2.2 多孔金属（泡沫金属）
多孔金属又称为泡沫金属，泡沫金属顾名思义是一种多孔结构的金属材料，由孔隙与金属基体复合而成，其孔隙率高，孔径范围广（0.05～5.5mm）。相对于致密金属而言，泡沫金属具有质轻、高比强度、高比表面积、高通透性等诸多优点，在化工、机械、能源、通信、交通、国防等领域被广泛使用。
2.2.1 泡沫金属的发展
泡沫金属的研究历史[54-59]已经有70年左右，早在1948年，美国的Sosnik等人[54]，利用汞在熔融态的铝中汽化后，得到了一种孔隙非常多的泡沫金属铝。自此之后，泡沫金属受到了科学家们的特别关注。美国科学家Elliot在1956年成功开发了熔体发泡法合成泡沫铝的技术[55]，标志着泡沫金属材料产业化的开始。该方法是将自身受热能分解或者汽化的物质（TiH2、ZrH2和MgH2等）加入处于熔融状态下的金属中，使之分解而产生气体。利用气体的受热膨胀达到发泡的效果，之后可获得泡沫固体。由于发泡工艺不够成熟，这种发泡方法合成的泡沫固体的泡沫孔结构很不均匀。在中心部位，孔的尺寸较大，而在边缘部位，孔的尺寸较小，材料的密度也较高，孔的均匀性很难控制。经过不断努力，到20世纪60年代，美国Ethyl公司有效地改进了泡沫铝的发泡技术[56-57]。20世纪70年代初，日本九州工业实验所巧妙地使用火山灰作为发泡剂，开发出了泡沫铝制造的新方法[58]。随后，日本许多研究单位对泡沫铝的生产工艺进行了持续的改进，在熔体发泡工艺方面获得了巨大的进步。20世纪80年代末，德国不来梅Fraunhofer先进材料研究所在泡沫金属的研究方面取得了重大进展[60]。该研究所在熔体中加入适量的增黏介质以改善熔体的稳定性，显著地提高了泡沫金属的质量，合成工艺更加合理，生产成本更低，达到了工业化生产的要求，使泡沫金属的产业化进入了一个新阶段。
我国在泡沫金属研制上起步较晚，直到20世纪80年代后期，我国科技人员才进行了一些相关的尝试性基础研究工作[18,61-67]。但近年来发展迅速，国内一些著名的科研机构，如清华大学、中南大学、东南大学、中国科学院固体物理研究所等单位在泡沫金属制造工艺、泡沫金属的性能及相关基础理论等方面，取得了一些有国际影响力的研究成果[68-73]。我国在泡沫金属的产业化方面，也取得了显著的技术进步，已成长起了一批在行业内具有国际影响力的制造企业，如湖南科力远新能源股份有限公司、上海众汇泡沫铝材有限公司、北京中实强业泡沫金属公司、无锡瑞宏泡沫铝公司等。
2.2.2 泡沫金属的制造方法
泡沫金属的制造方法[74]主要包括铸造法、金属沉积法、发泡法和烧结法，如图2-5所示。对同种泡沫金属材料，采用不同的制造工艺所获得的产品在孔结构上具有较大的差异，其性能也具有相应的特点。因此，针对不同应用领域须采用不同的制造工艺。
图2-5 泡沫金属的制造方法
1．铸造法
铸造法的基本过程是首先将填料粒子填充在铸模内，然后再施加一定压力，使熔融金属或合金进入填料间隙中，最后经过冷却凝固，得到高孔隙率的泡沫金属。铸造法可分为熔模铸造法和渗流铸造法[75]。
1）熔模铸造法
