泡沫铝的的制作方法
制备泡沫铝的方法有多种,根据制备过程中铝的状态可以分为三大类:液相法、固相法、电沉积法。
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液相法
通过液态铝产生泡沫结构,可在铝液中直接发泡,也可用高分子泡沫或紧密堆积的造孔剂铸造来得到多孔材料。
1.1熔体发泡法
在铝液中直接产生气泡可得到泡沫铝。通常,气泡由于浮力而快速上升到铝液表面,但可以加入一些细小的陶瓷颗粒增加铝液粘度阻止气泡的上升。当前,熔体发泡主要有两种方法:直接从外部向铝液中注入气体;在铝液中加入发泡剂。
(1)直接注气法各种泡沫铝合金都可用此法生产,包括铸造铝合金A359,锻造合金1061、3003、6061等。为了增加铝液粘度,需要加入碳化硅、氧化铝等颗粒。此方法的难点在于如何使颗粒被铝液润湿并均匀分布在液体中,颗粒的体积分数通常为10%-20%,颗粒尺寸为5-20微米。然后把气体(空气、氮气、氩气)通入铝液中,同时对液体进行搅拌使气泡细小并均匀分布,这一步工艺的好坏将直接影响产品质量。含有气泡的铝液将浮向液面,由于颗粒的存在,使液体中的气泡相对稳定。用转动皮带将表面半固态的泡沫拉出就得到泡沫铝板。这种方法优点是可以连续生产,可获得低密度、大体积的产品。缺点是要对泡沫板材进行剪切,造成泡沫开孔,同时由于颗粒的加入,使胞壁变脆,对力学性能产生不利影响。
(2)加发泡剂法用发泡剂代替气体注入亦可得到泡沫铝。首先在680摄氏度的铝液中加入金属钙,对于实际生产,一般加入量为1.5%-3.0%(wt),搅拌几分钟增加液体粘度,钙的加入对铝液粘度的影响。钙也可用碳化硅等颗粒代替。粘度合适后,加入TH2。在恒压下,TH2分解出H2,液体膨胀泡沫化,冷却后即可得泡沫铝。TH2可被ZrH2等发泡剂代替。这种方法的优点是可制得非常均匀的泡沫,并且气孔平均尺寸和铝液粘度以及泡沫铝密度和粘度之间存在关系,使孔径可控。
1.2固-气共晶凝固法
近年来开发的一种新方法,依据是在H2中一些金属可形成共晶系统。在高压H2下能获得含氢的均匀铝液,如果降低温度通过定向凝固将发生共晶转变,H2在凝固区域内含量增加,并且形成气泡。因为体系压力决定共晶组成,所以外部压力和氢含量必须协调好。最终孔的形状主要取决于氢含量、铝液外部压力、凝固的方向和速率、金属液的化学成分,通常沿凝固方向形成管状孔,孔直径10um-10mm,长度100um-300mm。
1.3铸造法
(1)熔模铸造熔模铸造工艺：先准备开孔的高分子泡沫,用耐热材料填充高分子泡沫。耐热材料可用莫来石、酚醛树脂、碳酸钙混合物或石膏等,然后通过加热除去高分子泡沫并将铝液铸入模型中来复原高分子泡沫的结构,这一步可以采用加压和加热模型的方法使细小孔洞得到充分填充,最后用水溶等方法除去耐热材料,即得到与原高分子泡沫相同结构的泡沫铝。此法的难点在于如何使铝液充分填充到模型中,以及如何在不破坏泡沫铝结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种泡沫金属,并且可以得到开孔结构,生产重复性好,有相对稳定的密度。
(2)渗流铸造在无机或有机颗粒周围铸入铝液可制得多孔铝。无机材料可用蛭石、泥球、可溶性盐等,有机材料可用高分子颗粒。采用这种方法时,造孔剂堆积密度要高,以保证颗粒之间互相接触,以便将来除去,为了防止铝液在铸入时过早凝固,要将造孔剂预热。由于铝液具有大的表面张力,使得铝液很难成功铸入颗粒间隙中,所以可以先将造孔剂块体抽真空,然后加压渗透。待铝液凝固后,可用水溶法或热解法除去造孔剂。此法的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小,缺点是最大孔隙率不超过80%。
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固相法
用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料。因为大部分固相法通过烧结使铝颗粒互相联结,铝始终保持在固态,所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。
2.1散粉烧结法
这种生产方法包括三个过程:粉末准备,粉末压缩,粉末烧结。此方法多用于制备泡沫铜。由于铝粉表面具有的致密氧化膜将阻止颗粒烧结在一起,因此用散粉烧结法制备泡沫铝相对困难。这时可以通过变形手段破坏氧化膜,使颗粒更易粘结在一起;或加入镁、铜等元素在595~625摄氏度烧结时形成低共熔合金。用散粉烧结制备的泡沫金属优点是工艺简单、成本低,缺点是孔隙率不高、材料强度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。
2.2粉浆烧结
把金属粉浆、发泡剂、活性添加剂混合后注入模子中逐渐升温,在添加剂、发泡剂影响下,浆开始变粘,并随产生的气体开始膨胀。如果工艺参数控制得当,经烧结后就可得到一定强度的泡沫金属。对于铝粉,可以用正磷酸加氢氧化铝充当发泡剂。该法存在的主要问题是制得的泡沫材料强度不高并有裂纹。如果把粉浆直接灌入高分子泡沫中,通过升温把高分子材料热解,烧结后同样可制得开孔泡沫材料。
2.3填加造孔剂法
Bram等人用高分子球、镁颗粒、尿素作为造孔剂制备了多孔钛。由于铝表面致密的氧化层使颗粒之间在烧结时结合困难,所以用此法制备泡沫铝并不多。由于镁的加入可以有效消除氧化层的影响,赵玉园等用类似方法制得泡沫铝,称为烧结溶解法。
基本过程为：①将铝粉、氯化钠颗粒、少量镁粉混合；
②将混合粉压制成块；
③对压制的预制块进行烧结；
④烧结件在水中溶去氯化钠。
2.4粉末冶金法
由于此法的原料是金属粉末,所以有的文献将其列入固相法。但此法实际的发泡阶段是在液相,因此也有文献将其列入液相法。本文将其列入固相法讨论。粉末冶金法自发明以来,备受人们关注,许多泡沫铝性能的研究均用此法制备试样,例如热处理性能、压缩性能等。首先把铝粉、发泡剂混合后压制成致密的预制块,预制块中不能存在残留气孔或缺陷,否则将对产品质量造成很大影响。然后将预制块放入炉中加热,加热至铝熔点温度附近,发泡剂开始分解,释放的气体将使铝预制块膨胀,形成多孔结构。发泡时间依据发泡温度和预制块大小而定,一般从几秒钟到几分钟。这种方法适于制备各种泡沫金属,如纯铝和各种铸造、锻造铝合金,以及锡、青铜、铅等其它金属。发泡剂一般用TH2等金属氢化物,加入量通常<1%。粉末冶金法的优点是工艺简单,并且可制备形状复杂的金属泡沫。缺点是TH2等发泡剂价格昂贵。
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电沉积法
电沉积法是以泡沫塑料为基底,经导电化处理后,电沉积铝制成。可通过浸涂导电胶、磁控溅射锡膜或化学镀膜等方法使泡沫塑料导电。由于铝的电极电位比氢还负,所以不可以采用铝盐水溶液电镀,可采用烷基铝镀液。用电沉积法生产的泡沫铝具有孔径小,孔隙均匀,孔隙率高等特点,其隔热性能和阻尼特性优于铸造法生产的泡沫铝。
