CN100487146C

CN100487146C - 一种泡沫金属及制备泡沫金属的方法

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Publication number: CN100487146C
Application number: CNB2007100458378A
Authority: CN
Inventors: 严彪; 王军; 唐人剑; 张亚萍; 朱军; 宋焕成; 杜春风; 付丞寅
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: CN101117675A

Abstract

本发明公开了一种泡沫金属，其特征在于，金属材料中分布有气孔，所述的气孔直径为3～25mm，孔隙率为80%～98%。本发明还公开了一种制备泡沫金属的方法。本发明中的泡沫金属，吸声效果好，可用于制作吸声板。

Description

一种泡沫金属及制备泡沫金属的方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫金属及制备泡沫金属的方法。

背景技术

噪声污染是当今世界三大环境污染之一，严重危害人类身体健康。其中，交通噪声问题比较突出，如城市地铁轻轨，公路高架等场所，对周边环境的影响较大，解决的难度也较大。目前主要解决办法是采用吸声材料进行吸声降噪处理。传统声屏障材质一般为玻璃棉，但玻璃棉容易因雨水进入而受潮板结，寿命较短。根据对上海某些路段的实际观察，传统声屏障寿命仅有2-3年；即使采用进口薄膜材料包裹，也只能维持5-6年。20世纪80年代初，国际上兴起金属泡沫材料的研制，发现其具备多种优异的物理性能：超薄、质轻、吸音、耐久、耐水、耐热、装饰性好、安装方便、可回收、不污染环境，又有很强的吸能本领和电磁屏蔽作用。

由于金属泡沫材料的性能优越，目前在吸声降躁处理中开始应用泡沫铝材料逐步取代传统声屏障材料。泡沫铝材料的特性分述如下：

(1)量轻、比重小

由于泡沫铝是在铝基体中制造大大小小的气孔，因此，泡沫铝的比重范围在0.2～0.5g/cm³，其平均值只有铝的比重的1/10。泡沫铝的拉伸强度为铝的1/100，抗压强度与抗弯强度则比较高。

(2)耐热性强

泡沫铝具有高的耐热性能，即使达到基体合金的熔点也不熔解。一般铝合金的熔解温度范围在560～700℃，但泡沫铝即使加热到1400℃也不熔解，而且具有不燃特点，可作为阻燃材料使用。

(3)刚性低

泡沫铝不象金属那样具有延展性，受到压力作用几乎不发生塑性变形，拉伸无法测出拉伸率。弹性模量约为铝合金的1/50～1/100。因此，泡沫铝比其原来的铝合金容易破坏，达到破坏强度极限发生破坏，几乎没有变形。

(4)有很高的吸收冲击性能

泡沫铝不像蜂窝材料那样具有方向性，也不像高分子泡沫材料具有反弹作用，它是很好的吸音减震材料。所以泡沫铝是制造抗冲击部件的良好材料，也是精密仪器的理想包装材料。

(5)有良好的吸音效应

泡沫铝在低频范围具有相当好的吸音效果，尤其在低于1kHz的频率下。

(6)其它性能

泡沫铝的电阻率约为铝的100倍，热导率约为铝的1/400，除此之外还具有良好的电磁干扰屏蔽效应、耐蚀等。

以上几点说明泡沫铝材料具有显著的优越性能。

基于泡沫铝具有上述优点，它一直被期望作为一种降躁吸声材料加以开发应用。在建筑工业，它被期望用作为屏蔽墙，天花板，地板之类的隔音材料以及建筑物内外的装饰性材料；在交通运输方面，它被期望用作为广告牌，路标，轻轨、高架道路、高速公路、冷却塔、变电所的声屏障等等。

综上所述，采用泡沫铝作为吸声降躁材料主要有如下两个优点：

(1)优异的声学性能

声波射入多孔金属表面漫反射而干涉消音，进入多孔金属的孔隙内使骨架振动释放热量而消耗声能，通过孔径不同的孔隙而膨胀消音，它又具有微孔消音的特性，因此是一种优异的声学材料，可制作各种消音器。

(2)采用特殊结构可具有特殊性能

声吸收性能随孔隙减小而增大。调节孔隙的大小、形状以及采用合适的声结构，可以获得高的声吸收值。对一般多孔金属而言高频较低频有高的声吸收值，但采用合适的声结构可以获得低频宽频范围的高吸收率。

