泡沫金属的研究与发展
泡沫金属的研究与发展
1泡沫金属的概念及特点
泡沫金属指孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔金属材料。含有泡沫状气孔的金属材料与一般烧结多孔金属相比，泡沫金属的气孔率更高，孔径尺寸较大，可达7毫米。由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相和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，泡沫金属的力学性能随气孔率的增加而降低，其导电性、导热性也相应呈指数关系降低。当泡沫金属承受压力时，由于气孔塌陷导致的受力面积增加和材料应变硬化效应，使得泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性。多种金属和合金可用于制备泡金属材料，如青铜、镍、钛、铝、不锈钢等。由于泡沫金属的密度小、孔隙率高、比表面积大从而使其具有非泡沫金属所没有的优异特性：例如阻尼性能好,流体透过性强,声学性能优异热导率和电导率低等等。作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，其至在航空航天技术中有着广泛的用途。
2泡沫金属的用途
2.1电极材料
随着高档电器(便携式计算机、无绳电话等)的迅速发展,可重复使用的高体积比容量、高质量比容量的充电电池的消耗也越来越大。高孔隙率(>95%)的泡沫金属对提高电池的这些性能提供了用武之地。例如用电沉积法生产的泡沫镍作为电极材料用于N i-Cd电池的电极时，电极的气液分离好、过电压低，能效可提高90%，容量可提高40%，并可快速充电，在电池行业中，镍镉电池、镍氢电池、可充电碱性电池一致趋向于采用泡沫镍作为正负极板以提高容量，这是电池行业的一个突破。对电池电极用泡沫镍的性能参数要求已有较为深入的研究。
2.2催化剂
化学反应尤其是有机化学反应中，催化剂常常起着非常重要的作用，催化剂的表面积也是越大越好，高孔隙率使得泡沫金属具有大的比表面积，化工行业中可直接使用泡沫镍作镍催化剂，或将泡沫镍制成催化剂载体,高孔隙率的泡沫金属作为支撑物有可能使催化剂高度分散发挥更大的作用，其性能远远优越于陶瓷催化剂载体。
2.3流体压力缓冲材料
泡沫金属可装在气体或液体管道中，当其一侧的流体压力或流速发生强烈波动时，泡沫金属材料可以通过吸收流体的部分动能和阻缓流体透过的作用，从而使泡沫金属体另一侧的波动大大减小，此效应可用于保护精密仪表。
2.4机械振动缓冲材料
在将泡沫金属垫在振动部位的接合部时，利用多孔泡沫材料的弹性变形可吸收一部分机械冲击能。据报道,密度比为0.05～0.15的泡沫铝可吸收的能量为20～180M J m，强大的能量吸收能力使得它有可能用于汽车的保险杠甚至于航天器的起落架,也可用作制造升降运输系统的缓冲器、磨矿机械的能量吸收衬层、汽车乘客坐位前后的可变形材料以改善安全性，优异的减振性能也使泡沫技术有可能用作火箭和喷气发动机的支护材料。
2.5消音材料
因为声波也是一种振动，故声音透过泡沫金属时，可在材料内发生散射、干
涉,声能被材料吸收，所以泡沫金属也可用于声音的吸收材料，即消音材料。这种消音材料在气体管道和蒸汽管道中都可获得应用。
2.6阻燃、防爆材料
泡沫金属既有很好的流体穿透性又可有效地阻止火焰的传播且自身有一定的耐火能力，于是可放置在输运可燃性液体或气体的管道中以防止火焰的传播，因为流体在输运速度增加时可能会着火(声速在接近爆炸限时会产生约150×105Pa的压力)，实验表明：6mm厚泡沫金属就可阻止碳氢化合物燃烧速度为210m sec的火焰，其作用机理可以解释为当火焰中的高温气体或微粒穿过泡沫金属材料时，由于发生迅速地热交换，热量被吸收和散失，致使气体或微粒的温度降到引燃点以下，于是火焰的传播被阻止。
2.7自发汗冷却材料
把固体冷却剂熔化渗入由耐热金属制成的多孔骨架中，在经受高温时这种材料内部的冷却剂会发生熔化和气化而吸收大量的热能，从而使材料在一定时间内保持冷却剂气化温度的水平，逸出的液体和气体会在材料表面形成一层液膜或气膜,可把材料与外界高温环境隔离，此过程可一直进行到冷却剂耗尽为止，由于冷却机理相当于材料本身“发汗”故有自发汗冷却材料之称。
2.8发散冷却材料
发散冷却是一种先进的冷却技术，它是迫使气态或液态的冷却介质通过多孔材料，使之在材料表面建立一层连续、稳定的隔热性能良好的气体附面层，将材料与热流隔开，得到非常理想的冷却效果。以液氢—液氧发动机推力室喷注器面板为例:采用发散冷却后，它的一面为-150℃的氢气,另一面为3500℃的燃气，而材料的热面温度仅在80～200℃之间，用于发散冷却的多孔材料，渗透量必须能够准确地控制在合理的范围内,透气均匀，孔道曲折小，介质流动通畅，并且要满足作为防热结构材料的基本要求，具有一定的强度、刚度和韧性，选用抗氧化性能好的材质，以防止意外氧化堵孔，烧结金属丝网多孔泡沫材料是其最佳选择。
2.9过滤材料
把泡沫金属制备成适当的形状，它就可以作为过滤材料从流体(如水、溶液、汽油、润滑油、冷冻剂、聚合物熔体)中滤出固体或悬浮物。常用的泡沫金属的材质为青铜或不锈钢。在腐蚀性很强的流体中，则需采用贵金属(如A u)。
