第5章先進的當(dāng)代汽車鋁材

1、第5章 先進的當(dāng)代汽車鋁材5.1易燃易爆流體運輸儲存抑爆鋁箔隨著工業(yè)的發(fā)展，油品及其他易燃易爆液態(tài)及氣態(tài)危險化學(xué)品的運輸和儲存 量越來越大，發(fā)生爆炸及火災(zāi)事故也會多一些，影響大，危害廣，給人們生活和企業(yè)生產(chǎn)帶來了很大影響。因此，抑制油品、液化氣和危害化學(xué)品的爆炸和火災(zāi)就愈來愈引起人們的關(guān)注。據(jù)美國的粗略統(tǒng)計，1979年度由于爆炸而造成的財產(chǎn)損失超過1.5億美元。中國由易燃易爆危險品引起的爆炸損失也相當(dāng)驚人，1992年秦皇島油庫爆炸事件，而后深圳市危險品倉庫又發(fā)生大火給我們敲響警鐘；2009年中國有約2800萬個液化氣罐，自20世紀(jì)70年代中期居民家庭開始 使用罐裝液化氣以來已發(fā)生爆炸事件上千次

2、，造成生命財產(chǎn)的重大損失。由此可 見，易燃、易爆氣體、液體儲罐、槽、箱的安全防爆是一個刻不容緩而又不容忽視 的重大問題。5.1.1鋁合金抑爆材料2_6為了防止容器內(nèi)易燃、易爆液體、氣體或粉塵的爆炸，可向容器內(nèi)放置一種 抑爆材料或抑爆裝置，在發(fā)生意外事故時，能防止容器發(fā)生爆炸。抑爆裝置由檢測初始爆炸的傳感器和壓力式滅火劑罐組成，它在接受動作信號后，需在毫秒級 時間內(nèi)使滅火劑罐開啟，立即噴出滅火劑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格也不菲，維護工作量也大，使用時還受到滅火粉劑每秒幾十米擴展速度的限制，當(dāng)可燃物質(zhì)的爆炸強度高時，抑爆劑無法對爆炸進行有效的抑制，而只能起到限制爆炸范圍的作用。 因此，必須研制新的抑爆材料。

3、國外西班牙科學(xué)家在20世紀(jì)60年代研制成泡沫狀聚氨脂抑爆材料，將其裝 填于容器中，其中的孔洞可以起到阻燃與抑爆的作用，又不會妨礙流體在其中自由流動。但在濕、熱的環(huán)境下，浸泡在燃油中的聚氨脂泡沫會因水解而破碎，其使用期限只有25年。80年代加拿大、奧地利等國又研制了新型的金屬抑爆材料，克服了聚氨脂泡沫抑爆材料的缺點，在軍事、工業(yè)、交通運輸和日常生活中得到了應(yīng)用。他們試驗過Cu、Ni、A1等泡沫金屬與絲狀編織物，但由于制造工藝復(fù)雜，成本較高等原因而沒有采用。目前國外應(yīng)用的金屬抑爆材料是由3003鋁合金制造，一種是呈蜂窩形的網(wǎng)狀，另一種是球狀的。由于球的直徑較小，可以從油箱的加油孔中直接加人，使用比

4、較方便，缺點是在每立方米中的加人量和所占的體積較網(wǎng)狀抑爆材料的大。金屬抑爆材料是一種用金屬制造的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，將它裝入存放易燃、易爆的流體容器后，在發(fā)生意外事故時，可以防止或抑制容器內(nèi)可燃?xì)怏w或蒸氣的爆炸，避免容器破壞。從抑爆效果和使用性能考慮，抑爆材料的原材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性，高的熱容量，低的密度和一定的力學(xué)強度性能。中國兵器工業(yè)部第五二研究所率先在中國研發(fā)抑爆材料，其性能已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。他們研制的鋁合金網(wǎng)狀與球狀材料采用3003鋁合金，不但強度高，工藝性能好，而且有一定耐蝕性，在一定時間內(nèi)不會影響燃料的性能，不需要特殊的維護。加入容器中的網(wǎng)狀抑爆材料僅占容積的1.1%，加人量約為

5、32 kg/m3容積。該種材料具有足夠力學(xué)強度，即使在盛裝燃料的容器發(fā)生激烈晃動 時，也不會破損或變形。他們曾將網(wǎng)狀抑爆材料裝人600 mm x340 mm x350 mm 的容器中，再將水加至容器高度的2/3，水平晃動容器運動頻率40次/min，移動距離200 mm。經(jīng)過40 h的晃動后，抑爆材料無變形或破損。抑爆材料可以明顯地減少容器中液體的晃動程度，使波動的沖擊力降低一個數(shù)量級。油箱中充填鋁合金抑爆材料后，還可以防止容器內(nèi)靜電的產(chǎn)生和積累。5.1.1.1抑爆原理裝有易燃、易爆流體容器中可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣的混合在爆炸極限范圍內(nèi)時，如遇到一定能量的點火源，就會發(fā)生爆炸。常規(guī)的可燃?xì)怏w的最大

6、爆炸壓力為0.70.8 N/mm2(乙炔的約為1.0 N/mm2)?？扇?xì)怏w的最大爆炸壓力實際上 與容器容積無關(guān)，容器容積的大小僅影響可燃?xì)怏w最大壓力的上升速度。容器容 積小時，最大壓力上升速度快。抑爆材料的抑爆原理與滅火器的工作原理相似。油箱爆炸通常是由于燃油的揮發(fā)性蒸氣快速燃燒，放出大量熱量，使油箱內(nèi)壓力急劇增高，超過了油箱本身允許承受的壓力。爆炸發(fā)生時，封閉容器內(nèi)產(chǎn)生的最大壓力取決于初始壓力、氣體摩爾數(shù)變化和溫度變化,即：可燃?xì)怏w發(fā)生燃燒反應(yīng)時，反應(yīng)前的Ni值與反應(yīng)后Nf值相差不大。例如，丙烷在空氣中完全燃燒，氣體摩爾數(shù)變化是：C3H8+502 + 18. 8 N2 =3C02 + 4H

7、20 + 18.8N2 反應(yīng)前的Ni=24.8，反應(yīng)后的Nf=25.8，因此，爆炸產(chǎn)生的壓力基本上是由于燃燒過程中溫度上升造成的。油箱中放置鋁合金抑爆材料后，由于抑爆材料疊層中的網(wǎng)眼組成了蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，把油箱內(nèi)腔分成許多很小的“小室”，這些“小室”可以遏制火焰的傳播。同時，這種蜂窩結(jié)構(gòu)在單位容積內(nèi)具有很髙的表面效能，從而具有極強的吸熱能力，可以迅速地將燃燒釋放的絕大部分熱量吸收，使燃燒反應(yīng)后的最終溫度Ti大大降低，反應(yīng)氣體的膨脹程度大為縮小，容器內(nèi)的壓力值增高不大。因此鋁合金抑爆材料具有良好的抑爆性能。 圖5 -1是第五二研究所汪之清等1在實驗室實測了抑爆材料對丙烷氣體爆炸壓力的影響。由圖可見

