第22卷第2期延安教育学院学报
Vol 22No 2浅谈多孔金属材料的应用
郝刚领,杨能勋,田 炜,朱小敏
(延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000)
[摘 要]
多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型材料,具有高比强度、高比刚度、高强韧、高阻尼、
高能量吸收等优良机械性能,以及减振、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质,是一种性能优良的多功能工程材料,有着良好的应用前景,本文简要的介绍了多孔金属材料在一般工业领域、国防科技领域及环境保护领域的应用。
[关键词] 多孔金属材料;应用;工业领域;国防科技领域;环境保护领域[中图分类号] TH113
[文献标识码] A
[文章编号] 1009-3001(2008)02-0069-02
1 引言
所谓多孔金属材料是指一种金属骨架里分布着大量孔洞的新型材料,以多样化孔隙为特征的广义阻尼材料。按其结构来分,可分为无序和有序两类,前者如泡沫材料,而后者主要是点阵材料。按孔之间是否连通,可分为闭孔和通孔两类,前者含有大量独立存在的孔洞,后者则是连续畅通的三维多孔结构。由于多孔材料的孔径可实现从毫米量级到微米甚至纳米量级的跃变,因而其微结构具有良好的可设计性,可根据不同的需求在制备前对其微细结构进行优化设计及多功能、多学科的协同设计。与致密材料相比,多孔金属材料的物理特性主要体现在质轻、易着色、易加工、耐高温等方面,而其功能特性则体现在高阻尼、吸声与隔声、电磁屏蔽、冲击缓冲、隔热与散热、载体等
[1]
新型的结构和功能材料。具有许多非金属多孔材料和致密金属所不具备的独特性能,因而在很多行业和领域都有广泛的应用前景。一般来讲,闭孔多孔金属常作为结构材料用,通孔多孔金属则作为功能材料,当然,这种划分标准也不是严格的,两者中还存在着很大的重叠部分。
总体来讲,多孔金属材料的应用主要集中在三大领域:一般工业领域、国防科技领域和环境保护领域。
2 1 一般工业领域
多孔金属材料具有良好的可加工性,可被制成板材、管材及夹层板,可被用在隔热、振动与冲击防护。流体分离等方面[2]。多孔金属材料能够吸收大量的冲击能量,因此在缓冲吸能系统的应用具有很大的潜力,其中包括运动撞击、爆炸物的缓冲和环境套等。同时,多孔金属材料作为一种超轻的结构材料,可作为复合夹层板或夹芯管理想的填充材料,目前,该类填充材料已在汽车行业展示了重要的应用前景。如德国的卡曼汽车公司在敞篷车和赛车上测试了用多孔金属材料(多孔铝)制成的顶盖板和后背板,结果发现多孔铝夹层板的重量比原冲压钢板低了25%,而刚度却高出近700%
[3]
。在我国,多孔金属
材料的基础和应用研究也逐步得到重视和发展。近年来,研究队伍不断壮大,在制备技术、结构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防领域的应用研究均取得了一定的进展,已经引起我国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视,尤其值得一提的是,我国在2005年立项的国家重大基础研究计划(973计划) 超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究 ,更是体现了对该类材料研究的重要性和迫切性。
2 应用
由多孔金属材料的这些特性可知,多孔金属材料是一类
[收稿日期] 2008!03!18
[基金项目] 延安大学专项科研基金项目(YD2007-87)
。近年来,随着汽车技术的发展,对汽车的安全、
舒适、节油和环保等性能提出了更高的要求,要求进一步减少汽车的尺寸,从而带来空间减小而造成的汽车发动机散热、撞击安全性以及噪音等新问题,需要寻求更高综合性能的材料,而多孔金属材料则提供了解决这些问题的新途径。