3泡沫金属材料的制备方法
按照制备工艺，可以将泡沫金属材料的制备方法进行分类：真空气相沉积、气相分解、电沉积、含有机支撑物烧结、简单烧结、粒状物料周围浇铸、熔模铸造、溅射法、金属沉积法、烧结法、铸造法、熔融金属发泡法。
3.1熔体发泡法
该法的原理是在金属液中加入发泡剂，使其受热产生分解，在溶液中形成气泡，然后冷却凝固。其缺点是发泡过程难以控制，溶液中的发泡剂分解产生气泡，气泡逐渐上浮并在上浮过程中合并长大，引起制品中气泡分布不均匀且局部气泡尺寸过大。
解决此问题的方法有：(1)高速搅拌,使发泡剂充分分布在金属液中；(2)增加溶体粘度,阻止气泡的上浮运动，进而提高发泡剂在熔体中的均匀分布。增加粘度的方法有非金属粒子分散法、加入合金元素法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金属液中吹入空气、氧气或水蒸气并搅拌,使在短时间内生成氧化物,此方法效率
较高，得到的粘度也大。
目前最常用的方法是向熔液中加入合金元素，搅拌使熔体中生成大量细微的氧化物固相质点，从而增加熔体粘度，此方法比熔液氧化法简单。
熔体发泡法对发泡剂的一般要求是：发泡剂与熔液混合均匀前应尽可能少分解，在停止混合至开始凝固前的一定时间间隔内要充分分解并有足够的发气量。
熔体发泡法制备泡沫金属的过程有：熔体增粘处理、泡沫化、均匀化和凝固过程。后三个过程同时进行，受许多工艺因素的影响，在实际操作中很难控制。
3.2渗流铸造法
将液态金属渗入可去除的填料颗中的渗流铸造法是制备泡沫金属的重要方法。渗流铸造法中预制型的制作对最终产品的质量有着直接的影响，填料颗粒能否被除去是制得通孔的关键，要顺利除去填料颗粒，必须使其处于连续的状态,通常采用两种方法：(1)将填料颗粒松散装入型腔中,加压使颗粒联结。(2)将颗粒加粘结剂和水混匀后填入石墨中紧实，然后焙烧，此工艺得到的预制块孔隙形状圆滑，互相连通，但工艺较复杂。
渗流铸造法采用加压的方式使熔液渗入，加压方式有:固体压头加压法、气体加压法、差压法、真空吸铸法。差压法和真空法可以得到高质量的泡沫金属，因为在压力下金属液的渗流距离比较长，结晶出的金属骨架比较致密，使得泡沫金属具有较高的机械性能,缺点是需要一套抽气/真空系统及一套上下罐体。
3.3烧结法
简单烧结：就是于较高温度时物料产生初始液相,在表面张力和毛细管现象的作用下，物料颗粒相互接触,相互作用，冷却后物料发生固结而成为泡沫金属,为了使物料易于成型，可采用粘结剂,但粘结剂必须在烧结时除去，为了提高泡沫金属的孔隙率，可采用填充剂，填充剂同样也需发生升华、溶解或分解，氯化铵和甲基纤维素均可作为填充剂。
在制备高孔隙率的泡沫金属时，可以采用含有机支撑物烧结的方法,先把天然海绵或人造海绵切成所需要的形状,使其充分吸收含有金属粉末的浆液，干燥后加热使海绵分解，继续加热使有机金属化合物分解和使物料烧结，冷却后可得到孔隙率很高的泡沫金属。
3.4金属沉积法
金属沉积法就是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在易分解的有机物上，有电沉积和气相沉积两种。
电沉积是用电化学的方法实现制备，它主要由四个步骤组成：(1)以泡沫有机物为基体，由于它不导电，故须在酸性条件下用强氧化剂对有机物进行腐蚀，使其表面变得易于被水润湿并产生微痕，常用的氧化剂为H 2C r2O 7 H 2SO 4 H 3PO 4的混合物，这一步骤常称为粗化。(2)粗化后用PdCl2溶液中的Pd2+对表面进行催化，称为活化。(3)放入镀液进行化学镀得到均匀地附着于与有机物表面导电的金属层，镀液中含有金属离子和还原剂，常见的镀层有Cu、N i、Fe、Co、A g、A u和Pd,以前两种最为常用。(4)经过化学镀处理的有机物最后进行电镀得到所需要种类的金属和厚度。必要时可把有机物在高温下进行处理使其分解。
鉴于Pd较为昂贵，活化时加入PdCl2导致泡沫金属的生产成本较高，此外Pd2+离子吸附在高分子材料表面又具有催化作用，会加速化学镀液的分解使其
稳定性变差,故可采用Pd的代用品或进行无Pd活化工艺的研究，有的已取得了较为理想的效果。
气相沉积有化学分解和物理沉积，以泡沫镍的制备为例，把CO-N i(CO)4混合气体导入反应器内，使其通过经过表面特殊处理的高分子泡沫体，在一定波长的红外光照射下，可使N i(CO)4分解为金属N i和CO，N i沉积在泡沫体表面上即为所要制备的产物。真空气相沉积则是用物理的方法实现泡沫金属的制备，它同样是采用泡沫有机物作为基体，在真空设备中使金属镍挥发沉积到泡沫有机物上面，作为加热手段的有电子束或直流电弧。
3.5溅射法
溅射法就是在反应器内维持可控的惰性气体压力，在等离子的作用下,通过电场的作用将金属沉积在基体上,与此同时，惰性气体的原子也一并沉积，升高温度，金属熔化时惰性气体发生膨胀形成一个一个空穴，冷却后即为泡沫金属。溅射法可有效地保留泡沫金属中的惰性气体，并且可用于泡沫非金属的制备。
4关于制备方法的几点认识
综上所述,泡沫金属材料的优异特性无疑会使其在许多领域发挥越来越大的作用，泡沫金属应用的推广程度取决于材料性能对使用目的的适应程度和泡沫金属的制备成本，泡沫金属的制备工艺不同，所得到的泡沫金属的产品质量和成本也有差别。