8、，由于抑爆材料的抑爆原理與一般的抑爆裝置不同，它不受抑爆裝置接收動作信號后開啟滅火劑罐動作時間的限制，因此，即使對于爆炸強度髙的可燃?xì)怏w，如焦?fàn)t煤氣、氫氣等也有明顯的抑爆效果。5.1.1.2抑爆材料的性能(1)裝填量與抑爆壓力的關(guān)系鋁合金抑爆材料是利用吸收爆炸氣體的熱量來抑爆的，因此，在一定容器中 加入量越多，抑爆效果也越好，不過此時抑爆材料在容器中所占的體積和使用成本也相應(yīng)增加。因此，必須求出最佳加入量。為此，汪之清等進行了抑爆材料的裝填密度與抑爆性能關(guān)系的試驗，在筒狀密閉器中留出占該容器容積5%的空腔，其余95%的容積充填不同密度的網(wǎng)狀抑爆材料。在丙烷-空氣混合濃度、初始壓力與試驗溫度相同

9、的條件下試驗。容器中不裝抑爆材料時，丙烷-空氣混合氣的爆炸壓力為0.69 0.72 N/mm2。試驗結(jié)果如圖5-2所示。抑爆壓力Ps為三個測壓傳感器所測壓力的算術(shù)平均值。從圖中可以看出，抑爆材料裝填密度為32 kg/m3時的抑爆壓力值為0.05 N/mm2。當(dāng)裝填密度超過此值后，曲線斜率減小，再進一步增加裝填密度，抑爆壓力的降低比較緩慢。中國盛裝石油產(chǎn)品的200L閉口鋼桶的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 32584)規(guī)定，輕型桶應(yīng)通過0.14 N/mm2的水壓試驗。因此，在一般情況下，將網(wǎng)狀抑爆材料的裝填密度控制在32 kg/m3時，油桶在使用中即使遇到意外事故也是安全可靠的。對于特定的使用對象，例如對爆炸壓

10、力高的乙炔、苯等可燃?xì)怏w或蒸氣，具有不同強度或不同工作溫度的盛裝容器，還需通過專門的抑爆試驗確定抑爆材料裝填密度。抑爆材料在實際使用中，不一定能把容器空腔百分之百地充填滿。例如，有 的儲存燃料容器中還裝有測量燃料儲存量的浮子等機構(gòu)。于是出現(xiàn)了抑爆材料沒有完全充滿容器，在使用時是否安全可靠的問題。為此，他們在抑爆性能測試裝置中進行了裝入一定量的網(wǎng)狀抑爆村料，改變其留空空腔Vc的抑爆試驗。裝入網(wǎng)狀抑爆材料的量為4.56 kg,其名義裝填密度為30 kg/m3。容器中不裝抑爆材料時，丙烷-空氣混合氣的爆炸壓力為0.690.71 N/mm2,其他試驗條件均相同。 得出的試驗結(jié)果見圖5-3。從圖中可以看

11、出，隨著空腔體積Vc的增加，抑爆壓力Ps呈線性關(guān)系增加。當(dāng)Vc從0增加到10%時，抑爆壓力尺的增加值僅為0.03 N/mm2左右。因此，將一定量的抑爆材料裝入容器后，即使容器中出現(xiàn)少量的空腔也不影響使用效果。第五二研究所3003合金抑爆箔的主要技術(shù)性能見表5 -1。幾種輸油車網(wǎng)狀 防爆材料的裝填量示于表5-2。 (2)鋁箔防儲罐超壓爆炸機理抑爆鋁箔（3003合金，厚0. 05 mm箔、寬250 mm, H18或24狀態(tài)）以網(wǎng)狀 (蜂窩狀)或球狀（中國目前手工揉成團，團的直徑?jīng)Q定手容器填裝口的大?。某煞?質(zhì)量分?jǐn)?shù)）:0.6Si、0.7Fe、0.05 0.20Cu、1.0 1.5Mn、0.1

12、0Zn，其他雜質(zhì)每個0.05，總計0.15，其余為A1。屬熱處理不可強化的鋁合金，錳是3 x x x 系合金的一種基本合金化元素，能提高合金的力學(xué)性能而又不使合金的抗蝕性下降。鋁-錳合金在半連續(xù)鑄造（DC)時有發(fā)生晶內(nèi)偏析的傾向，錳可提高合金的 再結(jié)晶溫度。向鋁-錳合金中添加少量Cu，可提高合金的抗蝕性，由點腐蝕變成 全面的均勻腐蝕。錳還可減少含鐵相的脆化作用，即可使針狀或片狀的含鐵化合物變成脆性較低塊狀化合物。它的密度2730 kg/m3,力學(xué)性能、熱學(xué)性能示于表5 -3及表5 -4。3003合金的退火溫度400 -600，低溫退火溫度260360。 3003合金及3A21合金抑爆材料性能穩(wěn)

13、定，環(huán)境溫度、容器材料和容器容積 對其功效均無影響，因而可以應(yīng)用于裝有任何可燃?xì)怏w或液體的容器中。網(wǎng)狀鋁合金材料不僅能延緩罐體過熱，而且能減少液體的氣化速率，從而防止儲罐的爆炸。其防爆機理在于多孔、導(dǎo)熱、導(dǎo)焰強化了對流換熱，流動阻力越小，導(dǎo)熱效果越好，其防爆效果越好?，F(xiàn)用對流換熱模型解釋其防爆機理3，根 據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，儲罐內(nèi)的壓力為：Pg=mTR(MV)-l(5-2)式中：Pg儲罐內(nèi)氣體的壓力，N/mm2；m一儲罐中液面以上空間的氣體質(zhì)量，kg；T-儲罐中液面以上空間氣體的熱力學(xué)溫度，K；R通用氣體常數(shù)，8.314 J.(mol K)-1；V-儲罐中液面以上空間的體積，m3;M氣體的分

14、子量，kg/mol儲罐中液面以上空間的氣體質(zhì)量 從式(5-5)可知，儲罐內(nèi)的壓力和傳熱速率、傳熱面積、傳熱時間及熱力學(xué) 溫度成正比。根據(jù)傳熱傳質(zhì)理論，儲罐在外界加熱條件下的沸騰過程屬于帶凈蒸發(fā)的池塘沸騰，外界傳向沸騰液體的熱流q隨罐壁溫度與罐內(nèi)液體平均溫度之差 t變化。如圖5-4所示，隨著溫差t增加依次出現(xiàn)三種形式的對流換熱：自然對流、核狀沸騰、膜狀沸騰。對于不填充多孔材料的儲罐，由于液體的熱導(dǎo)率較小，其罐壁溫度遠(yuǎn)高于罐內(nèi)液體的，傳熱形式為核狀沸騰和膜狀沸騰，傳熱速率相當(dāng)高；填充多孔材料后，由于這種材料的導(dǎo)熱性能良好，使得罐內(nèi)溫度均勻，降低了溫差t,傳熱形式為自然對流，其傳熱速率遠(yuǎn)小于核狀沸騰

15、和膜狀沸騰的傳熱速率。(3)抑爆性能抑爆性能是網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料最重要的性能之一。瑞士埃克塞斯(eXess)公司曾委托中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究學(xué)會，為其進行了抑爆性能的測試。 圖5 -5和圖5 -6是一組對比試驗，比較了容器填充和未填充網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料情況下，點燃了油氣、空氣混合體壓力隨時間的變化。試驗發(fā)現(xiàn)熱量幾乎被網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料完全吸收，即使進行金屬容器定點焊接也沒有危險, 而且用槍械射擊也沒有導(dǎo)致爆炸，顯示了網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料具有極佳的防火抑爆效果。(4)阻燃性能?？巳构居孟铝性囼炞C實了網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料對燃燒液體溫度的影響（圖5-7)。將兩個裝有等量汽油的同質(zhì)金