[作者简介] 郝刚领(1979!),男,山东东明县人,理学博士,延安大学物理与电子信息学院讲师。
∀
延安教育学院学报
多孔金属材料的功能性应用主要体现在:
(1)多孔金属材料
2008年6月
降低噪音。同时,通孔多孔金属材料还具有良好的吸收噪音的功能,当声波压迫空气在多孔金属材料的细小的、相互连通的孔洞中流动时,通过与孔壁的摩擦产生紊流而消耗能量,因此,多孔金属材料可作为噪音环境下的吸声材料。如日本在高速旅游列车的发电机室内用多孔金属材料作为吸音板,在高速公路两旁设置多孔金属材料作为吸声障壁[5]。在建筑行业中,许多构件可以用质轻、刚性大与不燃烧的多孔金属材料制造,或用这类材料作为支撑框架或室内建筑物的装饰材料,除具有美观、典雅的效果外,还可形成一种舒适、和谐的声环境。如采用多孔金属材料制成的电梯舱,除具有刚性好、节能外,还具有防护、吸声、防火的功能。再如,多孔金属材料可作为防火门和安全通道的理想材料。
随着电子仪器和设备的日益普及,电磁辐射已经引起了人们的警觉。电磁辐射不仅会对人体健康造成危害,而且容易使被辐射的电子仪器工作程序发生紊乱,不利于仪器的正常工作[6]。泡沫金属材料因具有较高的电磁屏蔽性能,因此在这方面有着广泛的应用前景。
3 结论
多孔金属材料是近十几年来发展起来的新型材料,它具有结构材料和功能材料的特性,是许多普通金属所无法具备的,具有良好的开发前景和广阔的用途。可以预见,超轻多孔金属材料在高能耗装备,例如,汽车、高速列车、航空航天器、轮船等的广泛使用,不仅会大幅度降低对常规能源的依赖,同时也可以减少对环境造成的污染。同时,这类材料所独具的性能,使得该类材料可广泛用于电子、通讯、环保、建筑、化学、生物等行业。
具有较大的比表面积,可用于热交换器,通过气体或液体在其中的流动与多孔金属材料的孔壁之间进行热交换,对流体加热或冷却。如多孔金属材料可以制成一种紧凑的散热器用于微电子装置上对高密度发热元件的冷却,如对计算机的集成电路和电源的冷却。多孔金属材料还可以用作蒸发冷却材料。(2)多孔金属材料具有高的孔隙率,可以用作催化剂的载体,增加催化剂与反应气体或液体的接触面积。如耐腐蚀多孔金属材料就有良好的韧性、导热性和更高的空隙率,因而可部分取代陶瓷载体。(3)多孔金属材料还可用作多孔电极,如多孔铅可取代常用的铅栅板用作铅酸电池中反应物的载体,从而使电极的重量大大减轻,多孔铅还可用作良好的导电网格降低电池内的电阻。多孔铅已经用于充电NiCd蓄电池的电极,使电池的重量减少而能量密度却提高。
2 2 国防科技领域
多孔金属材料在航空航天领域有着非常重要的应用前景,这是因为在航天技术中,飞船或航天器上结构件质量的降低比在任何传统工业中都更具有价值,已经证明,多孔金属材料作为飞船的起落架可有效降低质量并能高效吸收冲击能量[4]。日前,由中国科学技术大学承担的国家自然科学基金重大项目 航天飞行器的若干重大基础问题 ,就正在开展此方面的研究工作。多孔金属材料还可作为卫星上承载部分的增强结构,以替代目前正在使用的但可能会对环境构成危害的材料。同时,多孔金属材料可以作为空间火箭的煤油燃料的喷雾器,压迫煤油通过这种微小的规则的孔眼,能够产生含有燃料液滴的雾,从而达到最佳的燃料效果。在军事装备中,如海军潜艇,发动机及螺旋桨对周围的水域有激励,使之很容易被对方的探测器发现,降低了稳定性和生存能力,再如坦克装甲车,由于噪声和振动的存在,它会直接影响到观瞄和射击精度,降低发动机和传运部件的寿命,同时降低操作人员的精神和增加疲劳,影响有生战斗力。泡沫金属材料具有良好的吸声、吸波和降噪性能,因而有望在军事领域发挥重要的作用。
2 3 环境保护领域
噪声污染、大气污染和水污染被认为是当今世界的三大环境污染,因此噪声与噪声控制是环境保护的一项重要内容。在汽车、火车或其它机械系统中难免存在振动,振动会引起系统的损坏和噪音,而多孔金属材料具有良好的阻尼性
参考文献
[1]L.
