第三章 發(fā)泡劑的選擇

1、昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論多孔材料是當(dāng)前材料科學(xué)中發(fā)展比較迅速的一種材料，由于其兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特點，比其它材料具有更加廣闊的應(yīng)用前景，受到科學(xué)界的廣泛重視，成為了近些年材料學(xué)科中研究的重點。目前研究的多孔材料主要包括各種無機氣凝膠、有機氣凝膠、多孔半導(dǎo)體材料、多孔金屬材料等。多孔金屬材料又稱為多孔泡沫金屬，是20世紀40年代發(fā)展起來的一種具有與傳統(tǒng)材料不同的特殊結(jié)構(gòu)的新型材料，它由金屬基體和大量孔隙組成，因此多孔泡沫金屬具有比重小、高比強、比表面積大，能量吸收性好，特殊的傳熱、聲學(xué)、電磁學(xué)性能等。根據(jù)其內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)不同，可分為通孔及閉孔兩大類。通孔是金屬內(nèi)部孔洞相互連通，

2、稱之為多孔金屬(Porous Metals)。閉孔是孔洞之間相互獨立，不連通形成閉孔，稱之為泡沫金屬(Foamed Metals)。無論是多孔金屬還是泡沫金屬它們都既具有金屬材料的性質(zhì)，而結(jié)構(gòu)上又與泡沫塑料相似，因此材料科學(xué)界通常稱為此類材料為多孔泡沫金屬(Porous Foam Metals)1-5。泡沫金屬的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，現(xiàn)已經(jīng)成功應(yīng)用在建筑工業(yè)、航空工業(yè)、計算機工業(yè)、交通工具及包裝工業(yè)等很多領(lǐng)域，而且隨著泡沫金屬生產(chǎn)工藝的不斷完善及對其研究開發(fā)的不斷深入，泡沫金屬的工業(yè)化生產(chǎn)將更進一步成熟，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。因此，對泡沫金屬進行研究開發(fā)有著重大的實際應(yīng)用價值。11泡沫金屬的發(fā)展現(xiàn)狀泡沫

3、金屬是一種在金屬基體中形成無數(shù)氣泡的多孔性金屬材料，又稱多孔性泡沫金屬1，由于它兼有金屬特性和非金屬的一些特殊物理性能，因而得到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。金屬泡沫或金屬多孔材料是20世紀40年代后期國際上迅速發(fā)展起來的一種具有優(yōu)異的物理特性和良好的機械性能的新型工程材料。自從1948年由美國的Soknik首先發(fā)明利用金屬中低熔點物質(zhì)氣化而得到泡沫金屬的專利技術(shù)以來的50多年里2，材料研究者們對泡沫金屬的制備、性能研究、應(yīng)用開發(fā)等方面做了大量的研究工作。Soknik發(fā)明的方法是在鋁中加入汞，從而獲得泡沫金屬，而汞是有毒性的，到了1956年，J.C.Elliot用可分解出氣體的固體發(fā)泡劑代替了汞，解決了在

4、發(fā)泡過程中容易汞中毒的問題3。1959年，B.C.Allen首次采用了PCF（powder compact foaming）4,也就是我們通常所說的粉末冶金法，目前此法以成為制備泡沫金屬的重要方法之一，并且采用這種方法制備低熔點泡沫金屬已經(jīng)在一些國家實現(xiàn)了小規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。1957年J.Bjiorksten10胡宣布：“泡沫金屬有巨大的市場潛力，在未來的20年內(nèi)可占金屬市場份額的10?！钡瑫r他又說：“要實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)還許多工作要做，比如如何解決密度、孔徑和尺寸的控制問題?！边z憾的是他的話只是第二句得到了驗證，盡管金屬泡沫制備工藝的第一項專利發(fā)明了好多年，但由于缺乏足夠的構(gòu)建設(shè)計、性能

5、再現(xiàn)性較差、缺乏計算和測試方法、缺乏后處理的基本原理方法、生產(chǎn)技術(shù)太復(fù)雜以及成本較高等原因，這種材料一直未得到大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。泡沫金屬的發(fā)展也處于發(fā)展相對緩慢階段。1980年，德國的Fraunhofer先進材料研究所制造出了可以漂浮在水上的泡沫鋁5-6，標(biāo)志著對泡沫金屬的研究進入了一個嶄新的時代。科學(xué)家們通過對金屬液中加入增黏介質(zhì)提高熔體的穩(wěn)定性，改善泡沫的機構(gòu)質(zhì)量，這種方法制備工藝更加合理，制造成本更加低廉，從而使發(fā)泡金屬發(fā)展向前邁進了一大步。從泡沫金屬的出現(xiàn)到20世紀70-80年代，研究主要集中在泡沫金屬的制備方面，而且取得了很大的成果。比如，在制備泡沫金屬鋁時增粘問題的解決對泡沫鋁的

6、制備有很大的推動作用13 1415。另外，氣泡核心機理的提出及應(yīng)用對泡沫金屬的制備又是一次很大的突破，這種理論就如同金屬凝固過程中加入形核劑一樣，使泡沫金屬的直接成型成為可能，這兩次重大的突破使對泡沫金屬的研究進入到了系統(tǒng)化的研究中，1983年，G.J .DVIES和SHU ZHEN(舒震，中國)16發(fā)表的論文是泡沫金屬系統(tǒng)化研究開始的標(biāo)志，近20多年來，泡沫金屬的研究和開發(fā)都十分活躍，同時也是材料研究的重要課題。期間，主要的出版物主要有:Lorna.J.Gibson,Michael F. Ashby于1987年出版的“Celluar solids：structure and properti

7、es”專著17 ，該專著作于2003年由我國學(xué)者劉培生教授翻譯成中文18。該書總結(jié)了作者及國際同行多年來辛勤勞動的成果，是多孔金屬泡沫材料領(lǐng)域近年來的最新力作。1992年Michael F. Ashby19第一次系統(tǒng)地總結(jié)了泡沫金屬的制備、性能和應(yīng)用；2001年，J.Banhart的論文20對泡沫金屬的近期研究和發(fā)展工作進行了系統(tǒng)的總結(jié)；2002年，H.P.Degischer出版了最新的泡沫金屬論著“Handbook of Cellular Metals:Production,Processing,Applications”21是目前泡沫金屬的研究成果的最新成果的總結(jié)和敘述，2004年左孝青、

