文献综述终稿_文献综述终稿要点

文献综述终稿由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“文献综述终稿要点”。

PCM法制备泡沫铝的研究现状及应用前景

刘杰，王录才，王芳

(太原科技大学材料科学与工程学院，太原 030024)

摘要：本文论述了PCM法（powder compacting melting）制备泡沫铝的国内外研究现状，重点对该法工艺参数对发泡过程的影响、发泡机理及泡沫铝复合结构进行了讨论，最后对PCM法制备泡沫铝的应用前景作了展望。

关键词：泡沫铝；PCM法；泡沫铝充填管

Present Status and Prospect of Al Foams Preparing by PCM

LIU Jie, WANG Lu-cai, WANG Fang

(Department of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of

Science and Technology, Taiyuan 030024,China)

Abstract:The present status of Al foams made by powder compacting melting home and abroad is diertated in this paper, and the parameters that affect on foaming proce, the foaming mechan-ism and the composite structure of Al foams is discued especially, at last the development of Al foams preparing by PCM method is presented.Key words: Al foam;powder compacting melting method;Al-Foam-filled Tubes

泡沫铝是一种新型的结构与功能材料，因其独特的物理、化学与力学性能，被广泛应用于建筑、机械、交通、化工、电子、通讯等行业。现已开发出一些有工业价值的生产工艺，如熔体发泡法、渗流铸造法、烧结法、同轴喷嘴空心球形铝泡法等[1-3]。90年代初德国Fraunhofer应用材料研究所(IFAM)发明的PCM法，又称粉末冶金发泡法，工艺原理是将混合铝粉与发泡剂粉，经压缩得到具有气密结构的预制体，加热预制体使发泡剂分解释放出气体迫使预制体膨胀得到泡沫铝

[4]。该工艺稳定，可制备泡沫铝异型件及其复合结构，能满足交通运输、航空、航天和军工等领域的需求，已成为当前泡沫铝研究中的热点方向[5]。

国内外的研究者已对PCM法制备泡沫铝开展了多方面的研究。l999年起德国DFG的“胞状金属材料”优先计划联合了20多个著名高校和国立研究所(有汽车制造商支持)，重点采用PCM法制备泡沫铝和AFS（Al foam sandwich），应用目标就是汽车工业[6]。东南大学、东北大学、昆明理工大学、太原科技大学等单位对该法的工艺过程也进行了初步研究，而对PCM法制备泡沫铝充填复合结构及大规格泡沫铝的研究却很少。PCM法工艺参数的控制

首先选择合适的铝粉，如成分、颗粒尺寸及尺寸分布、合金元素以及其他性能等对发泡过程很重要[7]。文献中多采用6061铝合金粉、AlSi7、A356以及纯铝粉，但必须要有稳定的供应商以保证性能的均一性。下面讨论各工艺参数对PCM法制备泡沫铝的影响。

1.1压制压力对发泡的影响

将均匀混合的粉末致密化，必须保证发泡剂完全嵌入铝基体，且不存在残余通孔。因此，压制时要选择合适的压力：压力过高，会由于弹性后效产生分层和裂纹；过低，制得的预制体达不到所需的致密度。太原科技大学[8]采用冷压法、热压法和挤压法制备了预制体试样，并研究了试样在不同加热炉温下的发泡行

为，认为预制体制备方式和加热速度对PCM法泡沫铝的发泡效果和行为有显著影响，且采用挤压法制备的预制体性能最佳。

1.2发泡剂量对发泡的影响

发泡剂是预制体发泡的核心，一般采用TiH2，也有其它氢化物如ZrH2、ZfH2，但价格均比TiH2昂贵，而且性能上也不占优势。由于泡沫铝的密度（孔隙率）随TiH2量的增加而降低（增大），单从密度和孔隙率两方面考虑，增加发泡剂量似乎是有利的。但是TiH2过多，氢气的分压增大，使得液泡的液体薄膜胀破，而导致泡沫铝孔隙结构不均匀；过少，则使孔隙率降低，成型性较差。TiH2量在0.2%～0.6wt%之间时，泡沫铝孔隙率为70%～77%，此时大孔缺陷较少，孔结构均匀细密。因而需综合考虑孔隙率、孔隙均匀性和TiH2有效利用率等因素，确定TiH2的最佳添加范围[9]。

