泡沫铝是如何造出来的? |
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泡沫铝材料是使用铝合金发泡生产的新型轻金属材料,在全世界范围内都受到了广泛关注,拥有吸能缓冲、电磁屏蔽、吸音降噪等诸多优异的性能。 那么,泡沫铝材料是如何从实心的铝变成多孔结构的呢,或者说,都有什么方式可以把它制造出来呢? 总体来说,国内外曾经规模量产的几种生产方式包含渗流法、熔体发泡法和吹气法,另外还有精密铸造、粉末冶金和电沉积等成本较高的方式,很难大批量生产,一般应用在一些要求较高或较特别但是用量不大的领域,比如航天、高端设备等。 几种工艺的简单对比如下: 不同泡沫铝工艺对比 作者:Xief09 微信同号注意,泡沫铝分为开孔(open-celled)和闭孔(close-celled)两种。前者泡孔之间互相连通,甚至体现出如丝瓜瓤一样的立体空间结构;后者泡孔彼此独立,偶然情况下有轻微缝隙,但不影响泡孔的独立性。 如果您有耐心,下面请随我一起了解下这些不同的工艺,到底是如何把实心的铝,变成了多孔结构的泡沫铝。 1. 主流生产工艺:渗流法(渗流铸造法)渗流法是一种工艺简单、发展较早的生产工艺,所制造的泡沫铝材料为通孔,泡孔彼此相连。渗流法制造的泡沫铝外观如图: 渗流法泡沫铝样品 作者:Xief09 微信同号1.1 简要工艺原理 渗流法的工艺流程其实比较简单: 1. 把盐颗粒放进容器并加热到合适温度; 2. 把熔融的铝液倒进容器,并加压确保铝液充分渗透进去; 3. 冷却后把毛坯切割成一定厚度的薄板; 4. 使用水或其他溶剂,把夹杂在铝中间的盐颗粒洗掉。 渗流法工艺原理图(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号以上是两个不同来源的渗流法工艺原理图,内容基本一致,结合图片和文字,应该很容易理解其中的加工制造流程。 如果您还觉得不理解,搜狐视频上甚至有现成的视频教程:https://tv.sohu.com/v/dXMvMzM4NDUwODU1LzE5MDA0NzI1My5zaHRtbA==.html 注意,上述盐颗粒可以用食盐(NaCl)也可以用其他金属盐类,工艺参数的区别主要在于成分、颗粒大小和过程中的温度、压力控制等,工艺难度不高。 1.2 工艺特点与优劣势优点: 1. 外观美观:均匀度较高,并且刚刚清洗完成的渗流法泡沫铝表观状态非常不错。 2. 声学特性较高:通孔结构更利于吸音,实际声学应用中,闭孔泡沫铝一般需要使用更厚的厚度。 3. 技术门槛低:简单的实验室条件即可生产,小规模量产的资金门槛、技术门槛都不高。 缺点: 1. 腐蚀、使用寿命短:盐类在多孔结构中是很难清理干净的,泡沫铝在空气中会受潮,潮湿的高浓度盐溶液发生电化学反应,导致铝腐蚀。实际使用过程中,绝大多数渗流法泡沫铝均出现了比较明显的变色、腐蚀甚至严重的盐液渗出。 2. 力学性能差:盐颗粒难以避免会出现边角结构,生硬的结构角不利于力学性能,因此材料普遍偏脆,而电化学腐蚀则更加剧了这一缺点。因此在实际工程应用中,渗流法不适用于吸能缓冲等对力学性能要求较高的场景。 3. 孔隙率受限:盐颗粒的自然堆积,在空间中的体积占比是存在明显的上限的,比如球形结构最大空间占比67%,也就是说这种情况下最大孔隙率只能做到67%,而闭孔泡沫铝可以轻松实现90%、95%甚至97%的孔隙率。 4. 成本高:由于力学性能较差,并且密度居高不下导致铝用量大,最终渗流法泡沫铝的成本偏高。 5. 尺寸和厚度受限:一般最大600mm×600mm,厚度20mm以内。 6. 废水排放:很容易想到,对盐颗粒的清洗需要大量的水,尤其在量产中废水排放量极大; 1.3 行业现状力学性能差、成本高、不环保,这一系列不足,导致渗流法在市场上的竞争力不足,同时受环保政策压力极大。事实上,国外很久之前就已经停止了渗流法的批量生产,国内早期的渗流法企业也纷纷因为环保、成本原因关停。 2012年,国家建筑材料测试中心联合当时国内几家泡沫铝企业起草了《JGT 359-2012 建筑用泡沫铝板》国家标准。而仅仅数年之后,参与起草该标准的泡沫铝制造企业全部停止生产,令人慨叹。 2. 