8、周蕓將其翻譯成中文;1999年，由J.Banhart牽頭，創(chuàng)立了泡沫金屬的國際性學(xué)術(shù)機構(gòu)，每年召開相關(guān)的國際學(xué)術(shù)會議和活動。目前，歐洲、美國、日本等發(fā)達國家的相關(guān)研發(fā)活動都十分活躍，己涌現(xiàn)出一批泡沫材料產(chǎn)品的公司(Shinko-Wire, Cymat,Aluligy, Schunk, Karman, Neuman-Alufoam)。泡沫金屬由于其特殊的結(jié)構(gòu)性能合物理性能，使其在交通行業(yè)、汽車行業(yè)、航天、航空行業(yè)船舶制造行業(yè)具有著廣闊的應(yīng)用前景。對泡沫金屬的研究早期的主要圍繞泡沫鋁的制備工藝進行，制備方法大體可分為粉末冶金法、熔體法、金屬沉積法、噴鍍沉積法等7-10，其中尤以粉末冶金法應(yīng)用最為廣

9、泛，發(fā)展較快，且已在實際應(yīng)用中取得很大成功。日本、美國、西歐等一些國家和地區(qū)對泡沫金屬的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位，對泡沫金屬的應(yīng)用和研究取得了很大的成果，已能制備小型和大型件，并進入試生產(chǎn)應(yīng)用階段，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一些小規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，比如日本住友電工公司生產(chǎn)的泡沫鋁被用于制造汽車的某些耐熱耐磨擦部件和揚聲器的部件；日本神戶鋼鐵公司生產(chǎn)的ALPORAS泡沫鋁在日本的高速列車制造上得到了應(yīng)用，美國FRG公司用一種“Duocel”方法制得的泡沫鋁已經(jīng)成功的應(yīng)用在了美國的航天飛機上，德國用泡沫金屬作為電梯的夾層板材料，以及烏克蘭科學(xué)家研制的Gasser多孔泡沫材料等等。德國的IFAF研究所、美國的D

10、UOCEL、加拿大的CYMAT、日本的ALPORAS公司均分別采用不同的方法成功制備出自己的泡沫金屬，并且正在向工業(yè)化生產(chǎn)而邁進。 11-14。目前 ，美國現(xiàn)在對泡沫鋁的生產(chǎn)已經(jīng)能夠從發(fā)泡到成型過程的連續(xù)生產(chǎn)，其生產(chǎn)設(shè)備如圖1-1所示，a)可以連續(xù)生產(chǎn)大型鋁材;b)可以連續(xù)生產(chǎn)有一定厚度的大型板材;c)可以用來生產(chǎn)某一形狀的鑄件:d)可以連續(xù)生產(chǎn)某一形狀的鑄件。對泡沫金屬的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的知道意義。近些年來對泡沫金屬的研究重點主要集中在一方面是改善泡沫金屬性能，各國都投入了大量的人力物力，研究的內(nèi)容主要包括對發(fā)泡金屬的合金化、熱處理、纖維增強或其它一些增強的方法；另外，最近幾年在理論方面也

11、開始對泡沫金屬進行系統(tǒng)的研究，首先，在泡沫金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)上的研究，人們越來越感覺到泡沫金屬在物理結(jié)構(gòu)上的特殊性，它不僅是一種結(jié)構(gòu)材料，而是一種具有許多物理性能的多功能材料它的那些特殊的性能都能從它的結(jié)構(gòu)上找出原因例如泡沫金屬孔隙通孔率與閉孔率的測定研究、孔徑的統(tǒng)計測量、比表面積的測量及這些參數(shù)對泡沫金屬性能的影響 ，其次是對泡沫金屬性能方面如泡沫金屬的變形特性、吸聲特性、阻尼內(nèi)耗特性等的研究，這些研究給應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)。國內(nèi)對泡沫金屬的研究開始與八十年代，其中東南大學(xué)、貴州工學(xué)院、昆明理工大學(xué)、東北大學(xué)、大連理工大學(xué)、太原理工大學(xué)等一些學(xué)校和科研單位對泡沫金屬的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位15-

12、21,其中近幾年來，清華大學(xué)對Gasser銅研究有了突破性進展。國內(nèi)用發(fā)泡法和滲流法制造泡沫鋁已處于國際水平，但對連續(xù)生產(chǎn)方面的研究還不發(fā)達，有待于以后進一步研究，但對理論性能方面的研究國內(nèi)研究的比較早，處于國際領(lǐng)先水平，如對泡沫金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定，阻尼性能等都進行了大量的研究，并取得的可喜的成果，但是在應(yīng)用方面，國內(nèi)研究的甚少，基本沒有報道?？傊瑢τ谂菽饘俚难芯窟€處于繼續(xù)研究階段，無論是其制備方法還是其性能研究，以及其性能在實際中的應(yīng)用，都還沒有達到完善，都有待于科技工作者的進一步研究。圖1.1泡沫金屬的連續(xù)生產(chǎn)方法1.2泡沫金屬的性能22-35對于泡沫材料當(dāng)基體中的氣孔數(shù)目與大小達到

13、一定程度后，雖會損失部分強度等力學(xué)性能，但其卻可以獲得良好的可壓縮性，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能（主要是剛度和強度）以及重量輕等基本特征，正因為其具有這些特征可獲得保溫、質(zhì)輕、防震、隔聲、能量吸收、高比剛度、高比強度等優(yōu)越性能，所以其有著廣泛的應(yīng)用前景。泡沫材料的性能主要取決于金屬機體中孔洞的特征和分布狀況，包括孔的形狀、數(shù)量（體積百分比）、孔的類型（通孔、閉孔）、空洞結(jié)構(gòu)（孔隙率、孔徑、通孔度、比重、比表面積），當(dāng)然金屬骨架的材料也是至關(guān)重要的。泡沫金屬是結(jié)構(gòu)材料和功能材料的結(jié)合體，其集機械性能、熱學(xué)性能、聲學(xué)性能等多項性能于一體，在應(yīng)用發(fā)面有著傳統(tǒng)材料所無法比擬的優(yōu)越性，泡沫金屬可被應(yīng)用于建筑、航

14、空、計算機、交通工具等眾多領(lǐng)域，而且隨著泡沫金屬生產(chǎn)工藝的不斷完善及對其性能研究開發(fā)的不斷深入，泡沫金屬的應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴大。因此，對泡沫金屬進行研究開發(fā)有著重大的實際應(yīng)用價值。1.2.1機械性能 泡沫金屬由于存在著大量的孔洞，使其機械性能與金屬本是存在一定差異，泡沫金屬的機械性能主要由其密度決定，一般來說當(dāng)密度減小時，泡沫金屬的力學(xué)性能將急速下降，泡沫金屬的抗拉強度、彈性模量、屈服應(yīng)力隨孔隙率的增大而呈指數(shù)函數(shù)降低，但是孔的尺寸、結(jié)構(gòu)與分布同樣是決定機械性能的重要參數(shù)，泡沫金屬的抗拉強度比較低，比強度也較低但是抗壓強度和抗彎強度較高。泡沫鋁的抗拉強度只有鋁的1/100左右，比強度約為鋁的1

