泡沫鋁材料是使用鋁合金發(fā)泡生產(chǎn)的新型輕金屬材料，在全世界范圍內(nèi)都受到了廣泛關(guān)注，擁有吸能緩沖、電磁屏蔽、吸音降噪等諸多優(yōu)異的性能。

那么，泡沫鋁材料是如何從實(shí)心的鋁變成多孔結(jié)構(gòu)的呢，或者說，都有什么方式可以把它制造出來呢？

總體來說，國內(nèi)外曾經(jīng)規(guī)模量產(chǎn)的幾種生產(chǎn)方式包含滲流法、熔體發(fā)泡法和吹氣法，另外還有精密鑄造、粉末冶金和電沉積等成本較高的方式，很難大批量生產(chǎn)，一般應(yīng)用在一些要求較高或較特別但是用量不大的領(lǐng)域，比如航天、高端設(shè)備等。

幾種工藝的簡(jiǎn)單對(duì)比如下：

注意，泡沫鋁分為開孔（open-celled）和閉孔（close-celled）兩種。前者泡孔之間互相連通，甚至體現(xiàn)出如絲瓜瓤一樣的立體空間結(jié)構(gòu)；后者泡孔彼此獨(dú)立，偶然情況下有輕微縫隙，但不影響泡孔的獨(dú)立性。

如果您有耐心，下面請(qǐng)隨我一起了解下這些不同的工藝，到底是如何把實(shí)心的鋁，變成了多孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁。

1.??主流生產(chǎn)工藝：滲流法（滲流鑄造法）

滲流法是一種工藝簡(jiǎn)單、發(fā)展較早的生產(chǎn)工藝，所制造的泡沫鋁材料為通孔，泡孔彼此相連。滲流法制造的泡沫鋁外觀如圖：

1.1?簡(jiǎn)要工藝原理

滲流法的工藝流程其實(shí)比較簡(jiǎn)單：

1.?把鹽顆粒放進(jìn)容器并加熱到合適溫度；

2.?把熔融的鋁液倒進(jìn)容器，并加壓確保鋁液充分滲透進(jìn)去；

3.?冷卻后把毛坯切割成一定厚度的薄板；

4.?使用水或其他溶劑，把夾雜在鋁中間的鹽顆粒洗掉。

以上是兩個(gè)不同來源的滲流法工藝原理圖，內(nèi)容基本一致，結(jié)合圖片和文字，應(yīng)該很容易理解其中的加工制造流程。

如果您還覺得不理解，搜狐視頻上甚至有現(xiàn)成的視頻教程：https://tv.sohu.com/v/dXMvMzM4NDUwODU1LzE5MDA0NzI1My5zaHRtbA==.html

注意，上述鹽顆?？梢杂檬雏}（NaCl）也可以用其他金屬鹽類，工藝參數(shù)的區(qū)別主要在于成分、顆粒大小和過程中的溫度、壓力控制等，工藝難度不高。

1.2?工藝特點(diǎn)與優(yōu)劣勢(shì)

優(yōu)點(diǎn)：

1.?外觀美觀：均勻度較高，并且剛剛清洗完成的滲流法泡沫鋁表觀狀態(tài)非常不錯(cuò)。

2.?聲學(xué)特性較高：通孔結(jié)構(gòu)更利于吸音，實(shí)際聲學(xué)應(yīng)用中，閉孔泡沫鋁一般需要使用更厚的厚度。

3.?技術(shù)門檻低：簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室條件即可生產(chǎn)，小規(guī)模量產(chǎn)的資金門檻、技術(shù)門檻都不高。

缺點(diǎn)：

1.?腐蝕、使用壽命短：鹽類在多孔結(jié)構(gòu)中是很難清理干凈的，泡沫鋁在空氣中會(huì)受潮，潮濕的高濃度鹽溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋁腐蝕。實(shí)際使用過程中，絕大多數(shù)滲流法泡沫鋁均出現(xiàn)了比較明顯的變色、腐蝕甚至嚴(yán)重的鹽液滲出。

2.?力學(xué)性能差：鹽顆粒難以避免會(huì)出現(xiàn)邊角結(jié)構(gòu)，生硬的結(jié)構(gòu)角不利于力學(xué)性能，因此材料普遍偏脆，而電化學(xué)腐蝕則更加劇了這一缺點(diǎn)。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，滲流法不適用于吸能緩沖等對(duì)力學(xué)性能要求較高的場(chǎng)景。

3.?孔隙率受限：鹽顆粒的自然堆積，在空間中的體積占比是存在明顯的上限的，比如球形結(jié)構(gòu)最大空間占比67%，也就是說這種情況下最大孔隙率只能做到67%，而閉孔泡沫鋁可以輕松實(shí)現(xiàn)90%、95%甚至97%的孔隙率。

4.?成本高：由于力學(xué)性能較差，并且密度居高不下導(dǎo)致鋁用量大，最終滲流法泡沫鋁的成本偏高。

5.?尺寸和厚度受限：一般最大600mm×600mm，厚度20mm以內(nèi)。

6.?廢水排放：很容易想到，對(duì)鹽顆粒的清洗需要大量的水，尤其在量產(chǎn)中廢水排放量極大；

1.3?行業(yè)現(xiàn)狀

力學(xué)性能差、成本高、不環(huán)保，這一系列不足，導(dǎo)致滲流法在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力不足，同時(shí)受環(huán)保政策壓力極大。事實(shí)上，國外很久之前就已經(jīng)停止了滲流法的批量生產(chǎn)，國內(nèi)早期的滲流法企業(yè)也紛紛因?yàn)榄h(huán)保、成本原因關(guān)停。

