多孔金属的制备工艺及性能综述
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摘要：本文综述了多孔金属材料现阶段的各种制备工艺及性能应用。制备工艺主要是从金属熔体、粉末、沉积三个方面展开论述，并根据多孔金属所具有的轻质、高强、减震、消音等特点，对其作为结构材料、功能材料在建筑、化工及医用方面的应用进行了综述。随着现代工业及科技的进步，多孔金属材料的发展逐渐向材质的合金化、复合化，孔径的微细化，制备与应用研究一体化方向发展。
关键词：多孔金属，制备工艺，性能应用
中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（b）-0000-00
1 前言
近年来，多孔材料逐渐成为一种发展非常迅速的热点材料，从性质上分类，它包括无机多孔材料，如多孔陶瓷、发泡玻璃、泡沫混凝土等，有机多孔材料，如有机气凝胶，聚苯乙烯吸附树脂等，以及金属多孔材料。多孔金属材料是一种由金属基体及气孔组成的新型多功能复合材料，具有轻质、高强、减震、消音减噪的优点，被广泛地应用于建筑、化工、交通运输、生物制药、军事及航空航天领域。为取得更广泛的应用领域，获得性能更优异的多孔金属材料产品，其内部孔径的研究方向已由传统的多面体孔形貌向高孔隙率、均匀细小的球状孔隙发展。
2 多孔金属的制备工艺
多孔金属材料的制备方法众多，对于同一种金属材料，所使用的制备工艺不同，得到的材料内部气孔孔径及分布会有很大的差异，其性能和应用也有变化。可根据以下几种不同方法进行分类：（1）根据采用工艺的不同，分为铸造法，沉积法，烧结法和发泡法；（2）根据材料内部形成的孔隙结构的不同，分为开孔多孔金属和闭孔多孔金属；（3）根据生成气孔时金属状态的不同，可分为基于金属熔体的方法，基于金属粉末的方法，基于金属蒸气的方法和基于金属离子的方法[1～4]。
2.1 基于金属熔体的制备工艺
该方法是先将金属基体（如铝合金或铁合金）熔化，再加入第二相金属或氧化物（如SiC、Al2O3）增加粘度，并通过搅拌使原料混合均匀，在搅拌过程中可以直接将气体，如空气、氮气等注入熔体中，从而形成气孔[1]。此方法虽然简单经济，但得到的多孔金属产品孔结构往往不均匀，且力学性能不佳。此外，在得到金属熔体后，还可以通过添加发泡剂发泡，常用的发泡剂一般为金属氢化物，如TiH2、ZrH2，或碳酸盐类，如CaCO3、SrCO3，加热使发泡剂分解，产生气体使熔体膨胀发泡，冷却后得到多孔金属[2]。此方法的关键在于发泡剂和金属熔体在充分搅拌混合阶段的分解量要进行控制，混合均匀后在发泡阶段可产生足够的气体。
2.2 基于金属粉末的制备工艺
利用粉末冶金法来制备多孔金属，是通过采用金属粉末作为原料，并添加相应的发泡剂来制取多孔金属材料的一种方法。将原来与发泡剂按一定比例均匀混合后，经过压制成型得到紧密的块体，并将其加热到混合物的临界熔点温度，使金属块体熔化同时发泡剂分解产生气体，从而形成多孔金属[3]。该方法得到的多孔金属材料孔隙率较高，且孔分布较为均匀[1]。此外，有研究发现用金属纤维代替金属粉末，在同样的孔隙率下，烧结所得的多孔金属强度比使用金属粉末高出几倍[4]。
2.3 基于沉积技术的方法
2.3.1 基于金属蒸气的方法
该工艺是通过在真空或较高的惰性气氛下（102～103Pa），将熔融的液态金属蒸发成气态金属，并使其在特殊的聚合物上沉积，形成具有一定厚度的金属沉积层。冷却后通过化学方法或热处理去除聚合物基底，即得到具有通孔的金属材料[5]。该方法对设备要求高，且沉积速度慢，成本很高，但适合于任何金属与合金，得到的多孔金属孔隙率高，分布均匀。
2.3.2 基于金属离子的方法
