新機能性材料の発泡金属の研究の進歩

1.はじめに

発泡アルミニウムは新しいタイプの機能性材料であり、金属アルミニウムマトリックスに多数の気泡が分散した発泡体-のような超-軽金属材料であり、一般的な気孔率は40％〜98％です。 1948年、ソニックはアルミニウム中の水銀を気化および発泡させることによって発泡アルミニウムを調製する方法を提案し、エリオットは1951年に発泡アルミニウムの調製に成功しました。1960年代に、アメリカンエチルカンパニーはアルミニウム発泡体の開発のための科学研究センターの拠点になりました。 1991年に日本の九州工業金属研究所は発泡アルミニウムの工業化のためのプロセスルートを開発しました、そして今では大小の部品が金属発泡とパーコレーション法によって生産されることができます。 今日まで、米国、日本、英国、フランス、カナダ、およびその他の国々は、数多くの技術特許を次々と開発してきました。 私の国では、発泡アルミニウムの製造工程の基礎研究についてもいくつかの探索的研究が行われ、ある程度の進歩が見られました。

発泡金属は、その独特の構造により多くの優れた特性を備えています。 多孔質材料の軽量特性だけでなく、金属が持つ浸透、減衰、エネルギー吸収、高比表面積、電磁シールドなどの優れた機械的特性と熱的、電気的およびその他の物理的特性も備えています。 現在、発泡アルミニウムの主な用途は、耐火性と吸音性のパネル、衝撃エネルギー吸収材料、建築用パネル、半導体ガス拡散板、熱交換器、電磁シールドなどです。 冶金、化学産業、航空宇宙、造船、電子工学、自動車製造および建設の分野で使用でき、適用範囲は絶えず拡大しています。

2.発泡金属の調製方法

2.1鋳造方法

鋳造法は発泡アルミニウムの製造に広く使用されており、製造方法は比較的成熟しています。 いくつかの関連する方法を以下に紹介します。

2.1.1浸透鋳造法

パーコレーションキャスティング法は、高温の液体金属アルミニウムを一定の圧力でフィラー粒子の空隙に浸透させ、凝固後にアルミニウム合金に封入されている可溶性粒子を除去することです。接続されたセル構造。 この方法は、さらに上圧浸透鋳造法と負圧浸透鋳造法に分けることができる。 高圧硫化鋳造法は、負圧浸透鋳造法と比較して、強度、高導電性、優れた伝熱性、耐クリープ性を備えた電極材料です。

（3）1.5mm厚のアルミメッキ鋼板を溶接するためのAl2O3分散-強化銅電極の平均耐用年数は7200ポイントであり、CPT爆発-プルーフベルト溶接のニーズを十分に満たすことができます。

それは、単純なプロセス操作、速い予熱速度、高い生産性と歩留まり、大きな安全率、小さな設備投資、そして簡単な機械化された生産という利点を持っています。 その中で、フィラー粒子の選択と処理は非常に重要であり、次の特性があります。十分な耐熱性、注入温度で溶融しない。 浸透圧力の作用下で壊れたり変形したりしない、十分な強度と剛性。 良好な除去3次元の細孔内のフィラー粒子は、アルミニウム液が固化した後、溶剤または水溶液で完全に除去できます。 化学的安定性、アルミニウム液体と反応しません。 この方法は操作が簡単で、平均気孔率は70％に達する可能性があり、大規模な-大規模生産に便利です。 現在、パーコレーション法は、発泡金属の製造だけでなく、亜鉛、マグネシウム、鉛、スズ、鉄などの複雑な形状の部品の製造に使用できる発泡材料の製造にも使用されています。

2.1.2ボールを追加する方法

ボール添加法は、液体アルミニウム合金に粒子または中空球を添加し、攪拌を強化し、相対流動状態にあるアルミニウム液体をキャストしてアルミニウム合金と粒子の複合材料を得てから、アルミニウム合金マトリックスを溶解して除去する方法です。 。 可溶性粒子、および接続された-セルのアルミニウムフォームが得られた。

2.1.3インベストメント鋳造法

まず、一定の気孔率を持つ3次元の連続発泡スポンジ材料を母材として使用し、次に-簡単に-除去できる難燃性材料をスポンジに流し込みます{{ 3}}フォームのように、乾燥および硬化してプレハブ形状を形成し、次に焼成して耐火性材料を硬化させてそれを作ります。フォームスポンジを気化させて分解し、次にプリフォームを金型に入れ、溶融金属に注ぎます。それに一定の圧力をかけるか、真空鋳造を行って型の細孔を溶融金属で満たし、冷却後に除去します。 耐火材料のブロックは、-セルのアルミニウムフォームを介して3つの-次元ネットワークを取得できます。 このインベストメント鋳造の準備プロセスで製造された発泡金属は、良好な3次元浸透性を持ち、このプロセスは幅広い用途があり、非腐食性であり、流体の製造に有望です。 -透過性製品。