一般说来，电沉积制备出的泡沫金属的孔隙率高且非常均匀，但工序长，操作繁琐,成本稍高；用化学分解法制备的泡沫金属对于泡沫镍而言存在封孔问题和残碳问题；真空气相沉积制备泡沫金属的操作条件严格，沉积速度慢，投资大，生产成本高；发泡法的技术一般则比较复杂,难于掌握,且主要于低熔点金属泡沫的制备上；熔模铸造法仅适用于低熔点的金属和合金(如A l,Pb,Sn等)；粒状物料周围浇铸法可以得到形状非常复杂的浇铸件，如果利用金属纤维而不是金属粉末进行烧结以得到泡沫金属，则可制备出尤其适用于筛网制造的材料。由于电沉积法制备的泡沫金属孔隙率高、均匀性好、产品合格率高，且设备投资小，故是一种非常有前途的方法。采用无钯制备有望降低成本，有关工艺的完善和改进仍需进一步研究，并且随着社会环保意识的增强，探求三废排放尽可能少的工艺生产泡沫金属是一种必然趋势；此外，随着市场需求的发展，泡沫金属的向大面积、合金化发展以满足更多领域的需求也是一种趋势，采用高自动化生产工艺以提高生产效率则是泡沫金属生产的努力方向。
5 泡沫金属的发展趋势
泡沫金属特殊的结构、性能及广泛的应用前景。特别是高技术性能起了日本、美国、及西欧各国的重视。我国对泡沫金属的研究起步较晚，正迎头赶上并引起有关方面的广泛重视。由于成本和技术原因，泡沫金属至今尚未在民用领域得到广泛的应用。从研究技术上看。大孔径立体网状(厘米)及小孔径(微米)、低密度高空隙率的泡沫金属是目前制备技术上突破的重点。从已有的文献看，泡沫金属一直是结构材料的课题研究，专业的局限性限制了它的发展。近几年内人们才逐步认识到它是一类新型功能材料。与国外的研究不一样，国内的研究工作十分重视学科交叉领域的高技术性能研究，在此基础上伺机发展以重要应用为目标的泡沫金属制备技术，为其在高技术领域应用做好准备。
6 结束语
泡沫金属发展至今,在制备工艺方面取得了重大进展,但相应的理论研究还有许多不足之处。今后泡沫金属的发展首先应该加强基础研究,通过多学科渗透的基础研究指导制备工艺的发展,同时应注意基础研究、制备与应用相结合,使泡沫金属的性能得到充分、广泛的应用，为社会的发展、科学的进步作出贡献。
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金属材料市场调研报告通用范本 使用指引：本报告文件可用于为规范管理，让所有人员增强自身的执行力，避免自身发展与集体的工作规划相违背，按固定模式形成日常报告进行上交最终实现及时更新进度，快速掌握所需了解情况的效果。资料下载后可以进行自定义修改，可按照所需进行删减和使用。 第一章产品概述 第一节产品概述 一、金属材料生产加工设备定义 一、金属材料生产加工设备的性质 三、金属材料生产加工设备的用途 四、金属材料生产加工设备技术指标 第二节金属材料生产加工设备市场特点分析 一、产品特征 二、价格特征 三、渠道特征 四、购买特征
第三节金属材料生产加工设备产业发展历程与产业概况 第二章金属材料生产加工设备行业宏观经济及政策环境分析 第一节XX-XX年我国经济发展环境分析 一、国内gdp分析 三、固定资产投资 三、城镇人员从业状况 四、恩格尔系数分析 五、XX-2020年我国宏观经济发展预测 第二节我国金属材料生产加工设备行业政策环境分析 一、金属材料生产加工设备产业政策分析 二、相关产业政策影响分析 第三节我国宏观经济快速发展对我国中小
城市发展研究投稿须知
（3）为住房非营利组织的建立和发展提供适当支持。住房非营利组织并非是一个空壳，而是由土地、资金和住房等配套制度组成。英国和德国的住房非营利组织得到了政府在土地、税收和贷款方面的有力支持，特别是在发展初期。因此，在我国如果成立住房非营利组织，必须在资金和土地上给予相应的适度支持，特别是土地。 当然，对目前已经存在的事业单位性质的住房保障中心，可以在其组织架构的基础上，逐步调整其人力和资金等要素获得方式，促使其从“影子政府”的角色逐步过渡成真正的非营利组织，强化其非营利性和草根性。 （4）鼓励地方成立多种形式的住房非营利组织，展开竞争。鼓励地方成立多种形式的住房非营利组织，例如住房合作社、住房保障中心、住房慈善基金会，等等，让住房非营利组织之间展开竞争，确保其独立性和可持续性。 基金项目：教育部人文社科项目“新型城镇化背景下青年农民工城市安居支持模式研究：现状、路径与政策”（13YJA790004）；国家社科基金项目“我国人口空间结构变化对区域经济发展的影响研究”（12CJL058）。 【参考文献】 [1] Bebbington, A. J., S. Hickey and D. Mitlin. Introduction: Can NGOs Make a Difference? The Challenge of Development Alternative[M]. 2008, London: Zed Books. [2] Drabek, A. G.. Development Alternatives: the Challenge for NGOs –An Overview of the Issues[J]. World Development, 1987, (15): 15-27. [3] Lewis, D., and N. Kanji. Non-Governmental Organizations and Development[M]. 