1.3发泡温度对发泡的影响

TiH2的热分解反应式为TiH2→Ti+H2↑，分解开始温度在400℃左右，600℃左右开始大量分解，640℃左右达到峰值。因预制体中的TiH2处于受压状态，其分解受到一定的抑制而趋向于在更高温度下分解。只有当温度高于铝熔点时, TiH2分解产生的氢气压力才能迫使熔融铝膨胀，从而在其内部形成无数的气孔，但是温度也不能过高，否则熔体的粘度降低，易造成气孔不均匀，甚至熔体中气体逸出[8]。

1.4发泡时间对发泡的影响

TiH2的分解量不仅与温度有关还与时间有关。如果发泡时间短，TiH2分解不充分，所形成的泡沫铝密度大，孔隙率比较小；反之，容易造成气孔较大并相互贯通[10]。因此，必须在合理的发泡温度下选择合适的发泡时间。对挤压法制备的预制体在不同炉温下发泡，其膨胀高度与时间的关系：随炉温升高，试样的膨胀高度增加；达到同一膨胀高度，炉温越高需要的时间越短。由于液态泡沫的不稳定性及高温下铝液的良好流动性，试样达到最大膨胀高度之后，气孔合并进入收缩阶段[11]。PCM法制备泡沫铝的发泡机理

将预制体试样在炉内加热至基体铝固相线温度以上，在升温过程中铝粉颗粒不断被熔化、周围的氧化膜也变软，试样的强度不断降低，可变形能力不断增强。对应其孔结构经历了形核和长大以及毛细力和重力驱动下泡壁熔体流动引起的合并粗化和孔隙率自上而下梯度减小等演化过程[8,12]。

预制体发泡的外部压力包括周围母体材料的强度或粘度、液体静压力、TiH2分解产生的氢气压力以及表面张力所引起的附加压力[13]。其中气泡长大的驱动力由的氢气的分压P决定，据理想气体状态方程: PV = nRT，在一定TiH2含量及发泡时间条件下，随温度的升高，P增大，气泡生长的驱动力加强，同时液体的粘度降低，气泡生长需克服的外界阻力减小，因此在一定温度范围内，气泡生长趋势强劲，泡沫铝的孔隙率增大，体积质量变小。温度继续升高，P不断增大，同时液体粘度不断降低，气泡壁承受来自P的能力变弱，使得气泡壁撑破，造成连通孔，气泡在表面张力的作用下收缩，而引起孔隙率降低，体积质量增大[10,14]。

显然，发泡过程中泡沫熔体是不稳定系，孔结构不断发生演变，提高熔体的稳定性和孔结构的均匀性是PCM法制备泡沫铝非常重要的问题。东北大学魏莉等[15]在铝硅合金粉末中加钙增粘，提高了泡沫铝熔体的稳定性与孔结构的均匀性，表明在采取严格的气体保护措施条件下，加钙量在2%～25%时，可获得

较低密度且孔径均匀的泡沫铝材料。大连理工大学高洪吾等[16]研究了TiH2在空气中加热氧化处理前后的释氢行为，表明经高于450℃空气中加热处理后TiH2于Ar气氛中释氢，TiH1.97和TiH1.92向TiH1.5转变的相变开始温度有明显的升高趋势，表明氧化产物对TiH2有较好的缓释效果；氧化温度对TiH2缓释效果的影响程度明显大于保温时间的影响。PCM法泡沫铝复合结构的制备研究

PCM法泡沫铝具有高弯曲比刚度、良好减振和冲击能量吸收等特性，能实现近终形产品的一次成形，易于和实体结构形成三明治复合结构[8][17]。国内外的研究机构对该法泡沫铝及其复合结构进行了大量的研究，对大规格及连续生产泡沫铝工艺的研究也正在进行。

