泡沫铝加工制备工艺及应用研究进展

朱聪

关键词：泡沫铝；铝加工；铝制品

泡沫铝是一种富含空隙的金属铝材料，其内部是类似蜂窝状的网格结构，物理性能优异，强度和承载能力非常大。相比其他材料，泡沫铝具有较多优点，例如防腐蚀性强、导热性好、隔音效果佳等。泡沫铝的诞生可以追溯到20世纪50年代，因为其轻质和高承载力的特性，起初主要应用于航空航天领域[1]。1984年，法国国家科学研究中心（CentreNational de la Recherche Scientifique，CNRS）的科学家根据热力学和反应动力学原理，开发出一种将铝液发泡成泡沫铝的成熟工艺，极大地拓宽了泡沫铝的应用范围。目前，泡沫铝的制备方法主要有发泡法、粉末冶金法、电沉积法、熔体渗流法等[2]。凭借优异的物理性能和广泛的应用领域，泡沫铝材料必定备受瞩目，发展潜力有待进一步发掘。本研究参考国内外的研究成果，介绍了泡沫铝的制备方法，并讨论了泡沫铝的性能及应用进展。

1 泡沫铝的制备工艺进展

过去数十年，在技术创新和市场需求的推动下，泡沫铝材料的生产制备工艺不断改进和完善，主要有以下4种。

1.1 发泡法

发泡法主要分为熔体发泡法和注气发泡法两种。

熔体发泡法的基本原理是利用铝在高温下的熔化和发泡特性，通过控制铝熔体的温度、压力、气氛等参数，在熔体中加入发泡剂材料、引入气体制备泡沫铝材料。熔体发泡法的主要工艺流程如下：（1）原料准备。采用铝锭或者铝合金材料，按照一定比例加入表面活性剂等辅助材料并充分混合。（2）熔炼。将经过混合的铝材料放入电炉中进行熔炼和加热处理，在此过程中，需要控制熔融铝的温度和气氛，通常采用氩气等惰性气體作为保护气氛，避免氧化反应对熔融铝的影响。（3）发泡。在发泡过程中，泡沫铝的结构由内到外逐渐形成并不断扩大，直至整个熔融铝完全发泡成泡沫铝。此时，铝熔体外观呈稠密多孔气泡状并逐渐向外伸展膨胀，形成特殊的泡沫铝结构。（4）冷却。在泡沫铝的冷却过程中，需要控制熔体的温度和出气口大小等参数，避免泡沫铝因为温度过高或者气体排放不畅而出现问题[3]。熔体发泡泡沫铝制备法具有制备规模大、生产能力强、材料性能可调节等优点，逐渐成为制备泡沫铝材料的主流技术之一[4]。

注气发泡法和熔体发泡法类似。不同的是，该方法是将气体从外部引到熔体中实现发泡的。当熔融铝达到一定温度时，通过气动装置向熔融铝中注入氮气或氩气等惰性气体，使其溶解在熔融铝中。在注气过程中，需要控制注气量、时间和位置等参数，以保证注入的惰性气体均匀分布在整个熔融铝中。注入气体后，通过控制温度和压力参数使熔融铝中的气体逐渐扩散和排出，形成不断增大的空洞和孔洞，最终形成泡沫铝材料结构[5]。相对于其他泡沫铝制备工艺，注气发泡法的特点是操作简单、工艺成本低。但相对于熔体发泡法，注气发泡法制备的泡沫铝孔径大小不易控制、尺寸偏差较大[6]。

1.2 粉末冶金法

粉末冶金法又称粉末致密发泡技术，近年来被广泛应用于工业领域，成为制备闭孔泡沫铝的重要方法之一。该方法首先将铝粉体和发泡剂粉体按一定比例充分混合，其次通过冷压、挤压或轧制等程序形成预制件，并将其放入发泡炉中加热。在发泡炉中，发泡剂分解释放气体，冷却后得到闭孔泡沫铝材料。由于此法利用粉末制备前驱体保持了韧性，且可以制造形状符合要求的零件，生产成本较低，近年来逐渐成为制备泡沫铝的主流方法。

目前，粉末冶金法主要分为聚合物泡沫法和金属粉末燃烧发泡法两种。聚合物泡沫法是将金属粉末与聚合物混合后，在高温下热解、生成气体，使聚合物形成泡沫状，然后通过金属热扩散作用将泡沫状聚合物转化为泡沫铝。该方法可以制备较厚的泡沫铝，但同时存在聚合物残留、清洁难度大等问题。金属粉末燃烧发泡法是将金属粉末混合后制成燃料，点燃后在自反氧化气氛下进行爆炸反应，产生大量热和气体，从而使金属燃料膨胀成泡沫状，并迅速固化成泡沫铝。这种方法制备的泡沫铝性能优异，具有孔隙度高、孔径小、连通孔道多等优点。但一些技术难题尚未得到解决，如泡沫铝起始密度大、工艺参数难以控制等[7]。兰凤崇等[8]以蔗糖为造孔剂，采用粉末冶金法制备了具有不同孔隙率和孔径尺寸的泡沫铝，并发现烧结温度和金属粉末颗粒度对泡沫铝的机械行为有显著影响。