2009, Abingdon, UK: Routledge. [4] Power, G., M. Maury, and S. Maury. Operationalising Bottom-up Learning in International NGOs: Barriers and Alternatives[J]. Development in Practice, 2002, (12 ): 272-284. [5] Brass, J. N.. Why Do NGOs Go Where They Go? Evidence from Kenya[J]. World Development, 2012, (402): 387-401. [6] Nicola Banks & David Hulme. The Role of NGOs and Civil Society in Development and Poverty Reduction[M]. 2012, The University of Manchester. [7] 徐湘林. 政治特性、效率误区与发展空间[J]. 公共管理学报. 2005, (8): 7—22. [8] 刘鹏. 从分类控制走向嵌入型监管：地方政府社会组织管理政策创新[J]. 中国人民大学学报. 2011, (5): 91—99. 【作者简介】 任媛（1981—），女，山西财经大学经济学院，中国社会科学院人口与劳动经济研究所，博士后研究员。主要研究方向：住房政策、人口与区域发展问题。 《城市发展研究》投稿须知 《城市发展研究》是中国科学技术协会主管，中国城市科学研究会主办的刊发探讨如何应对我国城市发展面临的一系列挑战的研究成果的学术性刊物，刊载城市规划、城市地理、城市经济、生态学以及相关学科的文章，基本栏目包括：城镇化、区域与城市、城市规划、低碳生态城市、城市安全、城市经济、城市交通、城市社会、城市文化、名城保护等。本刊来稿的取舍以学术质量为标准，均一视同仁。 1.篇幅与格式论著、综述等文稿，包括图、表在内，字符数一般不超过10000字，字数以6000～8000字为宜。论著一般应包括：题目、作者姓名、作者单位（包括单位名称、单位所在省份和城市、邮编）、摘要、关键词、中图分类号、产生论文的研究基金项目名称和项目编号、正文、图表、注释、参考文献、投稿日期、第一作者简介（包括姓名、出生年份、性别、籍贯、职称职务和研究方向）和通讯作者的联系方式（包括姓名、职称职务、电话和E-mail地址），以及英文版的题目、作者姓名、摘要和关键词。 2. 题目应简明、确切，便于编制题录、索引和检索。一般不超过20个字。中文题目中不得出现英文。 3. 署名应只限于选定研究方案，直接参与全部或部分研究工作和撰写论文，并对该论文有答辩能力的人员，按贡献大小排列。最多署5位作者姓名.英文摘要中，作者姓名的中文拼音，姓在前，名在后，姓的字母全部大写，名的第一个字母大写，双名者中间无连字号。 4. 摘要论著应有中英文摘要，中文字数控制在300-400字之间。 5. 关键词一般3～6个，关键词之间用分号隔开，写在摘要的下方。 6. 中图分类号按照《中国图书馆分类法》，标明文章的中图分类号。 7. 正文层次序号不宜过多，一般为3级，最多不超过5级。各层次一般应用阿拉伯数字连续编号，如“1”、“2.1”、“3.1.1”等。 8. 数字的用法以GB/T 15835-1995《关于出版物上数字用法规定》为准。凡是可以使用阿拉伯数字而且又很得体的地方，均应使用阿拉伯数字。 9. 计量单位以GB 3101-1993《有关量、单位和符号的一般原则》为准。 10 . 缩略词凡已被公认的缩略词可不加说明而直接引用。例如：CBD、GIS等。不常用的、新兴学科的缩略词，在文中首次出现时应附原词。 11. 表格与插图均应少而精，设计正确，使人容易看懂，并按顺序附在正文内。表格应按统计学制表原则，采用三线表，标明序号和表题，表中同一项目保留小数的位数应一致，上下行位数要对齐。线条图要求图面清洁、线条清晰、粗细均匀、比例得当。照片图应提供原始照片，清晰明确，标注好图号。表格与插图的题目需用中文表达。 12. 参考文献论著、综述列出的文献仅限于作者直接阅读过的文章，且以引用近期发表的论著为主，未公开发表的不宜引用(必要时可在文中加注说明)，已肯定将被公开刊物采用者可注明“待发表”。参考文献按文中引用先后编号，附于文末，并在文中引用处右上角用阿拉伯数字加方括号注明。文献书写格式参照GB 3469-1983《文献类型与文献载体代码》和GB/T 7714-2005《文后参考文献著录规则》进行标注。所有参考文献均需标明起止页码。 13. 其他来稿不得一稿多投。本刊对稿件有权删改。本刊已加入“中国学术期刊（光盘版）”、“万方数据资源系统数字化期刊群”、“中文科技期刊数据库”等。本刊发表的所有文章，均同时在上述载体发表。作者若不同意将文章编入上述数据库，请在来稿时声明，本刊将作适当处理。 Urban Development Studies V ol.22 No.3 2015·C18·
泡沫金属的特点、应用、制备与发展
