袁源平，陳 舸，陳樂平，周 全

(1. 南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063； 2. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 引言

泡沫金屬的首次成功制備由SOSNICK[1]于1948年完成，他在鋁中加入汞，制得了泡沫鋁。自那以后，泡沫金屬因密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性能、吸能性能好等優(yōu)勢(shì)而引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫材料的研究日漸火熱，但大部分研究針對(duì)的是泡沫鋁材料，而對(duì)于密度更小、部分性能更優(yōu)的泡沫鎂材料的研究則較少。國(guó)內(nèi)對(duì)泡沫鎂的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代，發(fā)展至今還多停留在不同孔隙率泡沫鎂的制備和性能測(cè)試上，很少著眼于泡沫鎂的應(yīng)用。為方便學(xué)者對(duì)泡沫鎂材料進(jìn)行研究，本文主要介紹了泡沫鎂的幾種重要性能、制備方法，并對(duì)泡沫鎂的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 泡沫鎂的性能

泡沫鎂是一種性能優(yōu)異的新興材料，結(jié)構(gòu)特殊，基體中分布著大量連通或不連通的孔洞，不但具有良好的力學(xué)性能，還可用作功能材料。作為一種泡沫金屬，與實(shí)體金屬鎂相比，泡沫鎂密度低，能量吸收率好，吸聲和隔音性能好，比表面積大，強(qiáng)度高，阻尼減振性好。與泡沫鋁相比，泡沫鎂密度低，在追求輕量化的航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，泡沫鎂的阻尼性能和電磁屏蔽性能比泡沫鋁好，比強(qiáng)度和比剛度也比泡沫鋁高。

1.1 阻尼性能

泡沫鎂結(jié)構(gòu)具有潛在的耗能機(jī)制，其組織結(jié)構(gòu)不均勻，內(nèi)部存在許多孔隙，具有很高的內(nèi)耗指標(biāo)，可作為一種新的輕型高阻尼材料使用。封偉民[2]對(duì)具有不同孔隙率的泡沫鎂和AZ91合金的阻尼性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)泡沫鎂阻尼性能比AZ91合金好，當(dāng)達(dá)到一定應(yīng)變量后，隨著應(yīng)變量的增加，泡沫鎂阻尼值的增速大于AZ91/SiC復(fù)合材料，相同應(yīng)變量下，泡沫鎂阻尼值大于AZ91/SiC阻尼值。

1.2 吸能性能

泡沫鎂具有優(yōu)良的能量吸收性能和抗沖擊性能。泡沫鎂受壓時(shí)，先是孔壁發(fā)生彎曲變形，隨后孔洞開始坍塌，最后密實(shí)化。此過程中，泡沫鎂表面的塑性變形要比實(shí)體金屬的塑性變形大。泡沫鎂可吸收大量的壓縮能量，吸能性能好。泡沫鎂具有較低的屈服應(yīng)力和較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，可作為良好的緩沖吸能材料使用。鄭照彬[3]對(duì)開孔泡沫鎂的吸能性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)開孔泡沫鎂的吸能性能和孔隙率有關(guān)，其能量吸收能力隨孔隙率的增大而降低。XIA等[4]對(duì)閉孔泡沫鎂的吸能性能進(jìn)行了研究，得出了相同結(jié)論，即隨著孔隙率增大，泡沫鎂的吸能性能降低。

1.3 電磁屏蔽性能

泡沫鎂的電磁屏蔽性能非常好。多孔結(jié)構(gòu)使泡沫鎂材料具有大的比表面積。當(dāng)電磁波輻射到泡沫鎂時(shí)，電磁波需要在泡沫鎂內(nèi)部孔洞中經(jīng)過多次反射，這會(huì)造成能量大量消耗。因此，相比于實(shí)體金屬鎂，泡沫鎂的電磁屏蔽性能極好，且在屏蔽高頻電磁波方面效果顯著。

1.4 其他性能

泡沫鎂比表面積大。聲波與泡沫鎂材料接觸面積大，作用面積大，傳播過程中發(fā)生的反射多，產(chǎn)生的能量損耗也大。泡沫鎂有利于聲波的吸收，吸聲性能好。泡沫鎂的機(jī)械性能與松質(zhì)骨相近，適于作為一種生物醫(yī)學(xué)材料替代人骨起作用。泡沫鎂的機(jī)械性能與孔隙率，以及孔洞的形態(tài)尺寸、分布與結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 泡沫鎂制備方法

