盧翰林，陳樂平，周全

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

20 世紀(jì)50 年代以來，泡沫金屬因其密度低、比剛度和比強(qiáng)度高、阻尼性能良好等優(yōu)點(diǎn)，引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。鋁由于其較穩(wěn)定、儲(chǔ)量豐富、密度小等優(yōu)點(diǎn)，一直是泡沫材料中的熱門。由于鎂的密度比鋁小，電磁屏蔽性能比鋁好，泡沫鎂同樣是非常有潛力的一種材料，但由于鎂較活潑，易引起氧化燃燒甚至爆炸，故關(guān)于泡沫鎂的研究較少。文中主要介紹了泡沫鎂的幾種性能特點(diǎn)、制備方法，并對(duì)泡沫鎂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 泡沫鎂的性能

泡沫鎂作為一種多孔材料，與實(shí)體金屬相比，有著更優(yōu)良的阻尼性能和吸能性能，泡沫鎂的特殊結(jié)構(gòu)，使其兼具優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性和功能性，其密度比泡沫鋁還小，比強(qiáng)度和比剛度也比泡沫鋁高，在功能上，其阻尼性能和抗電磁干擾能力比泡沫鋁更好，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 阻尼性能

泡沫鎂材料由氣孔與鎂基體組成，其組織結(jié)構(gòu)不均勻，內(nèi)部存在許多孔隙，使其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線存在一段較長(zhǎng)平臺(tái)區(qū)，即泡沫鎂具有優(yōu)良的阻尼性能[1]。封偉民[2]測(cè)試了AZ91 合金與泡沫鎂的阻尼性能，應(yīng)變量相同的情況下，相較于AZ91/SiC 復(fù)合材料，泡沫鎂材料具有更大的阻尼值，其阻尼性能更優(yōu)。

1.2 吸聲性能

入射到泡沫鎂材料內(nèi)部的聲波在孔隙結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而引起孔隙內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，使孔壁與空氣產(chǎn)生摩擦，由于流體具有粘滯性，孔壁表面的空氣流速緩慢，此時(shí)一部分聲能由于摩擦和粘滯力的影響轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰?，空氣與孔壁接觸也會(huì)產(chǎn)生熱交換，使聲波衰減，從而使泡沫鎂材料具有吸聲性能。鄭照彬[3]研究了開孔泡沫鎂的吸聲性能，研究表明開孔泡沫鎂的孔隙率增大會(huì)增強(qiáng)其吸聲性能。

1.3 吸能性能

泡沫鎂受到外加應(yīng)力作用而壓縮時(shí)，由于其獨(dú)特的孔洞結(jié)構(gòu)，表面的塑性變形比實(shí)體金屬的塑性變形大，且由于具有較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，可吸收大量的能量，故具有優(yōu)良的吸能性能，因此泡沫鎂在緩沖吸能方面的應(yīng)用較為廣闊。鄭照彬[3]研究了開孔泡沫鎂的吸能性能，研究表明孔隙率增大會(huì)導(dǎo)致其吸能性能降低。

1.4 散熱性能

由鎂基體和孔隙組成的泡沫鎂材料有較高的比表面積，熱交換面積較大，故孔隙中的空氣流通時(shí)，空氣的熱量能迅速且均勻地傳導(dǎo)至泡沫鎂各部分，因此泡沫鎂可應(yīng)用于散熱器領(lǐng)域。王超星等[4]對(duì)強(qiáng)制對(duì)流下通孔泡沫鎂的孔隙率、孔徑和散熱效果的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)泡沫鎂孔徑對(duì)其散熱性能影響最大，其次為孔隙率。李賢昌等[5]也探討了強(qiáng)制對(duì)流下泡沫鎂散熱器的散熱情況，發(fā)現(xiàn)其散熱效果比傳統(tǒng)散熱器的散熱效果更好，且其孔徑、孔隙率的增大會(huì)使其綜合散熱性能增強(qiáng)。李楠楠等[6]對(duì)LED 燈上泡沫鎂合金散熱器的散熱效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其底座厚度、孔結(jié)構(gòu)及孔徑對(duì)散熱效果影響最大，且與原散熱器相比，泡沫鎂合金散熱器使 LED 燈的溫度下降了1.2～3.9 ℃。南森[7]研究了自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流下孔隙率泡沫鎂合金的散熱性能，發(fā)現(xiàn)無論在自然對(duì)流還是強(qiáng)制對(duì)流條件下，泡沫鎂散熱器的散熱效果都優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器。徐夢(mèng)欣[8]分析了泡沫鎂合金散熱器的散熱原理，并以泡沫鎂材料為散熱體，制作出了電腦CPU散熱器。