收稿日期：2004-09-02 作者简介：陈文革（1969-） ，男（汉），陕西澄城县人，副教授，博士学位，主要从事纳米与功能器件材料研究。泡沫金属的特点、应用、制备与发展 陈文革!，张 强" （1.西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安710048；2.西安惠宇金属基复合材料公司， 陕西西安710000）摘要：本文阐述了多孔泡沫金属的结构特点、性能、应用以及制备技术，并展望了泡沫金属今 后的研究与发展。 关键词：泡沫金属；性能；制备；应用；综述中图分类号：TF 125.6文献标识码：A 文章编号：1006-6543（2005）02-0037-06 CHARACTER I ST I CS APPL I CAT I ON FABR I CAT I ON AND DEVELOP M ENT OF PORO S M ETALS CHEN W en -g e 1，ZHANG O ian g 2 （1.S choo l o f M aterials S cience and En g i neeri n g ，X i ’an n ivers it y o f T echno lo gy ，X i ’an 710048，Ch i na ； 2.M etal M atri x C om p os ite M aterial C or p oration o f X i ’an H ui y u ，X i ’an 710000，Ch i na ） Abstract ：T he struct ure ，characteristics ，a pp lication and f abrication o f p orous m etals are su mm a-rized.T he research and develo p m ent o f p orous m etals i n t he f ut ure are f orecast. K e y words ：p orous m etal ；characteristic ；f abrication ；a pp lication ；su mm arization 多孔泡沫金属自1948年美国的S oS ni k 利用汞在熔融铝中气化而得，使人们对金属的认识发生了重大转变，认为面粉可以发酵长大，金属也可以通过类似的方法使之膨胀，从而打破了金属只有致密结构的传统概念。多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料，正是由于这种特殊的结构，使之既有金属的特性又有气泡特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低（闭孔体）、换热散热能力高（通孔体）、吸声性好（通孔体）、渗透性优（通孔体）、电磁波吸收性好（通孔体）、阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏（一些多孔金属对某些气体十分敏感）、能再生、加工性好等。因此，作为一种新型功能材料，它在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，甚至在航空航天技术中有着广泛的用途。 1 泡沫金属的结构特点 图1所示常见泡沫金属的显微结构示意图，归 纳起来有以下特点。 !#!孔径大 多孔泡沫金属材料与粉末冶金多孔材料相比，孔径较大，贯通孔多。泡沫金属材料的孔径一般在0.1!10mm 之间。!#"孔隙率高 多孔泡沫金属材料的孔隙率随其种类不同而不同，在40%!98%的范围内变化。!#$密度低 随孔隙率的提高，泡沫金属的密度降低，一般为同体积金属的3／5!1／50不等。例如孔隙率大于 63%的泡沫铝合金，其密度可达1g ／c m 3以下，能够浮于水面上。 2 泡沫金属的特性和用途 泡沫金属材料由于其特殊的结构、性能特点，具有 很高的开发研究价值，并在能源、交通、消声减震、过滤 第15卷第2期2005年4月 粉末冶金工业 POW DER M ETALLURGY I NDUSTRY V o l .15N o.2A p r .2005
复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究
工学硕士学位论文 复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究 丁佰锁 哈尔滨工业大学 2006年6月
国内图书分类号：O347.3 国际图书分类号：531.6.61 工学硕士学位论文 复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究 硕士 研究生：丁佰锁 导师：孙毅教授 申 请 学 位：工学硕士 学科、专业：固体力学 所在单位：航天学院航天科学与力学系 答辩日期：2006年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: O347.3 U.D.C: 531.6.61 Dissertation for the Master Degree in Engineering ENERGY ABSORPTION PROPERTY OF COMPOSITE METALLIC FOAMS Candidate:Ding Bai Suo Supervisor:Prof. Sun Yi Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty:Solid Mechanics Affiliation: Dep. Of Astronautics and Mechanics Date of Defence:July, 2006 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 在很多工程应用中，为了防止冲击与振动所造成的破坏，常常使用吸能材料作为防护层，在众多的吸能材料中，泡沫材料作为一种具有优越缓冲吸能性能的材料，得到了越来越广泛的关注。