J.Gibson,M.
F.Ashby.CellularSolids:StructureandProper
ties.2nded,CambridgeUniversityPress,UK,1997
[2]J.Banhart,J.Baumeister,M.Weber.Aluminum,Metallschaum-Einwerkstoffmitperspectiven,1994(70):209-217
[3]J.Banhart,Manufacture,characterizationandapplicationofcellular
metalsandmetalfoams.ProgressinMaterialsScience,2001(46):559-632
[4]J.Banhart.Manufacture,characterizationandapplicationofcellular
metalsandmetalfoams.ProgressinMaterialsScience,2001(46):559-632
[5]柳孝图,人与物理环境,中国建筑工业出版社,
1996,1-45
能,因此可有效地将系统的振动能转变为热能,较少振动、[6]韩福生,博士学位论文,中国科学院固体物理研究所,1997,2-6
ABriefIntroductiontotheApplicationofPorousMetalMaterials
HAOGang ling,YANGNeng xun,TIANWe,iZHUXiao min
(CollegeofPhysicsandElectronicInformation,Yan#AnUniversity,Yan#An,Shanx,i716000,China)
Abstract:Distinguishingfrombulkmetalmaterials,porousmetalsasanewkindofmaterialexhibitfavorablemechanicalperformance,suchashighspecificstrength,highspecificstiffness,highductility,highdampingandhighenergyabsorption,anddesirableparticularproperties,suchasshockabsorption,heatdissipation,
soundabsorption,electromagneticshieldingandoutstandingpenetrability,
whichindicatethemapromisingapplicationpotentia.lInthispaper,theapplicationoftheporousmetalsinthreefields,i e,commonindustrialfield,nationaldefensescientificfieldandenvironmentprotectingfiled,hasbeenintroducedbriefly.
Keywords:Porousmetalmaterials;Application;Commonindastriaefield;nationaedefenseScientificfield;enviroment protectingfield ∀∀
第22卷第2期延安教育学院学报
Vol 22No 2浅谈多孔金属材料的应用
郝刚领,杨能勋,田 炜,朱小敏
(延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000)
[摘 要]
多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型材料,具有高比强度、高比刚度、高强韧、高阻尼、
高能量吸收等优良机械性能,以及减振、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质,是一种性能优良的多功能工程材料,有着良好的应用前景,本文简要的介绍了多孔金属材料在一般工业领域、国防科技领域及环境保护领域的应用。
[关键词] 多孔金属材料;应用;工业领域;国防科技领域;环境保护领域[中图分类号] TH113
[文献标识码] A
[文章编号] 1009-3001(2008)02-0069-02
1 引言
所谓多孔金属材料是指一种金属骨架里分布着大量孔洞的新型材料,以多样化孔隙为特征的广义阻尼材料。按其结构来分,可分为无序和有序两类,前者如泡沫材料,而后者主要是点阵材料。按孔之间是否连通,可分为闭孔和通孔两类,前者含有大量独立存在的孔洞,后者则是连续畅通的三维多孔结构。由于多孔材料的孔径可实现从毫米量级到微米甚至纳米量级的跃变,因而其微结构具有良好的可设计性,可根据不同的需求在制备前对其微细结构进行优化设计及多功能、多学科的协同设计。与致密材料相比,多孔金属材料的物理特性主要体现在质轻、易着色、易加工、耐高温等方面,而其功能特性则体现在高阻尼、吸声与隔声、电磁屏蔽、冲击缓冲、隔热与散热、载体等
