多孔質金属発泡体の調製方法と用途
Mar 10, 2022
多孔質発泡金属は、ここ数十年で開発された機能性材料です。 その概念と分類は、学術界では統一されていませんが、基本的に次の定義があります。多孔質発泡金属は、特定の量と特定のサイズを含む金属マトリックスです。 細孔径と一定の気孔率を持つ金属材料。 多孔質発泡金属は、1948年に米国のSoSnikによって、溶融アルミニウム中の水銀を気化させることによって最初に製造されました。これにより、金属に対する人々の理解は大きく変化しました。 それは拡大し、金属は緻密な構造しかないという従来の概念を打ち破ります。 多孔質発泡金属材料は、実際には金属とガスの複合材料です。 密度が小さく、表面積が大きく、エネルギー吸収が良く、熱伝導率が低いなど、金属特性と気泡特性の両方を備えているのは、まさにこの特殊な構造によるものです。 （閉じた-ホールボディ）、高い熱交換および熱放散能力（-ホールボディを介して）、優れた吸音（-ホールボディを介して）、優れた透過性（{{4を介して） }}ホールボディ）、良好な電磁波吸収（-ホールボディを介して）、難燃性、耐性熱耐火物、熱衝撃耐性、ガス感受性（一部の多孔質金属は特定のガスに非常に敏感です）、再生可能、良好な作業性したがって、新しいタイプの機能材料として、電子機器、通信、化学産業、冶金、機械、建設、輸送、さらには航空宇宙技術で幅広い用途があります。
1.多孔質発泡金属の調製方法
1.1金属溶融物に基づくプロセス
1.1.1エアブロー発泡プロセス
SiCは最初に溶融金属に添加されます。 Al2O3などで溶湯の粘度を上げて」と特殊回転ノズルを使ってガス（空気、アルゴン、窒素など）を溶湯に吹き込みます[4！5]）現在、ノルウェーのハイドロアルミニウムとサイマットアルミニウムカナダでは、この方法は、発泡アルミニウム「鋳造アルミニウム合金AlSi1 0 Mg（A359）または変形アルミニウム合金1 0 60 "3003" 6016 "6061など）の製造に使用されています。製造されるアルミニウムは、原則として任意の長さにすることができます」、幅はアルミニウム液体容器の幅と同じです）この方法で調製されたアルミニウムフォームの粘度は80％〜98％ "、密度は0.069〜0.54 g/cm3"です。 、平均孔径は3〜25mm "、肉厚は50〜85！m）直接発泡法の利点は、大きなブロックを連続生産できることです。低密度金属発泡体）他の方法と比較して"この方法はコストが最も低くなります）Cymatはアルミニウムを製造できます1 000 kg / h"長さ1.5m"厚さ2.5〜15 cm）Hydrによって製造された発泡アルミニウム oシート幅70cm"厚さ8〜12cm"長さ2m "生産性は500〜600 kg / h）このプロセスの欠点は、最終使用時にカットする必要があることです。強化粒子の使用は「困難」です。
1.1.2発泡剤の添加方法
溶融物を直接発泡させる別の方法は、溶融物に発泡剤を加えることです）発泡剤は熱の作用で分解し、ガスを放出します」金属溶融物を発泡させます[6！7]）1986年に日本のShincoWireによって開発された方法会社「1日あたり最大100 {{2 0}} kgの発泡金属）この方法では、「最初にCaを添加し、次に攪拌して粘度を上げる」ためです。 CaOは溶融物中に形成されます。CaAl2O4またはAl4Ca）次にTiH2を追加すると、高温の溶融物に水素が放出されます）溶融物はすぐにゆっくりと膨張し始めます「冷却後、固体のアルミニウムフォームを形成します）この方法で生成されたアルミニウムフォーム」最も広く利用可能なアルミニウムフォームの1つです。 最も均一な気孔率）一部の文献では、「ZrH2は発泡金属の製造にも使用されています」発泡温度は67 0〜7056 "に制御され、添加量は0.5％〜0.6％です）発泡金属のサイズシンコワイヤー社製ブロック[8]2050mm!! 650 mm !! 450mm"重量は約160kg"シェル全体の密度を含めて0.27g/cm3）エッジを切断した後 "密度は通常0.18〜0.24 g / cm3 "平均細孔径は2〜10mm）水平方向と垂直方向に密度勾配があります"そして密度は上部の中央で最も低くなります）このアルミニウムフォームはより高価であると報告されています）したがって、複雑な形状の連続生産と生産を達成するために、他のいくつかの方法も提案されています。