主流生产工艺:熔体发泡法(熔体铸造法)熔体发泡法最早由日本发明,是目前国内比较主流的泡沫铝制造方法,样品外观如下: 熔体发泡法泡沫铝样品 作者:Xief09 微信同号2.1 简要工艺原理 熔体发泡法的工艺原理类似于蒸面包: 熔体发泡法工艺原理图(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号1. 先把铝液增粘并充分搅拌; 2. 加入经过预处理的发泡剂(一般为氢化钛或氢化锆)并搅拌均匀; 3. 送入保温炉,保温发泡; 4. 冷却凝固,送机加工。 听起来是不是很简单?把大象放进冰箱比这还简单呢,三步就够了。 言归正传,请思考如下问题: 1. 您蒸的面包,里面的孔均匀么? 2. 如果要您蒸一个两米大的面包,孔还能均匀么? 3. 气泡在面团里面是不会乱跑的,但是在液体里面会乱跑,俗称“冒泡”。现在把面团换成七百度的铝水,这个“铝面包”孔还能均匀么? 4. 做完以上那些,还要保证成本可控,又如何? 事实上,生产工艺比这个讨论还要复杂得多,而且能造好泡沫铝的工艺窗口十分狭窄。此处容我泄个密,把我们内部的工艺培训资料截个图: 熔体发泡法部分工艺要点 作者:Xief09 微信同号看到了吧,其实熔体发泡法一点儿都不难,只要把上面这十几个互相矛盾、互相影响、互相限制的工艺参数处理好了就成功一半了(手动狗头)。 为什么是一半而不是全部,那就得您自己想想我到底隐瞒了什么机密啦。 至于差距有多大,您看看呗: 不同工艺控制水准的泡沫铝侧剖面,注意孔隙均匀度和底部无泡层 作者:Xief09 微信同号2.2 工艺特点与优劣势优势: 1. 力学性能好,可以制造1MPa~35MPa的泡沫铝材料; 2. 孔隙范围大,理论孔隙率0~95%,实际生产中常用到60~92%的孔隙率; 3. 再加一条吧,在某些工艺下,可以实现类似于倒模珍珠的效果,就像上面图上的样品。 缺点: 1. 工艺要求高:如上文所述,精确的工艺控制真的很难; 2. 产品一致性:由于重力影响、铝液排液等原因,不同批次之间密度、强度差异较大,同一毛坯水平、竖直方向也存在密度、强度差异,对性能控制挑战很大; 3. 成本较高:比如发泡剂原料售价十几万元一吨,经过处理之后更高; 4. 生产线占地大、产能受限。 国内厂家的小规格泡沫铝生产线,已经占据了半栋厂房 作者:Xief09 微信同号2.3 行业现状发明熔体发泡法的日本九州制钢所,因为成本原因早已停产。韩国、中东有部分企业也在用熔体发泡法。 国内企业主要采用发泡法生产,但普遍并未克服以上提到的问题,因此市场推广受限。尤其是,国内大多数企业并没有实质的研发能力,拿着高校给的技术原型,勉强实现量产后,不再深入研发,导致国内泡沫铝产业曾经多年原地踏步。 3. 主流生产工艺:吹气法(熔体吹气法、熔体注气法)吹气法是主流泡沫铝生产工艺中,门槛最高、难度最大的一种。 以高校研究为例,国内有几十家高校、科研院所从事过熔体发泡法的研究,并且在实验室制造出了原型样品;而从事吹气法研究并能够成功制造样品的高校院所,只有寥寥三五家,而且当前都已经停止研究。 即使是“相对简单”的发泡法,以上几十家科研院所里面,能够实现规模产业化制造的,也只有三两家而已。如果再加上经济性指标的话,只有一两家高校能够实现商业运营。 从技术原型,到规模生产,再到成熟产品,再到商业流通,步步是擂台。 吹气法制造的泡沫铝材料样品如图: 吹气法泡沫铝样品 作者:Xief09 微信同号生产线出来的未经过加工的毛坯料如图: 吹气法生产的材料毛坯 作者:Xief09 微信同号毛坯放一起,是不是看着比发泡法的面包工整多了 3.1 简要工艺原理为什么上面要铺垫那么多呢,因为吹气法的工艺原理看上去似乎更简单: 吹气法工艺原理图(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号铝液熔融、增粘,底下吹气,上面收集气泡并冷却,就可以了。 如果吹气之后等气泡稳固统一冷却,就是静态吹气法;如果保持吹气的同时,对收集的气泡连续导出、冷却,就是动态连续吹气法。 没错,吹气法生产泡沫铝,就是这么简单(千万不要问任何技术细节,那会让泡沫铝攻城狮很头疼很伤心)。 3.2 工艺特点与优劣势吹气法的优势如下: 1. 迄今为止唯一能够实现连续生产的工艺; 2. 力学性能好、功能性能好; 3. 一致性高、可控性强; 4. 制造成本低:材料利用率高、能耗低; 5. 生产线占地小,产能大(相对熔体发泡法)。 