孔與孔之間相互連通，孔隙率較高（達80%以上）。通過選用孔結構均勻的模芯材料，可有效地保證泡沫金屬孔結構的均勻性。同時，通過對生產設備優化設計可實現連續生產。金屬沉積法在大尺寸連續化泡沫金屬的制造中占有重要的地位。

金屬沉積法主要包括電沉積法和氣相沉積法[79-81]。

1）電沉積法

目前，電沉積法是生產泡沫金屬最常用的方法。本書后續章節對泡沫鎳的制造工藝和設備有詳盡的介紹。制造其他泡沫金屬和合金都可以借鑒制造泡沫鎳的工藝技術路線，但必須是能通過水溶液電沉積的方法獲得的金屬和合金。

2）氣相沉積法

氣相沉積法是通過將金屬或金屬化合物直接汽化，沉積到多孔的模芯基體材料上，然后去除模芯獲得泡沫金屬的方法，包括蒸發沉積法、真空蒸鍍法、反應沉積法三種[82-84]。氣相沉積法工藝復雜，對設備要求高，因此生產成本高。

（1）蒸發沉積法。該方法用在較高惰性氣氛中，使待鍍覆的金屬材料緩慢蒸發；蒸發后，氣態金屬與惰性氣體產生一系列作用（碰撞、散射），動能被緩慢減弱；然后氣態金屬凝聚，形成金屬煙，形成的金屬煙在自身重力及惰性氣流的作用下沉積在基底上。但在金屬沉積過程中，其溫度迅速降低，因此金屬原子一般很難遷移或擴散，金屬煙微粒只是疏松地堆砌起來，形成多孔泡沫結構。

（2）真空蒸鍍法。真空蒸鍍是指在真空環境中采用電弧、電子束、電阻加熱等方式加熱金屬，使待鍍的金屬蒸發成氣態，再沉積在低溫下的多孔基體上；經過一定的時間，就可在基體表面沉積出一定厚度的金屬膜層。這種方法只能形成厚度為0.1～1.0 μm的薄膜。基體模板可選用聚酯、聚丙烯、聚氨基甲酸乙酯等合成樹脂，以及天然纖維、纖維素等組成的高分子聚合物材料。可鍍金屬包括Cu、Co、Fe、Ni、Zn等。該方法目前多用于上述基體模板的導電化處理，泡沫金屬如泡沫鎳的最終產品尚須通過電沉積和調質熱處理來完成，相關內容見本書第四章、第六章和第七章。

（3）反應沉積法。反應沉積法是采用易分解的金屬化合物蒸汽作為金屬源，使用一定的方式加熱升高溫度使金屬化合物分解；分解出的金屬元素再沉積在多孔泡沫模材基底上，經過燒結熱處理即可得到金屬泡沫。例如制備泡沫鎳，可將羰基鎳Ni(CO)4，在一定波長的紅外光照射下或使用其他加熱方式使之升溫，使Ni(CO)4分解為金屬鎳（Ni）和一氧化碳（CO），分解出的鎳沉積在模材基底表面，再通過后續熱處理工藝得到泡沫鎳產品。羰基鎳法制備泡沫鎳，生產過程涉及有毒蒸汽的安全防護問題。

3. 發泡法

發泡法又分為熔融金屬發泡法、氣體發泡法和粉末發泡法。

1）熔融金屬發泡法

熔融金屬發泡法是將金屬加熱至熔融狀態，然后加入能夠產生氣體的發泡劑，發泡劑高溫分解產生大量氣體；通過控制熔融金屬的黏度、攪拌強度、反應溫度，使產生的氣體均勻地分布在熔融金屬中，金屬降溫凝固后就可得到泡沫金屬[85]。其中，黏度控制劑可選擇鈣、鎂、鋁等金屬粉末作為增黏劑；發泡劑可選擇TiH2、ZrH2等金屬氫化物，CaCO3也可以作為發泡劑使用。

該方法的主要缺點是孔徑和孔的分布都不均勻。為解決這一弊端，一般采取調控液體金屬的黏度加以改善。

2）氣體發泡法

氣體發泡法也是使金屬呈熔融狀態，然后直接加入氣體發泡。發泡氣體一般為惰性氣體，如氬氣、空氣、水蒸氣、二氧化碳等。該方法最大的特點是成本低，是目前最廉價的生產方法，且易于工業化生產。但是，該方法也存在孔徑及孔的分布難以調控的問題。

3）粉末發泡法

粉末發泡法是將粉體金屬和發泡劑先均勻混合，然后加熱升溫超過金屬熔點。在此過程中，發泡劑分解達到發泡效果，低熔點金屬（如鋁和鎂等，見圖2-7）和高熔點的金屬都可用該方法制備泡沫金屬[86]。劉菊芬等人[87]通過該工藝成功制備結構可控的多孔泡沫鋁，他們通過對鋁粉體與金屬氫化物發泡劑均勻混合，再通過一定的方式（壓制或擠壓）提高發泡前驅體的密度，然后加熱升高溫度至高于金屬熔點進行發泡，冷卻后獲得泡沫金屬材料。

4. 燒結法

燒結法是以金屬粉末（顆粒）或金屬纖維作為原料，通過成形和燒結過程制備泡沫金屬[88]。該方法根據原料的不同可分為金屬粉末燒結法和纖維燒結法。

1）金屬粉末燒結法

金屬粉末燒結法是以金屬粉末或金屬顆粒為原料，通過一定方法壓制成形，再加熱到一定溫度使粉體產生初始液相，然后在表面張力和毛細管的作用下，物料顆粒相互接觸，冷卻后可得到多孔泡沫金屬。為了使金屬粉末易于成形，可加入適量的黏結劑，但加入的黏結劑應在高溫燒結時除去；還可加入適量填充劑（氯化銨和甲基纖維素），用于提高泡沫金屬的孔隙率。