発泡金属部品）同様のプロセスを使用して「溶融鉄にタングステン粉末とブロー剤を添加して発泡鉄を生産することができます」）溶融特性を調整するためのCa、「酸素も吹き飛ばすことができます 溶けて。 粘度を上げるための空気または他のガス」は、粉末のAl2O3を加えることもできます。MnO2およびSiCなど）溶融物への金属蒸気の添加によって引き起こされる問題を克服するために、分解速度が速すぎます（「最初に未分解を含む発泡体を調製するには「Al-Mgプリフォームなど」の薬剤の低融点共晶化合物、次にプリフォームを発泡プロセス用の高融点合金に添加します）さらに、「発泡薬剤は固相線温度よりもわずかに高くなることもあります。分解温度より低い金属溶融物は、「攪拌および固化」されたときに添加され、次に複合材料がブロー剤の分解温度よりも高く加熱されるため、実際の発泡プロセスが実行されます。第二段階で）
1.2.3固体-ガス共晶凝固法
ウクライナの冶金学者Shapovalovetal。 固体{{0}}ガス共晶変換による多孔質金属の新しい調製方法を開発しました[9]）特定の液体金属は水素と共晶系を形成できます）高圧水素中で金属を溶かします水素を含む金属溶融物が得られます。温度が下がると、「溶融物は最終的に共晶反応を起こし」、固体-ガス二-相系を形成します。共晶組成に十分近いと、同じ温度反応で固体-ガス分離が発生します。凝固速度が0.05〜5 mm / sの場合、「凝固フロントの水素含有量が増加」して気泡を形成します。気泡が液相から逃げるのを防ぐために、プロセスパラメータは「厳密に制御する必要があります」。結果として生じる細孔形状は、主に水素含有量、溶融物が受ける圧力、熱放散の方向と速度、および化学物質に依存します。の構成 溶けた。 通常、凝固方向に沿って伸長した大きな細孔が形成され、「細孔サイズ10！m〜10mm」細孔長100mm〜300mm」アスペクト比1〜300」気孔率5パーセント〜75パーセント。 この方法は、ロシアのガス増強の頭字語であるGASARと呼ばれます。この方法は、多孔質ニッケル、銅、アルミニウムなどの製造に使用されています。これに加えて、このプロセスは、多孔質鋼、コバルト、クロムの製造にも使用できます。 、モリブデン、さらにはセラミック。 しかし、この方法で作製した多孔質構造の均一性が不十分な場合があり、さらに改善する必要があります。
1.1.4浸透鋳造法
多孔質金属は、無機または有機粒子または中空球によって形成された空隙に液体金属を注入することによっても得ることができます。 鋳造後、「粒子は金属内にとどまることができ」、いわゆる複合構造を形成します。これも適切な溶媒、酸、または熱処理による粒子の除去バーミキュライト、耐火性粘土球、可溶性塩、緩い膨張粘土、砂粒子、発泡ガラス球、およびアルミナ中空球はすべて、ボイドを形成する可能性のある無機フィラーとして使用できます。 溶融物の凝固速度が十分に速い場合、プラスチック球はボイド形成の支持材料としても機能します。 この方法を使用して、連続気泡構造の多孔質金属を製造することができます。 パーコレーションキャスティング法の利点は、フィラー粒子のサイズを調整することにより、細孔径分布を正確に制御できることです。 「しかし、気孔率は80パーセント未満です。発泡技術で得られた気孔サイズとその分布は制御できません」と
気孔率は98パーセントにもなる可能性があります。 このオープン-セル構造の多孔質材料で作られた部品は、振動を減らすために空気圧装置の排気口に取り付けることができます。
1.1.5インベストメント鋳造法
