材料領域的“黑科技”?詳解泡沫鋁的廣闊前景

金屬鋁作為21世紀“可能最重要的金屬”,早已得到了廣泛的應用,並且經過多年的發展,鋁已經能夠以多種方式呈現,滿足人們多層次,多領域的需求。泡沫鋁就是金屬鋁衍生品中的佼佼者。

泡沫鋁是一種在鋁的基礎上存在無數個氣泡的輕質多孔金屬材料。它同時兼有金屬相氣泡特徵,是一種非常具有應用前景的物理功能材料。其製造方法主要是在純鋁或者鋁合金中加入添加劑,經過發泡工藝製造而成。由於金屬比塑料有更高的剛度,在理論上,同等厚度的泡沫鋁可以比聚氯乙烯製成的泡沫吸收更多的能量。

在1948年美國科學家A.Sonik獲得了世界上第一個有關泡沫鋁的專利,並在3年後由Elliot成功生產出泡沫鋁。在上世紀60年代,美國埃西爾公司成立了泡沫鋁研發中心。1991年日本九州工業金屬研究所成功研發出工業化泡沫鋁的生產工藝。1999年首屆世界泡沫金屬學會在德國不萊梅召開,主要研究泡沫鋁的製造和應用。

截至目前,世界上已經生產出具有多種用途的泡沫鋁材和泡沫鋁零件,並已經在工業領域廣泛應用。未來也將在建築、化工、交通運輸、航空航天等領域擁有廣闊的前景。

當然,泡沫鋁作為目前炙手可熱的新型材料,必然有其自身的“看家本領”。


1.輕量化和高剛度。

泡沫鋁的密度大約只是金屬鋁的0.1和0.4倍,但是其抗彎比高度可以達到鋼的1.5倍。

2.抗衝擊和減震能力超群。

泡沫鋁的阻尼性能可以達到金屬鋁的5~10倍。以一塊孔隙率為84%的泡沫鋁發生50%比例的變形時,可以吸收2.5MJ/M3C以上的能量,吸能效果遠超其他減震材料。

3.優秀的聲學性能。

在閉孔狀態下,當聲波頻率在800~4000赫茲之間時,泡沫鋁的隔音系數可達到0.9以上。在微通孔和通孔狀態下,當聲波頻率在125~4000赫茲之間時,泡沫鋁的吸聲係數可以達到0.8,其倍頻程平均吸聲係數超過0.4。

4.良好的熱學性能。

孔隙率為80%~90%的閉孔泡沫鋁導熱係數為0.3~1W/(mk),相當於大理石,在空氣強制對流條件下,其導熱效果十分優良。

5.保留了鋁的耐腐蝕性,低吸溼,不老化,無毒。

6.加工安裝十分方便。

泡沫鋁可以切割、鑽孔、膠結,並且經過磨具擠壓可以製成各種形狀,並且可以像普通鋁一樣進行表面處理,還可以構成大尺寸的輕質高剛度板;由於“身材”輕盈,泡沫鋁材料可以輕易安裝在高處而無需任何機械起重設備,從而也允許直接利用粘結劑粘貼在天花板和牆上。

材料領域的“黑科技”?詳解泡沫鋁的廣闊前景

泡沫鋁的製造主要有以下幾種方法:

1.液相法。

通過液態鋁產生泡沫結構,可在鋁液中直接發泡,也可用高分子泡沫或緊密堆積的造孔劑鑄造來得到多孔材料。

2.固相法。

用鋁粉末代替液態鋁同樣可製得多孔材料,因為大部分固相法通過燒結使鋁顆粒互相聯結,鋁始終保持在固態,所以此法生產的泡沫鋁多數具有通孔結構。

3.電沉積法。

主要以泡沫塑料為基底,經過導電化處理之後,電沉積鋁製成。目前的技術可以通過浸塗導電膠、化學鍍膜和磁控濺射錫膜等方法令到泡沫塑料導電。用此法制得的泡沫鋁孔徑較小並孔隙均勻,而且孔隙率相對較高,其性能和阻尼特性均優於鑄造法生產的泡沫鋁。


由於泡沫鋁集多種優異的性能於一身,因而在一些需要綜合利用此類性能的領域,泡沫鋁擁有無可比擬的優勢。


1.交通工具。

汽車和摩托車採用輕量化材料能夠大大降低車身自重,從而大幅改善油耗。用泡沫鋁可以製成一些質量輕但剛度大的結構件,例如汽車擋板、行李箱蓋等,也可以充當車身周邊防撞梁的材料,通過優異的吸能能力極大限度地減少衝撞部分的變形,粗略估計汽車零件在強度不減弱的前提下,質量可以降低50%以上。隨著石油成本的提高以及世界對於溫室氣體的抵制,未來泡沫鋁面對由石油製成的塑料時將會更有優勢。

2.航空航天器。

在目前的航空航天器領域,蜂窩結構材料應用相當廣泛,但是蜂窩結構材料由於製造工藝比較複雜,因而導致造價相對較高。泡沫鋁夾心板與蜂窩結構材料類似,都是密度低,比強度高的材料,但泡沫鋁在成本方面卻優勢巨大,在以後的發展中極有可能取代蜂窩結構材料。

3.建築工業。

現代建築追求節能環保的同時,安全性不能欠奉。泡沫鋁板重量輕,剛度好的同時,由於金屬的先天優勢,阻燃效果十分理想。因而可以廣泛應用於電梯內裝飾板以及某些建築構件領域,減低能源的消耗。

4.道路用隔音降噪材料。

交通工具帶來的噪音汙染一直是城市管理的棘手問題。泡沫鋁的出現可謂為管理者帶來了福音,泡沫鋁可以用於製作城市軌道、高架橋旁、高速公路等路旁的隔音屏。目前使用的玻璃和塑料效果均不理想,降噪效果較低。泡沫鋁的降噪性能大概是這些材料的兩倍,並且已經率先在一些發達國家得以應用。


目前,泡沫鋁行業正在國內外蓬勃發展,但是在發展的過程中彷彿遇到了瓶頸。目前製作發泡鋁的發泡劑不但發泡效率低,效果不理想,價格還比較高昂,嚴重阻礙了泡沫鋁行業的發展。因此能否製成效果優異且成本合理的發泡劑,將會決定泡沫鋁材料的成敗。

世界上主要的發達國家已經成功將泡沫鋁應用到建築、交通運輸、機械、電子等行業。早在2008年國外泡沫鋁市場產量就已達到了217.3萬噸,而且隨著行業的逐步發展,需求滿足率正在慢慢走低,說明目前的產量已經開始慢慢跟不上需求,因而便存在一個進入市場的契機。

回到國內市場。我國對泡沫鋁的需求主要為交通運輸、軍工、工業用材、建築業等行業。近年來,我國的高鐵和建築業發展迅速,幾年內可能需求量會暴增至50萬噸,到時將會形成一個250億元人民幣的龐大市場,這是任何人都無法忽視的一塊大“蛋糕”。

泡沫鋁作為目前材料領域的“黑科技”,一旦發展起來,前途將是無可限量的。


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