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摘要：由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相、气孔分散相或连续相组成的两相复合材料，因此其性质取决于所用金属基体、气孔率和气孔结构，并受制备工艺的影响。通常，泡沫金属的优势在于吸热隔热性能较好、降噪能力较强且吸能力效果明显。现阶段，泡沫金属及复合材料已经广泛应用到航空航天、建筑工程以及化工等领域，同时这种材料也引发了众多国内外学者的关注。基于此，文章主要对泡沫金属复合材料生产应用实践进展展开探究，并对其未来研究发展作出展望，以此为相关研究人员提供参考。
关键词：泡沫金属；复合材料；热物理性能；吸能性能；降噪性能
现阶段，泡沫金属及其复合材料已经被应用于诸多领域，依据孔洞分布状态的不同，可以将常见泡沫金属分为闭孔泡沫金属与开孔泡沫金属两类。近年来，较多学者从物理性能、生产方式、应用领域等方面，对泡沫金属复合材料的应用方向作出研究与展望，这些研究成果对推动国内泡沫铝工业化生产方面产生了重要意义。
1泡沫金属复合材料制备方式
泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，材料外观如图1所示。影响泡沫金属复合材料稳定性的因素较多，其中的主要因素为填充材料的体积分数。除此之外，泡沫金属复合材料填充材料弥散性与尺寸等，同样对材料的稳定性造成影响。通常情况下填充材料弥散性越均匀，说明材料生产质量越高。
现阶段常见的制备技术包括粉末冶金法、压力渗透法以及搅拌铸造法等，文章针对上述三类制备方法展开研究，同时也有很多新方法应用到制备中。
1.1粉末冶金法
粉末冶金法属固相加工法，其制备过程主要是将金属粉末冶炼成为不同形状的制品，在这种加工方式下空心颗粒能够与金属基体材料完全混合，且在压力的作用下形成“生坯”材料，对这种材料展开微波辅助烧结后就能够产生泡沫金属复合材料。粉末冶金法的优势在于制作方式比较灵活，能够满足多元化体积分数填充材料的泡沫金属复合材料制备需求，但是该技术也存在一定劣势，例如，在合成体积分数较高的空心填充材料时，若在压实阶段处理不当很容易发生空心球破裂情况，因此现阶段有关粉末冶金法制备方面的研究多集中在合成体积分数较低的空心飞灰泡沫金属复合材料中［1］。
1.2压力浸渗法
压力浸渗制备法类型较多，该技术的原理是将制备填充材料提前放置在模具当中，在真空作用下金属在压力的影响下会逐渐渗透到模具当中，而后填充材料的空间便会产生网格状的泡沫金属复合材料。与粉末冶金法相比，压力浸渗法优势在于能够满足填充材料体积分数较高的材料，其分数通常能够达到70%以上，且经过该方法制备的材料孔隙率较低。但是压力浸渗法自身也存在缺陷，例如，当填充体的强度过低且受到高压渗透影响后，填充材料可能会出现断裂情况，因此难以确保泡沫金属复合材料制备成功率。
1.3搅拌铸造法
搅拌铸造已经成为泡沫金属材料制备的常用方法，制备机械内高速旋转叶轮能够对溶体展开充分搅拌，工作人员将填充材料缓慢地加入溶体旋涡中即可完成复合材料制备（见图2）。搅拌铸造法的优势是制作成本简单，便于工作人员操作，因此在泡沫金属复合材料制备领域得到广泛应用。传统搅拌铸造法多应用于密度较低的填充材料当中，填充材料密度过高时可能会在搅拌阶段导致颗粒破裂。近几年，研究人员开始对搅拌铸造法展开改良研究，例如，刘培生成功制备的高强度陶瓷空心球成功突破了搅拌铸造技术限制，通过控制陶瓷空心球尺寸可以生产出满足不同强度需求的制品，同时将其作为增强体后可以有效强化泡沫金属球的制备质量［2］。
2泡沫金属复合材料研究进展
2.1泡沫金属复合材料热物理性能研究
