材料领域的“黑科技”?详解泡沫铝的广阔前景

  金属铝作为21世纪“可能最重要的金属”,早已得到了广泛的应用,并且经过多年的发展,铝已经能够以多种方式呈现,满足人们多层次,多领域的需求。泡沫铝就是金属铝衍生品中的佼佼者。

  泡沫铝是一种在铝的基础上存在无数个气泡的轻质多孔金属材料。它同时兼有金属相气泡特征,是一种非常具有应用前景的物理功能材料。其制造方法主要是在纯铝或者铝合金中加入添加剂,经过发泡工艺制造而成。由于金属比塑料有更高的刚度,在理论上,同等厚度的泡沫铝可以比聚氯乙烯制成的泡沫吸收更多的能量。

  在1948年美国科学家A.Sonik获得了世界上第一个有关泡沫铝的专利,并在3年后由Elliot成功生产出泡沫铝。在上世纪60年代,美国埃西尔公司成立了泡沫铝研发中心。1991年日本九州工业金属研究所成功研发出工业化泡沫铝的生产工艺。1999年首届世界泡沫金属学会在德国不莱梅召开,主要研究泡沫铝的制造和应用。

  截至目前,世界上已经生产出具有多种用途的泡沫铝材和泡沫铝零件,并已经在工业领域广泛应用。未来也将在建筑、化工、交通运输、航空航天等领域拥有广阔的前景。

  当然,泡沫铝作为目前炙手可热的新型材料,必然有其自身的“看家本领”。

  1.轻量化和高刚度。泡沫铝的密度大约只是金属铝的0.1和0.4倍,但是其抗弯比高度可以达到钢的1.5倍。

  2.抗冲击和减震能力超群。泡沫铝的阻尼性能可以达到金属铝的5-10倍。以一块孔隙率为84%的泡沫铝发生50%比例的变形时,可以吸收2.5MJ/M3C以上的能量,吸能效果远超其他减震材料。

  3.优秀的声学性能。在闭孔状态下,当声波频率在800-4000赫兹之间时,泡沫铝的隔音系数可达到0.9以上。在微通孔和通孔状态下,当声波频率在125-4000赫兹之间时,泡沫铝的吸声系数可以达到0.8,其倍频程平均吸声系数超过0.4。

  4.良好的热学性能。孔隙率为80%-90%的闭孔泡沫铝导热系数为0.3-1W/(mk),相当于大理石,在空气强制对流条件下,其导热效果十分优良。

  5.保留了铝的耐腐蚀性,低吸湿,不老化,无毒。

  6.加工安装十分方便。泡沫铝可以切割、钻孔、胶结,并且经过磨具挤压可以制成各种形状,并且可以像普通铝一样进行表面处理,还可以构成大尺寸的轻质高刚度板;由于“身材”轻盈,泡沫铝材料可以轻易安装在高处而无需任何机械起重设备,从而也允许直接利用粘结剂粘贴在天花板和墙上。

  泡沫铝的制造主要有以下几种方法:

  1.液相法。通过液态铝产生泡沫结构,可在铝液中直接发泡,也可用高分子泡沫或紧密堆积的造孔剂铸造来得到多孔材料。

  2.固相法。用铝粉末代替液态铝同样可制得多孔材料,因为大部分固相法通过烧结使铝颗粒互相联结,铝始终保持在固态,所以此法生产的泡沫铝多数具有通孔结构。

  3.电沉积法。主要以泡沫塑料为基底,经过导电化处理之后,电沉积铝制成。目前的技术可以通过浸涂导电胶、化学镀膜和磁控溅射锡膜等方法令到泡沫塑料导电。用此法制得的泡沫铝孔径较小并孔隙均匀,而且孔隙率相对较高,其性能和阻尼特性均优于铸造法生产的泡沫铝。

  由于泡沫铝集多种优异的性能于一身,因而在一些需要综合利用此类性能的领域,泡沫铝拥有无可比拟的优势。

  1.交通工具。汽车和摩托车采用轻量化材料能够大大降低车身自重,从而大幅改善油耗。用泡沫铝可以制成一些质量轻但刚度大的结构件,例如汽车挡板、行李箱盖等,也可以充当车身周边防撞梁的材料,通过优异的吸能能力极大限度地减少冲撞部分的变形,粗略估计汽车零件在强度不减弱的前提下,质量可以降低50%以上。随着石油成本的提高以及世界对于温室气体的抵制,未来泡沫铝面对由石油制成的塑料时将会更有优势。

  2.航空航天器。在目前的航空航天器领域,蜂窝结构材料应用相当广泛,但是蜂窝结构材料由于制造工艺比较复杂,因而导致造价相对较高。泡沫铝夹心板与蜂窝结构材料类似,都是密度低,比强度高的材料,但泡沫铝在成本方面却优势巨大,在以后的发展中极有可能取代蜂窝结构材料。

  3.建筑工业。现代建筑追求节能环保的同时,安全性不能欠奉。泡沫铝板重量轻,刚度好的同时,由于金属的先天优势,阻燃效果十分理想。因而可以广泛应用于电梯内装饰板以及某些建筑构件领域,减低能源的消耗。

  4.道路用隔音降噪材料。交通工具带来的噪音污染一直是城市管理的棘手问题。泡沫铝的出现可谓为管理者带来了福音,泡沫铝可以用于制作城市轨道、高架桥旁、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,降噪效果较低。泡沫铝的降噪性能大概是这些材料的两倍,并且已经率先在一些发达国家得以应用。

  目前,泡沫铝行业正在国内外蓬勃发展,但是在发展的过程中仿佛遇到了瓶颈。目前制作发泡铝的发泡剂不但发泡效率低,效果不理想,价格还比较高昂,严重阻碍了泡沫铝行业的发展。因此能否制成效果优异且成本合理的发泡剂,将会决定泡沫铝材料的成败。

  世界上主要的发达国家已经成功将泡沫铝应用到建筑、交通运输、机械、电子等行业。早在2008年国外泡沫铝市场产量就已达到了217.3万吨,而且随着行业的逐步发展,需求满足率正在慢慢走低,说明目前的产量已经开始慢慢跟不上需求,因而便存在一个进入市场的契机。

  回到国内市场。我国对泡沫铝的需求主要为交通运输、军工、工业用材、建筑业等行业。近年来,我国的高铁和建筑业发展迅速,几年内可能需求量会暴增至50万吨,到时将会形成一个250亿元人民币的庞大市场,这是任何人都无法忽视的一块大“蛋糕”。

  泡沫铝作为目前材料领域的“黑科技”,一旦发展起来,前途将是无可限量的。

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