本文利用挤压铸造法制备了一种新型的复合泡沫金属材料，该材料由空心微珠填充铝合金基体而成，它是一种应用前景非常广阔的吸能与冲击防护材料。 本文采用理论分析、数值仿真与实验的方法对复合泡沫金属的静动态力学响应与吸能性能进行了相应的研究。 对多种不同玻璃微珠含量，不同基体合金和热处理方式的复合泡沫金属进行了准静态压缩试验和落锤式冲击试验，获得了材料的压缩杨氏模量和屈服强度等数据，得到了压缩应力应变曲线，计算了相应的吸能能力与理想吸能效率，探讨了不同因素对复合材料压缩力学响应与吸能特性的影响规律。描述了复合泡沫金属材料的吸能机制。根据刚度等效原则，将复合材料圆柱试样的轴向冲击破坏过程简化为等效均质圆柱的一维碰撞问题，应用一维应力波传播的理论描述了复合材料圆柱试样受轴向冲击的破坏过程，推倒了在冲击过程中材料吸收的冲击动能。 观察了不同复合泡沫金属材料试样的宏观破坏形貌，同时借助扫描电境，对不同复合材料准静态压缩与轴向冲击破坏后试件的切片进行了微观分析，探讨了材料的宏观与细观破坏机制。 最后，利用通用有限元软件ANSYS，对复合材料静态压缩试验进行了数值模拟，利用胞元法思想建立了复合泡沫金属材料的微观结构模型，得到了材料在静态位移载荷和静态压力载荷作用下的变形与应力分布规律，进一步探讨了材料的微观损伤机理。 本文的研究工作为复合泡沫材料失效形式的判断与行优化设计提供了相应的依据。 关键词复合泡沫金属；缓冲吸能；有限元方法；压缩；冲击， - I -
你知道泡沫金属吗
你知道泡沫金属吗？ 人们熟知泡沫塑料，却很少知道泡沫金属的存在。发明泡沫金属的是美国杜克大学工程学教授富兰克林·科克斯，他是一位研究金属材料的专家，对金属材料有锐敏的嗅觉。 大多数人对金属密度的认识都比较肤浅，以为只不过是一种物理性能，只表示谁轻谁重而已。密度大的就重，像铂；密度小的就轻，如铝。科克斯对密度的认识则比别人深刻得多。他对比各种金属的密度和它们的化学性质后，意外地发现，金属的密度与其化学活性有密切的关系，即金属的密度越小，它的化学活性就越大。比如锂，是金属中密度最小的，每立方厘米才0.534克，比水还轻，因此特别活泼，在室温下就能和空气中的氧、氮起剧烈反应，所以必须保存在凡士林或石蜡中。而铂、金、铱、锇等贵金属的密度大，像铂的密度达21.45克/立方厘米，在硫酸、盐酸甚至在王水中都能“游泳”。 科克斯在20世纪60年代就宣布了这个被许多人视而不见的规律。由于这个规律的确算不上重要和深奥，在当时也没发现什么特殊的实用价值，因此没有受到人们的重视。到了20世纪90年代，科克斯提出一个新思想：在航天领域中，人们为节省燃料和各种费用，总希望用质轻而结实的材料。像锂、镁等金属在地面上不宜被用作结构材料，因为它们太活泼，易氧化着火，但它们在太空中却大有用武之地，因为在太空中没有引起锈蚀和化学反应的空气，那里几乎是真空。于是，科克斯决定对这些轻金属进行改造。他知道，塑料如果进行泡沫化，可以使密度成倍成倍地降低，变成很轻、很实用的泡沫塑料。如果把这些金属也变成泡沫金属，它们的密度也会变得更小，可以在水中浮起来。 1991年，科克斯利用“哥伦比亚号”航天飞机进行了一次在微重力条件（失重状态）下制造泡沫金属的试验。他设计了一个石英瓶，把锂、镁、铝、钛等轻金属放在一个容器里，用太阳能将这些金属熔化成液体。然后在液体中充进氢气，产生大量气泡。这个过程有点像用小管往肥皂水中吹气一样，当金属冷凝后就形成了到处是微孔的泡沫金属。 有人会问，这种泡沫金属能做结构材料吗？这一点不用担心。实验证明，用泡沫金属作为结构材料做成的梁比同样重量的实心梁刚性高得多。因为泡沫使材料的体积大大扩张，获得更大的横截面，所以用泡沫金属制造的飞行器，可以把总重量降低一半左右。用泡沫金属建立太空站还有一个优点：即当空间站结束其使命时，可以让它们重返大气层并在大气层中迅速彻底地燃烧、全部化成气体，这样可以减少空间垃圾。
中国大城市发展研究的问题
