项目合作 | 新型多孔金属材料

项目名称：新型多孔金属材料

项目编号：2018GB001

项目来源:中国

当前状况：专利技术

合作模式：投资合作

项目简介：

新型多孔金属材料是近年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料。它们具有高孔隙率，其微结构按规则程度可分为无序和有序两大类。与传统材料相比，新型多孔材料具有千变万化的微结构，在保持高孔隙率的前提下，孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级。因此，多孔金属具有良好的可设计性，可以根据不同应用的需求在制备前进行优化设计。

我们所开发的新型多孔材料制备技术是原创性金属变形技术，通过在钢铁冶炼过程中所采用的特殊工艺使金属材料形成所希望的多孔隙结构。与同种化学成分组成的普通金属材料相比，这种新型发泡多孔金属材料具有如下的明显优势：

（1） 强度高、刚度大；

（2） 孔隙可以相互贯穿，孔隙内表面为光滑镜面（图1-1）；

（3） 孔隙方向可控（可以轴向可以放射状）（图1-2）；

（4） 孔隙大小、孔隙疏密度可在很大范围内任意调整；

（5） 价格相对低廉；制备工艺简单；

（6） 可以制成各种密封和通透材料，孔隙长短可控，可以形成贯穿通孔，

也可以任意加隔断（图1-3，1-6）；

（7） 可以按任意比例将多孔材料与普通材料交错复合于一体（图1-4）；

（8） 可以在普通材料内部或者表面单独形成多孔结构（图1-5）；

（9） 机械加工性能好，可以任意切削、压力加工、焊接和熔接；

（10） 国际上出现的其他孔隙发泡材料内部只能形成封闭空腔、盲孔，

且方向不可控，该多孔材料孔隙方向可控，可以是轴向，也可以是

放射状（图1-2）。

本技术这种基于金属铸模生产的多孔材料中孔隙形状为圆柱或椭球形，直径从几个微米到几厘米。材料孔隙度达45-60%，而且孔隙表面为镜面。目前，研制出以铁、镍、铜、镁、铝、钴及这些金属各种合金生产相应的多孔材料。

目前我们已经获得了该技术的中国专利。

项目用途：

多孔材料是一种性能优异的新型工程材料，用途十分广泛，涉及航空航天、电子与通讯、原子能、石油化工、交通运输、冶金、机械、医学、环保、建筑等诸多领域以及电化学应用等方面。

由于金属材料中存在大量的孔洞，所以材料的比重显著减小，如上述的多孔模具钢的比重经测试只有5.0g/cm，比无孔的该材料(比重7.6g/cm)减少34.2%。如果是铝合金或镁合金的多孔材料，它们的比重可以小于l，只要材料的外表是致密的，那么它们可以浮出水面。由于多孔金属材料比重小，比强度大，所以它可以以构件的形式广泛应用于机械工具和交通运输工具上。如果将多孔材料轧制成板材，那么可以制作汽车、机器的蒙皮，以取代目前所用的板材。鉴于多孔金属材料具有很好的能量吸收特性，所以它可以用来制造能量吸收器，减震缓冲器等应用于机械工程和车辆工程。当它们受到突然的冲击时，不容易造成车毁人亡的恶性事故。有些多孔金属材料是通过金属与气体的共品凝固获得的，所以材料内部储藏大量气体，只要这些孔洞是封闭型的，那么当材料接收到振动源的能量时，由于材料内部具有很大的内耗，而将传递来的能量化解掉。多孔金属材料还具有很好的吸声能力，所以广泛应用于噪音源的隔离材料，如多孔铝合金、镁合金应用于潜水艇内的隔墙，可以很好地防止声纳的跟踪。用于人流嘈杂地方的天花板，可以大幅度降低噪音。将来该材料还可以用于汽车等交通工具上，减少发动机噪音的传出。多孔金属材料具有很大的比表面积，所以它在电化学中被利用来制造电化学电极，可以大大提高电化学反应过程中能量的释放，如泡沫镍电极电池就是一例。由于多孔金属材料的比表面积大，换热散热能力高，耐急冷急热性能好，而且具有很好的吸声能力，所以它是汽车尾气处理器理想的材料。多孔金属材料还具有很好的电磁波吸收特性、对气体敏感特性等特点，所以它在通讯工程，环保工程等领域有广泛的应途。更值得一提的是，日本材料工作者利用仿真技术，正在开发多孔金属材料的人工骨骼。据称该材料具有生物材料的特性，所以是人体理想的骨骼材料。如果实施该项目将填补国内空白，创造巨大的经济效益和社会价值。

综上所述，其用途主要体现在如下几个方面：

•    用于自润滑轴承(图2)

可制造成各向异性滑动轴承，承载能力非常高，孔隙度可达50%，会吸入更多的润滑油而强度不会明显下降；由于孔隙是放射状分布，轴承不会失油、寿命长；发泡孔隙青铜制造轴瓦，昂贵的铜合金消耗可降低30－40％

