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中钢网新闻中心钢市纵横行业技术一种具有重要应用前景的新材料——藕状多孔金属

一种具有重要应用前景的新材料——藕状多孔金属

分享打印 2010-04-30 10:21 编辑:安易     来源: 中钢网     字体: [大][中][小]    

  金属/气体共晶定向凝固技术是近几年才出现的新技术,文献中记为GASAR技术,它所获得的材料——定向凝固规则多孔金属(Gasarite),不仅具有比传统多孔材料优异的性能特点,比如应力集中小、机械性能高、导热能力强等,而且具有比相同材质的致密材料高的综合机械性能,比如密度低,比强度和比模量高等,因此,Gasar技术被认为是生产多孔金属材料的革命性工艺。定向凝固规则多孔金属具有典型的莲藕状孔隙结构,通过改变GASAR工艺参数,可以很方便地实现对气孔率、气孔大小和分布的控制。初步工作表明,定向凝固规则多孔金属既可以作为工程轻质结构材料用于汽车、航空航天、造船、建筑等方面,也可以作为功能材料用于催化剂载体、消音器、电池电极、水净化、以及声音控制等方面,具有极为广泛的应用前景。

  GASAR技术的原理如下:氢与很多金属形成的二元系,在高温区都存在一个由单一液相分解为一个固相和一个气相的三相平衡反应,这个反应与传统的一个液相分解为两个固相的共晶转变类似,因此被称作金属/气体共晶转变。这种共晶转变的结果,是像传统的固体/固体共晶一样形成两相共同成对生长的规则共晶结构,唯一的区别就是其中一相是气体。在定向凝固条件下,得到的共晶转变产物是圆柱形气孔定向排列于金属基体中(平行于凝固方向)的气体-固体共晶结构材料,因为这种多孔结构与藕非常相似,故也被称为藕状材料。

  定向凝固规则多孔金属与传统方法制造的多孔材料比较起来,具有很多优异的性能特点,主要有以下两点:

  烧结型多孔材料的导热能力一般要比相应的致密材料低,而且随着气孔率的升高,导热能力下降很快。但是对于具有闭孔结构的Gasarite材料来说,由于气孔中充满有高压的氢气,对流换热成了比固体导热还重要的热量传输方式。由于氢气具有较高的热导率以及很低的黏度,因此如果气体压力足够高,对流换热的强大作用会使Gasarite材料的宏观导热能力超过相应致密材料。比如,铜基Gasarite材料的热导率是传统多孔材料的1.4倍。另外,与平表面比较起来,具有气孔的Gasarte材料表面可以提高材料的冷却速率20~50倍,与此同时可以提高材料的辐射散热能力5倍。Gasarte材料特殊的导热性能,预示着它在导热元件方面具有广泛的应用前景。

  当气孔率不高于20%时,尤其是当气孔尺寸比较均匀时,Gasarite材料的强度比相应致密材料的强度还要高,其中定向排布的气孔起到了强化作用。以此同时,实验表明,Gasarite材料中的孔洞在材料变形过程中不会造成明显的应力集中效应,拉伸断口形貌为典型的塑性断裂方式。这表明,Gasarite材料具有优于传统方法制造的多孔材料的综合机械性能,而且与相同材质的整块致密材料相比,具有密度低,比模量与比强度高的突出优点,这意味着在很多领域可以取代传统材料而实现轻量化的目的。

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