16、屬桶點燃，1 min后用紅外線照相機進行照相（環(huán)境溫度為0)。未填充埃克塞斯網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料的桶，1 min后的照片如圖5-7(a)所示，高溫引起更多的汽油蒸發(fā)，蒸發(fā)汽帶走熱量并在桶上部進行燃燒，火焰很大，桶內(nèi)溫度超過了600。在照片上呈現(xiàn)白色。 圖5-7(b)填充了?？巳咕W(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料的桶,1 min后的照片顯示，由于氧氣的供給不足，熱量受到了抑制，只有很小的火焰出現(xiàn)在桶與埃克塞斯網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料的邊界。埃克塞斯網(wǎng)狀招合金防火抑爆材料很好地控制了汽油的蒸發(fā)，阻礙了火勢的進一步發(fā)展。如果對?？巳咕W(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料用水進行冷卻，火焰很容易就熄滅了。如圖5-7(c)所示

17、。?？巳构臼鞘澜缱畲蟮难芯亢蛯I(yè)生產(chǎn)防火抑爆材料的公司7。(5) 抗沖擊性能奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)機械學(xué)院的斯特范(Steffan)教授進行了?？巳咕W(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料的抗沖擊性能試驗。實驗表明填充?？巳咕W(wǎng)狀鋁合金防火抑爆樹料能有效降低沖擊力20%50%，也就是說填充?？巳咕W(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料相當(dāng)于增加了容器的力學(xué)性能，無疑是目前頻頻發(fā)生的易燃易爆危險化學(xué)品交通事故的克星。(6) 防靜電性能靜電是易燃易爆液體火災(zāi)和爆炸的重要原因，特別是易燃易爆液體在運輸、充裝等動態(tài)過程中，由于摩擦而產(chǎn)生的靜電危害性非常大，極易造成火災(zāi)爆炸事故。因此，易燃易爆液體的靜電防護非常重要。網(wǎng)狀鋁合金防火抑

18、爆材料具有良好的導(dǎo)電性和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，可以屏蔽靜電，緩和靜電作用。(7) 抗腐蝕性能3003鋁合金網(wǎng)狀抑爆材料呈蜂窩狀，孔隙率高，是用切割鋁箔拉網(wǎng)后制成的，以一定的填充比例將其裝填于易燃易爆流體的儲運或使用箱、槽、罐中，可以有效地防止因明火、槍擊或意外撞擊等的爆炸事故，但至今仍未得到普遍有效的推廣應(yīng)用，主要原因是抑爆鋁箔網(wǎng)與球在油品中浸泡一年左右后抑爆鋁箔與油的性能和品質(zhì)都隨著時間的推移而下降。李建國等的研究顯示，這是因為鋁箔在油中發(fā)生了晶間腐蝕8。他們對經(jīng)過油品儲存及行車實驗的3003 -H18防爆鋁箔與未經(jīng)浸泡的空白樣進行了力學(xué)性能檢測，結(jié)果分別見表5-5及表5-6。由表中數(shù)據(jù)可見，鋁

19、箔經(jīng)油品浸泡后強彘僅略有下降，伸長率卻有明顯的降 低。這是發(fā)生初期腐蝕后的典型表現(xiàn)。同時，對浸泡過3003防爆箔的油品的常規(guī)性能的檢測表明，油品的實際膠質(zhì)值明顯增加，氧化安定性下降。品質(zhì)因鋁箔的浸泡而降低。因此可認(rèn)為現(xiàn)有3003防爆鋁箔與油品發(fā)生了腐蝕，從而造成了鋁箔力學(xué)性能及油的品質(zhì)下降?？紤]到汽油、軍用柴油等燃油均為非電解質(zhì)液體，因此3003抑爆箔與油品的腐蝕為非電化學(xué)的，而可能是化學(xué)腐蝕。他們通過對油品主要成分的調(diào)研，認(rèn)為引起抑爆鋁箔腐蝕的物質(zhì)可能為活性S、含N化合物或有機酸。李建國等用XPS( X射線光電子能譜）法對所有在油中浸泡過的3003合金箱. 表面均檢測到了N元素，在汽車油中儲

20、存過的試樣表面還檢測到了S元素，因此可認(rèn)為油中的活性元素S存在是引起鋁箔發(fā)生晶間腐蝕元兇，它可與合金中的 Cu 及 Mn 形成 CuS04 與 MnS04。Mn及Cu分別是3003合金最主要和重要的合金元素。CuS04 與 MnS04均不會出現(xiàn)在單純的3003合金或油品當(dāng)中，因此有理由判斷這兩種化合物的存在是由3003鋁箔在油品中的化學(xué)腐蝕直接或間接產(chǎn)生的。這里之所以只能證明這兩種化合物是由化學(xué)腐蝕產(chǎn)生而不能進一步確定是直接產(chǎn)生還是間接產(chǎn)生，是考慮到下述化學(xué)反應(yīng)在常溫下的自發(fā)進行。MnS + 202 -MnS04 (5-6)MnS + 202 -Mn02 + S02 (5-7)由相關(guān)數(shù)據(jù)查得相

21、關(guān)化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成焓及標(biāo)準(zhǔn)熵分別如表5 -7所示，從 而計算得到反應(yīng)(5 -6)和反應(yīng)(5 -7)室溫下的吉布斯自由能分別為：因此，腐蝕產(chǎn)物可能為MnS04,也可能為MnS暴露在空氣中氧化而成。含 Cu腐蝕產(chǎn)物的確定亦同。類似的相關(guān)氧化反應(yīng)不限于上述兩種。其中反應(yīng)還顯示，由于Mn02具有催化相關(guān)有機物生成氫醌（對苯二酸Hydroquinone)的能力， 那么如果腐蝕產(chǎn)物是MnS而其又因接觸到02而生成Mn02,就對油的品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。(8)影響抑爆材料性能的因素田原等認(rèn)為影響抑爆材料性能的主要因素有3:原材料的選擇，結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，安裝與使用等。A.原材料和銅、鎳、不鎊鋼相比，鋁的密度小、熱

22、傳導(dǎo)性好、比熱容大、價格較低，因此選用鋁材比較合理。目前各國的抑爆材料都采用3003合金，與中國的3A21相當(dāng)。該合金為Al-Mn系，屬于熱處理不可強化鋁合金，具有良好的耐腐蝕性能，其耐腐蝕性在大氣中與純鋁的相近，在稀鹽酸（1:5)中的耐腐蝕性比純鋁的還高。3003合金與LF21合金唯一不同之處，是前者含0.05%0.20%Cu。由于3003合金會在油品中發(fā)生腐蝕，阻礙了它的推廣作用，例如運、儲航空汽油或煤油的槽、罐就不敢使用，因此研發(fā)新的鋁合金抑爆材料成了當(dāng)務(wù)之急，中國有關(guān) 單位的科學(xué)家在這方面的研究取彳f 了可喜的成就，居世界領(lǐng)先水平。B. 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計網(wǎng)狀鋁合金防火抑爆材料的抑爆性能與其