•    可反复使用的耐高温过滤器，与传统过滤材料相比优势巨大（表1）

使用过程中过滤孔隙尺寸不变；可以100%回收利用，且恢复100%过滤能力；回收和清洗工艺简单；寿命是网状过滤材料5-10倍；过滤时流体阻力很低；可以根据用户原来旧过滤器安装位置尺寸制造；更换旧过滤器时无需改变原来结构也不需要加注润滑油；可在高达500-600℃无腐蚀环境中正常工作；过滤器元件采用钎焊或焊接的方法连接

•    用作分离、分选、筛分机构材料，如排除供暖系统中空气的水汽分离器：

为了避免电腐蚀，对于铸铁和钢制暖气片应该用多孔铜做水汽分离器 ；对于铝（合金）暖气片应挑选其他材料；

•    高强度轻质结构材料

•    催化剂基和催化剂

•    广谱的辐射吸收材料

•    散热器

•    燃料喷雾器

•    摩擦材料

•    蒸腾冷却材料

•    纳米过滤器的骨架材料

•    各种用途复合材料

•    各种移植、植入材料

项目特点：

多孔金属材料是近十几年内发展起来的新材料，它具有结构材料和功能材料的特性，是许多普通金属材料所无法具备的。它的开发是人类社会发展的必然趋势。我们可以预见到，多孔金属材料具有很好的开发前景和广阔的用途。许多材料学家都认为，二十一世纪前五十年多孔金属材料的研究和应用将会受到人们很大的关注。该种新型多孔材料创新点主要表现为以下几方面：

 (一) 超轻 该种新型多孔材料的密度大大低于传统的固体材料。不同多孔材料的制备方法和工艺迥异，但超轻多孔材料的孔隙率达90%，有时甚至高达99%。也就是说其密度最小可以只有其基体材料的1%。以多孔泡沫铝为例，如果其空隙率是96%，那么其密度则只有0.108g/cm3，仅是水密度的十分之一。

(二) 高强韧、耐撞击 大量的试验结果表明，多孔金属在承受压应力时其应力～应变曲线上的塑性变形阶段（名义应变在0.5%～75%范围）的应力几乎恒定不变。它们在变形时大量的能量被转变为塑性能，以热量形式耗散，是用作撞击防护的优良材料。此外，多孔金属还是典型的韧性材料，可以防止多孔金属构件存在裂纹和缺陷时发生瞬间的灾难性破坏，有利于人们监测其损伤及发展。

(三) 高比强、高比刚度 在航空工业已得到广泛应用的蜂窝铝层合板壳（闭孔）有很好的机械性能，但其价格昂贵（蜂窝铝的国际市场价格～$4000/kg，是闭孔泡沫铝的100-1000倍），同时其性能有很强的方向性。人们发现制造成本相对低得多的点阵材料的比刚度几乎可与蜂窝材料相媲美，而其比强度甚至更高。同时，由于点阵材料多是开孔结构，它们还具备有蜂窝材料所欠缺的多种其它功能，如强迫对流散热、降噪等。

(四) 高效散热、隔热 开孔的多孔金属在强迫对流下是优良的传热介质，可以作为承受高密度热流的结构（如空天飞行器、超高速列车）和微电子器件（如高速芯体）的散热装置。此外，在高孔隙率点阵桁架结构中填充隔热纤维（如Safill氧化铝纤维），可达到隔热与承载的双重目的，在航天结构隔热部件、电子设备热防护层、核电厂交换器隔热层等领域有广泛应用。

(五) 噪声管理 现有的初步研究表明，开孔的泡沫金属和点阵材料的吸声效果良好，而且当孔径在0.1～0.5mm之间时其吸声效果达到最优。与传统吸声材料相比，多孔金属具有高比刚度、高比强度、无毒、耐腐蚀和耐高温等明显优势。

(六) 多功能集成 除了上述优点之外，多孔金属的另一特点在于其拥有大量的内部空间，较易实现多功能集成。例如，如果把泡沫镍用作层合板的层芯，由于其具有极高的比表面积，还可同时作为电池的化学反应媒介来提高其化学反应效率和电流密度，这样该材料既可用作结构部件来承受机械载荷，又可以用作储能材料；如果将多孔材料制成层合结构（层芯以冷却剂流通加强散热）且外层辅以更好的耐热（或烧蚀）材料，则可作为航天和空天飞行器中非常重要的高效轻质隔热和散热结构材料；经过微结构优化设计的多孔材料与外表面吸波材料相结合可以更好地在飞机和舰船上实现隐身和降噪；如果在多孔材料的某些部位有选择性地引入传感元件和促动元件，则可以实现机敏结构的各种功能，用于飞行器形貌的主动控制、展开式空间望远镜及卫星反射等等。

项目应用：

近年来，随着现代科学技术特别是纳米技术的迅速发展，微观有序的材料以其种种特异的性能引起了高度的重视。在各种各样的有序材料当中，三维长程有序的多孔性材料取得了很大进展，由于其质轻、多孔的特点而将其用作结构材料、载体材料、吸附材料和阻隔材料等等。