1.3 电沉积法

电沉积法制备泡沫铝是一种常用的工业制备开孔多孔金属技术。其原理是在电解液中控制电极电位和电流密度，将金属离子在电极表面还原成泡沫状金属。为了得到理想的泡沫铝样品，在制备过程中需要选择合适的电解液、电极材料和电解条件等。具体制备过程包括制备电极，将电极放入电解液中，控制电极电位和电流密度，使金属离子在电极表面还原成泡沫状金属，最后进行清洗、干燥等后续处理。

虽然电沉积法制备泡沫铝具有制备成本低、工艺简单等优点，但也存在一些缺点。例如，在制备过程中需要控制电极电位和电流密度，操作比较烦琐；制备的泡沫铝孔径不如模板法制备的泡沫铝均匀，孔隙率也较低[9]。总之，电沉积法制备泡沫铝是一种新型制备方法，虽然存在一些缺点，但凭借制备成本低、工艺简单等优点赢得了市场的青睐。随着技术的发展和改进，电沉积法制备泡沫铝的应用前景更加广阔。

1.4 熔体渗流法

熔体渗流法是一种新型材料制备工艺，以铝为原料，在特定条件下将其熔化并注入预制好的具有开放孔隙和通道结构的多孔体中。在外部压力的作用下，熔化的铝从多孔体表面进入，沿着多孔体中的通道持续扩散和渗流，最终形成孔隙率高、强度高、密度分布均匀、结构性能稳定的泡沫铝材料。其中，多孔体可以采用多种方式制备，如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫等[10]。张勇等[11]以氧化钙为渗透剂，采用低压渗透法制备了开孔式泡沫铝材料和3种孔径不同的泡沫铝材料。潘利文等[12]采用熔模注浆方法制备了三维多孔金属材料，并通过选取合适的孔棱增粗材料来粗化泡沫铝筋，从而提高所制备材料的性能。

熔体渗流法制备泡沫铝的主要特点是具有较高的均匀孔隙率和结构稳定性，而在注气法、模板法、复合法等其他方法制备泡沫铝的过程中，常常出现孔隙率不均、密度分布不均、结构不稳定等问题。这是因为在其他方法制备泡沫铝的过程中，孔隙率和密度的分布往往会受到模板的限制，而模板的制备和后续步骤都会影响泡沫铝的质量和性能。

2 泡沫铝的性能及应用进展

泡沫铝因其独特的多孔结构而获得轻质、强度高、吸声性能好、导热性能可调控和屏蔽电磁干扰等优势，在多个领域具有广泛的应用前景。

2.1 力学性能

泡沫铝凭借多孔结构表现出密度小、刚度质量比和能量吸收能力良好等特点，具有抗压、抗拉、抗扭曲或弯曲等机械特性，并且结构可以承受拉应力。在众多机械特性中，泡沫铝的抗压特性引起了广泛关注。在航天领域，用泡沫铝或金属泡沫夹层板代替昂贵的蜂窝结构可以实现更高的性能和更低的成本。波音公司制造的大型泡沫夹层构件和具有泡沫铝芯的铝夹层采用气体捕集技术制造，用于直升机尾翼。与通常的平面蜂窝结构相比，该夹层的突出优点是可以制成任何形状甚至三维形状。因此，直升机制造商使用泡沫铝组件替换目前使用的一些蜂窝结构组件，包括涡轮机的结构组件。航空发动机级间密封圈也是由多孔金属制成的。在太空技术领域，泡沫铝用于航天器着陆垫的能量吸收碰撞元件和卫星承载结构的加固材料，替代在不利环境条件下（温度变化、真空等）出现问题的材料[13]。

当前，减重和提高燃油效率是汽车工业的发展趋势，具有轻质和高强度特点的泡沫铝应用潜力巨大，旨在提高汽车的碰撞安全性和安全系数。在汽车中安装不同形状的薄壁结构并在中心填充泡沫铝可以有效地提高结构的弯曲强度、压缩强度、刚度和能量吸收性能，使其成为优秀的撞击能量吸收部件。