15、/10。泡沫鋁的剛性較差，如泡沫鋁沒有金屬鋁所具有的延展性，受到壓力幾乎不發(fā)生塑性變形，由彎曲試驗測得泡沫鋁的彈性模量約為鋁合金的1/501/10。泡沫金屬由金屬骨架及孔隙所組成，組織極不均勻，應(yīng)變強烈滯后于應(yīng)力，壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線中包括一個很長的平直線段，在壓縮壓力下，材料經(jīng)歷初始彈性變形后，進入應(yīng)力曲線平臺， 即泡沫開始破裂在泡沫破碎階段應(yīng)力基本保持不變經(jīng)過大量的塑性變形后， 泡沫已經(jīng)全部破碎，材料進入密集化階段，應(yīng)力迅速增加，因而它是一種具有高能量吸收特性的輕質(zhì)、高阻尼材料。另外，由于泡沫金屬基體材料不同，泡沫金屬的彈性、脆性、韌性一般也不同，通常泡沫金屬在拉伸時，斷裂應(yīng)變相對較小，自由扭

16、轉(zhuǎn)變形都遠遠大于其拉伸應(yīng)變；通常情況下泡沫金屬的韌性性能較好；由于泡沫金屬具有較好的塑性，因此其斷裂韌性一般較高。1.2.2熱物理性能泡沫金屬具有優(yōu)良的熱學(xué)性能，由于在基體中存在大量的孔洞，使泡沫進金屬的熔點、比熱、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、熱輻射和抗熱震性等方面與基體金屬存在一定差異。這些性能部分與基體材料有關(guān)，而另外一些則與孔洞的大小和多少、結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。實際上泡沫金屬并沒有因為存在孔洞而改變其熔點，其的熔點與基體金屬的熔點是相同的。然而，由于泡沫金屬的表面常覆蓋一層連續(xù)的氧化物，這層氧化物的熔點相對要高得多。泡沫金屬表面的氧化層面積隨孔隙率的增加和孔徑的減小而增大。所以當(dāng)孔隙率大孔徑大時所

17、得到的泡沫金屬熔點升高。這就解釋了通常情況下大家認為泡沫金屬的耐熱性強于基體金屬的原因。單位質(zhì)量的泡沫金屬的比熱容與單位質(zhì)量基體材料的比熱容大致相等。而泡沫表面的氧化物薄層及所含的空氣對熱熔有一定的影響，但影響不大。然而，與基體金屬相比，泡沫金屬的體積熱容卻要低得多。泡沫金屬的熱膨脹系數(shù)也與基體金屬類似，但由于大量孔洞的存在，使其熱導(dǎo)率比基體金屬要低得多，且隨著熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率之間比值的增大，熱變形的趨勢將增強。因此，泡沫金屬在加熱或冷卻過程中應(yīng)當(dāng)避免過大的溫度梯度。泡沫金屬的熱擴散系數(shù)可定義為熱導(dǎo)率與體積熱容之間的比值。泡沫金屬一般比實體材料具有更高的熱擴散系數(shù)，因此達到穩(wěn)定熱流更加容易。

18、泡沫金屬的傳熱特性主要考慮其在無對流和有對流的兩種情況下，一般來說無對流情況下，隔熱性能較好，并隨孔隙率提高而提高。有對流時，泡沫金屬的散熱性顯著增強，在孔隙率一定時，隨孔徑增大換熱效果略有提高；在孔徑相同時，隨孔隙率增大，自然對流使換熱效果提高，但強迫對流卻相反。泡沫金屬表明的熱輻射幾乎總是比組成它的金屬要高，相同外觀尺寸的條件下泡沫的實際表面積比塊狀實體金屬大得多，因此泡沫將發(fā)射或吸收更多的熱輻射。通孔泡沫金屬具有大的表面積，并使散布其中的流體產(chǎn)生復(fù)雜的三維流動，所以具有良好的散熱能力。1.2.3聲學(xué)性能對于泡沫金屬的聲學(xué)特性主要是指它的隔聲效果和吸聲效果。聲音的衰減指數(shù)取決于聲音的頻率，

19、但聲波通過物質(zhì)傳遞后，如果頻率下降的很快，那么就說明這種材料具有良好的隔音效果。聲音的頻率很低時，聲音的衰減主要由板材的剛度所控制，此時，泡沫金屬優(yōu)良的質(zhì)量比剛度使其在很低的頻率范圍內(nèi)的應(yīng)用具有很強的吸引力。在頻率稍高一點的范圍內(nèi)，聲音的衰減取決于所用材料的自然共振、板材尺寸和安裝條件，在這個范圍內(nèi)泡沫金屬也是有用的，因為與實體材料相比，泡沫金屬有更好的阻尼性，當(dāng)聲波射人泡沫金屬表面時，會發(fā)生漫反射。進入孔內(nèi)的聲波使泡沫金屬骨架振動，釋放能量而消耗聲能，另外，泡沫金屬還可以提高第一次共振頻率，因此擴大了剛度控制的范圍。對于更高頻率下，泡沫金屬對聲音的隔音效果不是很好。通過孔徑變化的孔隙中膨脹消

20、音，它又具有徽孔消音特性，因而是一種優(yōu)異的吸聲材料，可制作各種消聲器。泡沫金屬適合作為高頻率的電磁渡的電磁兼容、屏蔽材料。1.2.4電學(xué)性能泡沫金屬的導(dǎo)電性主要是指隨著孔隙率的增加，相對密度減少，可利用的導(dǎo)電的界面減少，電流路徑的扭曲程度增加，使導(dǎo)電性能降低。但是目前這方面的研究還只限于定性研究，定量的理論模型還比較少。泡沫金屬與聚合物和大多數(shù)的陶瓷基材料在導(dǎo)電性上存在顯著的差別。由于泡沫金屬具有孔洞結(jié)構(gòu)，使可利用的導(dǎo)電面積減少，泡沫金屬與金屬相比下降了許多，但與陶瓷或聚合物基泡沫相比仍具有相對良好的導(dǎo)電性。而且泡沫金屬還具有一定的電磁屏蔽作用，使電磁波對于這種孔洞結(jié)構(gòu)的透射力降低，有表面層的