中国大城市发展研究的问题 城市化和少数城市大型化是工业化和市场经济推动的必然结果，为了避免重蹈其他国家一些大城市曾经一度陷入困境的覆辙，迫切需要加强对我国大城市发展的研究。笔者认为，以下几个基本问题尤为重要。 (一)、对城市本质的认识问题。 研究世界城市的各学科和各学派的学者都对城市下过不同的定义，但有一点是共同的，即城市是一种与乡村不同的人类的生产和生活方式。这一最基本也是最简单定义的意义在于，它规定了城市发展的本质要求：必须以人为本，不能只见物不见人，只见钱不见人。这就要求：1、在城市建设上，必须以适于人的居住、生活、休息为根本原则。要给人以正常自由活动的空间，确保市民能呼吸到清新的空气，喝到洁净的水，吃到健康的食物。2、在经济发展过程中，在结构调整和升级上，要注意提高市民的适应能力和承受能力，尽最大可能保证就业，让市民有谋生手段和谋生之处；3、在政治生活方面，要随着城市居民政治意识、民主意识及其对社会信息的掌握程度，不断为市民参与社会公共管理提供更多的机会；4、在文化上，要随着大城市发展所带来的文化混杂的特点，在建设主体文化的同时，发展多元文化，以满足不同市民的文化需求。 (二)、城市发展的目标定位问题。 90年代以来，全国先后有40多个城市提出了要建设国际大都市的目标。但据国家计委、建设部、中国科学院和南京大学众多专家、学者完成的建设部“九五”重点科研项目《经济全球化与中国城市发展跨世纪战略研究》认为，至本世纪中叶，最有可能进入国际性城市之列的城市只有三座：上海和依托天津的北京，加上回归后背靠深圳的香港。热情实践与冷静思考之间的矛盾在于对国际大都市内涵的不同认识，其中涉及到国际化城市和城市国际化两个概念。国际化城市应该是一个全方位的、在世界经济、政治、文化等方面与世界存在密切交流并且能对世界产生重大影响的城市。如纽约、东京、伦敦、巴黎。而城市国际化，可以是城市某方面功能和结构的国际化，比如旅游国际化、宗教国际化、文化艺术国际化等，如日内瓦、维也那、海牙和威尼斯……客观地说，要在我国造就出40多个国际化大都市，这是不可能的。但是，要使我国的大城市在结构和功能上具备一定的国际性，不仅是发展的需要，而且也不是遥不可及
泡沫金属的现有制备方法总结
1.2.1浇注法 (A)熔体发泡法 这种方法的工艺过程是:向熔融的金属中加入增粘剂,使其粘度提高,然 后加入发泡剂,发泡剂在高温下分解产生气体,通过气体的膨胀使金属发泡, 然后使其冷却下来或者浇注可以得到泡沫金属。常用的发泡剂为TIHZ、ZrH:等金属氢化物。 (B)颗粒浇注法 这种方法通过把熔融金属浇注到充满散状颗粒的模中,而获得具有连通的 蜂窝状结构或海绵状结构的泡沫金属。这些颗粒可以是耐热和可溶的(如氯化钠)时,它们可以从铸件中被浸洗掉,形成具有连通孔隙的多孔金属;当使用 松散的非可溶性填料(如多孔陶土球、泡沫玻璃、空心刚玉球、泡沫碳等无机 填料)时,则可获得金属一颗粒复合体。 (C)球形颗粒加入法 先将金属在塔竭中熔化,然后加入颗粒或中空球并同时进行搅拌,使这些 颗粒均匀地分散到金属熔体中去,使金属的温度降低,当金属熔体的粘度足以 使金属熔体不再发生偏析和分层时,即颗粒物质在金属熔体中被固定了,此时 停止搅拌并让熔体凝固下来。这种方法适用于制备高熔点的泡沫金属,如泡沫 钨等。 (D)失蜡浇注法 此法采用液态高熔点物质充填海绵状泡沫塑料的孔隙,使之硬化后,加热 使塑料气化而获得海绵状孔隙的铸型。将液态金属浇入此铸型,冷却凝固后除 去高熔点物质后,便得到与原海绵状泡沫塑料模具有相同结构的泡沫金属。 1.2.2沉积法 (A)电镀法 该方法是将所需的金属镀到经过硬化和化学预镀的聚氨基甲酸乙脂表面 上,并达到所需的厚度,再通过热分解法将聚氨基甲酸乙脂去掉,得到具有非 常均匀孔隙分布及相当高孔隙率的泡沫金属。 (B)阴极溅镀沉积法 通过在一定的惰性气体压力下对一基片进行溅射,从而得到被捕获惰性气 体原子均匀分布的金属片,然后把它加热到高于其熔点的温度,并一直加热到 足以加热使那些被捕获的气体膨胀,形成具有封闭孔的蜂窝状的泡沫金属。(C)气相蒸发沉积法 在较高的惰性气氛中缓慢蒸发金属材料,形成金属烟。金属烟在自身重力 和惰性气流携带下沉积,疏松地堆砌起来,形成亚微米尺度的多孔泡沫结构。 1.2.3粉末冶金法 (A)粉体发泡法 该法用于一些熔点较高的金属和合金,如不锈钢、铜、镍、铁等。将少量 的发泡剂加入金属或合金的粉末中,将混匀的混合物压制成无残余通孔的密实 块体,加热到接近或高于混合物熔点的温度,发泡剂分解释放出大量的气体, 迫使致密的压实材料膨胀,形成多孔隙的泡沫材料。粉体发泡法制备泡沫铝的 工艺流程如图1一4所示。 (B)粉浆法
燕山大学金属材料专业调研报告
专业调研报告 学院名称：材料科学与工程学院 专业名称：金属材料专业 学生学号： 学生姓名xx 指导教师：崔占全苑辉戚力 实习日期：2012.7.2— 2012年7月2日到7月13日，我们材料学院金属材料专业两个班在崔占全老师、苑辉老师和戚力老师的带领下分别在秦皇岛首秦金属材料有限公司、燕山大学科技园、山桥集团、首秦钢板、秦皇岛飞天轿车门有限公司几个单位进行专业调研实习。在我们进入大三学习金属材料专业课之前,学院组织学生进行专业调研,提前进去相关工厂进行参观实习,对于金属方面的设备以及各种产品的加工工艺有了初步了解,提高了对本专业的学习兴趣,同时为以后的学 习打下了基础。 实习历程： 秦皇岛首秦金属材料有限公司. 秦皇岛首秦金属材料有限公司地处河北省秦皇岛市抚宁县，位于最具发展潜力的环渤海经济圈中 心地带，是东北与华北两大经济区的结合部，公路、铁路、港口运输四通八达，地理位置十分优越。 它是由是中外合资企业，股东由首钢总公司、秦皇岛首钢板材有限公司、韩国现代重工业株式会社、 香港立新有限公司、利讯投资有限公司五方构成。 首秦公司采取了紧凑式流程的创新设计，整体工艺装备、技术实力达到国际先进水平。其主要产品为高等级的优质宽厚钢板，包括：高强船板、锅炉板、压力容器板、桥梁板、机械工程用板、 管线钢、耐侯钢、模具钢、高强低合金钢板、高层建筑用板等。