23、比表面積、密度、單位體積的網(wǎng)眼 數(shù)量及尺寸有關(guān)。在生產(chǎn)制造過程中，拉伸比越小，抑爆材料的密度越大，比表面積就越大，網(wǎng)眼的數(shù)量就越多，網(wǎng)眼尺寸也越小。當(dāng)裁切箔的幾何尺寸一定時，抑爆材料的拉伸比非常顯著地影響火焰的傳播速度，且拉伸比為2.5左右時， 火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚　Ｒ虼?，在抑爆材料的制造過程中，可以通過控制材料的拉伸比來控制材料的抑爆效果。此外，鋁箔的厚度也對抑爆材料的抑爆性能有一定的影響。國外試驗表明：在相同的拉伸比下，鋁箔的厚度越厚，其抑爆性能呈越好的趨勢。在設(shè)計中應(yīng)綜合考慮上述因素和抑爆材料質(zhì)量問題?，F(xiàn)在用的鋁箔厚度大都為0.05 mm左右，有采用更薄一些的趨勢，特別是采用球狀時。C. 結(jié)

24、構(gòu)尺寸網(wǎng)狀鋁合金抑爆材料可能會在三個相互垂直的平面上對迎面而來的火焰產(chǎn)生傳播速度方面的影響。國內(nèi)外試驗表明：抑爆材料的方向性不影響抑爆材料的抑爆性能3。在網(wǎng)狀鋁合金抑爆材料密度和容器留空率對抑爆材料的抑爆性能影響方面， 試驗結(jié)果表明：抑爆壓力隨容器留空率的增大而增大，隨網(wǎng)狀鋁合金抑爆襯料密度增大而減小。且對于每一種留空率都有一個相對較佳的網(wǎng)狀鋁合金抑爆村料密度值。D. 運轉(zhuǎn)因素在網(wǎng)狀鋁合金抑爆材料的使用過程中，可能會造成抑爆材料的壓縮變形，這樣就會產(chǎn)生空腔，進而影響其抑爆性能。國外對網(wǎng)狀鋁合金抑爆材料在平行、水平、垂直三個方向進行了靜力加載實驗，來確定抑爆材料在受壓狀態(tài)下，材料疊層方向、網(wǎng)眼方

25、向和所使用的鋁箔厚度對材料壓縮變形的影響。試驗表明：變形最小的方向為垂直方向，在這個方向產(chǎn)生的彈性變形均小于5%，但所能承受的載荷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其使用時的狀態(tài)。其他兩個方向的材料在長時間或是反復(fù)加載的作用下可能產(chǎn)生永久變形，但它們在承受正常的使用載荷條件下，變形不超過5%。E. 成形加工和飛行振動對網(wǎng)狀抑爆鋁力學(xué)性能的影響921世紀(jì)以來，網(wǎng)狀抑爆鋁箔在飛機油箱中獲得了應(yīng)用，韓德盛、李荻研究了 飛機飛行中的振動以及拉網(wǎng)成形加工對鋁箔力學(xué)性能的影響。他們用的原箔為 3A21 -M合金，厚0.05 mm。拉伸試驗載荷4900 N，拉伸速率1 mm/min，采用 JSM -5800掃描電鏡（SEM)觀察了

26、鋁箔表面和斷口的形貌。抑爆鋁箔振動試驗由空軍某研究所按美國軍用規(guī)范MIL-B-87162進行，試驗參數(shù)：振動單幅0.30.38 mm,頻率33.3Hz,次數(shù)107(約84 h),油箱添加2/3航空煤油。電鏡觀察。電鏡觀察顯示，原始試樣與振動試樣的表面微觀形貌并無明顯 差別，模擬飛行振動試驗沒有對防爆鋁箔的表面微觀形貌造成可察覺的影響。在拉伸試驗過程中，發(fā)現(xiàn)兩組試樣均表現(xiàn)為明顯的脆斷，沿長度方向幾乎無 伸長，瞬間斷裂。圖5-8表明，兩組試樣的斷口形貌并無明顯區(qū)別，都存在脆斷特征的韌窩，看不出模擬飛行振動試驗對抑爆鋁箔的斷裂特性有影響。拉伸試驗。振動試樣與原始試樣的抗拉強度為58. 8 205.

27、8 N/mm2，分散性很大。這是由于防爆鋁箔網(wǎng)在成形加工時被沖擊、切削、折彎成網(wǎng)狀，各部位受力變形程度不均勻，造成厚度不均勻，從而使其力學(xué)性能不均勻，表現(xiàn)為抗拉強度測試數(shù)據(jù)的分散。原始拭樣抗拉強度平均值為128.3 N/mm2，國標(biāo)GB 3614的抗拉強度是58.5N/mm2,鋁箔3A21 - H18的抗拉強度是147.0 N/mm2。同原箔材（LF21 - M0. 05)相比，防爆鋁箔網(wǎng)由于成形加工中的冷作硬化，平均抗拉強度顯著增加，接近 H18狀態(tài)的。這說明加工硬化對防爆鋁箔的抗拉強度有顯著影響。振動試樣的抗拉強度平均值為135. 1 N/mm2。與原始試樣的抗拉強度相比， 相對偏差僅為5

28、. 30%。故可認(rèn)為原始試樣與振動試樣的抗拉強度基本相同，即模擬飛行振動拭驗沒有降低鋁箔網(wǎng)材料的抗拉強度。顯微硬度。原始試樣與振動試樣的顯微硬度(HV)都在36左右，二者相對 偏差僅為1.38%。可以認(rèn)為模擬飛行振動試驗對防爆鋁箔網(wǎng)的顯微硬度沒有影響。5.1.2 抑爆鋁材的應(yīng)用將抑爆3003合金箔制的網(wǎng)或球裝填人儲存易燃易爆氣體、液體的容器中后，可以有效地防止爆炸事故發(fā)生。即使在發(fā)生火災(zāi)的情況下，也可以確保充填該抑 爆材料的容器抑制爆炸的發(fā)生，使損失大為降低，為救防贏得寶貴的時間。當(dāng)油箱發(fā)生破損時，無須將燃料倒出，即可在帶油氣時用電焊、氣焊直接補漏。具體應(yīng)用范圍：國外工業(yè)和商業(yè)用汽油容器使用防

29、爆材料已有多年。這種材 料已成功地應(yīng)用于公共汽車、卡車、防彈高級轎車、運油槽車、特種警車和消防車等車輛的油箱和直升機的外油箱。目前，國外巳發(fā)表了多項裝填抑爆材料的用 于儲存液化石油氣的防爆液體燃料罐的專利。抑爆材料可應(yīng)用于汽油、酒精、烯 料、丙酮、乙醚、煤氣、乙炔、液化石油氣等易燃、易爆液體的儲存容器，以防止在意外事故時容器發(fā)生爆炸。在國內(nèi)，網(wǎng)狀防爆材料正在軍車輛上試用。隨著人們對安全問題的日益重視，抑爆材料將在油料、液化石油氣、易爆化工原料的儲存容器中得到應(yīng)用。在海灣戰(zhàn)爭期間美國直升機和戰(zhàn)車的油箱中均裝填了3003合金抑爆網(wǎng)。通常在易燃易爆危險品容器中不需要全部填滿防火抑爆材料。2005年4