2.1.4発泡方法

ガス発泡法と金属液体発泡法の2種類があります。 ガス発泡法は、溶融金属溶融物にガスを吹き込んで金属溶融物を発泡させることである。 発泡に使用されるガスは、酸素、アルゴン、空気、水蒸気、二酸化炭素などです。技術的な鍵は、溶融物が適切な粘度を持ち、金属の組成が十分に広い発泡温度範囲を確保することです。形成されたフォームは、その後の収集および成形プロセス中にフォームが壊れないようにするのに十分な安定性を備えている必要があります。 ガス発泡法は、現在、金属発泡体を製造するための最も安価な方法です。 発泡体のサイズは非常に大きく、発泡アルミニウム製品の気孔率は97％に達する可能性があります。 液体金属発泡法は、初期には主に液体アルミニウム合金にTiH2、ZrH2、CaH2などの発泡剤を添加し、加熱して発泡剤を分解してガスを放出し、ガスを膨張させる方法が広く使用されていました。アルミニウム合金を発泡体にした後、冷却します。つまり、発泡アルミニウム製品が得られます。 この方法で製造された発泡金属は、独立した-セル発泡金属に属します。 細孔の構造と気孔率は、溶融金属の粘度と発泡時間に関係しています。 溶融金属の粘度と溶融プロセス中の発泡時間を制御することで、気孔率を制御できます。 しかし、細孔は互いに独立しており、それらのサイズと分布は不均一であり、制御は複雑です。

2.1.5共晶凝固法

ガスは溶融金属に一定の溶解度を持ち、圧力と温度の上昇とともに増加します。 金属中のガスの溶解度が所定の値に達すると、金属および気相は共晶凝固を受けて、所望のアルミニウムフォームを得る。 、冷却条件（圧力、冷却速度、放熱方向）を正確に制御することにより、さまざまな細孔形状を持つ等方性および異方性の高-多孔性アルミニウムフォームを得ることができます[18]。

2.2蒸着方法

2.2.1スパッタ蒸着法

スパッタ蒸着法は、スパッタリング技術を利用して、アルミニウム合金金属に不活性ガスを均一に噴霧し、金属の融点まで加熱して、金属マトリックスに添加されたガスが正孔に膨張するようにする方法です。冷却すると、発泡構造の発泡アルミニウムが得られます。 この方法で得られる生成物の細孔体積分率は、堆積中の不活性ガスの分圧を制御することによって制御でき、介在ガスの質量分率は、{{0}の範囲で変化させることができます。 }.015パーセントから0.23パーセント。

2.2.2蒸気蒸発堆積

比較的高圧の不活性雰囲気（1 0 2〜103Pa）では、金属アルミニウムがゆっくりと蒸発し、蒸発した金属原子は前進の過程で不活性ガスとの一連の衝突と散乱を受け、急速に失われます。運動エネルギー、したがって部分的に凝縮して金属煙を形成します。金属ヒュームは、それ自体の重力の作用下で堆積し、不活性ガスの流れによって運ばれ、下向きのプロセス中に冷却し続け、最終的にベースに到達します。 低温のため、原子が移動したり拡散したりすることが困難であるため、金属ヒューム粒子は緩く積み重なってセルラーフォーム構造を形成するだけです。 この技術によって製造された発泡アルミニウムは、巨視的な構造を持つ発泡アルミニウムとは異なります。 多数のサブ-ミクロン-スケールの金属粒子とミクロポアで構成されており、その密度は親金属アルミニウムの密度の約1パーセントであり、最小値は0.15パーセントです。

2.2.3電着

この方法は、発泡プラスチックを粗面化処理、増感および活性化処理、化学的予備めっきおよび化学的めっきなどの複数のステップで覆い、次に発泡プラスチックを加熱して分解し、発泡アルミニウムを得るというものです。 その中で、感作と活性化治療の2つのプロセスが非常に重要な役割を果たしています。 増感処理は、粗面化された部品の表面に還元性イオンを吸着させることであり、その結果、イオン活性化処理中に、部品の表面は触媒特性を備えた層を形成する。 無電解めっきを自発的に行うことができる貴金属層の役割。これにより、発泡体が半導体になり、アルミニウムの電気めっきの成功が促進されます。 この方法で製造された発泡金属は、良好な細孔接続性、均一な分布、および大きな多孔性を有するが、製品の厚さが制限され、コストが高い。

