多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用.pdf

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1、第37卷第6期化工机械805多子L泡沫金属及其在化工设备中的应用付全荣+张铱铃段滋华李煜(太原理工大学)摘要介绍了多孔泡沫金属的结构特征与力学、热物理、渗透、电学和声学等性能，重点讨论了它在化工生产装置中的应用状况。并对其在研究中存在的问题和应用前景作了评述。关键词多孔泡沫金属性能特性化工装置中图分类号TQ050．4+l文献标识码A文章编号0254-6094(2010)06-0805-06多孔泡沫金属足由金属基体和连续或不连续的气体构成的不均匀复合材料，是一种集力学、热物理、电学和声学等性能于一体的结构和功能材料。因此，这类材料不仅具有连续相金属基体的优良特性(如导电

2、性、导热性、耐高温性、强度高、韧性大及可焊性等)，同时还具有离散相气孔的特性(如消音减震、电磁屏蔽、渗透性及绝缘性等)，这些优良特性使其在电子通讯、化工、冶金、机械、建筑、能源、交通运输和航空航天等工业中有着广阔的应用前景¨。1。目前，多孔泡沫金属材料在化工装置中的应用包括过滤、电池基体材料、催化剂、催化剂载体和强化传热等。一方面该材料的许多优良特性还未完全发挥出来，许多潜在的用途尚待开发。另一方面，日渐严峻的能源和生态环境问题要求加大对新材料、新工艺的研究，以便节约能源，提高效率。所以加快对多孔泡沫金属的研究，使其在化工生产装备中发挥作用显得非常重要。1多孔泡沫金属

3、的结构及性能1．1多孔泡沫金属的结构特征常见多孔泡沫金属如图1所示可分为开孔(图la)和闭孑L(图1b)两种形式，开孔体为连续贯通的三维多孔结构，流体可从中间流过；闭孑L体内部气孔相互独立，并且每个气孔都是封闭的

4、4。。表征其微观结构的主要特征参数有孔隙率、相对密度、孔密度、孔径、孔径分布以及体积分数等。一般来说，多孑L泡沫金属具有孔径范围大(孑L径一般在0．1—10．0ram之间)、孔隙率高(孔隙率随其种类不同在40％～98％的范围内变化)、密度低(多孔泡沫金属的密度随孔隙率的提高而降低，一般为同体积金属的3／5～1／50)和比表面积大(可达500—10000m2／

5、m3)的特点。a．电沉积制造的开孔泡沫镶多孔材料b．粉末烧结型闭孔多孔铝材料图l泡沫金属材料微观结构1．2多孑L泡沫金属的性能影响泡沫金属性能的因素有基体金属的性·付全荣，男，1984年10月生，硕士研究生。山西省太原市，030024。806化工机械2010年能、相对密度、孔结构类型(开口或者闭孔)、孔结构的均匀性、孔径大小、孔的形状，孔结构的各向异形性、孔壁的连接性以及缺陷(如孑L壁的不完整性等)。在以上因素中，相对密度对泡沫金属性能的影响最大p-。1．2．1力学性能多孔泡沫金属的弹性模量并非一个材料常数，其值主要取决于材料的孑L结构，对其影响最大的因素是多孔泡沫的

6、相对密度。由于闭孔泡沫金属孔壁的约束使结构的刚度加强，因此闭孔结构的弹性模量应比相对密度相同的开孔结构的大。泡沫金属的变形也会引起孑L结构的变化，并导致弹性模量的变化。一般来说，弹性模量随应变的增大而减小。刘三星等¨一建立了泡沫金属在弹性范围内的弹性模量和泊松比随相对密度变化的关系式，并指出在同一模型中，相对密度相同的情况下，开孑L泡沫金属材料的筋条截面惯性矩越大，其弹性模量越大，泊松比越小。多孔泡沫金属受压缩时存在3个变形阶段，即弹性变形阶段、塑性坍塌或脆性破碎阶段以及密实化阶段。压缩应力．应变曲线如图2所示，大多数多孔泡沫金属包含一个很长的平缓段，称为平台应力区，

7、因此在给定的应变间隔内能量吸收率较大，吸收能力也较强。平台应力随密度的增加有明显的增加。在紧实阶段，当应力增加时，应变基本上没有太大的变化，因此，泡沫金属材料具有理想的抗冲击性。高洪吾等⋯研究了泡沫铝的孔隙率和孔结构的均匀性对压缩性能的影响。研究表明‘，泡沫铝的屈服强度随孔隙率的增加而减小，塑性平台区的变形范围随之增加，应力变化范围减小，力学稳定性增加。b茕恻应变￡图2泡沫金属材料的静态压缩应力一应变曲线多孔泡沫金属拉伸的初始变形过程与压缩过程十分相似，然而在后屈服阶段，拉伸变形机理与压缩变形机理出现了明显的差别。由于孑L壁及连接边的断裂机制和相互关系的不确定性，泡沫

8、金属的抗拉强度很难估算。一般地，其抗拉强度与压缩应力应变曲线的平台应力相当。1．2．2热物理性能对于孔径大、孔隙率高的闭孑L泡沫金属，孔隙中充满低导热系数的空气介质，使它的隔热性能较实体金属要好的多，所以闭孔泡沫金属可作为绝热材料。对于开孔泡沫金属，由于它复杂的三维网状结构使得流体的非线性效果增强，湍流得到了强化，从而促进固体表面向流体中高的局部换热；开孔泡沫金属的比表面积增大了其换热面积；开孔泡沫金属的固体骨架可利用高导热系数的材料制成，如Al(K。为200w／(m·K)或Cu(K。为400W／(m·K)，因此开孔泡沫金属可以强化传热。1．2．3渗