从长远观点来看，金属泡沫材料在利用其声学性能的领域中，是一种极有前途的材料。由于通孔多孔金属有优异的声吸收能力，采用合适的声结构可以获得好的声吸收效果。日本已在高速列车发电机室、无线电录音室及新干线吸音等方面获得有应用前景的结果。多孔泡沫金属还可用于蒸气发电厂、气动工具、小汽车衰减消音器。用作消音器时必须在获得消音效果的同时保证足够的空气流通量。

现有技术中，制备泡沫铝的方法主要有：

(1)渗流铸造(Infiltration casting)

在无机或有机颗粒周围铸入铝液可制得多孔铝。无机材料可用蛭石、泥球、可溶性盐等，有机材料可用高分子颗粒。采用这种方法时，造孔剂堆积密度要高，以保证颗粒之间互相接触，以便将来除去，为了防止铝液在铸入时过早凝固，要将造孔剂预热。由于铝液具有大的表面张力，使得铝液很难成功铸入颗粒间隙中，所以可以先将造孔剂块体抽真空，然后加压渗透。待铝液凝固后，可用水溶法或热解法除去造孔剂。此法的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小，缺点是最大孔隙率不超过80％。

(2)加发泡剂法(Foaming with blowing agents)

把发泡剂与铝液混和也可以制得泡沫铝。首先在680℃的铝液中加入金属钙，对于实际生产，一般加入量为1.5％～3.O％(wt)，搅拌几分钟增加液体粘度。钙也可用碳化硅等颗粒代替。粘度合适后，加入TiH₂。在恒压下，TiH₂分解出H₂，液体膨胀泡沫化，冷却后即可得泡沫铝。TiH₂可被ZrH₂等发泡剂代替。这种方法的优点是可制得非常均匀的泡沫，并且气孔平均尺寸和铝液粘度以及泡沫铝密度和粘度之间存在关系，使孔径可控。

上述两种方法由于生产工艺的原因，孔隙率受到限制，所以生产成本较高而且对环境有污染。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种降躁吸声的泡沫金属

为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种泡沫金属，其特征在于，金属材料中分布有气孔，所述的气孔直径为3～25mm，孔隙率为80％～98％。

其中，所述的金属材料表面的气孔间粘结有一层金属纤维丝。

优选地是，所述的粘结有金属纤维丝的金属材料表面涂有一层涂料。

其中，所述的金属材料为铝。

其中，所述的金属材料为铝合金，优选地是各成份的重量百分含量为铝70～90％，SiO₂1～15％，Zn1～20％，CuO0.5～4％，Re0.001～0.01％。

本发明的另一个目的是提供一种制备权利泡沫金属的方法，其特征在于，首先将金属材料熔化，再将颗粒状碳化硅或氧化铝加入金属液中并搅拌均匀，碳化硅或氧化铝颗粒的在金属液中的体积百分比为10％～20％，颗粒尺寸为5～20μm，再将气体吹入金属液中形成气泡，搅拌使气泡分布均匀，金属液冷却至室温。加入碳化硅或氧化铝是为了增加铝液粘度。吹入的气体为空气、氮气或氩气中的一种。金属液冷却至室温后，在获得的产物表面的气孔间粘结一层金属纤维丝。

其中，粘结完金属纤维丝后，将其在涂料溶液中浸泡后，取出晾干。

其中，所述的金属材料为铝。

本发明的方法同样适用于其他金属材料。

本发明的原理为，将金属熔化为液体，再将气体吹入金属液体内，在金属液体内形成气泡，金属凝固后即可制得泡沫金属

本发明的有益效果：

(1)运用新型工艺制造泡沫铝材料，吸声效果好，发泡均匀，比重轻30％，节约材料和成本。

(2)采用复合工艺，在泡沫铝材料上添加金属纤维材料，提高吸声系数，使吸声效果更好；

(3)首创多孔材料的自我洁净功能，而且在达到这一目的的同时增加了本发明的防火功能和广告效益。

具体实施方式

实施例1、首先在模具中将铝合金熔化，再将颗粒状碳化硅或氧化铝加入铝合金液中并搅拌均匀，碳化硅或氧化铝颗粒的在铝合金液中的体积百分比为10％～20％，颗粒尺寸为5～20μm，再将氮气吹入铝合金液中形成气泡，搅拌使气泡分布均匀，将半固态的铝合金从模具中取出，冷却至室温后，在获得的产物表面的气孔间粘结一层铝纤维丝。然后再将其在涂料溶液中浸泡后，取出晾干。