30、月，國家安 監(jiān)局批準(zhǔn)了汽車加油（氣）站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔抑爆儲罐 技術(shù)要求(AQ 3001 2005)為強制性安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這將進一步推動阻隔抑爆技術(shù)的發(fā)展和阻隔抑爆材料的研發(fā)，對于降低易燃易爆危險化學(xué)品事故的可能性和嚴(yán)重性也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。飛機油箱中裝填抑爆材料后，即使遭到射擊也不會發(fā)生爆炸。鋁合金抑爆材 料在水面艦艇上也得到了應(yīng)用。美國拉莫(RAMO)公司生產(chǎn)的輕型攻擊型巡邏艦 上容器量為462L的油箱中裝填了抑爆材料，該油箱經(jīng)受了 300發(fā)曳光彈與穿甲 燃燒彈的射擊試驗沒有發(fā)生爆炸1。加拿大防護研究部門（Defence Research Board)的對比試驗中，

31、采用了 6個按 1/5比例縮小的液化石油氣罐，罐由6 mm鋼板制成，容積為947L，其中4個充填網(wǎng)狀抑爆材料，罐中裝有85%的液化石油氣，周圍用JP-4煤油燒，達(dá)到1094的高溫。2個沒有抑爆材料的罐在8 min內(nèi)爆炸，而4個裝了抑爆材料的罐直至 里面的液化石油氣干了也沒有爆炸1。英國布爾維克斯(Blvex)公司在鋁合金網(wǎng)狀抑爆材料上涂覆了一種特別的起 泡材料，當(dāng)加熱到120以上時，該層涂料可以形成高效的碳基隔熱層，將這種稱 為“隔火墻”的材料包在被保護容器的外面，可以直接限制進入容器的熱量。英國 的衛(wèi)生與安全行政部門（Health and Safety Executive)用400L的液化石

32、油氣耀進行了試驗。將液化石油氣罐暴露在輸出熱量為4. 5MW的丙烷火焰炬中，保持25min后，用“隔火墻”包覆的容器內(nèi)部的最大壓力為900 N/mm2，液體溫度最高達(dá) 17，而不加保護的容器在3 min后容器內(nèi)部就達(dá)到2758 N/mm2的壓力。5.1.3 帶有抑爆鋁合金網(wǎng)（球）的液化氣瓶的制作西班牙科學(xué)家艾杜爾多迪亞斯德里奧佩雷斯發(fā)明的裝填有鋁合金 (3003 -H18)抑爆網(wǎng)（球）的液化氣瓶的制作在中國取得了實用新型專利，專利號 ZL2008 2000 1859.4。通過沖壓制造鋼瓶的兩個半體（圖5-9) la和lb,其中一 個上有孔眼lc，用于焊接螺絲栓2，在鋼瓶中裝人網(wǎng)狀招合金或球狀抑

33、爆材料3，它們的熱導(dǎo)率204 W/(m2 ：)，填裝率（置換率)不超過1%，由于它們可使熱量在瓶內(nèi)迅速傳輸，因此內(nèi)部壓力均勻增加并通過安全閥或螺絲栓釋放，容器不會因熱焦點的形成而削弱其豐身的強度。將兩個事先裝有抑爆材料的半球焊于一體圖5 - 10(a)，如果裝充球狀抑爆體，則也可以焊后從頂部的螺紋孔裝入，然后裝上頂部閥體件圖5 -10(b) 與固定腰部加強件圖5 -10( c)。鋼瓶焊好后，應(yīng)進行回火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。鋁合金抑爆材料是一種市場廣泛潛力巨大的材料，在油品與其他易燃易爆危 險品的運輸、儲存、使用過程中的容器內(nèi)填裝這種材料可以有效地預(yù)防或抑制燃 燒與爆炸，在國內(nèi)外都已得到應(yīng)用，對保

34、護生命、財產(chǎn)安全起了很大作用。裝填 量占1%2%容器體積。該材料分網(wǎng)狀和球狀兩種，網(wǎng)狀材料可以在中、小容器制造過程中預(yù)先裝入；對于大型容器例如使用中的油罐可以隨時裝人，球狀材料 則主要用于隨時加人。中國是一個能源生產(chǎn)與消費大國，易燃易爆危險品的運輸、儲存、使用量很大，如果每種容器都裝填此種抑爆材料，按2011年消費的油品與石油液化氣計算，估算的抑爆材料用鋁量約900 kt。抑爆鋁箔當(dāng)前用的為0.05 mm厚的3003 - H18或-H24合金的常規(guī)平軋產(chǎn)品。5.1.4 亟待研發(fā)新的抑爆材料抑爆鋁網(wǎng)或鋁球?qū)τ诜乐挂兹家妆吩谶\輸、儲存與使用過程中的燃燒爆炸起著決定性的作用，是3003 -H18(

35、 -24)箔制造的，箔厚0.05 mm,是一種普 通的平軋鋁產(chǎn)品，不管是原箔還是抑爆鋁網(wǎng)、鋁球都易于制造與裝填，使用方便，推廣使用可取得巨大的社會經(jīng)濟效益，對保護人們的生命財產(chǎn)安全將發(fā)揮不可估量的作用。目前用的抑爆材料為3003合金箔，在油品中浸泡1年或更長一些時間會發(fā)生腐蝕，不但腐蝕產(chǎn)物對油的品質(zhì)有影響，而且箔的伸長率急劇下降，在外力如震動的作用下會發(fā)生脆斷失去抑爆效能，因此研發(fā)新的抑爆鋁材成為當(dāng)務(wù)之急，亟待解決。推廣抑爆材料需各個方面通力合作，特別是國家發(fā)展改革委員會、國家安全監(jiān)督局、公安部交通與消防部門、解放軍總裝備部等應(yīng)出臺更具體的強制性的條 例與規(guī)范，規(guī)定有關(guān)車輛、用油的武器裝備、儲

36、罐、石油液化氣瓶等都應(yīng)裝填抑爆材料。雖然制訂了汽車加油（氣）站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔抑爆儲罐技術(shù)要求(AQ 3001 2005)作為強制性標(biāo)準(zhǔn)出臺，但還不夠，要做的工作還很多。5.2泡沬鋁性能及制備技術(shù)泡沫鋁是由鋁骨架與氣孔組成的復(fù)合材料，既有鋁的特性又有泡沫的特性， 即有著功能村料與結(jié)構(gòu)材料的雙重特性。泡沫鋁具有密度小、耐熱、吸聲、消聲、 抗沖擊、耐腐蝕等性能，又有相當(dāng)強的吸能本領(lǐng)和電磁屏蔽特性，因此在冶金、建筑、機械設(shè)備、交通運輸裝備、電器電子器械、通訊設(shè)備等方面都有一定的應(yīng)用，并且有著廣泛的應(yīng)用潛力，因而越來越受到各方的重視，很多國家都在研究與開發(fā)這種超輕的多用途金屬材料。

37、 早在20世紀(jì)40年代后期美國就率先對泡沫鋁進行了研究，1948年美國科學(xué) 家A·索尼克(Sonik)獲得世界第一個有關(guān)泡沫鋁的專利10，但由于發(fā)泡工藝與泡的大小和均勻性極難控制，此后40多年里泡沫鋁的制造與應(yīng)用一直處于停滯狀態(tài)，20世紀(jì)80年代由于制備技術(shù)的發(fā)展，國際上再次興起泡沫鋁材的開發(fā)熱潮?；R特（Cymat)公司的泡沫鋁生產(chǎn)線及產(chǎn)品實例見圖5-11及圖5-12。繼索尼克獲得首個泡沫招的專利后，埃利奧特(Elliot)于1951年成功地制出泡沫鋁，20世紀(jì)60年代美國埃西爾公司（Ethyl)成立泡沫鋁研發(fā)中心；1991年日本九州工業(yè)金屬研究所成功研發(fā)泡沫鋁工業(yè)化生產(chǎn)工藝；19

