新材料应用蓝海拓展——泡沫铝

　　【要点释义】泡沫铝是一种在金属铝基体中分布有无数气泡的多孔质材料。目前，日本与德国在研究、生产和应用泡沫铝与其他金属泡沫方面居世界领先地位。我国对泡沫铝材的研究始于1980s后期，已取得了一系列的研究成果，但尚未取得突破性的成就，仍然处于起步阶段，未形成生产力。

　　性能表现

　　泡沫铝的性能主要取决于分布在三维骨架间的孔隙特征,即气孔的形态和分布,包括孔的类型（通孔或闭孔）、孔的形状、孔的分布、孔的结构（孔径、孔隙率、比重等）。

　　1物理性能

　　泡沫铝最明显的特点就是重量轻、密度低,随孔的变化而变化,比重仅为同体积铝的0.1—0.6倍，但其牢固度却比泡沫塑料高达4倍以上。泡沫铝材料的导电性要比实心铝材料小得多,相反电阻率就大得多,是电的不良导体。泡沫铝的导热性能比实心铝小得多,约为实心铝的0.1—0.2倍。另外,泡沫铝还具有刚性大、不易燃、不易氧化、不易产生老化、耐候性好、回收再生性好等特点。

　　对于承受弯曲负载的装置,所用材料应具有较高的比强度,通过对泡沫铝和几种常见结构材料（铝、钢）的比强度值（泡沫铝：铝：钢=5:2.5:1）比较,可知泡沫铝具有高比强度的特点。实验研究表明,适当的热处理可以提高其比强度。因此,泡沫铝可用于承受较大的弯曲负载装置中。

　　2力学性能

　　同其他多孔材料一样,泡沫铝的弹性模量、剪切模量、弹性极限等均随孔隙率的增大而呈指数函数下降。

　　(1)抗拉强度泡沫铝的抗拉强度很低,几乎无延伸率,表现为半脆性。实验发现孔径大小对其拉伸性能有一定的影响。相对密度相同时,孔径小的拉伸强度比孔径大的高。

　　(2)抗压强度泡沫铝的抗拉强度虽然很低,但它的抗压强度却较高。泡沫铝压缩应力一应变曲线可以分3个区域：线弹性区、屈服平台区、致密化区。孔径不同的泡沫铝的压缩应力一应变曲线形状基本相似,不同主要表现在塑性平台的高度上,实验发现,孔径大小与塑性平台的高度并不是某种简单的线性关系,而是在某一孔径下塑性平台最高。由泡沫铝的抗压强度与其密度及压缩率之间的关系图可知,密度增加,抗压强度增加。

　　3吸能特性

　　多孔结构材料可用作能量吸收材料。单位质量小、能量吸收能力大的材料就具有较大的作用。泡沫铝单位质量小、强度较高,因此泡沫铝具有很高的能量吸收能力。泡沫铝在压缩过程中,有高而宽的应力平台,可以在基本恒定的应力下通过应变来吸收能量。吸能能力由应力应变曲线下方的面积来求,因此屈服平台高而宽时,吸能能力越大。孔径大小对屈服平台的高度有一定的影响,所以可以找到一个合适的孔径,使屈服平台较高来提高其吸能能力。另外,其吸能能力随孔隙率呈非单调变化,在某一孔隙率下具有最大的吸能能力。

　　4阻尼性能

　　材料的阻尼性能是指材料由于内部的原因,将机械振动能不可逆地转化为热能的本领。利用材料的这种本领,可减小所不希望的噪声和振动。根据Zener的经典理论,提高金属材料阻尼性能的重要途径之一,就是设法使缺陷之间的交互作用达到最大,以获得最大的线性阻尼,或将力学放大机制引人材料,以获得较高的非线性阻尼。多孔材料显然符合高阻尼材料的组织特征,而且实验已经证明孔洞的存在,可在某些非金属或金属材料的阻尼响应中发挥重要作用。

　　泡沫铝作为一种宏观多孔材料,由金属骨架和孔隙组成,组织极不均匀,应变强烈滞后于应力,压缩应力一应变曲线中包含一个很长的平稳段,因而它是一种具有高能量吸收特征的轻质高阻尼材料,在消声减震等领域有着可观的应用前景。实验研究发现：

　　（1）孔径一定时,泡沫铝的内耗随孔隙率的增大而增大；

　　（2）孔隙率一定时,泡沫铝的内耗随孔径的减小而增大；

　　（3）泡沫铝的内耗与应变振幅密切相关,随振幅的增大而增大；

　　（4）泡沫铝的内耗在低频范围内与频率的变化无显著关系。

　　在低阻尼的铝中加人大量孔洞以后,可以显著提高其阻尼本领。是由孔洞本身弹性模量近乎为零的软质性以及孔洞与基体之间形成的大量界面引起的。另外泡沫铝内部还存在其他大量微观和宏观的缺陷,泡沫铝的阻尼机制是其缺陷的综合效应,缺陷阻尼是其主要的阻尼机制。