2.2 声学性能

随着社会对噪声环境的关注度不断提高，泡沫铝在吸音吸声领域的发展前景巨大。部分噪音在泡沫铝中传播会被粗糙表面反射，另一部分会进入多孔结构。一方面，进入泡沫铝的声波会导致孔内空气压缩或膨胀，从而将声能转化为热能；另一方面，由声波引起的振动空气与孔壁之间的摩擦损耗会使声能流失，进一步减弱穿过泡沫铝的声波以达到隔音效果。根据泡沫铝的吸声机理，泡沫铝的吸声性能受到许多因素的影响，如孔径大小、孔隙率及孔隙均匀性等。泡沫铝材料的声学性能特点主要体现在以下3个方面。（1）声阻抗。泡沫铝材料由许多小孔组成，这些小孔中填满了气体，导致其声阻抗较低，从而提高了其声学性能。声阻抗越低，材料吸收声波的效果就越好。（2）声散射。泡沫铝材料表面粗糙，可增加声波在材料表面的反射和散射，从而增强其吸声效果。同时，泡沫铝材料之间的孔隙也可以散射声波，使声波在材料内部得到扩散和衰减。（3）吸声系数。泡沫铝材料的吸声系数高，能吸收更多的声波，在对声波的控制和调节方面具有广泛的应用前景[14]。

作为新型结构功能材料，泡沫铝因其特殊结构而获得许多优异性能，完全满足汽车和轨道交通内饰系统的材料要求。用于内饰的泡沫铝采用外金属板和内部泡沫铝的夹层结构，在发泡过程中，外层和内层通常会粘合或复合。泡沫铝也可以用作高速公路和高架桥两侧隔音屏的原材料。

2.3 热性能

泡沫铝具有高孔隙度（孔体积占比通常在75%～95%）、固体孔边的高导热性、大内表面积以及能在冷却液中产生湍流和高混合的能力。因此，由其制成的换热器具有紧凑、高效、轻量化的特点。泡沫铝材料中的气体孔隙对热传导有重要影响，热传导的主要机制是固体-气体界面上的热辐射和气体中传导热的效应。由于泡沫铝材料中气体孔隙的存在，热穿过材料后必须经过的反射、散射和吸收比其他类似材料多得多，从而极大地减缓了热流的传输。同时，泡沫铝材料中气体所占比例很高，其热传导性能在极大程度上受到气体热导率的控制。

基于以上特点，泡沫铝在工业领域得到了广泛的应用，其中最常见的是隔热领域。隔热材料的功能是减少两个区域之间的传热，泡沫铝的多孔结构可以实现该功能，因此被用于生产夹芯板、保温被、防火墙、管道保温等隔热产品。

2.4 电磁屏蔽性能

泡沫铝结构独特，因此具有与致密材料不同的电磁屏蔽机制。当电磁波射到泡沫铝表面时，一部分会被反射，另一部分会进入泡沫铝内部。这部分电磁波将在孔壁和孔内继续传播，并通过吸收损耗、反射损耗和涡流损耗而耗散。对于闭孔泡沫位错，其在﹣100～1 000 MHz频带内对电磁波的屏蔽效能在60 dB以上，最高可达90 dB。在10～500 kV变电所环境中，由泡沫铝制成的屏蔽室具有与304 L不锈钢相同的电性屏蔽能量效率、比304 L不锈钢更高的磁性屏蔽能量效率。结合高比强度、吸收能量和隔声的特点，泡沫铝在电磁屏蔽领域具有很强的竞争力[15]。

在一些研究机构中，泡沫铝作为墙体材料之一，能起到电磁屏蔽作用，防止一些精密设备受到电磁波的干扰。泡沫铝的电磁屏蔽性能被应用于军用指挥车/指挥所、雷达控制系统等的保护内衬中，能有效屏蔽电磁炸弹之类的高功率电磁信号，效能可达90 dB，约为传统铁氧体材料的26倍。泡沫铝材料与其他材料的复合可以进一步提高其电磁屏蔽性能。例如，将其与碳纤维等高导电材料复合，既能保持泡沫铝材料的轻量化特性，又能提高其导电性能和抗干扰能力；还可以将其与多孔性炭材料等电磁波屏蔽材料组合，开发复合材料，拓宽应用范围。

3 结语

泡沫铝在工业领域的应用潜力巨大。通过不断的研究和开发，人类可以进一步发掘泡沫铝材料的潜力，将其应用于更多領域，为人们的生活和社会发展作出更多贡献。泡沫铝的研发和制备近年来得到了长足的发展，目前已经初步具备产业化能力，但是在孔结构控制、孔壁和孔径均匀性方面还需要完善，针对泡沫铝的理论研究和性能研究还需要进一步拓展。另外，泡沫铝的制备成本较高，限制了该材料在更多领域的应用和推广。泡沫铝材料制备工艺的稳定性和成本优化是未来的研究重点。