泡沫镁的制备及其性能与应用

杨慧华 YANG Hui-hua；郝刚领 HAO Gang-ling；李先雨 LI Xian-yu

（延安大学物理与电子信息学院， 延安 716000）

摘要： 论文详细介绍了泡沫镁的几种常用制备工艺，并论述了各种制备工艺的优缺点。另外，对泡沫镁的性能及其应用领域做了简要概括。

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关键词 ： 泡沫镁；制备；性能；应用

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0141-02

基金项目：国家大学生创新训练计划项目阶段性成果（201210719027）；延安市科技计划项目成果（2011kg-12）。

作者简介：杨慧华（1992-），女，重庆人，硕士研究生，主要从事新型功能材料的研发。

0 引言

泡沫金属由于低密度、高比强度、高比刚度、吸能性能、阻尼性能、吸声、隔热性能好，一直备受国内外相关研究者对其制备、性能及其应用的关注[1，2]。目前，已经发展了铸造渗流法、粉末冶金法、熔体发泡法等有关泡沫金属的制备方法。作为结构材料，泡沫镁具有更好的阻尼减震能力，优良的抗电磁干扰性、良好的导热性、还可作为生物材料，此外镁合金还易于回收利用，然而对其性能的研究主要集中在制备工艺及其力学性能和仿生性能三个方面。近年来，我国在镁合金的生产利用上取得了长足的进步，并在汽车等民用工业领域及航空、航天等军工领域有了很大程度的进展，国外也一直致力于泡沫镁材料的制备与应用研究，镁合金越来越多的被用于汽车发动机的重要零部件，赛车及高档车的轮毂也开始逐步采用镁合金。此外作为生物材料，泡沫镁将发挥其生物相容性、可降解吸收等独特的性能优势，应用于松质骨修复和骨组织工程支架材料，在医学领域具有广阔的应用前景。

1 泡沫镁的制备工艺

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法是一种制备泡沫镁非常有前景的制备工艺，该制备方法工艺简单，成本低廉，而且，采用该方法制备的泡沫镁成分均匀无缩孔，可以实现材料的近净成形。粉末冶金法制备泡沫镁工艺流程如图1所示，大致可以分成以下5个阶段：①将尿素颗粒和镁粉末均匀混合，混合过程可加入适量的无水乙醇，使混合均匀；②将混合物置于模具中，采用单轴压制的方式，压制成型；③脱溶处理，将坯体沉浸于去离子水中，使坯体中尿素颗粒90%溶解于水中；④干燥处理，将多孔坯体置于真空干燥箱中加热至120℃保温2小时，去除多孔坯体中多余的水分及残余的尿素；⑤真空烧结，高温状态下真空烧结两小时，使镁颗粒之间由机械结合转变成冶金结合。此方法制备的不同孔径尺寸的泡沫镁试样的形貌如图2所示。

1.2 渗流铸造法

渗流铸造法是制造泡沫金属的另一种主要方法，国内南昌大学较早使用负压渗流法制备出泡沫镁合金，其基本原理是迫使熔融金属—镁液进入填料粒子间隙，冷却成型后去除填料粒子形成泡沫镁，真空渗流原理图如图3所示。

渗流铸造法所选用的填料粒子非常关键，填料粒子的选择一般具有如下条件：①熔点高于金属；②易于去除；③对金属无腐蚀。实验上常选用NaCl和MgSO4作为填料粒子来制备泡沫镁，但是，NaCl对镁具有较强的腐蚀性，容易使泡沫镁产品溃散，因此，常选用MgSO4来作为填料粒子。渗流铸造法的优势是可以得到孔隙均匀，结构理想，力学性能优良的产品，并且工艺过程可变因素少，易于控制、操作简单。采用渗流铸造法制备的泡沫镁样品宏观形貌如图4所示。

1.3 熔体发泡法

熔体发泡法制备泡沫金属的原理就是在熔融的金属中产生大量的气泡，等到熔融金属冷却后，滞留在其中的气体便在金属中形成气孔，形成泡沫金属[6]。熔体发泡法制备泡沫镁已经发展为一项成熟的工艺。熔体发泡法通常采用的发泡剂为TiH2，但是采用该发泡剂制备出泡沫镁合金却是很难的。南昌航空大学采用MgCO3作为熔体发泡剂，成功制备出泡沫镁合金材料。在熔体发泡工艺的过程中，需要增加合金熔体的黏度；因此制备泡沫镁合金时可以在熔体中混入分散的耐高温的固相物质的微小颗粒，如选用SiC颗粒。