该方法是采用电化学的方法将金属沉积在易分解的多孔有机物上，然后用热处理的方法将有机物除掉后烧结而得到的多孔金属。由于多孔有机物不导电，故需将其浸入导电溶液中进行电镀处理，即在多孔有机物的表面镀一层金属，从而使形成导电性多孔基体孔隙表面[4]。该方法制得的材料具有密度低、孔隙率高、比表面积大、孔隙分布均匀等优点，目前国内外普遍采用该方法进行高孔隙率多孔金属的大规模生产[6]。
3 多孔金属的性能
3.1 功能材料
3.1.1吸声材料
一般来说，多孔材料均具有一定的吸声性能，多孔金属也不例外，如泡沫铝。影响多孔金属材料吸声性能的主要因素有材料厚度、孔隙率、空腔厚度、表面涂层、环境温度等因素，从材料自身来说，材料内部的孔隙分布影响最大，其关键在于：微孔是相互连通的，在一定孔径范围内，材料内部孔隙率越高，孔径越大，其吸声效果越好，而闭孔的吸声作用相对较小，甚至不起吸声作用[7]。与传统的木质纤维板及无机保温板相比，多孔金属材料不仅具有吸声降噪的功能，而且兼具高的比强度、防火、减震、防潮、环保等优良性能[8]。
3.1.2过滤与分离
多孔金属材料的孔隙率在30～80%之间，孔径分布在10nm～600μm之间，具有优良的流体透过性能，由其制备的过滤材料被广泛地应用于汽车、化工、冶金、制药及水处理等不同领域。与多孔陶瓷相比，其强度和延展性明显更高，且在机械加工和焊接方面具有一定的优势，但在耐高温及耐腐蚀方面仍有很大差距[9]。
3.1.3 催化剂载体
目前，多采用多孔陶瓷材料作为催化剂载体，但是在强度、韧性和导热性上，多孔金属材料具有明显的优势，可使其作为催化剂载体材料的新的选择，提高催化效率。如可用于乙醇的选择性氧化、石油化工中的己烷重组反应工程[10]；又如在多孔金属薄片表面涂抹催化剂浆体，并通过轧制成型和高温处理，可用来处理氮氧化物等电厂废气[11]。
3.1.4 医用生物材料
根据多孔金属的过滤分离功能，在抗菌素药物生产时常使用多孔合金制成的过滤器过滤不需要的细菌，采用多孔钛管进行氯霉素水解物过滤、四咪唑生产中活性炭的过滤等。此外还有利用多孔金属材料所具有的开放多孔状结构，例如由钛及钛合金制备的多孔材料，因与人体组织有良好的相容性且对人体无害，且其自身具有的机械强度及杨氏模量可通过调整孔隙率与人体天然骨骼相匹配，同时具有很好的减振效果，多被应用于生物医学中骨科植入物、椎体融合等椎间盘疾病的治疗[4，12]。 3.2 结构材料
3.2.1 建筑材料
在目前大多数建筑工程中，具有轻质、高强、耐火阻燃的保温构件应用十分广泛，传统的保温材料如聚氨酯泡沫板、岩棉等不具备一定的承重能力和防火功能，在使用过程中经常易引发火灾事故。而多孔金属材料在建筑材料方面的应用填补了传统保温材料的不足，其独特的视觉效果也可用于装饰材料，不仅被工业人士重视，同时也深受设计师和艺术家的青睐[13]。
3.2.2 汽车工业及航空航天
金属多孔材料作为结构材料，还可用在汽车、航空航天领域。目前轻质、具有高刚度、吸能和吸音性能的多孔铝已在汽车上得到应用，如德国Karmann汽车公司研制的三明治式复合多孔铝制车顶盖板，与比原来的钢构件相比，刚度提高了7倍左右，而重量却减轻了3/4[4]。另外，多孔金属所具有的轻质高强、阻燃、高阻尼性能、电磁屏蔽、导热导电性能，可以取代航天工业中使用的蜂窝结构材料、高分子粘弹材料及轻质传热支撑构件，制作飞机机翼金属外壳的支撑体，宇宙飞船的起落架、宇航员空间行走的保暖装置等[1，2]。
4 结语
随着工业与科技的进步与发展，人们对多孔金属材料的应用需求越来越广泛。然而多孔金属材料的应用价值尚未被完全开发出来，轻质化已不再是人们所追求的目标，开发出新的兼具轻质及其它优良性能的多功能复合材料成为必然的发展趋势，同时由实验室阶段向工业化生产的推进将会对能源、建筑、国防等国家支柱产业产生极大的经济和环保意义。
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