この方法の原理は、流体耐火材料をフォームスポンジに浸透させ、次に風乾、硬化、焼き付けしてフォームスポンジを分解し、3次元ネットワークを備えたプレハブ形状を形成することです。スケルトン、液体金属をプレハブ形状に注ぎ、固化後に耐火材料を取り除きます。 ３次元のネットワーク構造を有する金属発泡体を得ることができる。 現在、日本も当研究所もこの方法で発泡アルミニウムサンプルの調製に成功しています。 この方法で調製されたサンプルは、母材に継承され、細孔は3次元的に接続されており、構造は均一であり、材料、形状、サイズに制限されず、-を介して提供できます。さまざまな目的のための穴の金属泡。 欠点は、金属骨格の強度が低く、プロセスがより複雑になることです。 上記の-準備プロセスに加えて、中空ボール法の追加、ルースパウダー焼結法、繊維冶金法など、他のいくつかの方法があります。 多孔質金属材料に関する継続的な-詳細な研究により、多くの国がさまざまな調製方法を提案しています。 米国の特許では、米国のERG会社が「Duocel」と呼ばれる準備プロセスを開発したことが報告されています。 真空環境で過熱したアルミニウム溶融物から発泡アルミニウムを直接調製する方法。 この方法で製造された発泡アルミニウムは、密度は低いが強度は高い。 カナダのアルミニウム会社は、独自の準備プロセスを開発しました。空気が固化する溶融金属に送られ、ガスが排出された後、ガスが凝縮して泡になります。 この方法では、大きな発泡金属材料を製造でき、得られる材料の密度は低くなります。 Sanders Jr.は、-シャフトノズル中空球状アルミニウムバブルと呼ばれるアルミニウムフォームの製造プロセスを設計しました。これは、共晶Al-Si合金フォームの調製に特に適しています。
1.2粉末-ベースの調製プロセス
1.2.1粉末冶金
粉末冶金は、発泡金属を製造するための一般的な方法でもあり、幅広い用途があります。 多くの金属（アルミニウム、スズ、鉄、金、亜鉛、鉛など）とそれらの合金は、この方法で発泡させることができます。 このプロセスでは、最初に金属粉末を適切な量の発泡剤と均一に混合し、次に混合粉末を押し出し、ホットプレス、または圧延によって高密度のプレ-製品に加工し、次にプレ-を加熱します。発泡剤を作るために混合粉末の融点の近くに製品。 分解するとガスが発生し、冷却後に独立した-セルの発泡金属を得ることができます。
溶融発泡法と比較して、粉末冶金法は操作と制御が簡単です。 発泡時間と発泡温度を合理的に選択することにより、異なる密度値の発泡金属を得ることができます。 ただし、粉末冶金の製造コストは溶融発泡の製造コストよりも高く、大量の-部品を準備することは困難です。
1.2.2ガス注入発泡法
溶融発泡剤発泡法に類似したガス注入発泡法は、現在、多孔質金属発泡体を製造するための最も安価な方法である。 この方法は、溶融金属溶融物に直接ガスを吹き込んで金属溶融物を発泡させることであり、発泡に使用されるガスは、酸素、アルゴン、空気、水蒸気、二酸化炭素などであり得る。 溶融発泡剤発泡法と同様に、細孔の大きさや金属マトリックス中の分布の制御が難しいなどの問題があります。 重要な技術は、溶融金属に適切な粘度を持たせることです。 一般に、金属溶融物の粘度を上げるために、カルシウムや炭化ケイ素粉末粘着付与剤を添加するなどの手段が使用されます。 金属の組成は、十分に広い発泡温度範囲を確保する必要があります。これにより、成形された発泡セルは、後続の収集および成形プロセス中に発泡が破壊されないように、十分な均一性と安定性を備えます。 この方法の最大の利点は、その低コストと容易な工業化された大量生産です。
1.2.3焼結方法
つまり、より高い温度では、材料は初期液相を生成します。 表面張力と毛細管現象の作用下で、材料粒子は互いに接触し、相互作用します。 冷却後、材料は固化し、発泡金属になります。 バインダーですが、焼結中にバインダーを除去する必要があります。 発泡金属の気孔率を改善するために、フィラーを使用することができます。 フィラーはまた、昇華、溶解、または分解する必要があります。 塩化アンモニウムとメチルセルロースは充填剤として使用できます。 高-気孔率の発泡金属を調製する場合、有機担体で焼結する方法を使用できます。 まず、天然スポンジまたは人工スポンジを必要な形状にカットし、金属粉を含むスラリーを完全に吸収させ、加熱して乾燥させた後、スポンジを分解します。 、加熱を続けて有機金属化合物を分解し、材料を焼結します。 冷却後、気孔率の高い発泡金属が得られます。 この方法でも、粉末粒子の代わりに金属繊維を使用して多孔質金属を製造します。 この方法で調製された多孔質金属の透磁率は、粉末法で得られたものの数十倍です。 また、機械的強度、耐食性、熱安定性にも優れています。