闭孔泡沫铝的表观传热系数仅为高密度铝合金1/5，其表观传热系数非常低且隔热性能非常强。除此之外，由于该材料的弯曲孔道较大，当液体通过闭孔泡沫铝的孔道时会带来复杂的三维流动性，所以这种材料还具备非常可观的热分离作用。现阶段很多学者就泡沫金属传热展开分析，其研究成果多集中在理论分析与模拟计算两个方面。在对泡沫金属研究过程中，研究人员会将金属骨架简化成为一个形状固定的模块，而后在空间中有规律地排序，也有部分研究人员会构建泡沫金属骨架模型，并以这些模型为基础开展传热系数计算，例如，张文杰就热辐射效应对泡沫金属有效导热系数的影响展开探究，通过简化理论模型对合金泡沫材料展开描述，且对合金泡沫材料的导热传热性能展开探究，最后通过整合这些参数对合金泡沫材料导热影响因素进行总结［3］；此外，也有研究人员从泡沫金属复合材料制备工艺角度入手展开研究，王辉等人就两类常见的泡沫铝制备工艺展开探究，同时就渗流铸造法与传统制备工艺展开对比分析，研究表明通过渗流铸造法所制备的材料将会具备更强的导热系数，且与传统制备工艺相比，该方法所制备的材料晶体结构更为完整，同时具备更高的孔隙率；刘长松等人以粉末冶金法为基础对泡沫金属复合材料的制备方式展开研究，结果表明当材料孔径相同时，内耗与孔隙率的关系成正比，即孔隙率越大内耗越大，若孔隙率一致，内耗与孔径则呈现出反比关系；赵军在研究中提到泡沫金属的传热途径主要包括热对流等三种形式，该学者对热对流、热辐射以及热传导三类导热途径展开探究，通过研究表明热对流对泡沫金属导热的影响效果较弱，而主要受热传导与热辐射的共同影响。
2.2泡沫金属吸能性研究
泡沫金属的吸能效果非常突出，所以现阶段很多泡沫金属复合材料已经应用到精密仪器包装、汽车防碰撞保险以及军事防爆等领域。在汽车生产制造领域，泡沫金属复合材料已经能够成熟应用到保险杠制作中，一方面能够有效降低汽车保险杠的重量，另一方面当出现碰撞事故后金属材料能够吸收大部分碰撞能量，可以有效降低碰撞对乘客的损伤。在建筑工程领域，通过泡沫金属吸能性能够起到隔音降噪功能，因此在很多会议室、车站、体育场以及娱乐场所等均已经开始应用泡沫金属材料。吸能是泡沫金属复合材料的优势之一，从现有研究成果来看，大部分研究人员会从吸能测试、性能原理以及影响泡沫金属吸能性因素等方面入手展开研究。在泡沫金属吸声方面，一些学者会通过传递函数等方法，通过实验室测试途径研究泡沫金属的吸声系数，除此之外也有研究成果表明可以通过驻波比法测试泡沫金属吸声系数，这种测量技术能够满足小批量样本的测试，但是并不适合大批量样本试验，这是由于在大批量测试中工作人员需要拿出大量的时间寻找波峰波谷。例如，梁李斯对泡沫金属复合材料泡沫铝吸声性能展开探究，同时在研究中提到了泡沫铝的结构力学性能等［4］。
影响金属泡沫的吸能因素也是众多学者研究的焦点，贺高锋以泡沫铝-聚氨酯材料为例对材料的吸能性展开研究，研究成果表明，材料相对密度与直径将会对材料的吸能性能产生非常明显的影响。当相对密度增加时，材料的吸能性能也会增加，但是当相对密度增加时，材料吸能高效率将会降低，且受直径变化的影响不大。王斌就泡沫纯铝和泡沫AlSi7Mg0.45在单轴压缩变化中的应力-应变曲线展开探究，研究表明在气孔率保持一致的情况下，泡沫AlSi7Mg0.45吸能效果要明显高于泡沫纯铝，该学者还提到泡沫金属复合材料能量吸收高效率与应变存在很大联系。曹晓卿等人通过实验的方式对泡沫金属单向压缩行为与吸能效果展开探究，研究成果指出，在准静态环境下材料孔径数量越高，那么弹性塑性模量就会越低，相反抗拉强度就会越高，该学者还指出，若相对密度达到32%以上且泡沫孔径变高时，泡沫金属复合材料塑性损坏抗压强度就会下降，相对密度30%为弹性模量的临界点，此时孔径将与材料能量吸收效率成正比［5］。曾斐就泡沫铝缓冲吸能特性展开探究，其研究中提到的能量吸收高效率曲线图将会对泡沫铝复合材料产品的研发产生一定推动作用。
2.3泡沫金属降噪性能研究
从价格方面来看，开孔泡沫铝要明显高于闭孔泡沫铝，但是开孔泡沫铝在吸音方面却存在明显优势，因此现阶段很多泡沫铝开始应用到需要隔音的领域当中。除此之外，泡沫铝对环境的适应能力较强，因此泡沫材料阻尼系数、减震与减噪功能等均是国内外研究的重点领域。通过整合现有研究成果来看，刘仁辉以厚钢板泡沫铝复合材料为基础，通过探究爆炸承载力对下架构底柱的影响，对厚钢板泡沫铝复合材料的防爆原理展开探究，研究结果表明次结构具备极强的减震降噪能力；王瑞斌的试验研究表明，通过在方钢结构中填充泡沫铝可以有效强化结构的耗能性；李晓佳在通过不同类型孔径、厚度材料实验对比后阐述了泡沫铝的吸声性能特征，同时该学者还提到孔径为1mm左右的泡沫铝复合后，其在低频段下的吸音性能将会进一步增强，若孔径超过1mm，那么泡沫铝在高频段下的吸音性将会增强［6］；袁文文对是否设置背腔的两类泡沫铝吸声性能展开探究，同时研究结果指出设置背腔泡沫铝材料吸声性能更好；梁李斯等人对影响闭孔泡沫铝吸声效率的因素展开探究，研究表明对吸声效率影响最大的因素为打孔方式。