21、閉孔泡沫結(jié)構(gòu)更是如此，這可以成功的用來保護人或電器免受電磁波的影響。1.2.5滲透及流通性能泡沫金屬具有良好的滲透和通透性能，因此在過慮材料方面具有廣闊的應(yīng)用。通孔泡沫鋁用作過濾器、消聲器等場合都與流體或氣體流通特性有關(guān)，采用表觀滲透系數(shù)k表征流體流通能力 。研究表明，值隨孔徑、空隙率的增大而提高，流通壓力的提高也使?jié)B透系數(shù)提高，但它也受表面粗糙度的影響，而且受閉孔數(shù)的影響也很大，只有那些具有通孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬才具有高的通透性。1.3 泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特征36金屬泡沫材料既具有金屬的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)上又與泡沫塑料相似，根據(jù)其內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)不同，可將其分為通孔及閉孔兩大類。通孔泡沫金屬中的孔洞呈連通的三

22、維結(jié)構(gòu)，而閉孔泡沫金屬中孔洞是獨立的，泡沫金屬的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)有孔徑、孔隙率、比重、比表面積等（1）孔隙率：又稱孔率或孔隙度，即表征材料中孔隙的總體積占材料總體積的百分率。一般用百分數(shù)來表示，也可用小數(shù)表示。該指標(biāo)既是多孔材料中最易測量、最易獲得的基本參量，同時也是決定多孔材料導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光學(xué)行為、聲學(xué)性能、拉壓強度、蠕變率等物理、力學(xué)性能的關(guān)鍵因素40。泡沫金屬的孔隙率比較高，它的孔隙率在3090?？紫堵适窃u價發(fā)泡效果的一個重要指標(biāo)，本論文對試樣進行了孔隙率的測量。對于規(guī)則的發(fā)泡試樣，可以直接測量出其體積和質(zhì)量，然后計算出發(fā)泡試樣的密度，發(fā)泡試樣的密度和致密體密度的比值與1的差值的絕對值即

23、為試樣的孔隙率。試驗的發(fā)泡試樣為不規(guī)則的試樣，其試樣體積的測量采用排水法。計算公式如下：試樣密度 （1-1）孔隙率 .（1-2） 式中： 孔隙率；M 試樣的質(zhì)量；V 試樣的體積致密金屬的密度（通常為7.8 g/ cm3）（2）孔徑：孔徑指的是多孔體中孔隙的名義直徑，一般都只有平均或等效的意義41。其表征方式有最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布等。泡沫金屬的孔徑一般較大，0.110mm或者更大。（3）通孔度：任何截面上孔隙通道直徑平均值與孔隙孔徑平均值之比為通孔度。對于通孔泡沫金屬來說，通過控制工藝參數(shù)，可獲得相互貫通的孔，減少閉孔的比例，形成連續(xù)的立體金屬網(wǎng)絡(luò)，其外觀如海棉狀。（4）密度：泡沫金屬的

24、質(zhì)量與其體積比。多孔材料中孔所占的體積百分數(shù)越高，相應(yīng)的密度就越低。由于制造方法不同，泡沫金屬的密度可以在很大范圍變化，目前所能獲得的最大孔隙率為98 。孔隙率越高，泡沫金屬相應(yīng)的密度就越小。密度隨孔隙率的變化而變化。泡沫金屬的密度可以通過孔隙率來控制。（5）比表面積：多孔體表面上孔隙的面積與其體積的比。泡沫金屬的比表面積較大，為1040cm2/cm3 。 (6 )氣泡形狀由于制備方法不同，多孔泡沫金屬中的氣泡可分為球狀、胞狀和球胞混合狀三種形態(tài)。1.4泡沫金屬的應(yīng)用42-46泡沫金屬由于其內(nèi)部存在大量的孔洞，使其在結(jié)構(gòu)和功能上與金屬材料都具有差異，雖然當(dāng)基體中的氣孔數(shù)目與大小達到一定程度后，

25、雖會損失部分強度等力學(xué)性能，但其卻可以獲得良好的可壓縮性，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能（主要是剛度和強度）以及重量輕等基本特征，這些特征決定了泡沫金屬在保溫、質(zhì)輕、防震、隔聲、能量吸收、高比剛度、高比強度等方面具有，廣泛的應(yīng)用前景。近幾年來，多孔泡沫金屬已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用遍及汽車工業(yè)，建筑業(yè)，化工，電化學(xué)工業(yè)，航天工業(yè)，軍事工業(yè)等等。1.4.1阻尼性能的應(yīng)用泡沫金屬由于其結(jié)構(gòu)上的特性，決定了它與一般高強度的結(jié)構(gòu)材料（如鋼、鐵、鋁合金等）相比具有高阻尼性。利用這一特點，可以應(yīng)用作為緩沖器和吸振器，現(xiàn)在已經(jīng)在航空和交通領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用。例如汽車的防沖撞和機載設(shè)備（事故記錄夾持器），升降機和傳

26、動器的安全墊，高速磨床防護裝置的吸能減振內(nèi)襯等，此外，在宇宙飛船起落架的減振元件方面也成功的應(yīng)用了泡沫金屬的阻尼特性。德國的Fraunhofer-Institute for Applied Materials Research (1FAM)研究了泡沫鋁合金的能量吸收特點后，制造出用作汽車后墻的泡沫鋁合金夾芯板材，這種材料是由加入了發(fā)泡劑的鋁液在一定溫度條件下澆入上下二塊鋁板之間，發(fā)泡凝固而成。RWTH公司己將這種材料用于新一代概念車的設(shè)計。1.4.2熱物理性能的應(yīng)用 泡沫金屬具有很大得比表面積，在各種多孔電極、催化劑及催化劑載體、電容器、電解槽陽極以及熱交換器等方面有這較好的應(yīng)用，同時還可以根

27、據(jù)不同的需要，制成管狀或平面狀金屬與泡沫金屬相結(jié)合的組合件。目前，利用這方面的性質(zhì)，已經(jīng)成功的應(yīng)用在了熱交換器等器件上。1.4.3吸聲性能及電磁吸收特性的應(yīng)用通孔泡沫金屬有優(yōu)異的吸聲能力，采用合適的聲結(jié)構(gòu)，可以使產(chǎn)生好的聲吸收效果，可作為噪音衰減功能材料，利用其吸聲性能可制作各種吸聲材料、減振材料、火焰阻止材料、聲阻及緩沖器等。日本已在高速列車發(fā)電機室、無線電錄音室及新干線吸音方面使用泡沫金屬并獲得很好的效果。泡沫金屬還可以用于蒸氣發(fā)電廠、氣動工具、小汽車等的消聲器等 。1.4.4通透性的應(yīng)用泡沫金屬具有優(yōu)良的通透性，優(yōu)良的流通特性使其成為制備過濾器的重要材料，與粉末冶金多孔金屬相比，孔徑及空