熔模铸造法是使用海绵状泡沫塑料作为模板，首先将液态耐火材料填充到模板的孔隙中，然后将耐火材料冷却使之硬化，最后通过高温加热除去模板，留下海绵状的孔隙。再将已经加热至液态的金属浇注入铸模内，待冷却凝固后把耐火材料去除，便获得与原来海绵状塑料模板有同等结构的泡沫金属材料。该方法较适合用于制造低熔点的泡沫金属，如泡沫铜、泡沫铝、泡沫铅、泡沫锡等，以及由它们组成的泡沫合金。熔模铸造法主要有两个难点：一是在制备铸模时，液态耐火材料能否完全填满泡沫塑料的孔隙；二是去除耐火材料时，不破坏泡沫金属内部纤细的结构。
2）渗流铸造法
渗流铸造法的基本原理是预先处理好具有耐热度高、水溶性好的填料（无机或有机颗粒）置入铸模中，再将其预热到一定温度，然后浇铸液态金属，并加压或在真空产生的压差使液态金属渗入填料的孔隙中，冷却凝固后形成金属-颗粒物三维网状互连的复合体。选用合适的方式（酸或者热处理）将颗粒物去除，从而得到多孔泡沫金属[76-78]。工业上常用食盐颗粒作为填料，工艺简单，操作容易，适合大规模生产泡沫金属，但是得到材料的孔隙率低，为50%～70%，而且存在颗粒夹杂无法除去等问题。渗流铸造法制备的泡沫铝如图2-6所示。
图2-6 渗流铸造法制备的泡沫铝[60]
2．金属沉积法
金属沉积法是在具有三维网状结构的聚合物模芯基体材料上，通过化学或物理的方法沉积需要的金属材料，然后通过高温煅烧除去聚合物模芯以获得泡沫金属材料。这种方法合成的泡沫金属材料最突出的特征是具有与选用的模芯材料一致的三维网状结构，孔与孔之间相互连通，孔隙率较高（达80%以上）。通过选用孔结构均匀的模芯材料，可有效地保证泡沫金属孔结构的均匀性。同时，通过对生产设备优化设计可实现连续生产。金属沉积法在大尺寸连续化泡沫金属的制造中占有重要的地位。
金属沉积法主要包括电沉积法和气相沉积法[79-81]。
1）电沉积法
目前，电沉积法是生产泡沫金属最常用的方法。本书后续章节对泡沫镍的制造工艺和设备有详尽的介绍。制造其他泡沫金属和合金都可以借鉴制造泡沫镍的工艺技术路线，但必须是能通过水溶液电沉积的方法获得的金属和合金。
2）气相沉积法
气相沉积法是通过将金属或金属化合物直接汽化，沉积到多孔的模芯基体材料上，然后去除模芯获得泡沫金属的方法，包括蒸发沉积法、真空蒸镀法、反应沉积法三种[82-84]。气相沉积法工艺复杂，对设备要求高，因此生产成本高。
（1）蒸发沉积法。该方法用在较高惰性气氛中，使待镀覆的金属材料缓慢蒸发；蒸发后，气态金属与惰性气体产生一系列作用（碰撞、散射），动能被缓慢减弱；然后气态金属凝聚，形成金属烟，形成的金属烟在自身重力及惰性气流的作用下沉积在基底上。但在金属沉积过程中，其温度迅速降低，因此金属原子一般很难迁移或扩散，金属烟微粒只是疏松地堆砌起来，形成多孔泡沫结构。
（2）真空蒸镀法。真空蒸镀是指在真空环境中采用电弧、电子束、电阻加热等方式加热金属，使待镀的金属蒸发成气态，再沉积在低温下的多孔基体上；经过一定的时间，就可在基体表面沉积出一定厚度的金属膜层。这种方法只能形成厚度为0.1～1.0μm的薄膜。基体模板可选用聚酯、聚丙烯、聚氨基甲酸乙酯等合成树脂，以及天然纤维、纤维素等组成的高分子聚合物材料。可镀金属包括Cu、Co、Fe、Ni、Zn等。该方法目前多用于上述基体模板的导电化处理，泡沫金属如泡沫镍的最终产品尚须通过电沉积和调质热处理来完成，相关内容见本书第四章、第六章和第七章。