因泡沫鎂材料具有諸多優(yōu)良性能，故國(guó)內(nèi)外對(duì)于泡沫鎂合金的研究越來越重視。現(xiàn)有的泡沫鎂制備方法多種多樣，主要包括滲流鑄造法、熔模鑄造法、粉末冶金法、熔體發(fā)泡法等。

2.1 滲流鑄造法

滲流鑄造法是一種常見的制備泡沫鎂材料的方法。首先將水溶性鹽顆粒制成帶有孔隙的預(yù)制體放入鑄型中，然后在壓力下澆入熔融的金屬鎂或鎂合金，使金屬液滲入預(yù)制體孔隙并填充，待其冷卻后取出，得到毛坯件，再進(jìn)行機(jī)加工得到需要的形狀后，取出水溶性鹽顆粒，得到帶有孔隙的泡沫鎂鑄件。使用此方法得到的泡沫鎂孔隙結(jié)構(gòu)即為水溶性鹽顆粒堆積成的預(yù)制體結(jié)構(gòu)，因此可通過控制預(yù)制體的結(jié)構(gòu)來有效控制所得到的泡沫鎂合金孔洞的大小和分布。此方法制備工藝簡(jiǎn)單，制得的泡沫鎂孔隙均勻，適合制作尺寸較大的泡沫鎂材料。此外，該方法在壓力下制備泡沫鎂材料，使得泡沫鎂結(jié)構(gòu)間的結(jié)合更緊密，力學(xué)性能較好。但滲流過程中鎂或鎂合金金屬液易被氧化，從而引起燃燒甚至爆炸，因此該方法對(duì)設(shè)備和制備過程中的安全防護(hù)要求較高。

NaCl是廣泛用于制備泡沫鋁的一種水溶性鹽顆粒，但并不適用于制備泡沫鎂，原因在于NaCl具有很強(qiáng)的腐蝕性，而鎂活潑性很強(qiáng)，易被氧化腐蝕，因此必須尋找其他材料來制成預(yù)制體。徐建輝等[5]分別選用NaCl和MgSO4作為填料，制備了通孔泡沫鎂材料，在選用MgSO4作為填料時(shí)發(fā)現(xiàn)鎂基體被腐蝕程度明顯降低，并制備了孔隙率大于70%、孔徑小于1.4 mm的泡沫鎂材料。此方法雖然解決了鎂基體腐蝕問題，但MgSO4溶解時(shí)間仍較長(zhǎng)，且高壓下熔融狀態(tài)的鎂易發(fā)生燃燒甚至爆炸，需通入保護(hù)氣體。WANG等[6]選用鹽-面粉混合料作為填料，采用熔體滲透法制備出了高純度、高質(zhì)量的開孔泡沫鎂。采用滲流鑄造法制備的泡沫材料如圖1所示[6]。圖1(a)，1(b)分別是孔隙率為64%的泡沫鎂的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)圖像和Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.73%、O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.27%的泡沫材料的能量彌散X射線譜(EDS)剖面。使用該方法制備的泡沫鎂材料采用鹽-面粉混合物作為填料，易于成形。該方法利于控制泡沫鎂孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，可按照不同要求制備孔隙結(jié)構(gòu)和性能不同的泡沫鎂材料。此外，面粉易溶解，清理方便，可縮短制備周期。因此，該方法是制備高質(zhì)量泡沫鎂材料的一種有效方法。

圖1 滲流鑄造法制備的泡沫材料Fig.1 Foamed material prepared by seepage casting

2.2 熔模鑄造法

熔模鑄造法的工藝原理是將帶有三維連通結(jié)構(gòu)的泡沫海綿置于具有需要制備的泡沫鎂材料形狀的容器中，加入耐火性能好的漿料進(jìn)行填充，待漿料干燥硬化后進(jìn)行焙燒，使泡沫海綿分解，將其清理去除，得到具有三維連通結(jié)構(gòu)的鑄型，再澆入鎂金屬液，待其冷卻凝固后去除，得到需要的泡沫鎂材料。MUKAI等[7]使用AZ91鎂合金，采用熔模鑄造法制備出了開孔泡沫鎂材料。該材料試樣如圖2所示[7]，其密度僅為0.05 g/cm3，屈服強(qiáng)度為0.11 N/mm2。