28、隙率均較大，泡沫金屬過濾可用于液體(石油、汽油、制冷劑、聚合物熔體及水懸浮液)、空氣或其它氣流中濾掉固體顆粒或某些活性物質(zhì)。泡沫金屬已在過濾器和除塵器中得到應(yīng)用，通過泡沫金屬在凈化水的應(yīng)用中，受到污染的水通過多孔泡沫金屬后，由于與泡沫金屬中的金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)而達到凈化。還可在一些特殊條件下應(yīng)用，如用Ni或其他導(dǎo)磁材料制造的泡沫金屬材料，在其網(wǎng)絡(luò)骨架周圍會產(chǎn)生很強的磁場，可用來凈化處理工業(yè)廢水。俄羅斯用泡沫鐵制成香煙過濾嘴，可使吸入的致癌物質(zhì)減少3/4以上。1.4.5其他方面的應(yīng)用泡沫金屬具有耐火與滅火相協(xié)調(diào)的可滲透性，可以用在滅火器上以阻止火焰沿管道蔓延。在化學(xué)工業(yè)上，可利用大的表面的

29、特性作高效催化劑載體；反應(yīng)塔的填料等。電化學(xué)中，可以制造高效電池的電極。目前，國內(nèi)泡沫金屬尚處于試驗研究及初步實用階段，這種材料的特性及其適用的領(lǐng)域，還有待進一步研究和開拓。它在高技術(shù)和軍事領(lǐng)域的用途將被首先重視和開發(fā)，這可能是國內(nèi)外近幾年對泡沫金屬的生產(chǎn)和應(yīng)用報道極少的原因。為了與傳統(tǒng)材料相競爭，尚需進一步降低泡沫金屬的生產(chǎn)成本?？傊?，泡沫金屬是很有發(fā)展前途的一種新型功能材料，可望在新開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用，構(gòu)成關(guān)鍵元件，從而制造出具有某些獨特性能的特殊裝置或部件。1.5 泡沫金屬的制備方法37-41多孔泡沫金屬的制備方法主要有粉末冶金法、熔體發(fā)泡鑄造法、金屬沉積法、自蔓延高溫合成法、腐蝕造孔法

30、、氣體注入法、金屬氣體定向凝固共晶生長法等，其中粉末冶金法、熔體發(fā)泡鑄造法、滲流鑄造法因為其各自的優(yōu)點突出，應(yīng)用比較廣泛。1.5.1粉末冶金法粉末冶金法是利用金屬粉末，通過燒結(jié)的方法，將金屬燒結(jié)成有一定強度和一定孔隙率的金屬體的一種方法。粉末冶金法可用于一些熔點較高的金屬和合金，如不銹鋼、銅、鐵、鎳等發(fā)泡材料的制取，可根據(jù)需要使用不同形狀的粉末(不規(guī)則形狀、針形與球形混合粉末等)。將相應(yīng)的發(fā)泡劑加入粉末中，先成型后燒結(jié)，以使發(fā)泡劑分解蒸發(fā)或揮發(fā)和溶解而得以去除，從而得到泡沫金屬。該方法與其他方法比較起優(yōu)點是對設(shè)備的要求不高，燒結(jié)溫度低，而且燒結(jié)溫度、時間和氣氛可以控制，在燒結(jié)體中加入的發(fā)泡劑在

31、室溫下就可以與金屬粉末混勻，而且制備的多孔泡沫材料具有孔洞細小、均勻、連通的特點。因此，此法適用于對高熔點泡沫鋼的研究。粉末冶金法的工藝流程大致為：篩分稱料一一混料一一成型燒結(jié)。燒結(jié)過程一般都是在保護性氣氛下進行的，它又分為烘干燒失添加物(包括粘結(jié)劑、潤滑劑等)預(yù)燒結(jié)終燒結(jié)等階段。粉末冶金法根據(jù)具體的工藝不同可分為松散粉末燒結(jié)法、壓實燒結(jié)法、懸浮液發(fā)泡燒結(jié)法和燒結(jié)含飽和漿液的海綿等方法。松散粉末燒結(jié)發(fā)是將混好的金屬粉末添入到模具中，不經(jīng)過壓制直接進行燒結(jié)，利用金屬粉末的燒結(jié)特性，使在燒結(jié)過程中，粉粒在接觸面處得以粘接，并保留一定的孔隙。壓實燒結(jié)法與松散粉末燒結(jié)法不同之處是在燒結(jié)之前先經(jīng)過壓制成

32、型，然后再進行燒結(jié)。懸浮液發(fā)泡燒結(jié)法是在一種有機載體中加入金屬粉末與發(fā)泡劑制成懸浮液，將此混合液攪拌成泡沫狀，然后加熱成固態(tài)多孔結(jié)構(gòu)體。燒結(jié)含飽和漿液的海綿這種方法是將金屬粉末漿液滲入多孔的海綿狀有機材料中，干燥后，再在一定溫度下燒結(jié)，使海綿狀有機物分解除去，得到高孔隙率的多孔金屬材料。1.5.2熔體發(fā)泡鑄造法這種方法的工藝過程是向熔融金屬中加入增粘劑，使其粘度提高，然后加入發(fā)泡劑，發(fā)泡劑在高溫下分解產(chǎn)生氣體，通過氣體的膨脹使金屬發(fā)泡，然后使其冷卻下來或者澆注可以得到泡沫金屬。通過發(fā)泡，即意味著在液體中釋放氣體，從而確保氣泡不逸出并且通過冷卻最終使液體泡沫穩(wěn)定。對于泡沫鋁來說常用的發(fā)泡劑TiH

33、2 、ZrH2等金屬氫化物，也有用CaC偽作為發(fā)泡劑的。采用這種方法工藝操作難度較大，產(chǎn)品中的氣泡均勻性及大小不容易控制。目前，采用高速攪拌和選擇合適的增粘劑，使發(fā)泡劑和金屬熔體均勻，通過發(fā)泡溫度和時間的控制，已經(jīng)可以制備相對均勻的泡沫鋁。另外，可采用攪拌時向金屬熔體中吹入氣體的方法來代替發(fā)泡劑，也能得到大孔徑的泡沫金屬。由于液態(tài)金屬的表面張力較大，粘度較小，氣體很容易從液態(tài)金屬中逸出，所以增加熔融金屬的粘度是該工藝的核心術(shù)之一。向熔融金屬中加入增粘劑(如硅質(zhì)非金屬聚合物、粘渣、空氣和氮氣等)是一個有效的方法。熔體經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖冋程幚砗?，再?jīng)過有效的泡沫化過程，就有可能得到氣孔小且分布均勻的多孔