1.3堆積技術に基づく準備プロセス
1.3.1電着法
必要な仕様と形状の発泡有機物をマトリックスとして使用し、液体金属を金属蒸気に揮発させて真空下で発泡有機物上に堆積させ、冷却後に有機物マトリックスを除去し、焼結して発泡金属材料を得る方法。 。 この方法の利点は、調製が細かく、気孔率が高く、細孔径が規則的であることです。 不利な点は、投資が大きく、製造コストが高く、動作条件が厳しいことです。 この方法は、主に電極材料の調製に適用できます。
1.3.2蒸着法
非-導電性フォーム有機物をマトリックスとして使用し、最初に粗面化します。つまり、酸性条件下で有機物を強力な酸化剤で腐食させるため、表面が水に濡れやすくなり、生成されます。マイクロ-マーク。 粗面化後、増感が行われる、すなわち、還元特性を有する金属イオンの層が有機発泡体の表面に吸着される。 増感後に活性化を行います。つまり、触媒特性を持つ金属イオンの別の層を有機発泡体の表面に吸着させ、無電解めっき用のめっき液に入れて、導電性に付着した均一な金属層を取得します。有機材料の表面。 無電解めっきされた有機物は、最終的に電気めっきされて、所望のタイプの金属および厚さが得られる。 高温処理により有機物が分解され、発泡金属材料が得られます。 この方法の利点は、高い多孔性と規則的な細孔サイズです。 不利な点は、面倒な操作、多額の投資、および高い製造コストです。 この方法は、主に発泡ニッケル、アルミニウム、銅、銀などの製造に適しています。
2.多孔質発泡金属の性能特性と用途
多孔質発泡金属は、創業以来、構造材料として軽量で比強度が高いという特徴があります。 機能性材料として、多孔質、振動低減、減衰、吸音、遮音、放熱、衝撃エネルギー吸収、電磁シールドなどの特性を備えています。そのため、一般産業分野でますます広く使用されています。国内外のハイテク分野-。 具体的な用途は次のとおりです。その振動低減および減衰特性を使用して、宇宙船の着陸装置、エレベーターのトランスミッションの安全パッド、さまざまな梱包箱、特に航空輸送の梱包箱、機械のベッド、ベース、ショックなどの緩衝材および振動吸収装置を作成します。アブソーバーなど。ピニオンの振動と騒音のためのダンピングリング、-高速グラインダーのエネルギー-吸収ライニング、このアプリケーションは、音のアプリケーションと見なすこともできます-吸収と音{ {4}}多孔質発泡金属の絶縁特性。 建設業界では、防音パネル、電子機器のハウジング、電気シールドルームなどの構造物の製造に使用されています。 その多孔性は、化学フィルター、浄水用のガス化装置、および自動給油用のオイル含浸ベアリング、香りのある装飾などに使用されています。 軽量で比強度の高い特性を生かし、ウォーターフロートやスポーツ用品（そりなど）などの航空宇宙機の部品に使用されています。 関連情報によると、航空機の製造に多孔質発泡金属材料を使用することには、重量を減らしてエネルギーを節約するという利点があるだけでなく、宇宙ステーションがその任務を終了したときに再び入ることができるという利点もあります-大気中および大気中で迅速かつ完全に燃焼します。 スペースデブリを減らすためにガスに変換することができます。 その放熱性能を利用して、ラジエーターの製造に使用されてきました。 その衝撃吸収、振動低減および減衰性能を使用して、
これは、自動車、列車の側面と前面の衝撃部品、および軍用装甲車両の衝撃保護材料の製造に使用されてきました。
2.1電極材料