2.4泡沫金属过滤性研究
泡沫金属复合材料内孔洞较多，同时还拥有良好的透气性，因此过滤装置就成为未来泡沫金属的重要研究方向。现阶段众多研究均表明泡沫金属复合材料的渗透率与孔径、气孔率等因素存在密切联系，通过泡沫金属孔道能够有效分离液体中的固态颗粒物，同时还能够通过分离作用过滤气体，这种作用于毛细管原理基本一致。泡沫金属具备一定不透光性，若压力小于液体对多孔结构的表面张力时，只有那些润滑效果优良的气体、液体才能够通过，若通过气体、液体不具备润滑性，那么其将会被阻隔而无法通过［7］。从现有研究成果来看，龚为佳依据泡米金属的过滤性特征对柴油机微型粒子过滤装置展开设计研究，研究结果表明当过滤横截面达到150cm3、厚度为10cm且孔径为1.5mm时，其有效过滤率能够达到86%以上，在经过设计研究后，该研究人员尝试将泡沫金属应用到柴油机排气系统当中并展开对比试验，同时指出柴油机转速、负载以及设备温度等因素对泡沫金属过滤性能的影响，这为泡沫金属在液体过滤领域的应用提供了全新方向；邢洪宪以挡砂机设备为原理，通过结合金属材料的过滤原理成功研制出一类泡沫金属防砂筛管，而后该学者对防砂筛管的防砂性能、过流性能以及防堵塞能力等展开研究，研究结果表明泡沫金属防砂筛管在各方面的性能都比较突出，这一研究成果为防砂研究提供了新的方向；王尧等人同样对泡沫金属在防砂中的应用展开研究，其研究结果泡沫金属材料具备抗冲蚀、抗堵塞以及挡砂效果明显等优势，因此具备非常广阔的应用前景；石锦芸依据泡沫金属过滤特性研制出一类除尘设备，实验表明该设备的实用性非常高，且具备使用寿命长、研发成本低等优势［8］。
3结论
综上所述，文章对泡沫金属复合材料三类常见制备方式展开探究，同时从热物理性能、吸能性能、降噪性能以及过滤性能四个方面入手对现有研究成果展开总结。泡沫金属具备优良的抗腐蚀、吸声减噪、阻尼以及吸能等方面优势，同时还具有表面积大、孔隙率高等特性，因此具备良好的使用性能与广阔的应用前景。从应用趋势来看，未来在汽车、军工、航空航天以及建筑等领域，均会加大对泡沫金属复合材料的应用力度，同时还会衍生出多学科、跨领域方面的研究成果，这些成果对进一步促进泡沫金属复合材料商业化、工业化等将会产生重要意义。
参考文献
［1］尹文艳，马巍.泡沫金属及其复合材料性能的研究进展［J］.山西冶金，2023，46（5）：76-78+96.
［2］王晓星.泡沫金属/环氧树脂互穿相复合材料力学性能研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2023.
［3］肖俊兵，邹博，庄依杰，等.泡沫金属复合相变体系导热性能研究及应用［J］.中南大学学报（自然科学版），2022，53（12）：4687-4699.
［4］刁明霞，果春焕，高华兵，等.泡沫金属复合材料的研究进展［J］.材料工程，2022，50（12）：60-70.
［5］赵公斌.梯级泡沫金属复合相变材料储热特性研究［D］.徐州：中国矿业大学，2022.
［6］梁恒，刘益才，汪谦旭，等.开孔泡沫金属复合材料有效热导率的研究进展［J］.化工学报，2021，72（S1）：7-20.
［7］周红梅.泡沫金属与三元气凝胶复合材料隔热性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.
［8］张云.镍基泡沫金属中子屏蔽复合材料的设计与制备［D］.南京：南京航空航天大学，2018.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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泡沫金属复合材料的研究进展论文
人参与 2024-10-24 10:46:54 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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