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浏览:- 发布日期:2022-07-28 13:21:29【

:力学以及能特,广泛应国防海洋工泡沫的主,浸渍法凝胶浇铸法3D,吸声性能微动磨损性能,应用前景

关键词:泡沫钛;制备方法;性能;应用前景

中图分类号:TG146.23 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)01-0001-06

0 引 言 

泡沫金属因具有优异的性能而成为十大新材料 之一其中,泡沫钛作为21世纪研发的一种新型的 功能材料,结合了多孔结构和钛合金的优点,与传统 的致密钛合金相比,具有较小的密度优异的力学性 能以及独特的功能特性,广泛应用于航空航天海洋 工程生物医学等领域[1]与泡沫,钛具 有更高的熔点及更好的隔热性[2-5],耐腐蚀性能好的特点,因此更适合在航空航天 和军事等领域恶劣的服役环境中应用泡 沫 钛 具 有优良的生物相容性[6-10],且其孔隙可为结缔组织 的生长输送养料,促使细胞的生长分化,因此广泛用于制造 仿 生 骨 骼牙 齿 等泡 沫 钛 也 可 用 于 生 产燃料电池 与 电 极,大 量 孔 隙 的 存 在 有 利 于 电 化 学反应过 程 中 能 量 的 释 放目 前,国 内 外 对 泡 沫 钛的研究主要集中在优化制备工艺提高孔隙率开发新 型 泡 沫 钛 合 金 材 料 以 及 拓 展 泡 沫 钛 应 用 为了给 相 关 研 究 者 提 供 参 考,作 者 从 制 备 方 性能以及 应 用 前 景 等 方 面 对 泡 沫 钛 的 研 究 进 展进行了系统性的总结

1 制备方法

1.1 烧结法 

泡沫钛烧结法分为粉末直接烧结法空心球烧 结法和添加造孔剂法粉末直接烧结法是制备泡沫钛的一种最简单的 方法,该方法通过对松散的钛粉进行直接烧结,或者 进行压制烧结,使粉末颗粒相互,的孔隙率,从而得到多孔材料[11]因其简单的成型过程以及对环境污染程度小而广泛 用于工业化生产中具有定向孔隙的泡沫钛的烧结 过程如图1[12]所示:第一步,制备双材料棒,由塑料 黏合剂混合挥发性造孔剂的芯和钛粉/黏合剂混合 物的壳组成;第二步,通过挤压成束产生任意横截面 的生坯,或通过轴向压制成复杂形状的生坯;第三 ,除去黏合剂和造孔剂,并通过烧结固结钛粉用粉末直接烧结法生产的泡沫钛尺寸精度较低,法控制其孔隙率及孔径,因此需要通过添加疏松剂 来控制其孔隙率。ZHANG [13]通过逐层粉末烧 结方法制备得到具有层状孔隙结构的泡沫钛合金, 该泡沫钛合金具有较高的阻尼能力,且其抗压强度 和弹性模量具有各向异性

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空心球烧结法的工艺有多种,主要包括:(1)属通过化学和电沉积的组合方法沉积到聚合物球体 ,在 后 续 步 骤 中 通 过 烧 结 将 聚 合 物 球 体 除 去 ;

(2)用黏合剂或金属粉末悬浮液涂覆聚合物球,然后 通过烧结以获得致密的金属壳并去除聚合物球;(3) 利用同轴喷嘴将金属粉末金属氧化物粉末或金属 氢化物粉末浆料吹成微球,在滴管中干燥,然后通过 烧结将获得的微球脱氧;(4)通过雾化金属熔体来形 成空心球空心球烧结法通过选择合适孔径及数量 的空心球来对其孔径孔隙率相对, 从而控制其力学性能杨倩倩等[14]使铝空心球和氧化锆空心球,通过空心球烧结法制备 TC4泡沫钛,其中,氧化铝空心球/TC4泡沫钛的 截面结构如图2所示,泡沫钛中氧化铝空心球形态 完整,与钛合金间界面清晰,未发现明显的过渡层