With the rapid development of high-end electrical appliances (portable computers, cordless phones, etc.), the consumption of reusable rechargeable batteries with high volume ratio and high quality specific capacity is also increasing. Porous metal foams with high porosity (>95パーセント）これらのバッテリー特性を改善する機会を提供します。 たとえば、Ni - Cd電池の電極の電極材料としてニッケルフォームを使用すると、電極の気液分離が良好になり、過電圧が低くなり、エネルギー効率が向上します。 90％増加し、容量を40％増加でき、すばやく充電できます。 カドミウム電池、ニッケル-金属水素化物電池、および充電式アルカリ電池は、容量を増やすために正および負のプレートとしてニッケルフォームを使用する傾向があります。これは、電池業界のブレークスルーです。
2.2触媒
化学反応、特に有機化学反応では、触媒が非常に重要な役割を果たすことがよくあります。 触媒の表面積が大きいほど、より良く、そして高い多孔性は、多孔質金属発泡体が大きな比表面積を有するようにする。 化学工業では、ニッケルフォームをニッケル触媒として直接使用することも、ニッケルフォームを触媒担体にすることもできます。 担体としての多孔性の高い多孔質金属発泡体は、触媒を高度に分散させ、より大きな役割を果たす可能性があり、その性能は、セラミック触媒担体よりもはるかに優れている。
2.3液圧緩衝材
多孔質発泡金属は、ガスまたは液体パイプラインに設置できます。 片側の流体圧力または流量が大きく変動する場合、多孔質金属発泡材料は、流体の運動エネルギーの一部を吸収し、流体の浸透を遅らせることができ、その結果、多孔質金属発泡体を吸収することができる。 金属ボディの反対側の変動が大幅に減少し、この効果を使用して精密機器を保護することができます。
2.4機械的振動緩衝材
多孔質発泡金属を振動部の接合部に配置すると、多孔質発泡材料の弾性変形により機械的衝撃エネルギーの一部を吸収することができます。 報告によると、密度比が{{0}}。05〜0.15 g / cm3の発泡金属のエネルギー吸収は20〜180 MJ/m3です。 強力なエネルギー吸収能力により、自動車のバンパーや宇宙船の着陸装置にも使用できます。 また、リフト輸送システム、研削盤のエネルギー吸収ライニング、安全性を向上させるための車の助手席の前後の変形可能な材料、および優れた振動減衰特性の製造におけるバッファーとしても使用できます。ロケットやジェット機に可能な技術。 エンジンサポート材。
2.5吸音材
音波も一種の振動であるため、多孔質金属発泡体を通過する際に、音が散乱して材料に干渉し、音響エネルギーが材料に吸収されるため、多孔質金属発泡体は次のように使用することもできます。吸音材、つまり吸音材である-吸音材。 アプリケーションは、ガスパイプラインと蒸気パイプラインの両方で利用できます。
2.6難燃性および防爆-耐性材料
多孔質金属発泡体は、流体の浸透性が高く、火炎の広がりを効果的に防ぎ、一定の耐火性を備えているため、パイプラインに配置して可燃性の液体やガスを輸送し、火炎の広がりを防ぐことができます。輸送速度が増加します（音速は爆発限界近くで約15 MPaの圧力を生成します）。 実験によると[13]、厚さ6 mmの多孔質金属発泡体は、210 m/sの炭化水素燃焼速度の炎を止めることができます。 このメカニズムは、火炎中の高温ガスまたは粒子が多孔質金属発泡材料を通過するときに、急速な熱交換により、熱が吸収および放散され、ガスまたは粒子の温度が着火点を下回る原因になると説明できます。炎の広がりを防ぎます。
2.7自発発汗冷却材
固体の冷却剤が溶けて、耐熱性の金属でできた多孔質の骨格に浸透します-。 高温にさらされると、材料内の冷却剤が溶けて気化し、大量の熱エネルギーを吸収するため、材料は冷却剤ガスを一定期間維持することができます。 温度レベルでは、逃げる液体と気体が材料の表面に液膜または気体膜を形成し、外部の高温環境から材料を隔離することができます。 このプロセスは、クーラントがなくなるまで実行できます。 冷却メカニズムは材料自体が「発汗」するのと同等であるため、自己-発汗冷却材料と呼ばれます。
2.8発散冷却材