圖2 熔模鑄造泡沫鎂合金試樣Fig.2 Sample of foamed magnesiumalloy for investment casting

此法可通過控制泡沫海綿的結(jié)構(gòu)制得孔隙均勻、孔隙率高的泡沫鎂合金。但此法也存在一些缺點(diǎn)，相比于滲流鑄造法，熔模鑄造法操作復(fù)雜且困難，鑄型制作過程復(fù)雜、周期長(zhǎng)，且澆注后漿料難以清理。目前漿料主要采用生石膏，為方便清理，可在石膏中加入鹽，或者使用MgSO4代替生石膏作為漿料。此外，澆注金屬液需要預(yù)熱、抽真空等步驟，操作復(fù)雜，成本較高，澆注時(shí)石膏如果坍塌，還會(huì)導(dǎo)致夾雜缺陷，加大清理難度。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法是將鎂或鎂合金粉與造孔劑均勻混合并壓制成致密的預(yù)制體，將其放入容器中加熱燒結(jié)，待造孔劑受熱分解并溶解后去除造孔劑，即制得帶有孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫鎂材料。常用的造孔劑有尿素和MgCO3。

HAO等[8]以鎂粉為基體材料，尿素為造孔劑制備了不同孔徑的泡沫鎂試樣。該試樣宏觀形貌如圖3所示[8]。圖中：3個(gè)泡沫鎂試樣的孔徑尺寸由左向右依次為0.75，1.25，1.75 mm。

圖3 不同孔徑尺寸的泡沫鎂試樣宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of foamed magnesiumsamples with different pore sizes

郭權(quán)芬[9]使用尿素作為造孔劑，改變?cè)虾凸に噮?shù)，采用粉末冶金法制備了開孔泡沫Mg-6Al合金，其孔隙率為30%～70%，平均孔徑約為1.1 mm，平均圓度值為0.75，孔壁厚度約為100～300 μm。REDDY等[10]以NH4HCO3粉末為原料，采用粉末冶金燒結(jié)法制備了孔隙率為40%～45%的泡沫鎂單晶石支架材料，并對(duì)其進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

使用粉末冶金法制備泡沫鎂操作簡(jiǎn)便，制作周期遠(yuǎn)比熔模鑄造法短，清理也更簡(jiǎn)便，可通過控制造孔劑的含量和顆粒大小來控制泡沫鎂孔隙結(jié)構(gòu)大小和孔隙率等，制得孔隙均勻的泡沫鎂材料。但用此法制備的泡沫鎂材料一般孔隙率較低，孔隙范圍較窄，且使用MgCO3作為造孔劑時(shí)，受熱分解產(chǎn)生的CO2會(huì)腐蝕鎂基體。

2.4 熔體發(fā)泡法

熔體發(fā)泡法是目前使用較普遍的一種制備泡沫鎂的方法。它需要在合適的溫度下向經(jīng)一定處理后的熔融金屬鎂或鎂合金中加入發(fā)泡劑，發(fā)泡劑受熱后分解，在金屬液內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，待金屬液冷卻凝固后即制得帶有大量孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫鎂材料。目前使用較多的發(fā)泡劑為CaCO3，MgCO3等碳酸鹽。在制備過程中，為防止氣體過快逸出，常加入增粘劑來減緩氣泡逸出，以保證泡沫鎂的孔隙率符合要求，同時(shí)通過攪拌等方法來保證孔隙的均勻性。

雙子昱等[11]選用Ca粒為增粘劑，經(jīng)包覆后的CaCO3粉末為發(fā)泡劑，制備出了低密度、高孔隙率的閉孔泡沫鎂材料。該材料試樣如圖4所示[11]。張銘顯[12]選用MgCO3為發(fā)泡劑，SiC為增粘劑制備泡沫鎂，觀察發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)泡劑加入量不超過1.5%，增粘劑加入量不超過15%時(shí)，泡沫鎂的密度隨發(fā)泡劑和增粘劑加入量的增加逐漸減小，超過時(shí)，泡沫鎂的密度有所增大；泡沫鎂合金的密度隨發(fā)泡劑粒度的增大先減小后增大，隨發(fā)泡溫度的提高逐漸減小，發(fā)泡劑粒度為250 μm時(shí)，密度最??；泡沫鎂合金孔隙的尺寸隨發(fā)泡溫度的升高或發(fā)泡劑粒度的增大逐漸增大。周全等[13]研究了用兩步法制備泡沫鎂合金的工藝，并考察了發(fā)泡劑、增粘劑和Al加入量對(duì)泡沫鎂合金結(jié)構(gòu)的影響。蘆國(guó)強(qiáng)[14]采用熔體發(fā)泡法制備了泡沫鎂合金，比較了不同工藝下制得的泡沫鎂材料，發(fā)現(xiàn)采用Ca和SiC復(fù)合增粘效果較好，并總結(jié)出了該條件下的最佳工藝參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖5所示[14]。