1.5 生物醫(yī)學(xué)性能

泡沫鎂可作為生物材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)。例如泡沫鎂可以用于制作骨架，因?yàn)槿梭w體內(nèi)含有鎂元素，不會(huì)對(duì)泡沫鎂產(chǎn)生免疫排斥。另外，從力學(xué)性能方面看，泡沫鎂與人體骨骼的力學(xué)相容性好，故泡沫鎂材料在骨骼工程方面有良好的應(yīng)用前景[9—15]。沈劍[16]利用堿熱處理法對(duì)泡沫鎂表面進(jìn)行改性，研究了不同孔隙率的泡沫鎂經(jīng)多孔鎂堿熱處理后在SBF 中的耐腐蝕性能，結(jié)果表明泡沫鎂經(jīng)堿熱處理后抗腐蝕性能明顯加強(qiáng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)泡沫鎂孔隙率提高時(shí)，彈性模量下降，這為泡沫鎂的彈性模量與人體相匹配提供了可能。

1.6 電磁屏蔽性能

泡沫鎂的多孔結(jié)構(gòu)使其具有較大的比表面積。當(dāng)電磁波傳播至泡沫鎂的孔洞中時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射和干涉，使得電磁波能量被大量消耗，故泡沫鎂有著優(yōu)良的電磁屏蔽能力，適用于航空航天等領(lǐng)域。

2 泡沫鎂的制備方法

隨著泡沫鎂材料的開發(fā)越來越被重視，國內(nèi)外發(fā)展起來了一系列泡沫鎂制備技術(shù)，主要包括粉末冶金法、熔體發(fā)泡法和滲流鑄造法等。

2.1 粉末冶金法

日本名古屋（AIST）研究所的Wen 等[17]最早使用粉末冶金法制備泡沫鎂。他們以鎂粉為原料，加入尿素作為發(fā)泡劑，將兩者混合均勻并壓制成緊密的預(yù)制體，放入容器內(nèi)加熱燒結(jié)，待發(fā)泡劑受熱分解即可獲得帶有孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫鎂材料。后續(xù)也有一些研究人員進(jìn)行了改善，郭權(quán)芬[18]使用的造孔劑為(NH2)2CO，對(duì)工藝參數(shù)和原料進(jìn)行了改進(jìn)，運(yùn)用粉末冶金法的原理，成功實(shí)現(xiàn)了開孔泡沫Mg-6Al 合金的制備，成品的孔隙率為30%～70%，平均圓度值為0.75，平均孔徑約為1.1 mm，孔壁厚度約為100～300 μm。孫紅霞[19]采用的發(fā)泡劑為K2CO3，為避免鎂發(fā)生氧化燃燒甚至爆炸，在鎂發(fā)泡時(shí)充入氬氣，使其在惰性氣體氛圍中進(jìn)行發(fā)泡。沈劍等[16]運(yùn)用粉末冶金法原理成功制備出泡沫鎂，其孔隙率最低為20%，最高可達(dá)55%，且研究了泡沫鎂孔隙率對(duì)其壓縮性能及抗彎強(qiáng)度的影響。

使用粉末冶金法制備泡沫鎂方便快捷，制作周期較短，且可通過控制發(fā)泡劑的顆粒大小與含量調(diào)整泡沫鎂的孔隙大小和孔隙率，是常用的制作泡沫鎂的工藝方法之一，但是此方法制作的泡沫鎂孔隙率一般較低，孔隙范圍較窄。

2.2 熔體發(fā)泡法

熔體發(fā)泡法是制備泡沫鎂的一項(xiàng)成熟工藝，其原理是熔融金屬鎂中的發(fā)泡劑受熱會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出氣體，金屬液冷卻凝固時(shí)氣體逸出形成氣泡，故泡沫鎂材料最后會(huì)形成孔隙結(jié)構(gòu)。