発散冷却は、気体または液体の冷却媒体を多孔質材料に強制的に通過させる高度な冷却技術であり、材料の表面に断熱性能の高い連続的で安定したガス境界層を確立して、材料を熱から隔離します。フロー。 非常に理想的な冷却効果を得るために開きます。 液体水素-液体酸素エンジンスラストチャンバーインジェクターパネルを例にとると、発散冷却を使用した後、その片側は- 150度の水素で、もう一方は3500度のガスです。材料の高温表面温度はわずか80-200度です。 [14]の間の学位。 発散冷却に使用される多孔質材料は、均一な換気、小さな曲がりくねった細孔、および媒体のスムーズな流れにより、合理的な範囲内で浸透量を正確に制御でき、耐熱構造材料としての基本要件を満たしている必要があります。 、特定の強度と剛性を備えています。 靭性、優れた酸化防止特性を備えた材料を選択して、偶発的な酸化ブロッキング細孔を防止します。焼結ワイヤーメッシュ多孔質フォーム材料が最良の選択です。
2.9フィルター材料
多孔質発泡金属は適切な形状に調製され、流体（水、溶液、ガソリン、潤滑油、冷媒、ポリマー溶融物など）から固体または懸濁液をろ過するためのフィルター材料として使用できます。 一般的に使用される多孔質金属発泡材料は、青銅またはステンレス鋼です。 非常に腐食性の高い流体では、Auなどの貴金属が使用されます。
3.粉末冶金によるアルミニウム合金はんだの調製
3.1実験材料と方法
粒子径45-105 ^ mのA1-Siはんだ粉末と粒子径25-45のKAlF4フラックス粉末を質量比9：1で均一に混合し、圧入しました。コールドアイソスタティックプレスでの準40mm円筒形粉末。 ユニットプレス圧力は100-300MPaです。 次に、真空度10-3Paの真空焼結炉で300-550度で2時間焼結し、炉で室温まで冷却した。 次に、焼結ブランクを、６４：１の押出比、２．２ｍ ／分の押出速度、および４００度の押出温度で、ルートホット押出機で押出し、準５ｍｍのろう付け溶加材を押出した。 密度は排水法を用いて測定した。 金属組織サンプルを機械的に研磨し、標準のケラー試薬（0.5％HF + 1.5％HCl + 2.5％HNO3 + 95.5％H2O）でエッチングし、熱間押出し前後の材料の微細構造をQUANTA200走査型電子顕微鏡で観察しました。
3.2実験的結論
（1）押圧力の大きさにより、自己融着アルミニウムはんだ粉末の密度が決まります。 押圧力が大きいほど、粉末の密度が高くなります。 プレス圧力が低い場合、粉末の密度はプレス力の増加とともに急速に増加します。 押圧力が大きい場合、圧力の増加に伴い、粉末の密度はゆっくりと増加します。 押圧力が約150MPaの場合、粉末の相対密度は80％に達する可能性があり、粉末はその後の焼結と熱間押出しの条件を備えています。
（2）従来の焼結プロセス（真空焼結を含む）では、自己フラックスされたアルミニウムはんだ粉末の密度を上げることはできません。 固相線よりも低い温度で焼結した場合、サンプルの密度は増加しませんが、減少します。 固相線温度焼結よりも高い場合、サンプルは溶融します。 そして、焼結温度が上昇すると、それに応じて粉末の焼結密度は上昇しません。
（3）熱間押出し工程では、焼結ビレットが塑性変形し、内部粒子間のボイドと境界がなくなり、ボイドが減少し、サンプルの相対密度が96.7％に達します。 相組成の観点から、白い粒子KAlF4、小さな黒い点、および一次結晶Siは、A1-Siマトリックス上に比較的均一に分散しています。
多孔質発泡金属は、気孔率、振動低減、減衰、吸音、遮音、放熱、衝撃エネルギー吸収、電磁シールドなどのさまざまな物理的特性を備えています。したがって、一般的な工業分野でますます広く使用されており、 -国内外の技術分野。 。 多孔質金属発泡体に関する現在の研究は、主に単一の-分野の方法を使用して冶金または金属材料の労働者によって行われており、多孔質金属発泡体の研究は、複数の分野と知識の統合から開始する必要があります。 単一の-学問分野の研究でブレークスルーを達成することは困難であり、研究をアプリケーションから切り離すことをお勧めします。 今後の研究では、-学際的なクロス-浸透を採用し、材料の準備と応用が切り離される現象を克服し、需要を対象とした的を絞った研究を実施して、科学の変革プロセスをスピードアップする必要があります。そして技術を真の生産性に。