在工艺技术上，坚持引进、消化、吸 收和自主创新相结合，烧结、炼铁、炼钢、轧钢、动力等系统成功地应用了一大批新工艺、新技术， 有效地降低了能源和资源的消耗，控制了污染，保护了环境，实现了清洁化生产。该公司4300mm宽厚板生产线由德国西马克和西门子公司联合技术总承包，应用了连铸坯热装热送、双蓄热式节能加热 炉、全自动轧钢、液压弯辊板型控制、四辊精轧机、十一辊热矫直机、ACC冷却、滚切式双边剪、滚切式定尺剪等世界最先进的宽厚板生产工艺和装备，并配套完善离线探伤、热处理等项目。该生产线覆 盖了宽厚板所有钢种级别，在宽厚板的生产规模、技术工艺、产品品种、质量和市场占有上具有明显 的竞争优势。 首秦公司坚持走高起点、高定位、高端市场的高端精品战略，与上、下游企业通过资本、技术、 需求建立紧密型的产业链，实现“共赢共担、共同发展”。同时大力发展钢材深加工，力争到2010 年，实现钢板产量的50%深加工，70%紧密产业链直销，建设附加值高、竞争力强、具有沿海发展战略 的钢材深加工配送基地，实现钢铁业向装备制造业等领域的延伸。 近几年来年轻的首秦公司经历了各种严峻的挑战，也使首秦人经受了一场信心和勇气的考验，在 总公司相关部门的大力支持和职工的努力下，首秦人演绎了一场逆境中的“加速度”。 燕山大学科技园
青岛城市形成与发展研究
青岛城市形成与发展研究
青岛烟台城市发展差异研究 王琦琦 （地理与规划学院地理科学2011级本科20112613935） 摘要：青岛、烟台两城市的发展现状和在区域发展中的地位和作用存在较大差异，本文旨在从青岛烟台两市的区位条件、城市发展史、领导政策等方向分析其差异所在，具体从工商业、交通、旅游、城市产业集群、市民的开放性、城市包容度等思考。确定城市的性质定位和功能分区，根据已有的城市规划发展战略，比较城市间各方面的差异和不足。 关键词：青岛，烟台，城市发展史，发展战略， 青岛、烟台同处齐鲁大地，均为港口城市，是山东半岛对外开放的门户。但在城市发展上烟台的却不敌青岛，青岛有诸如海尔青啤等国际化大品牌，并形成产业集群；但烟台却没有，过分注重引进外资，缺乏对中小企业的扶持，没有形成凝聚力。但烟台的农村城镇化做得很好，乡镇企业迅速发展。我们要从青岛烟台两市的各个方面对其城市发展差异进行研究。1 1 青岛烟台城市发展过程和现状概述 1.1 青岛、烟台的区位条件 青岛市地处山东半岛南部，位于东经119°30′~121°00′、北纬35°35′~37°09′，东、南濒临黄海，东北与烟台市毗邻，西与潍坊市相连，西南与日照市接壤。全市总面积10654平方千米，辖六区四市，人口766.36万。全市土地资源矿产资源丰富，已发现各类矿产66种，其中探明储量的矿产50种，占全省已探明储量矿产的64.1%；在经济方面，青岛逐步形成港口、开放、品牌、旅游、海洋科技和奥运城市的鲜明特色。近年来，积极推进蓝色经济区、高端产业聚集区建设，全力打造先进制造业基地、高新技术产业基地、现代服务业
泡沫金属材料的调研
泡沫金属材料的调研 引言：人们很早就使用了泡沫材料, 如木头、砖头等。而对于金属泡沫材料, 却比较陌生。尽管在60 年代就有人提出了泡沫金属的概念, 但对其研究远远不够。直到90 年代左右, 随着人们对新型、轻型建筑材料的需求不断增加, 以及一些特殊应用场合对材料的要求, 美国、德国、澳大利亚等国家才逐渐开始对这一新型金属材料进行研究。研究工作主要集中在金属泡沫材料的生产方法及其性能上。相对而言, 对金属泡沫材料性能的研究比较成熟, 但对其生产方法的研究和其用途的开发, 目前仍在继续探索之中。 1、泡沫金属材料简介 所谓金属泡沫材料( 又称泡沫金属) , 即为内部含有许许多多球形或多面体形状气孔的金属材料, 气孔率一般应高于50%。实际上, 气孔率可达到60% ～90%。对于铝及铝合金, 其密度可达到( 0. 4～1. 0) g / cm3( 实心铝的密度为2. 7 g / cm3) 。金属泡沫材料的性能受下列三组参数的影响:母体金属( 又称基体金属) 的性能; 气孔的相对密度; 气孔的形态和分布。金属泡沫材料的气孔结构分为闭孔和开孔两种形式。闭孔结构是其内部气孔相互独立, 由母体金属分离, 每个气孔都是封闭的。开孔结构为内部气孔相互连接在一起, 单个气孔不是封闭的。在许多泡沫金属中, 内部同时存在闭式气孔和开式气孔。金属泡沫材料最明显的特点是重量轻、密度低。本文以泡沫铝为例, 介绍金属泡沫材料的性能及其与实心金属材料的差异。 2、泡沫铝的制备方法、性能及应用 泡沫铝是一种新型多功能材料,具有独特的结构和许多优异的性能 ,其应用前景可观,应用范围日益扩大。本文概述了泡沫铝的各种制备方法、性能及应用。结果表明：根据制备过程中铝的状态可以将制备方法分为三类:液相法、固相法、电沉积法；泡沫铝的性能研究方面主要研究了物理性能、力学性能、吸能特性、阻尼性能、吸声性能；泡沫铝主要应用为建筑材料、装饰材料、防音材料、抗振材料、型材及汽车制造业。国外对该领域的研究已相当深人、系统,与国外相比,我国对泡沫铝材料的研究起步较晚,研究尚处于实验范围内,所以,我国今后还应进一步加强泡沫铝材料的研究。 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。