千疮百孔的多孔金属材料：结构与应用

1.多孔金属材料概述

在传统的金属材料中，“孔洞”被认为是一种缺陷（见第2章），因为它们往往是裂纹形成和扩展的中心，对材料的理化性能及力学性能产生不利的影响。但是，当材料中的孔洞数量增加到一定程度时，就会产生一些奇异的功能，从而形成一类新的材料，这就是多孔金属材料（见图11.12）。该类材料具有良好的吸能、吸声、电磁屏蔽性能及良好的导热导电性能，因而在一般工业领域（如汽车工业）、国防科技领域及环境保护领域等有着广泛的应用前景，它的设计、开发和应用引起了中外科学家极大的兴趣，成为材料类研究的热点方向之一。

图11.12　多孔金属材料

2.多孔金属材料的应用

（1）能量吸收

能量吸收是多孔金属材料的重要用途，其中缓冲器及吸震器是典型的能量吸收装置，其应用包括汽车的防冲挡直至宇宙飞船的起落架，以及升降机、传送器全垫和高速磨床防护罩吸能内衬。

在汽车冲击区使用泡沫铝制成的合适元件，可控制最大能耗的变形，对侧面冲击保护同样如此。例如，在中空钢材或铝材外壳中充入泡沫铝，可使这些部件在负载期间具备良好的变形行为。车体或发动机的另外一些部件可用泡沫金属制造或增强，以同时获得较高的刚性和较轻的质量。因为通过泡沫金属密度的选择可得到很大范围的弹性模量，故可匹配泡沫部件的共振频率，由此抑制有害振动。

多孔金属材料具有较好的能量吸收的性能，因此是一种很好的消音材料。泡沫铝由铝质骨架和气孔组成，它质轻并具有一定的强度，具有吸声、耐火、防火、减震、防潮、无毒等优良的特性。因此，泡沫铝是一种综合性能良好的多孔性吸声材料。目前研制的泡沫铝已在船舶、铁路、公路等领域获得应用。

（2）过滤与分离

多孔金属材料具有优良的渗透性，因此过滤与分离是其应用的一大热点（见图11.13）。多孔金属材料的孔道对液体有阻碍作用，从而能从液体中过滤分离出固体或悬浮物。使用最广的多孔金属过滤器材料是多孔青铜和多孔不锈钢。利用多孔金属材料的孔道对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或分离作用。多孔金属过滤器可用于从液体（如石油、汽油、制冷剂、聚合物熔体和悬浮液等）或空气和其他气流中滤掉固体颗粒。多孔金属材料用作分离媒介，如从水中分离出油、从冷冻剂中分离水。还可作充气液体或液体分布CO2等的扩散媒介。在生物化学领域，金属泡沫用作肾器中渗透膜的支撑体。该原理也能扩展到那些取决于渗透或反向渗透作用的过程，如流出物处理中的脱盐和脱氢。

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图11.13　多孔金属过滤器材料

（3）生物材料

因为多孔金属材料具有开放多孔状结构，允许新骨细胞组织在内生长及体液的传统。尤其是多孔金属材料的强度及弹性模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配。钛等多孔金属材料对人体无害且有较好的相容性而被大量用于医疗卫生行业。例如，多孔钛髓关节用于矫形术；多孔钛种植牙根用于牙缺损的修复；多孔镁因具有生物降解及生物吸收特性也被列入植入骨用生物材料的行列。

（4）电极材料

多孔金属材料的孔隙率高，增大了电极的比表面积，是一种合适的电极材料。各种蓄电池、燃料电池、空气电池中都用多孔镍作电极，并要求孔隙率尽可能高。

泡沫镍（见图11.14）可以作为电化学反应堆中的电极材料，由于增加了电极表面积，从而提高了电化学单元的性能。具有非常高的比表面积的多孔P/M材料已被用作燃料电池。用铸造法制得的多孔锌电极比电沉积法制得的多孔电极的孔隙率高80%，从而增大了电极的比表面积，降低了电极充（放）电时的真实电流密度，改善和提高了电极的各项性能参数，如活性物质利用率、比容量等。另外，泡沫铅作为铅酸电池的活性物质支撑体，也能使电极结构大大减轻。

图11.14　泡沫镍

（5）其他用途

多孔金属材料具有一定的强度、延展性和可加工性，可作为轻质结构材料，尤其是温度超过200℃的场合。泡沫铝很早就用于飞机夹合件的芯材。将多孔金属材料与致密基体连接在一起，可提高其作为结构材料的使用性。多孔金属材料的孔道对电磁波有很好的吸收能力，因此也可以用作电磁屏蔽材料。

与普通材料相比，在装饰领域，泡沫金属材料可以给人们一种独特的视觉效果。以金、银为基体的泡沫金属材料被认为是一种有很大潜力的珠宝材料，它可以给人们带来意想不到的利润。泡沫铝已被用来制作奇特的家具、钟表、灯具等。

从目前来看，多孔金属材料的制备工艺还存在一些缺陷和局限性，很多技术仍处于研究阶段，实际应用还不是特别广泛。但可以肯定的是，随着科技的发展和社会的进步，人类对多孔金属材料的需求必将与日俱增，多孔金属材料的潜在应用价值也必将被不断地开发出来，从而更好地为人类造福。