蘆國強(qiáng)[20]運(yùn)用熔體發(fā)泡法的原理，成功實(shí)現(xiàn)了泡沫鎂合金的制備，并且研究了制備工藝對(duì)泡沫鎂材料制備效果的影響，結(jié)果表明使用SiC 和Ca 作為復(fù)合增粘劑可以達(dá)到更好的效果，且總結(jié)了此情況下的最佳工藝參數(shù)。南昌航空大學(xué)周全等[21]以MgCO3為發(fā)泡劑，SiC 為增粘劑，采用熔體發(fā)泡法制備出了泡沫鎂材料。此方法以MgCO3為發(fā)泡劑，降低了熔體發(fā)泡法制作泡沫鎂的成本，為泡沫鎂通過熔體發(fā)泡法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)提供了更多的可能。

熔體發(fā)泡法制備泡沫鎂操作簡(jiǎn)單，成本低廉，有利于大批量生產(chǎn)，然而發(fā)泡過程受影響較多，易導(dǎo)致泡沫鎂孔隙率、孔隙大小等不穩(wěn)定。

2.3 滲流鑄造法

泡沫鎂材料的制備方法中，滲流鑄造法也是較為成熟的一種方法，其原理是鑄型中帶有孔隙的預(yù)制體由水溶性鹽顆粒制成，鑄型上部與大氣接觸時(shí)，控制底部氣壓小于大氣壓，存在一定壓力差，此時(shí)將熔融的金屬鎂或鎂合金注入鑄型中，金屬液就被吸進(jìn)預(yù)制體中，待其冷卻凝固后取出，再進(jìn)行必要的機(jī)械加工得到需要的形狀后，用溫水溶解除去填料顆粒，即得到帶有孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫鎂材料。

NaCl 和MgSO4常被用作滲流鑄造法的填料顆粒，但NaCl 對(duì)鎂具有一定的腐蝕性，故MgSO4被用作填料顆粒的頻率更高。陳樂平等[22]對(duì)真空滲流法制備泡沫鎂合金的工藝進(jìn)行了研究，制備出了孔徑為1～2 mm 的開孔泡沫鎂合金，并對(duì)填料進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)相比于NaCl，MgSO4合金基體的腐蝕較少。不過也有學(xué)者采用了特別的填料顆粒，WANG 等[23]以鹽-面粉混合料為填料，運(yùn)用熔體滲透法原理成功實(shí)現(xiàn)高純度、高質(zhì)量的開孔泡沫鎂制備。Jiang G 等[24]采用了滲流鑄造法和酸腐蝕相結(jié)合制備出了孔隙率為58.5%，平均孔徑為490 μm，具有雙層結(jié)構(gòu)的多孔鈦鎂復(fù)合材料。

滲流鑄造法工藝流程中的影響因素少，便于控制，操作也較為簡(jiǎn)單，有利于泡沫鎂產(chǎn)品的大批量機(jī)械化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是鎂作為活潑金屬，在滲流過程中易被氧化，導(dǎo)致燃燒甚至爆炸，故對(duì)設(shè)備的安全防護(hù)能力具有較高的要求。陳樂平等[25]對(duì)真空滲流法制備泡沫鎂合金的工藝安全性進(jìn)行了研究，分析了滲流時(shí)和滲流后鎂合金發(fā)生燃燒和爆炸的原因，發(fā)現(xiàn)滲流時(shí)鎂液會(huì)與水或氧氣接觸反應(yīng)而燃燒甚至爆炸，滲流后鎂合金的周圍溫度過高而引起鎂燃燒甚至爆炸。