34、泡沫金屬材料。1.5.2金屬沉積法 金屬沉積法是采用物理或化學(xué)的方法把要制備的泡沫金屬的金屬沉積在容易分解的有機物上，主要包括氣相沉積和電沉積兩種。 物理氣相沉積法是以泡沫有機物為基體，利用熱蒸發(fā)或輝光放電、弧光放電等物理過程，在基體表面沉積所需要涂層的技術(shù)。它包括真空鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍。該方法具有鍍層材料廣泛，工藝溫度低，工件一般無受熱變形或材料變質(zhì)的問題等優(yōu)點，另外鍍層純度高、組織致密；工藝過程主要由電參數(shù)控制，容易控制調(diào)節(jié)，對環(huán)境污染小，也是其較其他制備方法的優(yōu)越性所在，雖然這種方法存在設(shè)備復(fù)雜，一次較大等缺陷，但由于其有點突出，還是具有廣泛的應(yīng)用前景的。 電沉積是用電化學(xué)的方法來制

35、備，該工藝制備需要在酸性的條件用強氧化劑對泡沫有機物基體進行腐蝕，粗化后再對表面進行活話，然后哦將其放入到鍍液中進行化學(xué)鍍，使金屬層均勻地附著在有機物表面，經(jīng)過化學(xué)鍍層處理額有機物最后進行電渡得到所需要的泡沫金屬。1.6泡沫鋼的研究現(xiàn)狀及課題研究主要內(nèi)容相對于目前研究最為廣泛的泡沫鋁等低熔點泡沫金屬來說，泡沫鋼具有更突出的優(yōu)點，比如：獨特的硬度、低成本、高熔點及可與鋼結(jié)構(gòu)共容等47，尤其是泡沫鋼的屈服壓應(yīng)力可以達到90MPa以上，而泡沫鋁的屈服壓應(yīng)力只達到幾MPa到30MPa48，與泡沫鋁相比泡沫鋼具有明顯的抗壓強度高的優(yōu)點，因此無論是在性能方面還是實際應(yīng)用方面，泡沫鋼比泡沫鋁等低熔點泡沫金屬

36、具有更加廣闊的研究和實用前景。由于泡沫鋼的諸多的優(yōu)異性能，科學(xué)界對炮沫鋼的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，1999年美國TRw 基金和日本Honda R8D美國分公司共同資助五所大學(xué)(哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、佐治亞大學(xué)及南加州大學(xué))聯(lián)合進行泡沫鋼的開發(fā)研究。與此同時，德國IFAF研究所的科學(xué)家們也正為泡沫鋼的研制繼續(xù)努力，他們計劃用幾年的時間把泡沫鋼研制成功。而國內(nèi)有關(guān)泡沫鋼的研究報道甚少。研究炮沫鋼的發(fā)泡工藝及其性能成了近些年對炮沫金屬研究的熱點，但是由于鋼的熔點比較高，發(fā)泡過程難于控制，所以對于泡沫鋼的研究還處于探索階段。目前對多孔材料的研究主要集中在低熔點金屬的研究，國內(nèi)關(guān)于制備多孔

37、泡沫鋼研究還處于起步階段，相關(guān)文章報道的文獻很少，大多集中于綜述方面，對實驗的工藝過程鮮有報道，最早制備泡沫鋼成功的是德國的Fraunhofer應(yīng)用材料研究院，他們嘗試采用粉末冶金法(即所謂的Fraunhofer工藝方法)來制備泡沫鋼37，該方法采用碳酸鹽、金屬氮化物等作為發(fā)泡劑與鋼粉為主的金屬粉末相混合，把混合粉末壓塊后進行發(fā)泡制得孔尺寸較均勻的泡沫鋼。后來，美國加利福尼亞大學(xué)的CPark和SRNutt也采用粉末冶金法制得泡沫鋼39，并對該方法加以改進且對泡沫鋼的性能也進行了較深入的研究 。另外，國內(nèi)河北工業(yè)大學(xué)也在進行這方面的研究，并且用粉體發(fā)泡法成功制得較大尺的泡沫鋼。但具體的工藝過程還

38、有待深入研究，在實驗過程中缺少相關(guān)的理論參考；具體的工藝控制成為該制備方法的技術(shù)難點之一；選擇合適的發(fā)泡劑和鋼粉粒度，以及壓坯時的壓強和具體的燒結(jié)溫度，將成為能否制備出孔隙均勻的泡沫鋼的關(guān)鍵。本論文分別采用熔體發(fā)炮法和粉末冶金法制備多孔泡沫鋼，對兩種方法制備的泡沫鋼發(fā)泡機理和工藝進行對比，得到熔體發(fā)泡法和粉末冶金法不同參數(shù)對發(fā)泡效果的影響。第二章 泡沫鋼中氣泡的形成 了解氣泡在金屬液中及粉末燒結(jié)過程中的形成機理和存在形態(tài)，是能否制備出多孔泡沫金屬的關(guān)鍵，下面對在金屬液中及粉末燒結(jié)過程泡沫的產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)、特征及演化過程進行簡單的闡述，以便更好的解釋泡沫金屬發(fā)泡過程中泡沫孔洞的形成機理和存在狀態(tài)。2

39、.1發(fā)泡過程的演化近些年來，科學(xué)界對泡沫金屬中氣泡的演化過程進行了大量的研究，研究者們從最開始的通過使用顯微鏡觀察發(fā)泡后試樣的截面得到泡沫材料的結(jié)構(gòu)和孔洞分布到使用X射線技術(shù)獲得發(fā)泡過程的各個階段的信息，除此之外，研究者們還采用了CT照相技術(shù)來研究發(fā)泡過程中氣泡的演化過程，而無論那種方法大家得到的氣泡在泡沫金屬中的演化過程基本是一致的，其過程主要都是經(jīng)歷了氣泡的形核、長大、合并、坍塌四個過程。圖2.1中是氣泡在金屬液中的演化過程。圖2.1氣泡的形核、長大、合并、坍塌、破裂的過程示意圖512.1.1氣泡的形核從圖2.1中可以看到，發(fā)泡劑在介質(zhì)中首先開始分解，先形成原位氣泡，形成氣泡核心，這種形核

40、由于金屬液中存在雜質(zhì)，所以主要以非均質(zhì)形核為主，另外，實驗中加入的發(fā)泡劑不僅產(chǎn)生了氣體，同時也為非均質(zhì)形核提供了依附，所以氣泡的形核過程主要是以非均質(zhì)形核為主。另外，在熔體中通過飽和溶液的自發(fā)形核也要形成氣泡，在均質(zhì)系統(tǒng)中自由處在高度過飽和狀態(tài)下（如飽和蒸汽壓為510MPa），才能形核。如果熔體中存在化學(xué)反應(yīng)，在兩相區(qū)的界面上可以產(chǎn)生氣泡。非均質(zhì)固體表面的細小孔穴上，形成微小氣泡內(nèi)的壓強Pg可以通過下述的開爾文公式來計算： 式中 Pg為氣泡內(nèi)壓強（Pa），Pa為氣泡表面處的壓強（Pa），為表面張力（N/m），r為曲率半徑（m） 假定液體的表面張力為1 N/m，孔穴的半徑為103cm，則大氣壓的