38、99年首屆世界泡沫金屬學(xué)會議在德國不來梅召開，主要研討了泡沫鋁的制造和應(yīng)用等方面的問題，自此以后，泡沫金屬發(fā)展成為一門重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。目前，加拿大、英國、 美國和日本在泡沫鋁研究方面居世界前列，特別是日本居于領(lǐng)先水平，不僅在研發(fā)方面居全球前列，而且進入了實用階段。自20世紀(jì)80年代中期起，中國東南大學(xué)、東北大學(xué)、中國科學(xué)院、北京科技大學(xué)、昆明理工大學(xué)、濟南大學(xué)、廣西大學(xué)、洛陽第725研究所（船舶材料研究 所)等都先后做過許多研究，在泡沫金屬制備方面對發(fā)泡法和滲流法的研究大體趕上國外發(fā)達(dá)國家的水平，可是對連續(xù)生產(chǎn)工藝的研究仍處于起步階段，東北大學(xué)姚廣春等的研究與生產(chǎn)工藝取得較大成就，生產(chǎn)技

39、術(shù)進人實用階段1217。5.2.1泡沫鋁的性能泡沫鋁是在鋁基體中分散著無數(shù)氣泡的類似泡沫狀的超輕金屬材料，孔隙率為40%98%(圖5-13、圖5-14)15。氣泡形狀為多面體結(jié)構(gòu)，獨立地存在，氣泡有閉合和開放的兩種，氣泡尺寸3-9 mm,氣泡間膜厚最薄處1520 m, 泡沫鋁密度150 300 kg/m3。泡沫鋁的密度有兩種表示方法。一種是用質(zhì)量/體積表示，單位為g/cm3， kg/m3, lb/ft3等；第二種為相對密度，用泡沫鋁的密度和基體材料密度的比值表示，“單位”為。例如，如果泡沫鋁的密度為0. 27 g/cm3,鋁的密度為2.7g/cm3,則該泡沫鋁的相對密度為10%，而用100%減

40、去泡沫鋁的相對密度則為其孔隙度。泡沫鋁的相對密度十分重要，很多性能都與其相對密度有關(guān)。泡沫鋁密度轉(zhuǎn)換列于表5-8。圖5-13泡沫鋁的外觀形貌圖5-14泡沫鋁的結(jié)構(gòu)(a)日本神鋼鋼線公司（Shinko Wire Company)生產(chǎn)的閉孔泡沫鋁材（商品名“Alporas”）；(b)ERG航空公司生產(chǎn)的開孔泡沫鋁材（Duocel®)5.2.1.1力學(xué)性能泡沫鋁在靜態(tài)壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聚合物泡沫相似，具有三個變形階段 (圖5-15):彈性變形段、平臺屈服段(壓碎段）、致密段。班哈特（Banhart)與鮑梅斯特(Bmimeister)認(rèn)為16，泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要受相對密度的影響,

41、 麥克盧格研究了閉孔泡沫鋁的拉伸、壓縮力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果明顯小于理論 值，這是泡沫中存在的非均勻密度、弱的氧化界面以及胞體的孔洞、裂紋等缺陷共同作用的結(jié)果17。圖5-15泡沫鋁的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線從壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出，屈服平臺區(qū)及彈性變形區(qū)甚寬，因而泡沫鋁有很強的能量吸收能力。泡沫鋁在壓縮載荷作用下，首先發(fā)生線彈性變形，此時孔穴壁彎曲；當(dāng)應(yīng)變超出臨界值后，泡沫辱的變形進入塑性變形階段，孔洞因彈性彎曲、塑性屈服、蠕變而坍塌；再繼續(xù)變形，泡沫鋁進入致密階段，孔洞幾乎被壓塌，以致壁面接觸，載荷進一步加大時，鋁本身受到壓縮，進人應(yīng)力迅速上升區(qū)。由于泡沫鋁具有這種獨特的壓縮行為，一但受到?jīng)_擊載

42、荷很容易發(fā)生變形， 變形量大而流動應(yīng)力水平較低，在壓縮變形過程消耗大量的功，將其轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu) 中胞孔的變形、坍塌、破裂以及胞壁摩擦等各種形式所耗散的能量，從而有效地吸收外界的沖擊能。因此泡沫鋁可在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持應(yīng)力不變，將外加能 量轉(zhuǎn)化為材料變形所做的功，有大的吸能性能。泡沫鋁在壓縮過程中所吸收的能量主要在平臺階段，屈服平臺髙而寬，吸能能力則越強。其單位質(zhì)量能量吸收可達(dá)到400 MJ/kg。通過選擇合適的泡沫材料和泡沫密度，可以控制能量吸收大小和變形臺寬度18。泡沫鋁在受到動態(tài)壓縮載荷時，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的響應(yīng)曲線 基本一樣，均經(jīng)過三個階段：彈性段，屈服段及致密段。但在動態(tài)條件

43、下應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)還有著與準(zhǔn)靜態(tài)下不同的特征，動態(tài)條件下的屈服應(yīng)力比靜態(tài)條件下的高，并隨著應(yīng)變率的增加，屈服應(yīng)力呈上升趨勢；動態(tài)條件下的平臺區(qū)應(yīng)變比靜態(tài)條件下的稍低，平臺區(qū)長度稍短。作為汽車緩沖減震材料，泡沫鋁在實際應(yīng)用場合承受的都是動態(tài)載荷，因此需要進一步研究在高應(yīng)變率條件下泡沫鋁的力學(xué)性能。泡沫鋁的抗壓強度與相對密度的關(guān)系示于圖5-16,泡沫A1Mg合金的力學(xué)性能見表5-915。5.2.1.2物理性能(1)熱學(xué)性能泡沫鋁的熱導(dǎo)率僅為純鋁的1/51/500，是一種優(yōu)秀的絕熱保溫材料。如孔隙率為75. 5%94%的閉孔泡沫鋁合金在25時的等效熱導(dǎo)率為3. 911. 28 W/(m K)，大大低于實

44、體鋁合金的。泡沫金屬的導(dǎo)熱性能與基本金屬有關(guān)，且隨密度增加而增加，并與傳熱條件有關(guān)；而泡沫金屬的孔類型對熱傳導(dǎo)性能也有影響，閉孔結(jié)構(gòu)隔熱性優(yōu)于通孔結(jié)構(gòu)的，而通孔結(jié)構(gòu)散熱性優(yōu)于閉孔結(jié)構(gòu)的。因此，閉孔泡沫鋁導(dǎo)熱系數(shù)很低，可用作絕熱材料，而開孔泡沫鋁由于大的比表面積及復(fù)雜的三維流動而具有高的散熱性能，可應(yīng)用于散熱材料和熱交換器元件。此外，泡沫鋁的軟化溫度通常在 500以上，因而具有良好的耐熱性及阻燃性。一般鋁合金熔化溫度在660以 下，而泡沫鋁即使加熱到1400也不熔化，因而可望成為耐熱結(jié)構(gòu)材料。泡沫鋁 的良好耐火性主要是由于在發(fā)泡過程中生成了氧化鋁網(wǎng)架。泡沫鋁的孔隙率一般在80%以上，胞孔內(nèi)部存在