圖4 泡沫鎂試樣及其截面Fig.4 Foamed magnesium sample and its cross-section

圖5 熔體發(fā)泡法制備泡沫鎂實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experiment equipment of melt forming method

采用熔體發(fā)泡法制備泡沫鎂材料通常難以控制發(fā)泡速度、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙均勻度等，為解決這個(gè)問題，XIA等[15]采用改進(jìn)的熔體發(fā)泡法制備了含CMs的鎂基復(fù)合泡沫材料，CMs的加入使氣泡數(shù)量增加，孔隙減小，孔結(jié)構(gòu)更均勻，孔隙率更可控。

與前3種方法相比，使用熔體發(fā)泡法制備泡沫鎂操作簡(jiǎn)便，發(fā)泡效果較好，成本較低，制作周期短，可用于批量生產(chǎn)，但發(fā)泡過程中影響因素較多且難以控制，泡沫鎂制品質(zhì)量不穩(wěn)定，高孔隙率泡沫鎂較難通過該方法制得。

2.5 其他方法

金屬-氣體共晶定向凝固(GASAR)法也是制備多孔金屬材料的一種重要方法，最早由烏克蘭科學(xué)家Shapovalov提出。利用該方法制備泡沫鎂時(shí)，將鎂或鎂合金在高壓氫中熔化，并使氫在熔體中達(dá)到飽和，再將金屬液澆入水冷鑄型中進(jìn)行定向凝固，凝固過程中，過飽和的氫會(huì)沿一定方向析出，從而在得到的鑄件中產(chǎn)生按一定方向排列的孔洞，得到泡沫鎂材料。使用GASAR法制得的泡沫鎂試樣和GASAR法實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示[14]。此外，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所還以膨脹珍珠巖與鎂合金作為原料，用真空吸鑄法制備出輕體鎂合金-珍珠巖泡沫復(fù)合材料。AIDA等[16]采用燒結(jié)溶解法制備了泡沫鎂，發(fā)現(xiàn)在不同燒結(jié)溫度下，隨空間支架數(shù)量的增加，泡沫鎂的孔隙率逐漸增大，密度逐漸減小，并在630 ℃下制備了密度為0.61 g/cm3、孔隙率為64.7%、抗壓強(qiáng)度為5 MPa的泡沫鎂材料。

圖6 GASAR法制得的泡沫鎂試樣與實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Lotus-type formed magnesium fabricated byGASAR and experiment equipment

3 泡沫鎂的應(yīng)用前景

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)泡沫鎂材料的研究越來越熱門，制備泡沫鎂材料的方法逐漸成熟，泡沫鎂材料的應(yīng)用前景也開始引起廣泛關(guān)注。泡沫鎂具有許多特殊性能，是一種應(yīng)用前景極好的金屬材料。本文主要介紹泡沫鎂材料在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、散熱器、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3.1 航空航天

在航空航天產(chǎn)業(yè)，泡沫鎂材料有著廣闊的應(yīng)用前景。泡沫鎂密度小，性能較好，既能用作結(jié)構(gòu)材料，又能用作功能材料，可取代其他比其密度大的純金屬或合金應(yīng)用于航天器上，大大減輕航天器的重量，降低發(fā)射成本。泡沫鎂多孔的結(jié)構(gòu)使其具有良好的阻尼、吸能特性，可用來制作防振座椅。載人飛船在發(fā)射和回收過程中，沖擊振動(dòng)非常強(qiáng)，對(duì)航天員身體傷害極大。使用泡沫鎂材料制作的防振座椅可大大減輕對(duì)航天員的傷害。泡沫鎂因其內(nèi)部充滿相互連通或不連通的孔隙結(jié)構(gòu)，故受壓時(shí)塑性變形比實(shí)體金屬大得多，可有效吸收振動(dòng)過程中的能量。此外，航天器返航著陸時(shí)回收艙艙底與地面撞擊，產(chǎn)生的沖擊能量很強(qiáng)，可利用吸能性能良好的泡沫鎂制作航天器回收艙的艙底，緩沖著陸時(shí)的沖擊，或?qū)⑴菽V制成夾層結(jié)構(gòu)填充在蒙皮間。泡沫鎂還具有很好的隔音和散熱性能。可在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)周圍包覆一層泡沫鎂隔板或直接用泡沫鎂制作發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，這樣既能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，又能加快散熱。