41、過飽和強度約為0.2MPa時，就會形成均勻形核氣泡。2.1.2氣泡的上浮氣泡的上浮過程主要是指氣泡發(fā)生的長大、合并、坍塌、破裂過程。氣泡的上浮速度是決定氣泡長大、合并的主要因素，氣泡在液體中的上浮速度。主要取決于氣泡向上的浮力和阻止這一運動的粘性力和變形阻力，當(dāng)這些力平衡時，氣泡就等速上升。氣泡在液體中的運動狀態(tài)隨著雷諾系數(shù)Ra大?。≧aUa/，a為氣泡半徑，為氣泡運動所在的液體的粘度）的變化很大。液體中的氣泡與液體中固體顆粒的運動有兩個主要差別所在：（a）氣泡不是剛體，在外力的作用下，氣泡會發(fā)生變形；（b）氣泡中的氣體能夠作環(huán)流運動，從而改變氣泡的變形阻力。a b c d ea：沒有內(nèi)環(huán)流的

42、小球狀氣泡；b：有內(nèi)環(huán)流的小球狀氣泡；c：橢球形氣泡；d：不規(guī)則變形的蘑菇狀氣泡；e：蘑菇狀氣泡，頂面為球冠狀圖2.2氣泡在液體中上浮的主要形態(tài)當(dāng)液體中的氣泡上浮時。表面面積就會發(fā)生變化，起泡的表面能也隨之發(fā)生變化。氣泡越小，對表面能的影響也越大。小氣泡總是力圖達到具有最小比表面的形狀，即球形，這時表面能最低。只有當(dāng)慣性力發(fā)生作用，氣泡的形狀才會改變。氣泡形狀改變的結(jié)果是氣泡內(nèi)部發(fā)生環(huán)流圖2.2是氣泡在液體中上浮的主要形態(tài)。在圖2.2a所示的情況時，氣泡很小，雷諾系數(shù)也很小，其形狀僅由表面張力決定，因此這些小氣泡是球形的，并且氣泡表面附近液體運動狀態(tài)是粘滯。大量的工作研究表明，氣泡的上浮速度與

43、表面張力無關(guān)，只有摩擦力起作用。氣泡的上浮速度可以用下式來表現(xiàn)：V=-ga2/式中g(shù)為重力加速度（m/s2）；為液體的運動粘度（Pa.s）；a為氣泡半徑（m）。負號表示氣泡在重力場中是上升的。當(dāng)氣泡增大到2.2b所示時，液體的慣性力也發(fā)生了作用，所以上浮速度與表面張力無關(guān)，會經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)部環(huán)流。當(dāng)氣泡進一步增大到2.2c時，液體的慣性力作用增大，氣泡被壓扁成為旋轉(zhuǎn)的扁平橢球體，隨著球的體積當(dāng)量直徑增大，上浮速度降低。在氣泡形狀慣性力的作用下，慣性力與表面張力之比不變。隨著氣泡尺寸增大，氣泡變的扁平，導(dǎo)致阻力增加而速度變小。氣泡直徑進一步增大后，氣泡后尾的流線不會重新匯合，而在后尾形成渦流。氣泡首

44、先形成不穩(wěn)定形狀如圖2.2d所示，在完全平衡的液體中，球冠狀氣泡成為穩(wěn)定形狀如圖2.2e所示，此時表面張力和摩擦力不在起作用，而僅由慣性力和浮力之比決定氣泡的形狀。當(dāng)足夠大的單個氣泡運動時，它們不僅會發(fā)生變形，而且會分裂成為較小的氣泡，但是其運動速度與氣泡尺寸無關(guān)。氣泡分裂的原因可能是因為氣泡所受到的變形壓力大于氣泡內(nèi)部的毛細壓力，外部液體帶動氣泡內(nèi)的氣體導(dǎo)致氣泡內(nèi)運動所形成的，這一運動具有旋轉(zhuǎn)性質(zhì)而且也可能具有湍流性質(zhì)，該運動使氣泡產(chǎn)生一個變形壓力，其方向由氣泡內(nèi)指向氣泡外。如果它超過支持起泡的毛細力，則氣泡不可避免的要破裂，這時，顯然不可能發(fā)生任何有利于增加氣泡相對穩(wěn)定性的變形。2.2熔體

45、發(fā)泡法發(fā)泡的動力學(xué)分析 根據(jù)發(fā)泡過程的熱力學(xué)分析，可將熔體中發(fā)泡過程劃分為以下步驟：（1） 發(fā)泡劑的分解：發(fā)泡劑在高溫下迅速分解產(chǎn)生氣體，最初分解產(chǎn)生的氮氣首先以氮原子狀態(tài)并固溶于高溫熔體中。（2） 溶解析出：隨著發(fā)泡劑分解的進行，氮氣濃度超過氮氣在熔融鋼液中的固溶度后，過飽和的氮原子析出形成氮氣。（3） 氣泡形核：從前面的分析可知，發(fā)泡劑加入熔融的鋼液之前，鋼液中主要有等氧化物固相質(zhì)點。加入氮化鉻后氮化鉻顆粒本身也是一個固相質(zhì)點。氣泡的形核主要是依托固體表面的凸凹不平和大小、形狀不同的孔隙，并由此產(chǎn)生與固體孔隙尺寸相當(dāng)?shù)臍馀?。根?jù)吸附理論，氣泡形核的趨勢隨著熔體中固體顆粒的比表面積的增大而增

46、大。（4） 氣泡長大：氣泡的長大的主要驅(qū)動力來源于發(fā)泡劑氮化鉻分解產(chǎn)生的氮氣增量。隨著分解反應(yīng)的進行，氮氣越來越多。此時就距熔體表面h深處的單個氣泡而言，氣泡內(nèi)氣體所受的壓力：.（2-19）其中，大氣壓力；熔體的密度，溫度的函數(shù)；重力加速度；氣泡到熔體上表面的高度；液氣表面張力；氣泡半徑。氣泡內(nèi)氣體的狀態(tài)可用理想氣體方程式表示： .（2-20）式中，n氣泡內(nèi)氣體的摩爾數(shù)；R氣體常數(shù)；T溫度。氣泡的體積為：（2-21）將式（2-19）、式（2-21）代入式（2-20），并將方程兩邊對時間t微分，整理后得到如下關(guān)系式：.（2-22）由式（2-22）可以看出：氣泡的長大速率與發(fā)泡劑的分解速率之間存在