熔体发泡法的整个工艺过程容易进行，具有可批量机械化生产的有利条件，不足之处在于发泡过程的影响因素较多且敏感，将导致孔隙的成型不够稳定以及孔隙的结构受到影响等问题。

另外制备泡沫镁还可以采用熔模铸造法、定向凝固法、真空发泡法等方法。各种制备工艺都具有自己独特的优势，同时也不可避免的存在不足，这些制备工艺不仅仅适用于制备泡沫镁，可以拓宽至其它泡沫金属的制备，如泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜等。实验上，应该针对金属种类的不同选择合适的制备工艺，力求得到高质量的泡沫产品。

2 泡沫镁的性能及其应用

泡沫镁作为一种多孔金属，其独特的结构特点决定了其作为结构材料和功能材料具有比实体金属不可比拟的优势。泡沫镁的特殊性能主要表现在吸声性能、阻尼性能、能量吸收性能、防爆破冲击性能、仿生性能、电磁屏蔽性能等方面，这些特殊的性能使得泡沫镁在不同的领域具有应用价值。

泡沫镁的高孔隙率结构使其具有良好的吸声性能，当声波进入泡沫镁中，其流动阻力会升高造成粘性损失，另外，声波与泡沫镁表面的热量交换会造成热损失[7]。利用其吸声性能，可以将泡沫镁制作成消音材料如隧道中的消音板、工厂中的防声墙，还可以制作成鱼雷的隔音板应用于国防领域。

泡沫镁可以看作是由三维网状金属骨架和孔洞所组成的复合材料。当泡沫镁受外力作用时，基体中产生的复杂的不均匀的应变导致缺陷区域原子重排，造成能量耗散。因此，泡沫镁可以作为一种新型轻质高阻尼材料。在军工领域，泡沫镁可以被用于制造坦克变速箱、传动箱，喷气机控制盘的外壳等；在机械工业中，可被作为机床轴承构件，以此来降低仪器振动噪音，提高其使用寿命和仪器仪表的精确性。

研究表明，泡沫镁具有很好的生物相容性、力学相容性和生物降解性，并且具有利于细胞生长的孔结构，因此，泡沫镁可以作为理想的仿生材料用于替代人体的骨骼[8]。目前，作为仿生材料的使用瓶颈是如何解决其在人体组织中耐腐蚀性较差的难题。通常所采用的方法是对其表面进行改性处理，使其成为可植入人体的有效的仿生材料。

泡沫镁的吸能和抗冲击性能可以使其发展为有效的防震材料，应用于精密仪器的包装外壳；也可用于制造缓冲器，用于汽车车身外壳。泡沫镁对电磁波具有很强的吸收和反射能力，其电磁屏蔽性能好，因此，可以将其用于制作精密电子仪器的外壳。

3 结语

论文简要介绍了泡沫镁的几种制备工艺，并对各种制备工艺的优势及需要注意的问题做了作了阐释。泡沫镁作为结构和功能统一为一体的新型轻质材料，由于其特定的结构性能，在较多领域具有应用前景。目前，泡沫镁的一些性能被开发出来，也在一定的领域的到应用，但其尚不能在实际中的到广泛应用，因此，要使泡沫镁真正走入市场，研究者还需对其各方面的性能进行深入研究，进一步拓宽其应用范围。

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参考文献：

[1]魏莉，姚广春，张晓明，罗洪杰.粉末冶金法制备多孔金属材料技术[J].材料导报，2004，18（7）：15-18.

[2]郝刚领，韩福生，李卫东，白少民，杨能勋，多孔金属材料的制备工艺及性能分析[J].延安大学学报（自然科学版），2008，27（2）：24-27.

[3]徐建辉，冒国兵，陈乐平，胡志强，真空渗流铸造法制备泡沫镁合金材料的试验研究[J].江西冶金，2003，23（6）：84-87.

[4]C.E. Wen， M.Mabuchi， Y.Yamada， et al .Processing of biocompatible porous Ti and Mg [J]. Scripta Materialiar， 2001，（45）：1147-1153.

[5]陈乐平，周全，庄建平，真空渗流法制备泡沫镁合金的工艺研究[J].铸造，2008，57（4）：334-336.

[6]周全，陈乐平，熔体发泡法制备泡沫镁合金材料的研究[J] .特种铸造及有色合金，2009，29（3）：224-226.

[7]许庆彦，陈玉勇，李庆春．加压渗流铸造多孔铝合金及其吸声性能[J].铸造，1998，（4）：1-4.

[8]Lorna J. Gibson， Michael F. Ashby著，多孔固体结构与性能 [M].刘培生，译.北京：清华大学出版社，2003.