2）纖維燒結法

纖維燒結法是使金屬纖維成形后進行燒結，從而獲得所需的強度和孔隙率。金屬纖維可通過機械拉伸或其他有效的方法（如紡絲法、切削法）獲得。纖維燒結法與金屬粉末燒結法大致相同，其工藝過程包括金屬纖維的制備、模壓、燒結3個步驟。根據不同的燒結技術，纖維燒結法又包括固相燒結和液相燒結兩種，這兩種方法的主要區別是燒結過程中有無液相的產生。將一定結構的金屬纖維壓坯后，調節燒結工藝參數，使其直接燒結形成最終產品，而在整個燒結過程中沒有液相產生，故將其稱為固相燒結技術。液相燒結需要加入一種熔點相對較低的物料，然后將混合物壓坯后進行燒結，燒結過程中熔點較低的組分易形成液態。該法特別適用于高熔點泡沫金屬的制造。

纖維燒結法制備的泡沫金屬具有以下優點：

（1）孔隙率為80%以上且可任意調整。

（2）燒結體的最大尺寸為400 mm×400 mm，厚度可調范圍較大。

（3）孔隙率高，比表面積大，延展性好，而且材料的孔洞相互連通。

2.2.3 泡沫金屬的特性

泡沫金屬材料由某種固體致密金屬骨架和大量的孔隙組成，因此，泡沫金屬既具備該種金屬材料的全部特性，同時又具有如下獨特的物理、化學性能[89-98]。

1. 滲透性能

泡沫金屬的滲透性是它區別于致密金屬的主要特征，使它在過濾、分離等領域有非常重要的應用。表征其滲透性的主要參數是通孔率，一般而言，開孔越多，滲透性越好。此外，滲透性能還與泡沫金屬本身的材質特性、孔徑大小、孔的表面粗糙度等因素有關。

2. 吸聲性能

吸聲性能是將入射聲能消耗或轉化為其他形式能量（如熱能）[93-94]的一種能力。實際上，每一種材料都具備一定的吸聲能力，吸聲能力的大小常用吸聲系數衡量。

3. 阻尼性能

由于材料本身的材質或結構而導致振動過程的能量消耗稱為內耗，這種由于材料內耗引起的能量轉化稱為材料的阻尼性能。材料的阻尼性能可用內耗值（Q-1）來衡量，當內耗值Q-1≥10-2時，材料的阻尼性能較為優異，可稱為高阻尼材料[95-98]。泡沫金屬材料由于具有多孔性能，增加了孔隙結構阻尼，其阻尼性能一般比致密材料的高3～10倍。可以在泡沫金屬材料的孔隙中填充合適的高分子聚合物，提高其阻尼特性。另外，阻尼特性與金屬材料的比表面積密切相關，比表面積增大，阻尼性能也增大。

4. 熱傳導性能

一般而言，金屬材料的熱傳導性能都非常優異，而泡沫金屬材料的熱傳導性能比致密金屬略差一些。孔隙率越高，泡沫金屬的熱傳導性越差。而開孔或通孔泡沫金屬的導熱性能優于閉孔材料，這主要是由于具有開孔或通孔結構的泡沫金屬置于流動的空氣或液體之中時，多孔的骨架使熱量的傳播趨向于多方向性，使其具有良好的散熱能力。在一定程度上增大孔的尺寸和孔隙率，均可提高對流換熱能力。

5. 電磁屏蔽性能

所謂電磁屏蔽，就是用一種導電或導磁材料制成的屏蔽體，用于阻斷或減少某一器件或某個區域范圍內電磁傳播的一種現象[99-100]。按照屏蔽方式可分為主動屏蔽和被動屏蔽，主動屏蔽是指將輻射源限制在某一范圍內，使屏蔽體外不受影響；被動屏蔽是指將輻射源置于屏蔽體外，輻射場無法進入屏蔽體內。而按照屏蔽對象的不同可分為磁場屏蔽、電場屏蔽、電磁場屏蔽三類。泡沫金屬是一種集結構、功能于一體的材料，多孔的特性使之具有良好的電磁屏蔽性能。

6. 抗沖擊性能

對泡沫金屬抗沖擊性能的研究，主要是通過對多孔泡沫金屬的壓縮應力-應變特性進行測試，得出其特性曲線，分析該泡沫金屬的抗沖擊性能。另外，有研究者通過對沖擊波反應的實驗，驗證了泡沫金屬對沖擊波具有非常強的衰減特性，證實泡沫金屬材料具有很好的防撞、防震性能。

2.2.4 泡沫金屬的應用

由于泡沫金屬具有2.2.3節所述的優異特性，因此，它不僅可以作為結構材料，還可以作為多種功能材料。其應用領域包括以下7個方面[16, 66, 67,82, 88, 101]。

（1）過濾與分離材料。

（2）電極材料。

（3）熱交換材料。

（4）電磁屏蔽材料。

（5）生物醫用泡沫鈦材。

（6）吸聲材料。

（7）能量吸收材料。

本書第十四章和第十五章在論述泡沫鎳性能和應用的同時，對泡沫金屬的上述相關性能和應用均有較詳細的理論分析和實例介紹。