（3）反应沉积法。反应沉积法是采用易分解的金属化合物蒸汽作为金属源，使用一定的方式加热升高温度使金属化合物分解；分解出的金属元素再沉积在多孔泡沫模材基底上，经过烧结热处理即可得到金属泡沫。例如制备泡沫镍，可将羰基镍Ni（CO）4，在一定波长的红外光照射下或使用其他加热方式使之升温，使Ni（CO）4分解为金属镍（Ni）和一氧化碳（CO），分解出的镍沉积在模材基底表面，再通过后续热处理工艺得到泡沫镍产品。羰基镍法制备泡沫镍，生产过程涉及有毒蒸汽的安全防护问题。
3．发泡法
发泡法又分为熔融金属发泡法、气体发泡法和粉末发泡法。
1）熔融金属发泡法
熔融金属发泡法是将金属加热至熔融状态，然后加入能够产生气体的发泡剂，发泡剂高温分解产生大量气体；通过控制熔融金属的黏度、搅拌强度、反应温度，使产生的气体均匀地分布在熔融金属中，金属降温凝固后就可得到泡沫金属[85]。其中，黏度控制剂可选择钙、镁、铝等金属粉末作为增黏剂；发泡剂可选择TiH2、ZrH2等金属氢化物，CaCO3也可以作为发泡剂使用。
该方法的主要缺点是孔径和孔的分布都不均匀。为解决这一弊端，一般采取调控液体金属的黏度加以改善。
2）气体发泡法
气体发泡法也是使金属呈熔融状态，然后直接加入气体发泡。发泡气体一般为惰性气体，如氩气、空气、水蒸气、二氧化碳等。该方法最大的特点是成本低，是目前最廉价的生产方法，且易于工业化生产。但是，该方法也存在孔径及孔的分布难以调控的问题。
3）粉末发泡法
粉末发泡法是将粉体金属和发泡剂先均匀混合，然后加热升温超过金属熔点。在此过程中，发泡剂分解达到发泡效果，低熔点金属（如铝和镁等，见图2-7）和高熔点的金属都可用该方法制备泡沫金属[86]。刘菊芬等人[87]通过该工艺成功制备结构可控的多孔泡沫铝，他们通过对铝粉体与金属氢化物发泡剂均匀混合，再通过一定的方式（压制或挤压）提高发泡前驱体的密度，然后加热升高温度至高于金属熔点进行发泡，冷却后获得泡沫金属材料。
图2-7 粉末发泡法制备不同孔径尺寸的泡沫镁
4．烧结法
烧结法是以金属粉末（颗粒）或金属纤维作为原料，通过成形和烧结过程制备泡沫金属[88]。该方法根据原料的不同可分为金属粉末烧结法和纤维烧结法。
1）金属粉末烧结法
金属粉末烧结法是以金属粉末或金属颗粒为原料，通过一定方法压制成形，再加热到一定温度使粉体产生初始液相，然后在表面张力和毛细管的作用下，物料颗粒相互接触，冷却后可得到多孔泡沫金属。为了使金属粉末易于成形，可加入适量的黏结剂，但加入的黏结剂应在高温烧结时除去；还可加入适量填充剂（氯化铵和甲基纤维素），用于提高泡沫金属的孔隙率。
2）纤维烧结法
纤维烧结法是使金属纤维成形后进行烧结，从而获得所需的强度和孔隙率。金属纤维可通过机械拉伸或其他有效的方法（如纺丝法、切削法）获得。纤维烧结法与金属粉末烧结法大致相同，其工艺过程包括金属纤维的制备、模压、烧结3个步骤。根据不同的烧结技术，纤维烧结法又包括固相烧结和液相烧结两种，这两种方法的主要区别是烧结过程中有无液相的产生。将一定结构的金属纤维压坯后，调节烧结工艺参数，使其直接烧结形成最终产品，而在整个烧结过程中没有液相产生，故将其称为固相烧结技术。液相烧结需要加入一种熔点相对较低的物料，然后将混合物压坯后进行烧结，烧结过程中熔点较低的组分易形成液态。该法特别适用于高熔点泡沫金属的制造。
纤维烧结法制备的泡沫金属具有以下优点：