45、大量靜止封閉的空氣而具有優(yōu)良的隔熱性能。孔隙率為95%的泡沫鋁的熱導(dǎo)率還不到純鋁的1%。泡沫鋁的熱傳導(dǎo)有四種途徑：固體傳導(dǎo)、氣體傳導(dǎo)、孔洞內(nèi)的氣體對流和輻射。閉孔泡沫鋁的對流作用可以忽略，因為泡沫鋁中的孔洞各自封閉；若固體的熱導(dǎo)率大于20 W/(m K),在室溫下輻射傳熱的熱量僅為傳導(dǎo)傳熱量的5%左右，可以忽略不計；而泡沫鋁胞內(nèi)的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)0.025 W/(m K)更是遠(yuǎn) 小于鋁的熱導(dǎo)率，相差四個數(shù)量級。因此，體積含量低于10%的鋁基體是泡沬鋁熱傳導(dǎo)的主要途徑。隨著孔隙率的增加，泡沫鋁的熱導(dǎo)率會相應(yīng)地減小。與常用絕熱材料相比，泡沫鋁是一種不燃材料，不會像塑料等材料那樣，產(chǎn)生有害氣體。泡沫鋁

46、的熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)見表5-10及表5-11。熱導(dǎo)率是用平板比較法測定的。(2) 聲學(xué)性能泡沫鋁是一種具有高能量吸收特性的輕質(zhì)高阻尼材料，平均吸聲系數(shù)0.4 0.52,在消聲減振領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。泡沫鋁的空氣相和金屬骨架相，以及應(yīng)變顯著滯后于應(yīng)力是其具有高阻尼的物理原因。泡沫鋁的阻尼性能與孔隙率大小以及孔徑大小密切相關(guān)，隨孔隙率的提高及孔徑的減小而上升，若向孔中填入高分子聚合物則阻尼性能更高。因此，利用泡沫金屬材料與其他吸聲材料的組合，或從吸聲結(jié)構(gòu)上進行改進等方法，可制得高性能吸聲器。泡沫鋁可以通過孔壁的震動來吸收聲音的能量，可以用來消聲、除去噪聲。 孔的尺寸影響其對整個聲波頻率范圍的吸

47、收性能，孔越小，吸聲能力越大，因此改變泡沫鋁孔尺寸和形狀可以獲得高的吸聲性能。當(dāng)聲音透過泡沫鋁時，由于聲 波也是一種振動，可以在材料內(nèi)部發(fā)生散射、干涉和漫反射，將聲音吸收在其氣 孔中，使內(nèi)部骨架振動，聲能部分轉(zhuǎn)化為熱能并且通過熱傳遞而消耗掉，從而能 吸聲與消聲。因此隔聲量隨著孔隙率的提高而增大。通孔泡沫鋁的吸聲性能比閉孔的更好，通孔泡沫鋁的吸聲系數(shù)峰值可達(dá)0.95 以上。閉孔泡沫鋁的吸聲性能必須通過胞壁的部分破裂產(chǎn)生微通孔。泡沫鋁的胞 壁對其吸聲性能也有顯著影響，隨著厚度的增加，其低躅吸聲系數(shù)和平均吸聲系 數(shù)增大，高頻吸聲系數(shù)則略有減小。實際使用中，泡沫鋁的隔聲性能還和板材的 厚度有關(guān)，其隔聲

48、量隨著板材厚度的增加而增大，一塊厚度為2030 mm的泡沫鋁板的隔聲量可達(dá)10 dB以上18。(3) 電磁性能泡沫鋁有很強的電磁屏蔽性能(表5 -12及表5 - 13)，與其他電磁屏蔽材料相比有以下優(yōu)點：A 超輕質(zhì)量，低密度(3001000kg/m3)；B 綜合有吸聲性、耐高溫、低熱導(dǎo)率、良好的阻尼性等；C可以成形為復(fù)雜的形狀，而這些又是實體金屬所不能比擬的。由于泡沫鋁的基體骨架是完全相通的，并且有良好的導(dǎo)電性能（泡沫鋁的比電阻3050 cm),因此有良好的吸收和反射電磁波的能力。此外，泡沫鋁用于電磁屏蔽，能夠使電磁干擾降低80%以上，其屏蔽性能遠(yuǎn)比純鐵、含銅粉涂料的優(yōu)良，特別是對高頻區(qū)電磁波

49、。當(dāng)電磁波到達(dá)泡沫鋁表面時，部分電磁波被鋁導(dǎo)體反射，剩余的那部分電磁波透過泡沫鋁的一個泡壁進人泡孔內(nèi)部傳播。經(jīng)過一個泡孔直徑距離到達(dá)泡孔的另一端泡壁，又有部分電磁波反射回入射泡壁， 部分電磁波透過此泡孔進入相鄰泡孔，繼續(xù)發(fā)生反射和透射，直至泡沫鋁板的另一側(cè)。上述過程反復(fù)繼續(xù)。由此可見。泡沫鋁的電磁屏蔽性能是多種電磁波損耗的綜合結(jié)果。5.2.2泡沫鋁的制備泡沫鋁的制備工藝有20多種，涉及的領(lǐng)域非常廣，主要可分為凝固法、燒結(jié)法、沉積法等20_21(圖5 -17)。在泡沫鋁的諸多制備工藝中，熔體發(fā)泡法比較適合于規(guī)?；a(chǎn)大規(guī)格泡沫鋁材，對設(shè)備要求簡單，孔隙可控，且成本較低。5.2.2.1懷體發(fā)泡法1

50、1典型的熔體發(fā)泡法商業(yè)化生產(chǎn)泡沫鋁的工藝如圖5-18所示，名為阿波拉斯法（ALPORAS Process )，日本泉佐野市（Izumisano )神鋼鋼線公司（Shinko wire Company Ltd.)于1986年投產(chǎn)，生產(chǎn)閉孔泡沫鋁，發(fā)泡劑粉用吹入法添加，制得的泡沬鋁的相對密度為7% -9%,氣泡直徑4.5 mm,可根據(jù)需要將泡沫錠坯切割成定尺板材，典型尺寸為450 mm X 2050 mm X 650 mm的板塊，質(zhì)量160kg。 2001年該公司又建成了一個新的泡沬鋁材料廠，所產(chǎn)泡沫的氣泡尺寸及密度均可控制，并經(jīng)過軋制，具有很大的吸聲率，與玻璃棉的吸聲率相等，用作吸聲材料 與制作

51、防震件及緩沖件22，在高速鐵路中獲得了廣泛應(yīng)用。王興明、楊國俊、姚廣春提出了一種改進型的發(fā)泡法14，名為熔體轉(zhuǎn)移發(fā)泡法。主要步驟：850加入3%增黏熔體；680向熔體中加入TiH2，攪拌速度 2000 r/min；將熔體轉(zhuǎn)移到發(fā)泡箱中并將發(fā)泡箱推入保溫爐靜置6min；然后進入后處理過程。經(jīng)改進后，泡沫鋁連續(xù)性生產(chǎn)不再需要改換發(fā)泡爐，而僅需替換發(fā)泡箱，這為工業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)性提供了很大的便利條件。況且，發(fā)泡爐不變，可以在上次傾倒完泡沫鋁熔體后繼續(xù)熔化下一批原料。用熔體轉(zhuǎn)移發(fā)泡法已經(jīng)成功制備出表觀密度0.46 g/cm3,孔隙率83%;孔徑35 mm；孔壁厚度0.20.3 mm的泡沫鋁材。研究發(fā)現(xiàn)，泡