东南大学梁晓军等[18-19]，采用PCM法制备了Fe、Ti面板泡沫铝芯三明治结构，研究了泡沫铝芯的膨胀规律，分析了面板与泡沫铝芯的冶金结合过程，提出了微观结合机制，同时也研究了泡沫铝制备工艺参数的影响以及制备中的排液问题。东北大学祖国胤，张敏等[20-22]对该法三明治板的制备也进行了研究，将轧制复合（即采用粉末与面板直接轧制）技术应用于可发泡复合板的制备，对泡沫铝夹心板的制备及其界面结合机理进行了研究。太原科技大学钟秀琪[11]对制备泡沫铝充填管的工艺参数进行了初步研究。泡沫铝夹心柱体材料可用于汽车保险杠：空管的失效形式是在长度方向上产生塑性变形褶皱，填充泡沫铝后，外部管在长度方向上的褶皱变形会增加，该泡沫铝圆管复合结构吸收的能量比单一管或单一泡沫铝吸收的能量还要多[23]。PCM法泡沫铝的应用前景及存在的问题

轻量化是汽车行业发展的趋势之一。如果在车身易碰撞区域采用PCM法泡沫铝及其复合结构，既减轻重量，又可显著提高车体的被动安全性、抑制振动，能达到安全、舒适和节能的目的。其实泡沫铝夹芯件早已在国外汽车上得到了应用，比如顶盖板、底盖板和滑动顶板等高刚度构件。在汽车冲击区的部件上如金属横梁、保险杠等使用合适形状的泡沫铝夹芯件，可控制最大能耗的变形，对侧面冲击保护同样如此。美国Ford汽车公司从上世纪70年代起就开始将泡沫纯铝用于汽车的防撞安全装置。目前，奥迪、大众和菲亚特汽车公司已将铝管(或钢壳)／泡沫铝复合体用做发动机前部的冲击能量吸收器，使吸能能力显著增加，而减小冲击载荷波动。Karmann汽车公司采用泡沫铝三明治而不用传统的钢板，增加了整个车身的刚度，并发现在50～400Hz范围内有比钢或铝好得多的阻尼性能，还兼有良好的冲击能量吸收特性。曲面状泡沫铝三明治板还试用于奔驰CLK轿车后舱扳，较原钢板减重25%，而刚度增加6倍。由于AFS的比刚度较高，可以将AFS用做空间刚架结构，每加仑汽油多开2.6英里[6]。

PCM法制备的泡沫铝也已在轻质结构和吸收冲击零件上获得了应用、并进入了小批量生产阶段[24-26]。要全面发挥PCM法优点，就应以提高被动安全性作为突破口，开发该法泡沫铝及其充填复合结构，如：前后保险杠充填；车骨架的填充；A立柱充填；侧门门框填充；保险杠和底盘之间的冲击能量吸收结构等等[7]。

尽管泡沫铝在许多方面的应用前景广阔，但研究者认为现有的众多生产工艺几乎都未达到完善的成熟阶段，特别是对PCM法制备泡沫铝的研究还仅仅处于实验及初步应用阶段。为了扩大PCM法泡沫铝及其复合结构的应用，还有许

多工作要做。

1.PCM法的基础实验研究还不够深入：均匀的孔结构、工艺的可控性、泡沫的稳定性还存在许多需要突破的难点（排液等问题仍困扰着泡沫铝的生产）。其中所隐藏的规律，目前还没有清晰探明，对这些方面的研究探索，将会促进PCM法制备泡沫铝技术的进一步完善，甚至可能是质的飞跃。

2.重视PCM法制品的后处理技术（成型、机加工、涂覆、连接等），特别提出该法制备异型泡沫铝及其充填管／壳复合结构以及大尺寸泡沫铝材，以拓宽其工业化之路，加快其工业化进程。

3.该法泡沫铝仍未广泛应用，主要是用户还未对泡沫铝的性能及应用有最清晰的认识。只有形成需求，最终才能使泡沫铝得以大规模应用，对泡沫铝的研究才真正算得上有意义。

参考文献：

[1] Davies G J,Zhen S.Metallic foams:their production,properties and application [J].J.Mater.Sci,1983,18：1899-1911.[2] 王祝堂.泡沫铝材：生产工艺、组织性能及应用市场（1）[J].轻合金加工技术，1999，（10）：