　　5吸声性能

　　泡沫铝材料尤其是通孔泡沫铝,当声音透过泡沫铝时,由于声波也是一种振动,可以在材料内部发生散射、干涉和漫反射,将声音吸收在其气孔中,使内部骨架振动,声能部分转化为热能并且通过热传递消耗掉,起到了吸声的作用,因此,泡沫铝具有良好的声音吸收能力。吸声性能用吸声系数来衡量,吸声系数越大则吸声性能越好,泡沫铝的吸声性能主要取决于孔隙特征,通孔吸声性能较好。孔越细小,吸声性能越好。

　　泡沫铝的应用

　　1建筑材料

　　由于泡沫铝的单位体积重量轻,防音防振、耐火不燃、保温等性能,所以能用它来建造不承重的内墙壁、间壁墙、门、天花板、外面的装饰材料等。也能够利用到任何要求气密、通气性能好的建筑中。要用来做表面装饰时,也能做到泡沫塑料、大理石和其他装饰材料的效界、在电子计算机室、理化试验室等的配线配管经常变动的情况下,适于建造所谓的移动地板。对于这个目前用的是蜂窝结构材料、压铸材料等,但可以用泡沫铝代替。大型建筑物的外装,在高层上是极力避免使用重量大的材料的,泡沫铝正好适合这种需要。这不仅是重量轻,而且可使外表设计自由。对强度有特殊要求时,可以利用加入钢筋制做的泡沫铝。

　　2装饰材料

　　泡沫铝可以采用任意设计来做为建筑物内外和其他的装饰材料,也能够做成具有如石质、大理石、木材、玻璃等材料的式样。由于用它造成的雕刻物、塑像和其他物件造型即大又轻,搬运起来是极容易的。

　　3防音材料

　　能够有效地利用其做为壁面来调整广播、音乐、讲堂、剧场等的音响效果。在产业部门适合做为发电室、发动机试验室、飞机场的防音、发音机械的平台等材料。日常生活中被用来做为唱机、立体摄影机的结构零件,室内冷却器的防音、旅馆等的防音部件等。

　　4抗振材料

　　对于用做汽车缓冲器及其他附带零件,以把冲撞减缓下来达到安全目的,泡沫铝是最好的材料。与此相反,也能用来做为对于沿路的诸设备发生冲撞时的缓和振动材料。做为重量大而又贵重的物件的运搬、安装等的防振材料是理想的。阿波罗11号的LM在月球表面着陆时起落架下用的就是这种材料。适应着陆时月面的凹凸,并以泡沫铝的破坏来缓和振动。也适用做为贵重物品的垫板材料。

　　5型材

　　由于泡沫苯乙烯模型及其他高温下使用的大型模型在操作上必需减轻重量,所以能用这种材料。试制汽车和其他大型的模型时,历来用的是蜂窝结构及其他材料,但是它有成本高的缺点,而泡沫铝则价格低又容易整形,并且在模形变化时,对于重复试制是非常适合的。

　　6在汽车制造业上的应用

　　泡沫铝优良的性能,决定了它具有广泛的用途和广阔的应用前景。尤其是在汽车制造业上的应用,泡沫铝被认为是一种大有前途的未来汽车与其他交通运输工具的良好材料。为了保护地球环境和自然资源,欧洲、北美、日本等发达国家已制订出法律法规来提高汽车的燃油效率。减轻自重是提高燃油效率的最佳方法,减轻汽车自重的方法：（1）改进结构,（2）轻量化材料。前者已大致到了尽头,只有后者才有潜力可挖。这样就为泡沫铝材料的开发应用提供了很好的机会。欧洲经济共同体实行的光明欧洲计划就是研究泡沫铝在汽车上的应用。自重减小1kg，燃油效率可提高0.01km/L。目前国外已有全铝汽车出现,与铝相比泡沫铝材料具有更轻量化的特点,可以更好地提高燃油效率。

　　国外研究表明,采用泡沫铝材构件,汽车构架的刚度得到加强。在汽车制造中约有20%的车身结构可采用泡沫铝制造,一辆中型轿车用泡沫铝制造零件可减重27.2 kg左右,同时使结构系统简化,零部件数量至少可减少1/3,降低了汽车成本。泡沫铝材料是一种良好的能量吸收体,单位体积吸收的能量可达6-9M J,强大的能量吸收能力说明了它作为汽车保险杠缓冲材料的优越性。在汽车冲击区使用泡沫铝制成的合适元件,可控制最大能耗的变形,例如,在中空钢材或铝材外壳中充入泡沫铝,可使这些部件在负载期间具备良好的变形行为。泡沫铝材料用于汽车乘客座位前后的可变形材料可以改善安全性。泡沫铝耐热、阻燃,同时,在受热状态下不会释放有毒气体,所以在交通运输工具中采用泡沫铝材料来代替泡沫塑料或发泡树脂材料,可以提高使用寿命,减少维修,同时也消除了传统材料在车辆事故中所产生的有害气体,大大降低了交通事故中的损失和人员伤亡,同时也起到了环保作用。