52、沫的孔隙率既與發(fā)泡劑TiH2的加入量有關(guān)，也與其粒度有關(guān)。 最佳加入量為1.5% -2.5%，粒度為3874 pm。隨著TiH2加入量的增加，泡沫鋁孔隙率逐漸增加，密度逐漸減小，但增加趨勢逐漸趨緩，這主要是由于TiH2的增加導(dǎo)致泡沫鋁內(nèi)部釋氫能力增強造成的。王興明等的研究發(fā)現(xiàn)，添加0.5% TiH2時，泡孔較小且不規(guī)則，孔壁較厚；w(TiH2)=1.5%時獲得的泡沫體結(jié)構(gòu)均勻，泡孔呈圓形，壁厚適中；當(dāng)w(TiH2) =2. 5%時，泡孔增大，孔壁較薄；當(dāng) W(TiH2) =3%時，泡孔進一步增大，孔壁很薄、強度很低，而且出現(xiàn)比較集中的破孔和裂紋，孔與孔之間有串聯(lián)。因此，從實用和經(jīng)濟角度考慮，要

53、想得到孔形均勻且強度適中的泡沫鋁，TiH2的加入量應(yīng)控制在1.5% -2.5%,除非是在要求密度小的泡沫鋁且對強度要求較低的情況，TiH2加入量可小于3% ；如需密度高的泡沫鋁，則TiH2的加人 量應(yīng)控制在1.0%以下。當(dāng)TiH2的顆粒直徑大于74 pm時，泡沫體孔隙率較低，密度較高。因為大顆粒TiH2在相同時間內(nèi)分解不夠充分，釋放的氫量少；而當(dāng)TiH2的顆粒直徑小于 38m時其上浮的傾向很大，不易混人熔體，而且由于比表面積大，分解速率較高，在相同的時間內(nèi)分解量大，最終導(dǎo)致密度升高。因此，TiH2粒度以3874m為宜。常用的發(fā)泡劑除TiH2外還可以用ZrH2，后者的密度5.60 g/cm3,含

54、 0.121 g/cm3 氫。5.2.2.2基馬特/海德魯直接注入氣體法23此法是直接向鋁熔體注人氣體(氮、氬、空氣等）制取泡沫鋁的工藝，是加拿大基馬特公司（Cymat Corp.,位于安大略省米西索加市，Mississauga, Ontario, Canada)于1990年開發(fā)的，其產(chǎn)品被稱為穩(wěn)定化的泡沫鋁（SAF, Stabilized Aluminum Foam)，后將專利買給加拿大鋁業(yè)公司與挪威海德魯鋁業(yè)公司（Norsk Hydro),它們各自獨立地對此法作了進一步研究，并生產(chǎn)出復(fù)合泡沫鋁材（SAF- MMC),鋁的體積分?jǐn)?shù)2.5%30%,基材為356合金，而增強材料為10%20% 體

55、積的SiC。當(dāng)前可用此法（又名加拿大鋁業(yè)公司/海德魯鋁業(yè)公司法Alcan-Hydro process)連續(xù)生產(chǎn)1500 mm寬、25150 mm厚的復(fù)合泡沫鋁板材，生產(chǎn)率 900 kg/h(圖5 - 19)。復(fù)合泡沫鋁材已在交通運輸與軍工裝備中獲得應(yīng)用。以鋁合金或純鋁為原料，熔化后加入第二相金屬或氧化物以增加黏度，通過 攪拌使其混合均勻，第二相金屬或者氧化物的加人量與加入物質(zhì)本身性質(zhì)、熔體類型、氣體通入時的溫度有關(guān)；然后，一邊攪拌一邊將氣體（空氣、氮氣、氬氣）通入熔體中，攪拌可以使熔體成分更加均勻，氣泡更細(xì)小，加入的第二相金屬或者氧化物能夠減慢氣泡上升速度、穩(wěn)定氣孔壁和推遲氣泡合并的作用；最后

56、，將 液態(tài)泡沫鋁輸人傳送帶，同時進行冷卻，得到閉孔泡沫鋁板（表5-14)。這種方法簡單、經(jīng)濟，可以連續(xù)生產(chǎn)。但是，采用這種方法生產(chǎn)的泡沫鋁板密度及孔結(jié)構(gòu)不均勻，而且由于第二相的大量加人會降低材料的力學(xué)性能。5.2.2.3 粉末冶金法11、13、24粉末冶金法(PM)也是制造泡沫金屬的主要工藝之一，很多金屬（鋁、錫、鐵、 金、鋅、鉛等)及其合金都可以用此法發(fā)泡，其工藝流程如圖5-20所示,首先將金屬粉末與適量的發(fā)泡劑金屬氫化物混合均勻，然后通過擠壓、熱壓或軋制將混 合粉末加工成致密的預(yù)制坯，再將預(yù)制坯加熱到混合粉末燦點，使發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體，冷卻后即為.閉孔泡沫金屬。圖5-20粉末冶金鋁泡沫生產(chǎn)

57、工藝流程示意圖與熔體發(fā)泡法相比，粉末冶金法易于操作、控制；通過合理選擇發(fā)泡時間和 發(fā)泡溫度，可以得到不同密度的泡沫金屬。'但是，粉末冶金法的生產(chǎn)成本比熔體 發(fā)泡法的高，而且難以制備大體積述件。粉末冶金泡沫鋁大都用的是變形鋁合金粉料,德國在此法研究方面做了許多工作，卡曼·起亞汽車公司（Karmaim Ghia)已用此法制造汽車零件，并取得專利。 美國弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia)的研究顯示25，粉末冶金泡沫鋁的密度一般小于鋁密度的50%，是因為在固態(tài)鋁粉中產(chǎn)生的氫氣泡易產(chǎn)生合泡現(xiàn)象，如果在半固態(tài)下發(fā)泡，可避免合泡，制備出氣孔率高的粉末冶金泡沫鋁。粉

58、末冶金法制備泡沫鋁時，預(yù)制坯料可采用冷壓法、熱壓法、擠壓法制備，根據(jù)牛雪等的研究25:采用冷壓法時，在一些加熱溫度下制備的預(yù)制坯均不能發(fā)泡，采用熱壓法制備的預(yù)制坯的發(fā)泡效果隨加熱速度而異。采用擠壓法制備的預(yù)制坯在各種溫度均能發(fā)泡。郭志強等的研究顯示26:用A1-Si合金粉與發(fā)泡劑TiH2混合，然后壓制成金屬坯，發(fā)現(xiàn)隨著粉末粒度的減小，TiH2的團聚現(xiàn)象減少，分布逐漸由“線-團” 狀變?yōu)椤包c”狀，當(dāng)合金粉_末粒度<74 m時，TiH2呈“點”狀，均勻分布在金屬坯中，此時制得的泡沫鋁密度低、孔隙率高、泡孔分布均勻、泡體發(fā)育完全、泡壁較薄，是理想的泡沫鋁材。TiH2的分解特性對泡沫鋁的制備有著至關(guān)重要的影響。TiH2分解溫度低，分解速度較快，從而限制了 TiH2的應(yīng)用和泡沫鋁合金的發(fā)展。左孝青等27研究了氧化處理對TiH2分解