金属多孔材料的制备及研究现状分析

裴海龙，徐 薇，朱发燊

（西安菲尔特金属过滤材料股份有限公司，陕西 西安 710201）

金属纤维多孔材料是一种复合结构功能材料，其内部结构由金属纤维交错搭接相连，形成三维网状多孔结构，具有高精度、全连通的孔径，孔隙直径低至10μm，孔隙率高达98%，比表面积大。金属多孔材料良好的基础性能和其具备独特的功能特性，令其收到了广泛的关注，并且在多个领域当中，得到了应用和发展。

1 金属多孔材料的制备

金属多孔材料是随着材料制备和加工技术的发展而出现的一种新型轻质多孔金属材料。目前，金属多孔材料的制备方法分为传统制备和增材制造两大类。传统的制备工艺主要包括成型和烧结，即从金属中得到一定长度、直径和纵横比的金属纤维，然后将它们均匀混合分散，然后在真空或常压保护下烧结。传统制备方式是通过拉拔法、纺丝法或切削法等方式，制造出金属材料。将制作好的金属，按照一定的长径比等均匀混合，将其置于真空或气体保护情况下进行烧结。实现多孔材料的制备。增材制造的方式与3D打印的逻辑基本相同，即通过三维沉积的方法，通过喷嘴将熔融的金属粉末进行喷涂，实现定向沉积，该过程将传统工艺当中的制备和烧结两个工艺结合在一起，并且通过预先设计，能够实现在加工中，对多孔结构进行设计制造[1]。

1.1 传统制备技术

金属的制备：金属的制备是美国Memtec公司率先研发而成，在20世纪70年代，我国开启了对金属材料的研制工作。金属材料制造有很多种方法，主要使用的工艺有拉拔法、纺丝法、切削法、研磨法和镀覆金属烧结法，不同的工艺方法具有不同的特点[2]。与此同时，我国也着手进行金属材料的研发。西北有色金属研究院、常山矿冶研究院等机构代表已成功研制出直径2μm～40μm的不锈钢纤维、铁、铬、铝与其他产品。

（1）拉拔法：这种方法是一种较为传统的机械制造工艺，通过利用金属自身具有延展性的特点，对金属进行加工。其最大的特点在于这种方式可以形成良好的表面光滑度，并且在生产制造的过程中，可以控制较高的尺寸精度。但缺点在于生产效率低，并且在进行拉拔的过程中，需要制造专用的模具，这种模具费用高，因此导致了拉拔法的制造成本较高的缺陷。

（2）集束拉拔法：这种方法是拉拔法工艺改良之后提出的一种加工方式，即将多根金属线同时进行拉拔加工，提高了生产效率的同时，也有有效的降低了生产加工的成本。这种方式的原理是将原料金属线使用在专用道包套中拉拔，在反复多次的加工中，金属材料由于其自身的延展性等，会变得越来越纤细，并且表面光滑，在拉拔中附加退火工序，保证材料的质量稳定。当达到指定的直径后，通过包套材料进行包装，在此之后继续拉拔，由于包套材料的存在，避免了在加工中金属结构径过细出现断裂的问题。在加工完成后，通过使用酸溶的方式，去掉包套材料，籍此获得目标尺寸的技术材料。

（3）纺丝法：相比拉拔法，这种方法的成本更低廉一些。可以实现从液态金属直接制造金属结构的。通过专用的设备，将熔融状态下的金属通过压力，令其从小孔中流出，令其在保护气体当中实现凝固。刚刚凝固的金属结构，由于金属晶粒间的结合力较弱，因此具有较高的脆性，通过一个较小的剪切力，就能将金属材料加工成长短一致的短金属纤维，这种制作方法相对简单，并且具有加工速度快，污染小，成型的金属材料无残余应力的特点。

（4）切削法：这种方法是通过刀具切削的方式，将固态的金属材料切削成金属屑。相比而言，这种加工工艺最为简单，同时生产周期也最短，成本更低。但是由于加工工艺的局限性，这种加工方式得到的金属材料大多比较粗糙，并且金属结构材料的长度较短。

（5）研磨法：研磨法主要是针对高硬度的金属材料进行加工时采用的工艺。通过将金属装在磨床上进行研磨，通过调节进给量，磨料粒度等数据，就能实现对金属材料不同直径数据的调节。相对而言，送料量金属材料越细，磨料粒度越粗，获得的金属材料直径就越粗。

1.2 金属纤维材料的烧结

金属材料的烧结，可以通过金属状态将其分为两种，分别是固相烧结和液相烧结。液相烧结技术是向金属材料中添加一种或多种低熔点组分，压坯后进行烧结，此时烧结温度介于低熔点和高熔点成分的烧结温度之间，烧结过程中通过产生液相实现材料间的冶金结合。该方法尤其适用于制备高熔点金属多孔材料，其结合强度更高，结构更稳定，但受到材料熔点、表面能和润湿性的限制。