[1]
新型的结构和功能材料。具有许多非金属多孔材料和致密金属所不具备的独特性能,因而在很多行业和领域都有广泛的应用前景。一般来讲,闭孔多孔金属常作为结构材料用,通孔多孔金属则作为功能材料,当然,这种划分标准也不是严格的,两者中还存在着很大的重叠部分。
总体来讲,多孔金属材料的应用主要集中在三大领域:一般工业领域、国防科技领域和环境保护领域。
2 1 一般工业领域
多孔金属材料具有良好的可加工性,可被制成板材、管材及夹层板,可被用在隔热、振动与冲击防护。流体分离等方面[2]。多孔金属材料能够吸收大量的冲击能量,因此在缓冲吸能系统的应用具有很大的潜力,其中包括运动撞击、爆炸物的缓冲和环境套等。同时,多孔金属材料作为一种超轻的结构材料,可作为复合夹层板或夹芯管理想的填充材料,目前,该类填充材料已在汽车行业展示了重要的应用前景。如德国的卡曼汽车公司在敞篷车和赛车上测试了用多孔金属材料(多孔铝)制成的顶盖板和后背板,结果发现多孔铝夹层板的重量比原冲压钢板低了25%,而刚度却高出近700%
[3]
。在我国,多孔金属
材料的基础和应用研究也逐步得到重视和发展。近年来,研究队伍不断壮大,在制备技术、结构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防领域的应用研究均取得了一定的进展,已经引起我国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视,尤其值得一提的是,我国在2005年立项的国家重大基础研究计划(973计划) 超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究 ,更是体现了对该类材料研究的重要性和迫切性。
2 应用
由多孔金属材料的这些特性可知,多孔金属材料是一类
[收稿日期] 2008!03!18
[基金项目] 延安大学专项科研基金项目(YD2007-87)
。近年来,随着汽车技术的发展,对汽车的安全、
舒适、节油和环保等性能提出了更高的要求,要求进一步减少汽车的尺寸,从而带来空间减小而造成的汽车发动机散热、撞击安全性以及噪音等新问题,需要寻求更高综合性能的材料,而多孔金属材料则提供了解决这些问题的新途径。
[作者简介] 郝刚领(1979!),男,山东东明县人,理学博士,延安大学物理与电子信息学院讲师。
∀
延安教育学院学报
多孔金属材料的功能性应用主要体现在:
(1)多孔金属材料
2008年6月
降低噪音。同时,通孔多孔金属材料还具有良好的吸收噪音的功能,当声波压迫空气在多孔金属材料的细小的、相互连通的孔洞中流动时,通过与孔壁的摩擦产生紊流而消耗能量,因此,多孔金属材料可作为噪音环境下的吸声材料。如日本在高速旅游列车的发电机室内用多孔金属材料作为吸音板,在高速公路两旁设置多孔金属材料作为吸声障壁[5]。在建筑行业中,许多构件可以用质轻、刚性大与不燃烧的多孔金属材料制造,或用这类材料作为支撑框架或室内建筑物的装饰材料,除具有美观、典雅的效果外,还可形成一种舒适、和谐的声环境。如采用多孔金属材料制成的电梯舱,除具有刚性好、节能外,还具有防护、吸声、防火的功能。再如,多孔金属材料可作为防火门和安全通道的理想材料。
随着电子仪器和设备的日益普及,电磁辐射已经引起了人们的警觉。电磁辐射不仅会对人体健康造成危害,而且容易使被辐射的电子仪器工作程序发生紊乱,不利于仪器的正常工作[6]。泡沫金属材料因具有较高的电磁屏蔽性能,因此在这方面有着广泛的应用前景。
3 结论
多孔金属材料是近十几年来发展起来的新型材料,它具有结构材料和功能材料的特性,是许多普通金属所无法具备的,具有良好的开发前景和广阔的用途。可以预见,超轻多孔金属材料在高能耗装备,例如,汽车、高速列车、航空航天器、轮船等的广泛使用,不仅会大幅度降低对常规能源的依赖,同时也可以减少对环境造成的污染。同时,这类材料所独具的性能,使得该类材料可广泛用于电子、通讯、环保、建筑、化学、生物等行业。
具有较大的比表面积,可用于热交换器,通过气体或液体在其中的流动与多孔金属材料的孔壁之间进行热交换,对流体加热或冷却。如多孔金属材料可以制成一种紧凑的散热器用于微电子装置上对高密度发热元件的冷却,如对计算机的集成电路和电源的冷却。多孔金属材料还可以用作蒸发冷却材料。(2)多孔金属材料具有高的孔隙率,可以用作催化剂的载体,增加催化剂与反应气体或液体的接触面积。如耐腐蚀多孔金属材料就有良好的韧性、导热性和更高的空隙率,因而可部分取代陶瓷载体。(3)多孔金属材料还可用作多孔电极,如多孔铅可取代常用的铅栅板用作铅酸电池中反应物的载体,从而使电极的重量大大减轻,多孔铅还可用作良好的导电网格降低电池内的电阻。多孔铅已经用于充电NiCd蓄电池的电极,使电池的重量减少而能量密度却提高。