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添加造孔剂法制备泡沫钛的工艺过程如图3的造孔剂主要尿素聚合,附着聚合,聚合物后行烧用作造孔剂时,将大量镁金属颗粒填充在钛粉中,远低于镁熔点的温度下热压成形,最后烧除镁 颗粒形成孔隙而得到泡沫钛。XIAO [15],将粒径为0.4~2.5mm 的尿素颗粒作为造孔,用汽油醚润湿尿素后,添加到粒径小于 45μm 的钛粉中,166 MPa压力下压制成形,170 ℃ 预热后,1400 下烧结固,的孔隙率可达到70%。研究[15-16],当控尿素造孔剂体积分数在60%~80%,可制备得到 孔隙率在50.2%~71.4%的泡沫钛,孔隙率与造孔 剂含量的关系取决于宏观大孔在烧结过程的体积减 小量以及骨架上微观小孔的体积王耀奇等[17]究发现,用不同粒径的尿素作为造孔剂制备得到泡 沫钛的孔隙率与造孔剂体积分数的差值随造孔剂粒体积分数的增加以及烧结温度的升高烧结时间 的延长呈增大趋势,同时泡沫钛孔壁的致密程度与 烧结温度呈正相关,而抗压强度随造孔剂粒径的增 大呈先升高再降低的趋势

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 氯 化 物 也 可 作 为 造 孔 剂 来 制 备 泡 沫 钛SHBEH [18]以球形和立方体2种形状的氯化钾 颗粒作为造孔剂来制备泡沫钛,发现用球形氯化钾 颗粒制备的混合物料流动性更好,这有利于造孔剂 更均匀地分散在钛基体中,孔分均匀的泡沫钛。SALVO [19]20%30%氯化钠为造孔剂制备孔隙率为30%的泡沫 Ti- 30Nb-13Ta-2Mn材料,该 材 料 具 有 良 好 的 力 学 性 通过添加合适的造孔剂,调控造孔剂的含量及 尺寸并搭配相应的生产工艺可有效控制泡沫钛中孔 隙大小及孔隙率[20]

烧结法具有低成本低污染等优点,广泛应用于 泡沫钛的生产制造中,但是该方法不适用于制造形 状复杂尺寸大精度高的产品。 

1.2 浸渍法 

浸渍法是将聚氨酯泡沫载体放入含有金属粉末 的浆料中反复浸泡,在载体表面覆盖一定厚度的金 属浆料,然后通过烧结金属涂层并分解掉,从而制备出高孔隙率泡沫金属的工艺[21]浸渍 法制备泡沫钛时,可通过控制浆料涂层厚度和载体 形状来控制泡沫钛的孔隙率以及产品形状,因此采 用浸渍法可以制造高孔隙率和形状复杂的泡沫钛但是烧结过程对工艺要求严苛,孔成形效果差,且载 体材料不能与金属浆料发生反应。MANONUKUL [22]研究表明,随着采用浸渍法制备的泡沫钛中单 位体积孔隙数量的增加,表观密度增加,即孔径减 ,孔隙率降低,承载能力增加

1.3 凝胶浇铸法

凝胶浇铸法是20世纪80年代由美国橡树岭国 家实验室发明的一种陶瓷近净尺寸成型工艺,该方 法将发泡剂加入到钛粉中进行搅拌发泡,然后将发泡液进行热凝胶化,最后进行烧结而得到泡沫钛与传统的成型工艺相比,凝胶浇铸法更适合制备形 状复杂 的 零 件。BIASETTO [23]在 生 物 聚 合 物 (如 卵 清 蛋 白)发 现 剂 中 进 行 凝 胶 浇 铸,制 备 的 Ti6Al4V 泡沫钛孔隙率在71%~91%。LUX[24] 以卵黄胶为发泡剂,采用凝胶浇铸法制备 Ti6Al4V 泡沫钛,其孔隙率和孔径可通过卵黄胶发泡过程中 的搅拌器转速来控制

1.4 3D法 

3D术可以在计算机模型中设计孔隙率 以及孔结构,因此可制造出孔隙率高形状复杂的泡 沫材料目前,制备泡沫钛的3D 打印技术主要有 选择性激光烧结技术选择性激光熔融技术激光工 程网成型技术选择性电子束熔融技术和三维纤维 沉积技 术。SHISHKOVSKY [25]首 次 采 用 选 择 性激光烧结工艺制备泡沫钛,并研究了泡沫钛支架 的生物相容性和力学性能。MATSUSHITA [26] 利用3D打印技术制备了泡沫钛颈椎前路椎间盘利用泡沫钛制备的骨植入物对于生物体的适应性较 ,可促进新骨的生长[27]