2.2.4溶融塩電気めっきアルミニウム

溶融塩電気めっきアルミニウムは、電極カソードとして発泡プラスチック、アノードとしてアルミニウムプレートを使用して、アルミニウム塩を含む溶融塩中で電着プロセスによって製造された一種の多孔質アルミニウムフォームです。 この方法で作られた発泡金属は、高い気孔率と均一な気孔を持っています。

2.3粉末冶金

2.3.1粉末発泡法

粉末発泡法は、アルミニウム粉末を発泡剤（TiH2）と混合し、一定温度で軸方向に圧縮して気密構造のプリフォームを得る方法です。 製品を膨張させて発泡アルミニウムを得る方法。 粉末発泡法では、混合、プレス、発泡が3つの重要なリンクです。 同時に、発泡工程のパラメータ（発泡剤の量、発泡温度、発泡時間）を調整することで、セル構造の異なる発泡アルミニウムを得ることができます。

2.3.2スラリー成形法

スラリー成形法は、金属アルミニウム粉末、発泡剤（フッ化水素酸、水酸化アルミニウムまたはオルトリン酸）および有機担体の懸濁液を形成し、それを泡を含む状態に攪拌し、次にそれを型に入れ、焼成後に加熱することです。 、多孔質構造の固体金属アルミニウムが得られる。 この方法は、最初は発泡Be、Fe、Cu、およびステンレス鋼の材料を作成するために使用され、後に発泡アルミニウムを作成するために使用されました。 しかし、製品の強度は非常に低いです。

2.3.3粉末成形方法

粉末成形法は、金属アルミニウム粉末を発泡剤（TiH2）と混合し、冷圧または熱圧で成形した後、焼結して発泡アルミニウムにする方法です。 これには2つの重要な利点があります。1つは、他の方法よりも幅広い合金組成に使用できるため、発泡金属の機械的特性を制御できることです。 サンドイッチ-形状のアルミニウムフォーム、およびアルミニウムフォーム-充填タービン構造

2.3.4ルースパウダー焼結法

緩い粉末焼結法の原理は、微粒子が互いに接触しているとき、それらは表面張力の作用によって互いに結合することができるということです。 これらの微細な金属アルミニウム粉末を型に入れて焼結し、粒子同士を結合させて多孔質の焼結体を形成します。 この方法は、通常40％から60％の気孔率のフィルターを製造するためにも使用できます。

2.3.5含浸スポンジ焼結法

粉末冶金では、スポンジ状の材料を一時的な支持構造として使用して、高い-多孔性の均一なアルミニウムフォームを生成することもできます。 スポンジ状の有機物を所望の形状に切断し、処理する金属アルミニウム粉末を含むスラリーを浸透させます（懸濁液の担体は水と有機液体です）。 浸漬したスポンジ-のような有機物を乾燥させてフラックスを除去し、冷却後、気孔率の高い三次元構造の発泡金属アルミニウムを得ることができます。 この方法は、気孔率が70％から90％の発泡銀シートの製造にも使用されます。

2.3.6繊維焼結法

この方法で使用される金属アルミニウム線は、機械製図または他の方法によって得られた金属線です。 金属アルミニウム線は、スリップキャスティングまたは機械的フェルトリング法によってフェルトリングにされ、次に必要な強度を達成するために焼結されます。 と多孔性。 この方法で調製された多孔質アルミニウムフォームには、非常に優れた利点があります。粉末焼結よりも高い気孔率が最大95％得られます。 すべての細孔は相互接続された細孔です。 最大気孔率は引き続き維持されます。 構造特性; 同じ気孔率で、強度と靭性は粉末冶金の数倍です。 また、ステンレス鋼、銅、ニッケル、ニクロムなどのさまざまな金属フィルターの製造にも使用できます。

2.3.7焼結溶解法

焼結溶解法は、近年開発された発泡アルミニウムの新しい製造方法です。 これは、アルミニウム粉末とフィラー粒子を混合、加圧、焼結、溶解することにより、-セルのアルミニウムフォームを調製する方法です。 細孔の形状、大きさ、気孔率、分布を正確に制御できるという特徴があり、品質と価格の総合的な指標が優れています。 これは、均一または勾配のある微細な開口部を備えた中密度のアルミニウムフォームを製造するための効果的な方法です。