2.4 其他方法

金屬-氣體共晶定向凝固法也在多孔金屬材料的制備方法中占了一席之地，也稱GASAR 法。此方法的制備原理是先在真空環(huán)境下熔化金屬，然后向金屬液中通入高壓氣體，氣體濃度達(dá)到飽和后，由于氫氣或其他氣體在金屬固液兩相中的溶解度不同，故金屬液凝固時(shí)，氣體會(huì)析出形成氣泡并與固相金屬協(xié)同定向生長(zhǎng)，形成蓮藕狀的氣孔組織。與傳統(tǒng)方法制備的多孔鎂相比，GASAR 法制備的多孔鎂有著更優(yōu)異的聲學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和吸震等性能，不過其凝固過程難以控制，金屬的孔隙分布、孔隙大小較不均勻。Kang等[26]選用NaCl 為造孔劑，利用放電等離子體燒結(jié)（SPS）技術(shù)成功制備了泡沫鎂材料，其孔徑約為240 μm，孔隙率分別為60%，70%，80%。放電等離子體燒結(jié)（SPS）技術(shù)可提高泡沫鎂在SBF 溶液中的耐蝕性，缺點(diǎn)是放電等離子體燒結(jié)工藝設(shè)備復(fù)雜，成本較高。陳勇[27]采用微波燒結(jié)技術(shù)制備了泡沫鎂，并對(duì)其進(jìn)行了SiC 顆粒增強(qiáng)（形成SiC/Mg 復(fù)合材料）和微弧氧化表面改性研究。微波燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是快速高效、節(jié)能無污染，并可提高材料綜合力學(xué)性能和促進(jìn)致密化，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，操作難度大。

3 泡沫鎂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景

泡沫鎂材料在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。航空航天構(gòu)件材料的重要發(fā)展方向之一就是輕量化，目前實(shí)際應(yīng)用的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料就是鎂合金。泡沫鎂具有多孔結(jié)構(gòu)，比一般的鎂合金更輕，且擁有許多優(yōu)良性能，可作為結(jié)構(gòu)和功能材料應(yīng)用于飛行器和航天器上，大大減輕飛行器和航天器的重量，帶來巨大的減重效益。減重相同質(zhì)量的條件下，商用飛機(jī)帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省是汽車燃油費(fèi)用節(jié)省的近100 倍，而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10 倍，尤其是提高戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性能及速度可大大提高其生存能力和戰(zhàn)斗力。泡沫鎂的高比剛度、高比強(qiáng)度，使其可作為飛機(jī)的尾翼、直升機(jī)的減速器機(jī)匣、航天器的電控箱等的制造材料之一，可以減輕較多重量[28]。泡沫鎂優(yōu)良的阻尼性能、吸能性能，使其可作為飛機(jī)防震座椅的佳選材料，為乘客提供更加舒適的體驗(yàn)[29]。

泡沫鎂由于其獨(dú)特的孔洞結(jié)構(gòu)，塑性變形比實(shí)體金屬的塑性變形大，且具有較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，能吸收大量的能量，吸能性能良好，可用于制作飛機(jī)起落架和航天器回收艙的艙底，減緩著陸時(shí)的沖擊[30]。泡沫鎂亦可看作是由三維網(wǎng)狀金屬骨架和孔洞所組成的復(fù)合材料，當(dāng)其受到外力作用時(shí)，基體會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的不均勻應(yīng)變，造成能量耗散，故泡沫鎂可以作為一種新型輕質(zhì)高阻尼材料應(yīng)用于噴氣機(jī)控制盤的外殼等[31]。人造衛(wèi)星、火箭飛船等軟著陸時(shí)依然會(huì)承受較大的沖擊，泡沫鎂材料則可以用于制作著陸器，減緩沖擊，保護(hù)航天器。優(yōu)良的電磁屏蔽性能和吸聲性能也可使其作為飛機(jī)夾層結(jié)構(gòu)填充在蒙皮間，降低外界對(duì)飛機(jī)內(nèi)部的干擾[29]。

泡沫鎂材料的良好散熱性能可使其用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，加快散熱，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間。

4 結(jié)語

泡沫鎂具有諸多優(yōu)良性能，無論是作為結(jié)構(gòu)材料還是功能材料，都領(lǐng)先于許多傳統(tǒng)材料，其制備方法也較多，有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在航空航天領(lǐng)域有著很大的潛力。主要介紹了泡沫鎂材料的阻尼性能、吸能性能、電磁屏蔽性能等性能特點(diǎn)；簡(jiǎn)述了泡沫鎂制備方法中的粉末冶金法、熔體發(fā)泡法、滲流鑄造法，并分析了每種方法具備的優(yōu)勢(shì)及存在的問題；概括了泡沫鎂材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景。由于鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，泡沫鎂易在制備過程中被氧化，引起燃燒甚至爆炸，所以現(xiàn)今國內(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，但泡沫鎂材料優(yōu)勢(shì)巨大，相信隨著其研究的繼續(xù)深入及制備工藝的不斷完善，泡沫鎂材料必會(huì)更加廣泛地被應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。