多孔材料大致上可分为三类：大孔材料(macroporous material)平均孔径在50nm以上、介孔材料(mesoporous material)平均孔径在2－50nm之间、微孔材料(microporous material)平均孔径在2nm以下（这类材料在新兴的光子晶体、光电开关等光电子器件的制造领域可望发挥很大的作用）。在多孔材料的家族中，金属多孔材料作为极其重要的一员，是一种具有渗透性好，孔隙和孔径可控，形状稳定，耐高温，抗热震，能再生，可加工等特殊性能的功能材料。它的基本性能有孔径，孔隙度，透过性能，力学性能等。金属多孔材料广泛应用于航空，航天，原子能，石化，冶金，机械，医药，环保等行业的过滤，分离，消音，布气，催化，热交换等工艺中。近年来，各领域对金属多孔材料的需求大大促进了其发展。

多孔材料在许多领域有着广泛的应用，如微孔分子筛作为主要的催化材料、吸附分离材料和离子交换材料在石油加工、石油化工、精细化工以及日用化工中起着越来越重要的作用。在高新技术应用领域，多孔材料也展现出良好的发展前景，如人们利用瓶中造船路线，在微孔分子筛孔道中制备染料复合体，为进一步研究固体微激光器提供基础；通过纳米化学反应路线技术，在微孔分子筛笼中制备Cd4S4纳米团簇或通过“嫁接”或“锚装”等方法组装具有特定功能与性质的复杂分子、配合物、簇合物、金属有机化合物、超分子、纳米态、积聚体与高聚物等。

半个世纪以来，随着多孔材料类型与品种的不断扩充与发展，应用领域的拓宽与需求的增加，研究领域和学科间交叉与渗透的日益加强及深化，研究方法与现代试验技术的进步，大大推动了多孔材料化学内涵的深入与学科面的拓宽。

我国金属多孔材料方面已有一定的生产能力，如在90年代末期，我国的烧结青铜、不锈钢、镍及镍合金、钛等材料的产量就分别达到90万件、3.6万件、0.7万件和1.6万件；不锈钢金属纤维毡材料也建立了规模生产线，基本上也能满足国内需求。然而，国内生产的金属多孔材料主要是铜、镍、钛、不锈钢烧结多孔材料和不锈钢纤维毡材料。

国外除了上述多孔材料以外，还大量生产复合金属丝网和泡沫金属材料，并正在开发新型的复合结构多孔材料，如用不锈钢毡和丝网复合制作的复合网毡，双层粉末过滤器，其表面层用细粉保证过滤精度，支撑层用粗粉保证低的压力降；还有用薄的不锈钢毡与粗粉末复合，这种结构材料在保证过滤精度的同时还能耐受较大的反冲压力，已经应用于啤酒中2µm酵母的过滤；另外，用丝网和粉末复合得到复合多孔材料，它具有精细过滤作用，又具有较大的延伸性，可做成大表面积的折叠过滤元件等。

国内金属多孔材料应用的领域正在不断拓展，市场需求增长迅速。例如：在过滤与分离应用方面，用金属多孔过滤器过滤空气，已被广泛应用于各种厌氧菌的生长，如制药行业中四环素、红霉素的生产，食品行业味精生产和制革行业酵母菌的培养，它几乎取代了原来的活性炭加脱脂棉的空气过滤器；在冶金工业湿法冶炼钽粉生产中，熔融金属钠可采用镍过滤器，锌冶炼中的硫酸锌采用多孔钛过滤，钢铁厂高炉煤气净化采用了不锈钢过滤器；在原子能工业，不锈钢过滤器已用于CO2冷却气体的过滤及反应堆中钠等液态金属载体的过滤；在宇航工业，多孔不锈钢可用于航空器及制导陀螺液压油的净化等；在纺织行业，不锈钢多孔材料可用于喷丝头前级过滤、聚酯切片生产中的熔体过滤等；在造纸行业，不锈钢多孔材料用于纸浆漂洗和污水处理；在石化行业，多孔不锈钢用于钻井中泥沙分离、油蜡分离、天然气过滤等；在化工行业金属多孔材料更是作为过滤分离材料广泛用于多相分离、净化过滤等工艺过程；在机械行业，金属多孔材料应用于净化分离机械中，如空压机的空气净化过滤等。除了作为过滤分离材料外，金属多孔材料还应用在电极材料方面，如镍纤维毡作为镍氢电池电极，多孔钽作为电容器电极等，还应用在高温催化剂载体，消音材料等。金属多孔材料具有阻燃防爆作用，如应用在飞机、汽车油箱里可以减少油箱爆炸的几率，也可以应用于热管材料、阻尼材料。还有可以作为医学材料，如多孔钛可作为人工关节材料等。

总之，无论是材料的生产研究方面，还是材料的应用需求方面，我国金属多孔材料正处于迅速发展阶段，具有很大的市场开发前景。

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