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多孔金屬材料制備工藝及工業應用

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2023-12-11         
閱讀:56     
 
 

輕量化是工業界的重要趨勢之一,尤其在汽車工業中較為人所知。汽車輕量化是以減輕汽車車身或零部件的重量,達到降低燃油耗量及環保節能的效果為目的。研究數據顯示,汽車整體車身重量每降低 10% 可提高燃油效率 6%-8%;整體車身重量每減少 100 公斤則可降低每百公里油耗 0.3-0.6 公升,而二氧化碳排放量每公里亦可減少約 5 克;趯沙掷m發展考慮,業界已為汽車輕量化的積極實行達成共識。在汽車輕量化工作領域中,研發輕量化材料及其相關工藝亦極具重要。在現今新能源汽車急速發展的背景下,輕量化概念在提升汽車續航里程和減少充電頻次上更為重要。各地車廠及汽車零部件制造商亦需要優化現有產品以配合新產品的需求。

要實現材料輕量化,其中一種最直接的方式是將材料內部鏤空,從而使密度下降。擁有鏤空結構的輕量化金屬材料被稱為多孔金屬(porous metal),或泡沫金屬(metal foam)。如同真實的泡沫,泡沫金屬的內部填充著許多空心的孔洞,而孔洞與相鄰孔洞之間則為原來的金屬材料,形成了泡沫外壁結構支撐著整體材料。所以相比同等體積的實心金屬,該材料有著更低的密度。從下文起,該材料被稱為「多孔金屬」以求達意方便。

多孔金屬可大致分為兩類:閉孔型多孔金屬和通孔型多孔金屬。閉孔型多孔金屬內的孔洞不相通,孔壁均被包裹,即封閉狀態,氣體分子于多孔金屬生產時即被困在孔洞中,不能自由出入。反之,通孔型多孔金屬內的孔洞相通,金屬結構只存在于孔洞的邊角間隙處,分子可自由穿過各孔洞。 在多孔金屬材料的生產設計過程中,孔隙率是決定材料性能的重要參數。一般在生產過程完成后,材料的孔隙率已經被確定?紫堵视,代表金屬結構成分愈高,重量亦相應提高?紫堵视,則代表金屬結構成分愈低,重量亦相應降低。金屬結構多寡可影響材料強弱、表面的接觸面以至減震吸音等性能,由此可見孔隙率對于多孔金屬有著相當大的性能影響。 本文將針對先進多孔金屬材料的制備以及工業應用,分兩點進行簡要介紹:

一、多孔金屬材料的制備

近年來,多孔金屬泡沫結構因其輕質和高表面積的優勢,在散熱領域及汽車結構件領域已有應用。但是,目前的金屬泡沫制備工藝主要是采用發泡法,其發泡過程需要涉及到金屬氫化物的分解,應用分解出的氫氣進行發泡填充。另外,現階段有效的發泡金屬氫化物僅有氫化鈦和氫化鋯,這兩種材料的分解溫度與鋁合金的熔點接近,但對于其他的金屬合金,例如銅合金等,它們的分解溫度與上述金屬合金的熔點溫度則相距甚遠;谏鲜鰡栴},香港生產力促進局研發并制備了一種生產多孔金屬的新型工藝:(1)該工藝僅使用物理方式對原材料進行加工處理,不涉及任何化學過程;(2)由于工藝也不涉及化學變化或氫氣的使用,因此不會構成環境泄漏、爆炸等安全方面的風險;(3)與現有的化學發泡方式或生產工藝相比,該工藝的生產成品乃是 100% 通孔的多孔金屬材料,具有更高的便利性、安全性和可持續性。因此,在制作通風、散熱、或復合材料時可以有出色的表現。

多孔金屬纖維制備工藝可大致分為兩大步驟,分別是纖維提取工藝和燒結成型工藝。是次研究中,香港生產力促進局自行設計了一部制備/生產設備,采用我們開發的新工藝,生產均勻的金屬纖維。新工藝旨在把金屬材料熔化并噴注在高速轉動的輥系上,金屬材料經過快速冷卻的同時被快速甩出,成為細晶金屬纖維。改變熔煉提取過程的相關參數,可得到不同尺寸、厚度和形狀的成品。金屬纖維準備完成后,將特定份量的金屬纖維裝入模具,并在鋁合金模具中以特定下壓量壓緊纖維,從而制作出纖維塊。隨后,把纖維塊放入剛玉或者石墨模具中,并將模具和樣品一并放入真空燒結爐中,在氬氣保護環境中燒結成為多孔金屬。

多孔金屬纖維制備

多孔金屬纖維制備

二、多孔金屬材料工業應用

多孔金屬除了有輕量化的優點外,亦有高表面積、吸振、吸音、吸收能量等優點。因此,多孔金屬有廣泛的應用潛力和空間,應用范圍覆蓋不同工業領域,例如:1. 在結構應用方面,若所需機械強度較低,可直接取代傳統金屬材料;2. 配合實心金屬材料,多孔金屬材料只作為部分結構,整體結構減輕的同時亦能提供足夠強度,隔離外界振動與噪音;3. 多孔金屬材料可作為隔熱和散熱材料,或用于電化學方面,如空氣過濾器的靜電過濾部分。具體應用案例如下:多孔金屬纖維材料具有輕量化的特點,而且亦具有一定抗壓性能。當遇上沖擊時,多孔金屬纖維材料亦可透過形變而吸收能量,故適合作為輕量化抗沖擊填料使用。與傳統實心材料相比,多孔金屬纖維材料與空氣產生更大的接觸面積,與傳統多孔泡沫材料相比,多孔金屬纖維材料則具備 100% 通孔的特性,具有良好的散熱效果。故多孔金屬纖維材料亦可放在電路板上,作為散熱組件使用。

多孔金屬纖維可以選用不同的金屬材料,例如不銹鋼和銅等材料,以制備不同尺寸和材料的金屬纖維,并燒結成型制造泡沫金屬的多孔結構。這是一種適用于大、中、小批量生產的新型柔性工藝。與現有的化學發泡工藝相比,不僅具有經濟性,并且所有可熔金屬材料均可透過該種工藝制造,大多數商業化多孔金屬材料和構件的制備亦可以采用該工藝。

多孔金屬纖維材料亦可作為本局的另一研究項目 - 相變熱管理系統中的框架材料使用。該研究項目結合使用相變熱管理材料來包裹車用鋰電池,以實現吸熱和散熱的功能,從而達致熱平衡,以及提升電池的使用壽命。該散熱結構中,相變熱管理材料的金屬框架可由泡沫鋁材料改為使用柔性金屬纖維多孔材料制作而成。

此外,香港生產力促進局亦提出了多種先進工藝,包括“夾層金屬-塑料復合板材的制備和沖壓工藝”、“用于多層復合金屬片的開發的累積迭軋焊技術”、“回填式攪拌摩擦焊在異種材料(例金屬與金屬,金屬與碳纖維板材)的焊接工藝研發”等輕量化方案。香港生產力促進局擁有多名金屬材料開發技術的專家,正開展上述咨詢顧問服務,并具備專業的設計和制備技術。根據客戶的要求,我們能夠提供技術支持、樣品開發以及相關測試的服務,以期解決企業生產中的困難,降低成本投入,提升產品質量。

 

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