47、函數(shù)關(guān)系，而氣泡所受的大氣壓力、靜壓力和氣泡表面張力、熔體溫度均為常數(shù)，所以氣泡的半徑將隨著氣泡內(nèi)氮氣量的增加而增加，即氣泡內(nèi)發(fā)泡劑的分解是氣泡長大的驅(qū)動力。（5） 氣泡合并：在溫度不變時，當(dāng)兩個氣泡相互接觸時，它們將自發(fā)的合并為一個氣泡。假設(shè)兩個氣泡的質(zhì)量和半徑分別為m1、m2和r1、r2，合并后的氣泡的質(zhì)量和半徑分別為m和r，由質(zhì)量守恒有如下關(guān)系式：.（2-23）將上式化簡可得到：，又因為，所以有：（2-24）合并過程中自由能的變化為：（2-25）表示鋼液與氣泡間界面張力。由此可見，當(dāng)溫度不變時，氣泡的合并是一個自發(fā)的過程。（6） 氣泡的破裂：氣泡長大到一定程度時，其所受到的內(nèi)外壓力時，氣

48、泡開始變?nèi)酢⑵屏?。氣泡的破裂歸于兩種機制：排液和合并。排液是指熔融金屬從胞壁向胞邊緣的流動（由表面張力驅(qū)動）和從胞邊緣向下的流動（由重力驅(qū)動），液態(tài)金屬氣泡薄膜并不像肥皂泡沫中的薄膜那樣可伸展，它只要厚度下降到一定的臨界值就會破裂，因此，隨著排液過程的進行，氣泡將會破裂。此外，當(dāng)兩個小氣泡相遇，會自發(fā)合并生成一個大氣泡，氣泡半徑增大，此時氣泡就自發(fā)的發(fā)生破裂。因此，發(fā)泡過程的主要動力學(xué)過程如下圖所示：溶解析出發(fā)泡劑的分解氣泡形核氣泡長大氣泡合并氣泡破裂圖2.10 發(fā)泡的主要動力學(xué)過程2.3粉末燒結(jié)法制備泡沫金屬的發(fā)泡過程粉末的等溫?zé)Y(jié)過程一般分為三個階段：（1）粘結(jié)階段（開始階段）燒結(jié)的初期，

49、顆粒間的原始接觸點或面轉(zhuǎn)變偉晶體結(jié)合，即通過成核、結(jié)晶長大等原子過程形成燒結(jié)頸。在則一階段，顆粒內(nèi)的晶粒不發(fā)生變化，顆粒外形也基本不改變，整個燒結(jié)體不發(fā)生收縮，密度增加也極小，但是燒結(jié)體的強度和導(dǎo)電性由于顆粒結(jié)合面增大而明顯增加。這一階段中，溫度比較低主要發(fā)生金屬的回復(fù)，和水分揮發(fā)等顯現(xiàn)。 （2）燒結(jié)頸長大階段原子向顆粒面的大量遷移使燒結(jié)頸擴大，顆粒間距離縮小，形成連續(xù)的空襲網(wǎng)絡(luò)；同時由于晶粒長大，晶界越過孔隙移動，而被晶界掃過的地方 空洞大量消失。燒結(jié)體收縮，密度和強度增大是這個階段的主要特征。這一階段中，開始出現(xiàn)了再結(jié)晶。（3）閉孔隙球化和縮小階段（最終階段）在此階段，多數(shù)孔隙被完全分隔，

50、閉孔數(shù)量大量增加，孔隙形狀趨近球形并不斷縮小。在這個階段，整個燒結(jié)體仍可緩慢收縮，但主要是靠小孔的消失和孔隙數(shù)量的減少來實現(xiàn)。這一階段可以延續(xù)很長時間，但是仍殘留少量的隔離小孔隙不能消除。多孔材料要有一定的孔隙率和強度，故制備時一般采用較窄的球形或接近球形的金屬粉末，往往還在原始粉末中加入發(fā)泡劑，本實驗加入的發(fā)泡劑為MgCO3和SrCO3。經(jīng)過擠壓成型后的壓坯試樣，在燒結(jié)時一般都希望不產(chǎn)生收縮，即希望壓坯的孔隙率和尺寸基本無變化。等頸球形粉末顆粒的多孔材料燒結(jié)模型如圖3.22多孔材料因論118。開始作規(guī)則堆積的球形粉末集合體如圖3.22（a）（b），當(dāng)加熱到金屬熔點T熔的0.4倍溫度時，顆粒接

51、觸處由于原子熱振動振幅的增加，使許多原子離開自己的晶格陣點而發(fā)生擴散，形成顆粒間的初始金屬結(jié)合。但燒結(jié)溫度升高到0.5T熔左右時，粉末顆粒凸出處自由表面上的原子開始向鄰近粉末顆粒的接觸區(qū)遷移，形成燒結(jié)頸（圖3.22（c）。燒結(jié)頸的生長需要產(chǎn)生較大的物質(zhì)遷移，但孔隙并不減少，即燒結(jié)體并無收縮;孔隙的貫通性也不受影響，燒結(jié)頸的生長只是導(dǎo)致孔道變得光滑。隨著燒結(jié)的進行，燒結(jié)頸長大，最后孔道趨于穩(wěn)定，形成圓柱體（3.22（d）。2.3粉末燒結(jié)法發(fā)泡動力學(xué)分析燒結(jié)過程中孔隙大小的變化，使粉末體總面積減小。因此，無論在燒結(jié)的中間階段或最終階段，孔隙表面自由能的降低，始終是燒結(jié)過程的原動力。但是由于燒結(jié)過程

52、的復(fù)雜性，欲從熱力學(xué)計算原動力的數(shù)值幾乎使不可能的，熱力學(xué)條件只能定性地說明這種原動力的存在。根據(jù)理想的兩球模型(圖3.2)作用于燒結(jié)頸的應(yīng)力為: 式中為表面張力；為燒結(jié)頸的曲率半徑。負號表示作用曲頸面上的應(yīng)力,方向朝外,其效果是使燒結(jié)頸擴大.隨著燒結(jié)頸(2x)的擴大,負曲率半徑的絕對值也增大,說明燒結(jié)的動力減小。由上式表示的燒結(jié)動力是表面張力造成的一種機械力，它垂直作用于燒結(jié)頸去面上，使燒結(jié)頸向外擴大，而最終形成孔隙網(wǎng)。這時空隙中的氣體會阻止孔隙收縮和燒結(jié)頸的進一步長大。因此，孔隙中氣體的壓強P與表面應(yīng)力之差才是孔隙網(wǎng)生成后對燒結(jié)起推動作用的有效力：PsP+（/）顯然，Ps僅是表面張力/的一部分。形成隔離孔時，燒結(jié)的動力可以描述為： PsP+（2/r）式中r為孔隙額半徑；2/r為作用在孔隙表面使孔隙縮小的張力。如果張力大于氣體的壓