5-8.[3] 余东梅.泡沫铝材的生产及工艺研究进展[J].铝加工，2004，（2）：24-26.[4] 王芳，王录才.粉体发泡法泡沫铝制备工艺及性能的研究[J].铸造设备研究，2002，（1）：

16.[5] J.Banhart.Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams

[J].Progr.Mater.Sci.2001：46,559-632.[6] 陈锋.粉末冶金泡沫铝的研究进展[J].中国材料科技与设备，2006,（1）：18-31.[7] H.P.蒂吉斯切,B.克雷兹特.左孝青,周芸译.多孔泡沫金属[M].北京：化学工业出版社.2005.[8] 王录才，曾松岩，王芳等,预制体制备方式对PCM法泡沫铝发泡行为的影响[J].中国有色

金属学报，2007，（7）：1135-1142.[9] 刘斌，陈锋.TiH2含量对粉末冶金泡沫铝孔结构的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2005,（2）: 257-260.[10] 魏莉，唐骥，姚广春等.粉末冶金法制备泡沫铝材料发泡过程中孔形态的演变[J].铸造，2004，（6）：459-461.[11] 钟秀琪.泡沫铝发泡行为与孔演变的研究 [D].太原科技大学：2005.[12] 朱勇刚,陈锋,梁晓军等.粉末冶金发泡时泡沫铝孔结构及泡壁的微观组织演变[J].中国有

色金属学报，2004，（7）：1106-1111.[13] Duarte I , Weigand P , Banhart J.Foaming kinetics of aluminum alloys [A].Metal Foams and

Porous Metal Structure [C].Bremen: MIT Verlag , 1999:97.[14] 魏莉等.粉末冶金法制备泡沫铝材料[J].东北大学学报，2003，（11）：1074-1071.[15] 魏莉，唐骥，姚广春.粉末冶金法制备泡沫铝时增粘过程的基础研究[J].铸造，2005，（3）：

229-232.[16] 高洪吾，刘士魁，赵彦波等.加热氧化处理对TiH2释氢行为的影响[J].中国有色金属学

报，2005，(3)：0363-0368.[17] 刘欣等.泡沫铝复合材料的研究[J].材料导报，2007，（1）：79-82.[18] 梁晓军，朱勇刚，陈锋等.泡沫铝芯三明治板的粉末冶金制备及其板／芯界面研究[J].材料科学与工程学报，2005，（2）：77-80.[19] 梁晓军，朱勇刚，陈锋等.泡沫铝三明治结构的制备[J].江苏冶金，2004，32（1）：7-11.[20] 张敏，祖国胤，姚广春等.泡沫铝夹心板的制备及其界面结合机理的研究[J].功能材料，2006，（6）：281-283.[21] 张敏，祖国胤，姚广春等.泡沫铝芯夹心板的制备及泡沫孔的研究[J].东北大学学报（自

然科学版），2006，（5）：517-519.[22] 祖国胤，张敏，姚广春等.泡沫铝夹心板芯层泡沫结构的研究[J].功能材料，2007，5：

859-861.[23] J.Banhart.Industrialisation of Aluminium Foam Technology.Proceedings of the 9th

International Conference on Aluminium Alloys(2004).[24] Seeliger H W.Aluminum foam sandwich（AFS）ready for market introduction[A].Cellular

Metals: Manufacture, Properties and Applications[C].Bremen：MIT-Verlag,2003:5-12.[25] Baumister J, Lehmhus D.Commercially available products made of PM aluminum foams

status and products[A].CellularMetals:Manufacture,Properties and Applications[C].Bremen: MIT-Verlag,2003:13-18.[26] Schaffler P, Rajner W.Proce stability in the serial production of aluminum foam panels and

3-dimensional parts[A].Cellular Metals:Manufacture, Properties and Applications[C].Bremen, MIT-Verlag，2003:39-42.作者简介：

刘杰（1981-），男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：多孔轻质材料及技术；电话：***，E-mail:porous2005@sina.com.