3.発泡金属の特性と用途

構造の観点から、アルミニウムフォームは2つのタイプに分けることができます：クローズド-セルアルミニウムフォームとオープン-セルアルミニウムフォーム。 細孔の構造（開いているか閉じているか）、相対密度、細孔サイズ、細孔形状、細孔壁の厚さ、異方性などを含む、発泡金属の組織的および形態学的特性。電子顕微鏡法とX-光線断層撮影法が使用されます。分析と研究のために、そしてこの分野の研究は急速に発展しています。 構造が異なるため、その特性は大きく異なり、用途も異なります。 従来の金属アルミニウムと比較して、発泡アルミニウムは以下の特徴を持ち、冶金、化学産業、航空宇宙、造船、電子機器、自動車製造および建設産業で広く使用されています。 および他の分野が広く使用されています。

3.1低密度

発泡金属は、アルミニウムマトリックスに大小の細孔があるため、密度が低くなります。 発泡金属の密度は広範囲に変化する可能性があり、現在得られる最大気孔率は97％に達する可能性があり、その細孔径は数マイクロメートルから数十ミリメートルの範囲です。 密度が低くなります。 梱包箱、特に航空貨物コンテナで使用できます。

3.2強力な耐熱性

発泡アルミニウムは耐熱性が高く、合金の融点に達しても溶けません。 一般に、アルミニウム合金の溶融温度は560〜700 eの範囲ですが、発泡アルミニウムは1400度に加熱しても溶融しません。 さらに、高温で有害ガスを放出せず、発泡樹脂やアスベスト製品を、多くの場合、熱-断熱および耐熱-耐性材料およびさまざまな熱交換器のコア部品として置き換えることができます。

3.3良好な透過性

アルミニウムフォームは、液体または気体から固体粒子をろ過するためのフィルター材料として使用できます。 一般に、透過性は細孔径の増加とともに増加しますが、表面粗さの影響も受けます。 透磁率。 さまざまな液体や気体のフィルターを作るために使用できます。

3.4大きな比表面積

発泡金属の大きな比表面積を利用して高い熱交換を実現し、ヒーターや熱交換器の製造に適した素材です。 また、触媒担体など、巨大な表面を必要とする化学反応の担体としても使用できます。 、多孔質電極、二次電池用プレート材料、熱交換器、エネルギー吸収剤、触媒担体など。

3.5強力な遮音

発泡金属は、穴の壁の振動によって音のエネルギーを吸収し、騒音を消音して除去するために使用できます。 一般的に、スルー-セル発泡金属の吸音性能は優れています。 穴のサイズは、音波の周波数範囲全体での吸収性能に影響します。 穴が小さいほど吸音能力が高くなります。

発泡金属の気孔の大きさや形状を変えることで、高い吸音性能を得ることができます。 内外装装飾部品、カーテンウォール、建設業の仕切り可動ドアパネル、高性能音響-吸収パネル、遮音-断熱壁、各種の製造に使用できます。マフラーなど

3.6衝撃エネルギーを吸収する高性能を持っています

発泡アルミニウムは、ハニカム材料のように方向性がなく、ポリマー発泡材料のように反跳効果もありません。 優れた衝撃吸収性を持ち、耐衝撃性-の部品を作るのに適した材料です。 自動車のブレーキ、テンショナー、航空宇宙機器の保護スリーブおよびバンパーに使用できます。 その減衰のサイズは、細孔の細孔サイズのサイズに関連しています。 エレベータやコンベヤの安全パッド、高速グラインダーガードの衝撃吸収およびエネルギー吸収ライニング、高精度工作機械のベースなどに使用できます。

3.7機械的性質

発泡金属の機械的特性は主にその密度によって決定されますが、細孔のサイズ、構造、および分布も機械的特性を決定する重要なパラメーターです。 圧縮応力の作用下で、材料が初期弾性変形を受けた後、発泡金属は応力曲線プラットフォームに入ります。つまり、発泡金属は破裂し始め、発泡体の破砕段階では応力は基本的に変化しません。 大量の塑性変形の後、発泡体は完全に破壊され、材料は高密度になります。化学段階では、応力が急速に増加します。 発泡金属のヤング率とせん断弾性率はどちらも、密度の増加とともに増加します。

3.8電磁シールド性能

発泡金属は、高周波電磁波に対して優れたシールド効果を発揮し、電磁干渉を80％以上削減できます。 厚さ5mm、気孔率90％のクローズド-セル発泡金属、60〜1000MHzでの電磁シールド性能は35〜75dBで、電磁シールド室（カバー）、電子機器の筐体、ラジオ録音室、電磁シールドおよびその他の機会。

3.9その他のプロパティ

発泡アルミニウムには、ガス感受性、耐火性、触媒作用などもあります。発泡アルミニウムの導電率は相対密度に大きく影響されますが、細孔径のサイズは導電率にほとんど影響しません。 航空宇宙、電気通信、環境保護などの新しい分野での応用が期待されています。