2 能 

2.1 吸能性能 

泡沫钛的多孔结构特征使其具备良好的压缩性 随着相,应力增大[20]MANONUKUL [28],用浸渍法制备的泡沫钛在平行和垂直于泡沫钛成形 方向上的压缩响应是各向同性的泡沫材料的吸能 性能取决于室温压缩平台应力的大小和平台应力区 域的应变范围,泡沫材料的吸能性能一般用单位体 积吸收能量来表征,可通过对应力-应变曲线下方区 域进行积分得到。XIE[20]研究表明:压缩至50% 应变时,孔隙率为71%~88%泡沫钛的单位体积吸 收能量为11.2~55.6 MJ·m-3在相同平台应变 ,单位体积吸收能量随着泡沫钛孔隙率的减小(对密度的增大)而增加;泡沫钛的最大吸能效率为 0.27,理想吸能率约为0.78,表明孔隙率为71%~ 88%泡沫钛适于吸能方面的应用。 

2.1 生物相容性

理想的植骨材料应当具备骨生成性骨传导性 和骨诱导性泡沫钛的孔隙结构以及弹性模量等都 与人体骨骼相似,与人体组织具有良好的结合性,体肌肉能够向孔隙内生长,人体组织液也能够流入 其中并且,当泡沫钛经过 NaOH、CaCl2、H2SO4/ HCl化学浸泡和热处理等特殊的处理后,能够被新 生长的骨组织深度穿透(骨传导)。例如,依次经过 化学和热处理所形成的人工髋关节多孔钛层,能够 以诱导生物活性的方式被新骨穿透,并与周围的骨 骼紧密地固定在一起虽然这些多孔钛层的厚度一 般小于1mm,但如果孔,体中向更深的区域生长[29]TAKEMOTO [30]过烧 结 方 法 制 备 了 孔 隙 率 50%、平 均 孔 径 为 300μm 的泡沫钛,经过化学和热处理后,沫钛 制备的狗骨组织在3个月后已经生长至泡钛气的中央部分;对于处理过的泡沫钛,骨植入物与狗骨 组织的接触面积占骨植入物面积的35%,而对于未 处理的泡沫钛,骨植入物与狗骨组织的接触面积仅占 11%。泡沫钛可通过定制多孔结构而具有优良的渗 透性良好的吸收性能,以允许体液运输,从而促进骨 生长细胞迁移和附着,并提高新的骨组织的生长能 力和血管化,因此泡沫钛常用作骨植入物的支架[31]

2.3 电磁屏蔽性能 

泡沫钛具有明显的电磁屏蔽效果,且在低频下 的屏蔽性能更优[32]多孔泡沫金属可以通过反射散射和吸收来衰减入射的微波,从而衰减电磁能量泡沫钛的电磁屏蔽效能随着电磁波频率的增大,现先减小后增大的趋势[33]闭孔泡沫金属的电磁 屏蔽性能主要与反射损耗吸收损耗以及孔内的多 次反射损耗涡流损耗等因素有关,其中反射损耗和 孔内的多次反射损耗占主导,而吸收损耗和涡流损 耗在高频区贡献较大[34]

2.4 吸声性能 

泡沫金属的吸声机理主要涉及材料本身的阻尼 衰减孔壁与孔内流体之间摩擦产生的黏性耗散,及声波反射引起的干扰消声大多数金属的固有阻 尼能力较差,因此泡沫金属主要是通过摩擦黏性效 应和反射机制来衰减声波。LIU [35]研究发现:200~6300 Hz 声 波 频 率 范 围 内,当 频 率 低 于4250Hz,具 有 较 大 孔 径 泡 沫 钛 的 吸 声 性 能 较 ,而当频率大于4250Hz,孔径较小泡沫钛的 吸声性能较优;较高的声波频率可能导致较多孔隙 内产生空气振动,空气和孔壁之间的摩擦造成二者 间的黏性力较大,此时声能主要通过黏性耗散机制 衰减,因此当声频高于一定值时,具有较小孔隙率和 孔径的泡沫钛具有更好的吸声性能

2.5 微动磨损性能 

泡沫钛具有高强度高质量比和优良的减震能 ,能够最大限度地减小植入物与宿主骨界面的应 力屏蔽效应,是一种具有较大前途的生物植入物应 用材料,但在微动磨损的影响下,作为植期应用后可能会导致失效。CHOI[36], 适当添加较硬的钨合金能够改善泡沫钛的耐磨性 ,MAJUMDAR[37]表明,纯钛的耐性与其中存在的孔隙有关,磨粒磨损是其磨损的主 ;微疲过程步降沫钛,而引泡沫裂纹生以及表面层的破坏在泡沫钛中添加空心微珠能 够显著降低其摩擦因数,使得钛基体中在封闭孔 ,从而降低了微动磨损失效的可能性[37]