铝合金的按重量含量由铝75％，SiO₂ 5％，Zn 17％，CuO 2.999％，Re 0.001％组成。

实施例2、首先在模具中将铝熔化，再将颗粒状碳化硅或氧化铝加入铝液中并搅拌均匀，碳化硅或氧化铝颗粒的在铝液中的体积百分比为10％～20％，颗粒尺寸为5～20μm，再将氮气吹入铝液中形成气泡，搅拌使气泡分布均匀，将半固态的铝从模具中取出，冷却至室温后，在获得的产物表面的气孔间粘结一层铝纤维丝。然后再将其在涂料溶液中浸泡后，取出晾干。

实施例3，制备方法与实施例1相同，铝合金的按重量含量由铝85％，SiO₂ 13％，Zn 2％，CuO 0.99％，Re 0.01％组成。

实施例4，制备方法与实施例1相同，铝合金的按重量含量由铝80％，SiO₂ 10％，Zn 8％，CuO 0.995％，Re 0.005％组成。

在泡沫铝外侧添加彩色纳米防火涂料，可增加其自洁净性能和美观性：

a.自洁净功能：涂料有很好的透气功能，不会因为阻碍气体流动而降低泡沫铝的吸声性能，并且由于一般灰尘体积大于涂料形成的膜的孔径，所以最多只能停留在膜的表面，随雨水冲刷而流失，形成了泡沫铝的自清洁功能。

b.防火功能：涂料层可以对吸声板材起屏蔽作用，能隔离火焰，避免板材直接暴露在火焰或高温之中；涂料层吸热后部分物质分解成不燃性气体，起到消耗热量、降低火焰温度、延缓燃烧速度、稀释氧气的作用；涂层本身形成多孔型或炭化泡沫层，大大降低了涂料层的热导率，阻止了热量向板材传递的速度，从而提高了板材的耐火极限。

c.广告效应：现在市场上供应的超薄型防火涂料大多为黑色或白色，装饰性能不好.颜料本来就是涂料中不可或缺的一部分，我们的纳米防火涂料不仅可以赋予涂膜色彩，增强其装饰性，而且还可以在一定程度上改善涂膜的性能.

对实施例1制备的泡沫铝的性能进行测试，结果如下：

孔隙特性及体积密度

主孔径：0.9mm 1.6mm 2.5mm三种规格，常用规格为1.6mm孔径

孔隙率：60-80％(1.6mm孔径时为 68-78％)

通孔率：85-95％(1.6mm孔径时为 90-95％)

体积密度：0.5-1.10g/cm³(1.6mm孔径时为0.60-0.85g/cm³)吸声性能：按GBJ47及GBJ88测定(同济大学声学研究所)

平均吸声系数α》0.60(125-4000Hz频率范围测定)

降噪系数NRC》0.64(250-2000Hz频率范围测定)

隔声性能：按GBJ75测定(同济大学声学所及上海市建科院检测站)

空气声计权隔声量Rw：28.0dB(即隔声指数Ia)

平均隔声量Ra：24.5dB(125-4000Hz频率范围测定)

本测试试验中的被测吸声板规格为：

泡沫铝板厚度8mm，空气层厚度100mm，背板(彩钢板)厚度为0.5mm，拼装式结构。

Claims

1、一种泡沫金属，其特征在于，金属材料中分布有气孔，所述的金属材料为铝合金，所述的铝合金按照重量百分含量由以下组分组成：铝70～90％，SiO₂ 1～15％，Zn 1～20％，CuO0.5～4％，Re 0.001～0.01％，所述的气孔直径为3～25mm，孔隙率为80％～98％，金属材料表面的气孔间粘结有一层金属纤维丝。

2、根据权利要求1所述的泡沫金属，其特征在于，所述的粘结有金属纤维丝的金属材料表面涂有一层涂料。

3、一种制备权利要求1所述的泡沫金属的方法，其特征在于，首先将金属材料熔化，所述的金属材料为铝合金，所述的铝合金按照重量百分含量由以下组分组成：各成份的重量百分含量为铝70～90％，SiO₂ 1～15％，Zn 1～20％，CuO 0.5～4％，Re 0.001～0.01％，再将颗粒状碳化硅或氧化铝加入金属液中并搅拌均匀，碳化硅或氧化铝颗粒的在金属液中的体积百分比为10％～20％，颗粒尺寸为5～20μm，再将气体吹入金属液中形成气泡，吹入的气体为空气、氮气或氩气中的一种，搅拌使气泡分布均匀，金属液冷却至室温，金属液冷却至室温后，在获得的产物表面的气孔间粘结一层金属纤维丝。

4、根据权利要求3所述的制备泡沫金属的方法，其特征在于，粘结完金属纤维丝后，将其在涂料中浸泡后，取出晾干。