液相烧结技术是通过在金属中添加其他成分，通过将金属与多种低熔点材料进行混合后进行压坯。在烧结的过程中，采用介于两者熔点之间的温度进行加工，即高于低熔点材料进并且同时低于金属熔点的温度。在烧结过程中，低熔点的材料会变为液体流出，通过这种方式实现金属材料之间的冶金结合。这种方式具有一定的局限性，适用于高熔点的金属多孔材料制备工艺使用。液相烧结技术获得的金属多孔材料，在烧结后，其强度更高，并且结构更稳定。但是由于受到材料熔点的限制，因此难以受到广泛的使用[3]。

1.3 新型增材制造技术

近料的力学性能降低。该技术的优点在于可以对金属直径以及孔结构进行控制，通过调整计算机辅助加工设备的参数，能实现调整孔间隙取向等参数，实现定向加工。并且这种加工方式的生产成本较低，加工效率高[4]。流速过快会导致金属结构过度沉积，孔隙率降低；流速过慢则会使直径减小，影响多孔结构的力学性能。该技术可以制造出直径、厚度、孔结构和取向不同的多孔材料，且生产成本低、效率高，表面精度高，不需要支撑材料，但其定向沉积过程易导致金属多孔材料具有各向异性，如图1所示。

图1 金属多孔材料3D 沉积法装置

2 金属多孔材料的研究现状

2.1 过滤分离领域

随着经济的发展，国家对于环境污染问题越来越重视。生产发展的过程中，不能以破坏环境为代价。因此在工业生产中，要对工业废气等进行处理。但在此的过程中，过滤材料是首要的问题。过滤材料的成果，对于尾气中固体颗粒和悬浮物的处理具有直接的影响，过滤材料的发展，对环境保护的落实具有直接的影响。金属多孔材料由于其自身的材料空间结构特性，其孔隙率可以可达90%以上，并且实现孔径贯通。除此之外，在相关研究汇总，对高速气流状态下，这种金属材料的过滤效果进行了研究。其结果表明，高速气流中的气溶胶粒子，也会被吸附到金属材料上，针对不同的气溶胶粒子所展现的吸附效率不同，对于粒径大于1μm酸性气溶胶粒子的吸附性极好，可以达到接近100%的吸附效果。在金属多孔材料过滤分离的功能研究中，干燥粉尘颗粒的过滤特性与直径和孔径之间的关系也得到了研究。直径的增加会直接增大沉积面积，提高过滤效率。孔径的减小能有效提高材料的过滤效率。在结构方面的影响外，不同材料在特殊环境中的过滤效率也得到了研究，在316L不锈钢材料在高温除尘中的应用研究中，通过具体的实验，对其服役时间以及丝径的关系进行了研究，证实了5μm丝径的金属材料的使用寿命最长，并且对其粉尘过滤效率进行了研究。

2.2 吸声降噪领域

环境领域当中，噪声污染也是不可忽视的问题。金属多孔材料由于其多孔的结构特性，使其具有优良的吸声效果。其低密度、高强度并且耐高温性能，令其可以适应多种极端的工作环境，在如今的使用中，演播厅、游泳馆以及、机场道路中，采用的吸声板部分就是采用铝纤维制造的。制造研究中，不同的烧结方式，会对金属纤维多孔材料的结构产生直接的影响，相关研究中，针对不锈钢材料的烧结实验中，证明了厚度为1~30μm的不锈钢材料，采用松装烧结法制备，能够让监护纤维材料的孔结构呈现梯度分布，令其得到最佳孔隙率，其吸声性能得以达到最佳的效果。在常规情况下，想要提高吸声的效果，大多是通过采用提高材料厚度的方式，这是十分有效的方式之一。但在具体实践中，时常会受到成本和安装空间的限制，导致无法加厚材料[5]。

2.3 生物医学领域

为了使受损或受损的人体硬组织恢复原有功能，需要用骨植入物的支撑材料更换受损或受损部位，恢复原有组织。生物相容性较好的骨植入物传统金属材料为钛及钛合金，但致密钛及钛合金的强度和模量与真实骨骼不对应，载荷无法从植入物转移到骨组织。防止应力，导致植入物周围的骨吸收，最终导致植入物松动或破裂。生物用多孔钛通过控制孔隙率，可以根据人体骨骼组织调节自身的强度和弹性模量。与纤维制成的多孔钛相比，粉末制成的多孔钛是由粉末本身的孔隙缺陷造成的。

3 结束语

金属多孔材料不仅具有金属的导电、导热、耐腐蚀、强度高等优点，而且多孔材料还具有孔隙率高（＞70%）、孔径和孔隙自由度大等优点。其设计是功能组合，具有双重结构和结构特性的新型轻质材料。此前的研究方向主要集中在金属材料的生产、多孔金属的烧结及其在过滤分离、吸声降噪等领域的应用。令其在过滤分离，吸声降噪等领域中得到更好的应用效果。金属多孔材料是一种改变金属结构的加工工艺，能实现对原有材料性能的提升，在未来的发展研究中，如何在能保证材料的特殊孔结构的基础上，建立优化模型，进一步提升材料性能是值得关注的研究方向。