3 应用前景 

3.1 生物医学 

钛及其合金因其优良的耐腐蚀性能低密度良的生 物 相 容 性 而 受 到 生 物 医 学 领 域 人 员 的 关 [38-40],但致密钛金属的弹性模量较高,会受到人 体组织的排斥,导致植入的钛金属失效泡沫钛的 弹性模量较低,且可通过控制孔隙率使其弹性模量 与人骨相匹配此外,泡沫钛经某些化学处理和热 处理后,会表现出骨传导性骨诱导性,与骨骼接触 后异位骨的形成因此,泡沫钛在物医学领域起到重要作用研究[26],具有导生物活性设备中,泡沫钛可以起到稳定固定装置 和缩短愈合期的作用,且不再需要自体骨移植

3.2 电池电极 

多孔材料因孔隙率高比表面积大抗压强度 [41-42],可作为催化剂生物材料过滤装置或气体 扩散介质使用[43]当泡沫钛用作聚合物电解质燃 料电池气体扩散层(GDL)阳极时,与传统的含铱或 钌的阳极相比,泡沫钛电池中不需,可显著降低系统的预期成本[44]PARK [43] CHOI[45]研究发现泡沫钛和 TiO2 涂层阳极 的独特组合具有高度稳定的充放电循环性能,有望 用作具有更高安全性和稳定性的锂离子电池的阳极 材料基于泡沫钛的电极设计不仅限于应用在锂离 子电池方面,还将作为催化剂或过滤器应用于其他 能源和环境领域文献[46-47]探讨了泡沫钛在太 阳能电池光催化剂以及复合电极中的潜在应用,沫钛和 TiO2 涂层阳极优异的光电化学性能可以归因 于泡沫钛的大比表面积和 TiO2 性吸附位,新型3D光电极的应阳能转化提供新的方向

3.3 航空航天

随着航空航天技术的发展,航空航天飞行器的 服役环境越来越恶劣,其中热防护系统作为保障飞 行器安全飞行的重要一环,其性能要求也越来越高钛合金优异的耐高温性能以及多孔结构的隔热性, 为泡沫钛在航空航天领域应用提供了可能钛合金 泡沫复合材料可以应用于耐热要求较高的航天器隔 热保护壳,以及航空发动机中的蜂巢式机构等[48]双层夹心多孔对流冷却结构能有效阻隔热量向内层 结构传递,具有良好的绝热性[49]

4 结束语

泡沫钛在最近十几年得到迅猛发展,其制备方 法越来越多样,如烧结法添加造孔剂法凝胶浇铸 浸渍法、3D 打印法等,其性能包括吸能性能学性能生物相容性渗透性能电磁屏蔽性能吸声 性能微动磨损性能等研究越来越深入,在生物医 电池电极航空航天等领域的应用也越来越广 目前在高孔隙率泡沫钛的制备上还存在较多困 ,其制备工艺对其结构及性能的影响研究目前尚 存在瓶颈创新制备方法,优化制备工艺,以更低的 成本和更环保的方法制备高孔隙率的泡沫钛是未来 泡沫钛的发展方向


参考文献: [1] 肖健,邱贵宝.泡沫或多孔钛的制备方法研究进展[J].稀有金 属材料与工程,2017,46(6):1734-1748. 

[2] 张铭君,刘培生.泡沫钛的制备和性能研究进展[J].金属功能 材料,2014,21(4):47-56. 

[3] ,,刘源,.陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料 备与[J].,2020,69

[4] 肖健,邱贵宝.大孔径高孔隙率烧结泡沫钛的造孔剂研究述评 [J].中国材料进展,2018,37(5):372-378. 

[5] 王耀奇,王晓华,王哲磊,.泡沫钛制备及力学性能评价研究 [J].稀有金属材料与工程,2020,49(3):1051-1057. 

[6] 侯宜朋,侯赤,万小朋,.对流式主动冷却结构影响参数分析 [J].固体火箭技术,2016,39(1):90-94.

< 文章来源>材料与测试网 > 机械工程材料 > 46卷 > 1期 (pp:1-6)

                                                   


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