2 2 国防科技领域
多孔金属材料在航空航天领域有着非常重要的应用前景,这是因为在航天技术中,飞船或航天器上结构件质量的降低比在任何传统工业中都更具有价值,已经证明,多孔金属材料作为飞船的起落架可有效降低质量并能高效吸收冲击能量[4]。日前,由中国科学技术大学承担的国家自然科学基金重大项目 航天飞行器的若干重大基础问题 ,就正在开展此方面的研究工作。多孔金属材料还可作为卫星上承载部分的增强结构,以替代目前正在使用的但可能会对环境构成危害的材料。同时,多孔金属材料可以作为空间火箭的煤油燃料的喷雾器,压迫煤油通过这种微小的规则的孔眼,能够产生含有燃料液滴的雾,从而达到最佳的燃料效果。在军事装备中,如海军潜艇,发动机及螺旋桨对周围的水域有激励,使之很容易被对方的探测器发现,降低了稳定性和生存能力,再如坦克装甲车,由于噪声和振动的存在,它会直接影响到观瞄和射击精度,降低发动机和传运部件的寿命,同时降低操作人员的精神和增加疲劳,影响有生战斗力。泡沫金属材料具有良好的吸声、吸波和降噪性能,因而有望在军事领域发挥重要的作用。
2 3 环境保护领域
噪声污染、大气污染和水污染被认为是当今世界的三大环境污染,因此噪声与噪声控制是环境保护的一项重要内容。在汽车、火车或其它机械系统中难免存在振动,振动会引起系统的损坏和噪音,而多孔金属材料具有良好的阻尼性
参考文献
[1]L.
J.Gibson,M.
F.Ashby.CellularSolids:StructureandProper
ties.2nded,CambridgeUniversityPress,UK,1997
[2]J.Banhart,J.Baumeister,M.Weber.Aluminum,Metallschaum-Einwerkstoffmitperspectiven,1994(70):209-217
[3]J.Banhart,Manufacture,characterizationandapplicationofcellular
metalsandmetalfoams.ProgressinMaterialsScience,2001(46):559-632
[4]J.Banhart.Manufacture,characterizationandapplicationofcellular
metalsandmetalfoams.ProgressinMaterialsScience,2001(46):559-632
[5]柳孝图,人与物理环境,中国建筑工业出版社,
1996,1-45
能,因此可有效地将系统的振动能转变为热能,较少振动、[6]韩福生,博士学位论文,中国科学院固体物理研究所,1997,2-6
ABriefIntroductiontotheApplicationofPorousMetalMaterials
HAOGang ling,YANGNeng xun,TIANWe,iZHUXiao min
(CollegeofPhysicsandElectronicInformation,Yan#AnUniversity,Yan#An,Shanx,i716000,China)
Abstract:Distinguishingfrombulkmetalmaterials,porousmetalsasanewkindofmaterialexhibitfavorablemechanicalperformance,suchashighspecificstrength,highspecificstiffness,highductility,highdampingandhighenergyabsorption,anddesirableparticularproperties,suchasshockabsorption,heatdissipation,
soundabsorption,electromagneticshieldingandoutstandingpenetrability,
whichindicatethemapromisingapplicationpotentia.lInthispaper,theapplicationoftheporousmetalsinthreefields,i e,commonindustrialfield,nationaldefensescientificfieldandenvironmentprotectingfiled,hasbeenintroducedbriefly.
Keywords:Porousmetalmaterials;Application;Commonindastriaefield;nationaedefenseScientificfield;enviroment protectingfield ∀∀