3.2 生物醫(yī)學(xué)

泡沫鎂的仿生性能很好，可用作生物醫(yī)學(xué)材料。鎂合金是一種生物降解性能很好的材料，有很好的生物相容性能和生物吸收性能。泡沫鎂的孔隙結(jié)構(gòu)與人骨類似?？赏ㄟ^控制泡沫鎂的孔隙結(jié)構(gòu)使其與人骨組織相匹配，植入人體代替人骨。通常高純度開孔泡沫鎂材料的生物相容性和力學(xué)性能較為符合植入條件，因此相對(duì)于熔體發(fā)泡法、金屬-氣體共晶定向凝固法等方法，采用熔體滲透法制備的泡沫鎂材料更適合用作生物醫(yī)學(xué)材料，尤其是前文提到的使用鹽-面粉混合料作為填料的熔體滲透法，可調(diào)控性很強(qiáng)，可根據(jù)不同需求制備不同結(jié)構(gòu)的泡沫鎂生物醫(yī)學(xué)材料。但泡沫鎂的易腐蝕性能限制了其發(fā)展，AGHION等[17]對(duì)使用粉末冶金法制備的泡沫鎂進(jìn)行了耐蝕性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)泡沫鎂極易被腐蝕，因此如要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，則需要進(jìn)行涂層處理。RA等[18]以AZ31鎂合金為基體進(jìn)行陽極涂層處理，制備了一種可降解的泡沫鎂材料并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該材料適合用于生物醫(yī)學(xué)。

3.3 散熱器

泡沫鎂的散熱性能也很好，已開始被研究用來制作計(jì)算機(jī)、發(fā)光二極管(LED)等設(shè)備的散熱器。王芳等[19]研究了用泡沫鎂合金制作的LED散熱器的散熱性能，發(fā)現(xiàn)在自然對(duì)流條件下，在一定的孔隙率范圍內(nèi)，散熱器的導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)隨孔隙率的增大而下降，其散熱效果降低。

3.4 汽車

在汽車產(chǎn)業(yè)，泡沫鎂材料也逐漸得到應(yīng)用。泡沫鎂材料具有良好的吸能性能，可用于制作汽車上需要緩沖減振的零部件。德國(guó)將通過粉末冶金方法制備的泡沫鎂材料設(shè)計(jì)成夾層架構(gòu)用于汽車上。這種夾層架構(gòu)外殼堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，內(nèi)部有泡沫鎂材料，受到撞擊時(shí)可有效利用泡沫鎂材料的吸能性能，減輕對(duì)乘客的傷害。此外，泡沫鎂材料吸聲性能優(yōu)異，可有效應(yīng)用于隔音場(chǎng)所，如作為公路、地鐵的隔音板等。

4 結(jié)束語

泡沫鎂是一種具有諸多良好的特殊性能的材料，制備方法較多，應(yīng)用前景廣闊，可用作一種新型航天材料。本文介紹了泡沫鎂材料的阻尼性能、吸能性能、吸聲性能、電磁屏蔽性能、力學(xué)性能等幾種主要性能；簡(jiǎn)述了滲流鑄造法、熔模鑄造法、粉末冶金法、熔體發(fā)泡法、定向凝固法等幾種重要的泡沫鎂材料的制備方法；分析了泡沫鎂在航天器、生物醫(yī)學(xué)、散熱器、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫鎂材料基本還停留在研究階段，較少有應(yīng)用實(shí)例。但隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫鎂研究的不斷深入，泡沫鎂材料勢(shì)必得到廣泛應(yīng)用。后續(xù)將對(duì)泡沫鎂材料進(jìn)行改性研究，并逐步將泡沫鎂材料應(yīng)用于生產(chǎn)生活。