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1、第37卷第6期化工機(jī)械805多子L泡沫金屬及其在化工設(shè)備中的應(yīng)用付全榮+張銥鈴段滋華李煜(太原理工大學(xué))摘要介紹了多孔泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)、熱物理、滲透、電學(xué)和聲學(xué)等性能，重點(diǎn)討論了它在化工生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用狀況。并對其在研究中存在的問題和應(yīng)用前景作了評述。關(guān)鍵詞多孔泡沫金屬性能特性化工裝置中圖分類號TQ050．4+l文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0254-6094(2010)06-0805-06多孔泡沫金屬足由金屬基體和連續(xù)或不連續(xù)的氣體構(gòu)成的不均勻復(fù)合材料，是一種集力學(xué)、熱物理、電學(xué)和聲學(xué)等性能于一體的結(jié)構(gòu)和功能材料。因此，這類材料不僅具有連續(xù)相金屬基體的優(yōu)良特性(如導(dǎo)電
2、性、導(dǎo)熱性、耐高溫性、強(qiáng)度高、韌性大及可焊性等)，同時(shí)還具有離散相氣孔的特性(如消音減震、電磁屏蔽、滲透性及絕緣性等)，這些優(yōu)良特性使其在電子通訊、化工、冶金、機(jī)械、建筑、能源、交通運(yùn)輸和航空航天等工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景¨。1。目前，多孔泡沫金屬材料在化工裝置中的應(yīng)用包括過濾、電池基體材料、催化劑、催化劑載體和強(qiáng)化傳熱等。一方面該材料的許多優(yōu)良特性還未完全發(fā)揮出來，許多潛在的用途尚待開發(fā)。另一方面，日漸嚴(yán)峻的能源和生態(tài)環(huán)境問題要求加大對新材料、新工藝的研究，以便節(jié)約能源，提高效率。所以加快對多孔泡沫金屬的研究，使其在化工生產(chǎn)裝備中發(fā)揮作用顯得非常重要。1多孔泡沫金屬
3、的結(jié)構(gòu)及性能1．1多孔泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特征常見多孔泡沫金屬如圖1所示可分為開孔(圖la)和閉孑L(圖1b)兩種形式，開孔體為連續(xù)貫通的三維多孔結(jié)構(gòu)，流體可從中間流過；閉孑L體內(nèi)部氣孔相互獨(dú)立，并且每個(gè)氣孔都是封閉的
4、4。。表征其微觀結(jié)構(gòu)的主要特征參數(shù)有孔隙率、相對密度、孔密度、孔徑、孔徑分布以及體積分?jǐn)?shù)等。一般來說，多孑L泡沫金屬具有孔徑范圍大(孑L徑一般在0．1—10．0ram之間)、孔隙率高(孔隙率隨其種類不同在40％～98％的范圍內(nèi)變化)、密度低(多孔泡沫金屬的密度隨孔隙率的提高而降低，一般為同體積金屬的3／5～1／50)和比表面積大(可達(dá)500—10000m2／
5、m3)的特點(diǎn)。a．電沉積制造的開孔泡沫鑲多孔材料b．粉末燒結(jié)型閉孔多孔鋁材料圖l泡沫金屬材料微觀結(jié)構(gòu)1．2多孑L泡沫金屬的性能影響泡沫金屬性能的因素有基體金屬的性·付全榮，男，1984年10月生，碩士研究生。山西省太原市，030024。806化工機(jī)械2010年能、相對密度、孔結(jié)構(gòu)類型(開口或者閉孔)、孔結(jié)構(gòu)的均勻性、孔徑大小、孔的形狀，孔結(jié)構(gòu)的各向異形性、孔壁的連接性以及缺陷(如孑L壁的不完整性等)。在以上因素中，相對密度對泡沫金屬性能的影響最大p-。1．2．1力學(xué)性能多孔泡沫金屬的彈性模量并非一個(gè)材料常數(shù)，其值主要取決于材料的孑L結(jié)構(gòu)，對其影響最大的因素是多孔泡沫的
6、相對密度。由于閉孔泡沫金屬孔壁的約束使結(jié)構(gòu)的剛度加強(qiáng)，因此閉孔結(jié)構(gòu)的彈性模量應(yīng)比相對密度相同的開孔結(jié)構(gòu)的大。泡沫金屬的變形也會引起孑L結(jié)構(gòu)的變化，并導(dǎo)致彈性模量的變化。一般來說，彈性模量隨應(yīng)變的增大而減小。劉三星等¨一建立了泡沫金屬在彈性范圍內(nèi)的彈性模量和泊松比隨相對密度變化的關(guān)系式，并指出在同一模型中，相對密度相同的情況下，開孑L泡沫金屬材料的筋條截面慣性矩越大，其彈性模量越大，泊松比越小。多孔泡沫金屬受壓縮時(shí)存在3個(gè)變形階段，即彈性變形階段、塑性坍塌或脆性破碎階段以及密實(shí)化階段。壓縮應(yīng)力．應(yīng)變曲線如圖2所示，大多數(shù)多孔泡沫金屬包含一個(gè)很長的平緩段，稱為平臺應(yīng)力區(qū)，
7、因此在給定的應(yīng)變間隔內(nèi)能量吸收率較大，吸收能力也較強(qiáng)。平臺應(yīng)力隨密度的增加有明顯的增加。在緊實(shí)階段，當(dāng)應(yīng)力增加時(shí)，應(yīng)變基本上沒有太大的變化，因此，泡沫金屬材料具有理想的抗沖擊性。高洪吾等?研究了泡沫鋁的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)的均勻性對壓縮性能的影響。研究表明‘，泡沫鋁的屈服強(qiáng)度隨孔隙率的增加而減小，塑性平臺區(qū)的變形范圍隨之增加，應(yīng)力變化范圍減小，力學(xué)穩(wěn)定性增加。b煢惻應(yīng)變￡圖2泡沫金屬材料的靜態(tài)壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線多孔泡沫金屬拉伸的初始變形過程與壓縮過程十分相似，然而在后屈服階段，拉伸變形機(jī)理與壓縮變形機(jī)理出現(xiàn)了明顯的差別。由于孑L壁及連接邊的斷裂機(jī)制和相互關(guān)系的不確定性，泡沫
8、金屬的抗拉強(qiáng)度很難估算。一般地，其抗拉強(qiáng)度與壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的平臺應(yīng)力相當(dāng)。1．2．2熱物理性能對于孔徑大、孔隙率高的閉孑L泡沫金屬，孔隙中充滿低導(dǎo)熱系數(shù)的空氣介質(zhì)，使它的隔熱性能較實(shí)體金屬要好的多，所以閉孔泡沫金屬可作為絕熱材料。對于開孔泡沫金屬，由于它復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得流體的非線性效果增強(qiáng)，湍流得到了強(qiáng)化，從而促進(jìn)固體表面向流體中高的局部換熱；開孔泡沫金屬的比表面積增大了其換熱面積；開孔泡沫金屬的固體骨架可利用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成，如Al(K。為200w／(m·K)或Cu(K。為400W／(m·K)，因此開孔泡沫金屬可以強(qiáng)化傳熱。1．2．3滲