劣势或难点则在于: 1. 装备设计制造门槛高,设备复杂、控制难; 2. 高温连续生产,对核心部件的加工精度、可靠性等要求极高; 3. 工艺控制困难、工艺参数匹配要求高。 3.3 行业现状加拿大Cymat在吹气法领域耕耘最久,并形成了一系列产品,定位较高。 近期,安徽省某企业经过多年研究,初步实现了吹气法的规模量产,在国内尚属首次,值得关注。 4. 并未大规模量产的工艺后面讲解的几种工艺,尽管原理、特性不同,但具备一个共同的重要特点:成本高(gui)。因此很难大规模推广,只应用在一些特定领域。 并且,由于成本、规模的原因,这几种工艺在全世界范围内都是高校、研究所在小批量产,或者是大企业下属的研发机构给主体做配套,如航天。 4.1 消失模铸造法消失模铸造,简单来说就是用泡沫塑料或其他高分子材料做一个要做的产品模型,然后把模型埋入耐高温的材料,比如型砂、石膏等,把金属液注入,金属液把模型烧掉并充满模型所占的空间,最后成型为泡沫铝。 消失模铸造工艺原理图(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号这个工艺做出来的泡沫铝可以是这样的: 一种消失模铸造泡沫铝材料(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号为什么说“可以是这样”呢,因为不一定都这样。你需要他是什么样,就做一个模型,最终就能做出来想要的泡沫铝(工艺允许范围内)。 优点就是结构可控(但这个工艺做不出来闭孔结构,原因大家可以思考下),缺点就是贵。 北美ERG航空公司用这种工艺生产的特种泡沫铝材料应用于波音、NASA等,国内中科院固体所等科研单位对此也有深入研究。 4.2 粉末冶金法粉末冶金法是由德国Fraunhofer材料研究所发明的一种生产方法,可以制备出结构均匀的泡沫材料。 粉末冶金法工艺原理图(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号 粉末冶金法还可以制造多孔结构的复合零件: 粉末冶金法制作复合零件(图片源自网络) 作者:Xief09 微信同号再来就是缺点了:设备要求高、工艺苛刻、制造成本高、产品规格受限、产能低。 网络上广泛流传奥迪A8使用Fraunhofer粉末冶金法生产的泡沫铝复合零件,但也只有A8这个档次才用得起了。 4.3 电沉积主要以高分子泡沫材料为基底,对表面进行导电处理之后,电沉积铝金属,之后去除泡沫、烧结,获得开孔泡沫铝。 电沉积泡沫铝样品 作者:Xief09 微信同号这种工艺也可以用来做泡沫铜、泡沫镍等: 电沉积泡沫铝作者:Xief09 微信同号由于性能均匀可控,在催化剂载体、高性能换热等领域有一定应用。为什么不广泛应用呢?当然还是价格了,上面那薄薄的一小片,每平米要将近两千块。看起来也不算很贵是吧,但是按体积算的话,这个价格大约比熔体发泡法贵了30倍。 也因此,这种工艺很多院所都有研究,但未见量产。 5. 结语新材料、新技术的产业化是一个比较复杂的系统工程,从科学原理、工艺原型、实验室原型、工厂试验机、小规格量产设备、定型设备,每一步都涉及到无数的问题,包含但不限于:工艺构型、设备设计与制造、工艺研究、电气控制、核心零部件加工等,在产业不成熟,甚至没有可供参考的模型的时候,向前走举步维艰。 还好,全世界范围内的泡沫铝企业都遇到了类似的问题,因此直到如今,世界范围内并未出现“泡沫铝巨头”。即使是在泡沫铝领域耕耘多年的加拿大Cymat,其规模也并不很大,而且产品限制颇多,后来者依然有很多机会。 从另外一个角度,维护关键材料的自主可控,对我们国家的军工、航天、核电等产业意义重大。中美贸易战以来的国际关系收紧,也蔓延到了泡沫铝领域。2018年时,ERG官网尚且能够查询到16MPa级泡沫铝材料的压缩曲线,而2020年之后,官网上只显示3MPa级材料的压缩曲线,更高规格的报告全部撤下(一般民用最高用到3~5MPa,更高的强度都是军工、核电在用)。中科院固体所也表示,即使是以科学试验的名义采购小样品,也被ERG拒绝。 前路荆棘满地但也有繁花似锦,唯有自强不息、砥砺拼搏,希望在不远的未来,泡沫铝可以像光伏等产业一样,“国际巨头”在中国。
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