（1）孔隙率为80%以上且可任意调整。
（2）烧结体的最大尺寸为400mm×400mm，厚度可调范围较大。
（3）孔隙率高，比表面积大，延展性好，而且材料的孔洞相互连通。
2.2.3 泡沫金属的特性
泡沫金属材料由某种固体致密金属骨架和大量的孔隙组成，因此，泡沫金属既具备该种金属材料的全部特性，同时又具有如下独特的物理、化学性能[89-98]。
1．渗透性能
泡沫金属的渗透性是它区别于致密金属的主要特征，使它在过滤、分离等领域有非常重要的应用。表征其渗透性的主要参数是通孔率，一般而言，开孔越多，渗透性越好。此外，渗透性能还与泡沫金属本身的材质特性、孔径大小、孔的表面粗糙度等因素有关。
2．吸声性能
吸声性能是将入射声能消耗或转化为其他形式能量（如热能）[93-94]的一种能力。实际上，每一种材料都具备一定的吸声能力，吸声能力的大小常用吸声系数衡量。
3．阻尼性能
由于材料本身的材质或结构而导致振动过程的能量消耗称为内耗，这种由于材料内耗引起的能量转化称为材料的阻尼性能。材料的阻尼性能可用内耗值（Q-1）来衡量，当内耗值Q-1≥10-2时，材料的阻尼性能较为优异，可称为高阻尼材料[95-98]。泡沫金属材料由于具有多孔性能，增加了孔隙结构阻尼，其阻尼性能一般比致密材料的高3～10倍。可以在泡沫金属材料的孔隙中填充合适的高分子聚合物，提高其阻尼特性。另外，阻尼特性与金属材料的比表面积密切相关，比表面积增大，阻尼性能也增大。
4．热传导性能
一般而言，金属材料的热传导性能都非常优异，而泡沫金属材料的热传导性能比致密金属略差一些。孔隙率越高，泡沫金属的热传导性越差。而开孔或通孔泡沫金属的导热性能优于闭孔材料，这主要是由于具有开孔或通孔结构的泡沫金属置于流动的空气或液体之中时，多孔的骨架使热量的传播趋向于多方向性，使其具有良好的散热能力。在一定程度上增大孔的尺寸和孔隙率，均可提高对流换热能力。
5．电磁屏蔽性能
所谓电磁屏蔽，就是用一种导电或导磁材料制成的屏蔽体，用于阻断或减少某一器件或某个区域范围内电磁传播的一种现象[99-100]。按照屏蔽方式可分为主动屏蔽和被动屏蔽，主动屏蔽是指将辐射源限制在某一范围内，使屏蔽体外不受影响；被动屏蔽是指将辐射源置于屏蔽体外，辐射场无法进入屏蔽体内。而按照屏蔽对象的不同可分为磁场屏蔽、电场屏蔽、电磁场屏蔽三类。泡沫金属是一种集结构、功能于一体的材料，多孔的特性使之具有良好的电磁屏蔽性能。
6．抗冲击性能
对泡沫金属抗冲击性能的研究，主要是通过对多孔泡沫金属的压缩应力-应变特性进行测试，得出其特性曲线，分析该泡沫金属的抗冲击性能。另外，有研究者通过对冲击波反应的实验，验证了泡沫金属对冲击波具有非常强的衰减特性，证实泡沫金属材料具有很好的防撞、防震性能。
2.2.4 泡沫金属的应用
由于泡沫金属具有2.2.3节所述的优异特性，因此，它不仅可以作为结构材料，还可以作为多种功能材料。其应用领域包括以下7个方面[16,66,67,82,88,101]。
（1）过滤与分离材料。
（2）电极材料。
（3）热交换材料。
（4）电磁屏蔽材料。
（5）生物医用泡沫钛材。
（6）吸声材料。
（7）能量吸收材料。
本书第十四章和第十五章在论述泡沫镍性能和应用的同时，对泡沫金属的上述相关性能和应用均有较详细的理论分析和实例介绍。