2012年，國家建筑材料測(cè)試中心聯(lián)合當(dāng)時(shí)國內(nèi)幾家泡沫鋁企業(yè)起草了《JGT 359-2012 建筑用泡沫鋁板》國家標(biāo)準(zhǔn)。而僅僅數(shù)年之后，參與起草該標(biāo)準(zhǔn)的泡沫鋁制造企業(yè)全部停止生產(chǎn)，令人慨嘆。

2.??主流生產(chǎn)工藝：熔體發(fā)泡法（熔體鑄造法）

熔體發(fā)泡法最早由日本發(fā)明，是目前國內(nèi)比較主流的泡沫鋁制造方法，樣品外觀如下：

2.1?? 簡(jiǎn)要工藝原理

熔體發(fā)泡法的工藝原理類似于蒸面包：

1. 先把鋁液增粘并充分?jǐn)嚢瑁?br/>

2.?加入經(jīng)過預(yù)處理的發(fā)泡劑（一般為氫化鈦或氫化鋯）并攪拌均勻；

3.?送入保溫爐，保溫發(fā)泡；

4.?冷卻凝固，送機(jī)加工。

聽起來是不是很簡(jiǎn)單？把大象放進(jìn)冰箱比這還簡(jiǎn)單呢，三步就夠了。

言歸正傳，請(qǐng)思考如下問題：

1.?您蒸的面包，里面的孔均勻么？

2.?如果要您蒸一個(gè)兩米大的面包，孔還能均勻么？

3.?氣泡在面團(tuán)里面是不會(huì)亂跑的，但是在液體里面會(huì)亂跑，俗稱“冒泡”?，F(xiàn)在把面團(tuán)換成七百度的鋁水，這個(gè)“鋁面包”孔還能均勻么？

4.?做完以上那些，還要保證成本可控，又如何？

事實(shí)上，生產(chǎn)工藝比這個(gè)討論還要復(fù)雜得多，而且能造好泡沫鋁的工藝窗口十分狹窄。此處容我泄個(gè)密，把我們內(nèi)部的工藝培訓(xùn)資料截個(gè)圖：

看到了吧，其實(shí)熔體發(fā)泡法一點(diǎn)兒都不難，只要把上面這十幾個(gè)互相矛盾、互相影響、互相限制的工藝參數(shù)處理好了就成功一半了（手動(dòng)狗頭）。

為什么是一半而不是全部，那就得您自己想想我到底隱瞞了什么機(jī)密啦。

至于差距有多大，您看看唄：

2.2?工藝特點(diǎn)與優(yōu)劣勢(shì)

優(yōu)勢(shì)：

1.?力學(xué)性能好，可以制造1MPa~35MPa的泡沫鋁材料；

2.?孔隙范圍大，理論孔隙率0~95%，實(shí)際生產(chǎn)中常用到60~92%的孔隙率；

3.?再加一條吧，在某些工藝下，可以實(shí)現(xiàn)類似于倒模珍珠的效果，就像上面圖上的樣品。

缺點(diǎn)：

1.?工藝要求高：如上文所述，精確的工藝控制真的很難；

2.?產(chǎn)品一致性：由于重力影響、鋁液排液等原因，不同批次之間密度、強(qiáng)度差異較大，同一毛坯水平、豎直方向也存在密度、強(qiáng)度差異，對(duì)性能控制挑戰(zhàn)很大；

3.?成本較高：比如發(fā)泡劑原料售價(jià)十幾萬元一噸，經(jīng)過處理之后更高；

4.?生產(chǎn)線占地大、產(chǎn)能受限。

2.3?行業(yè)現(xiàn)狀

發(fā)明熔體發(fā)泡法的日本九州制鋼所，因?yàn)槌杀驹蛟缫淹．a(chǎn)。韓國、中東有部分企業(yè)也在用熔體發(fā)泡法。

國內(nèi)企業(yè)主要采用發(fā)泡法生產(chǎn)，但普遍并未克服以上提到的問題，因此市場(chǎng)推廣受限。尤其是，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)并沒有實(shí)質(zhì)的研發(fā)能力，拿著高校給的技術(shù)原型，勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，不再深入研發(fā)，導(dǎo)致國內(nèi)泡沫鋁產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)多年原地踏步。

3.??主流生產(chǎn)工藝：吹氣法（熔體吹氣法、熔體注氣法）

吹氣法是主流泡沫鋁生產(chǎn)工藝中，門檻最高、難度最大的一種。

以高校研究為例，國內(nèi)有幾十家高校、科研院所從事過熔體發(fā)泡法的研究，并且在實(shí)驗(yàn)室制造出了原型樣品；而從事吹氣法研究并能夠成功制造樣品的高校院所，只有寥寥三五家，而且當(dāng)前都已經(jīng)停止研究。

即使是“相對(duì)簡(jiǎn)單”的發(fā)泡法，以上幾十家科研院所里面，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制造的，也只有三兩家而已。如果再加上經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的話，只有一兩家高校能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)運(yùn)營。

從技術(shù)原型，到規(guī)模生產(chǎn)，再到成熟產(chǎn)品，再到商業(yè)流通，步步是擂臺(tái)。

吹氣法制造的泡沫鋁材料樣品如圖：

生產(chǎn)線出來的未經(jīng)過加工的毛坯料如圖：

毛坯放一起，是不是看著比發(fā)泡法的面包工整多了

3.1?簡(jiǎn)要工藝原理

為什么上面要鋪墊那么多呢，因?yàn)榇禋夥ǖ墓に囋砜瓷先ニ坪醺?jiǎn)單：

鋁液熔融、增粘，底下吹氣，上面收集氣泡并冷卻，就可以了。

如果吹氣之后等氣泡穩(wěn)固統(tǒng)一冷卻，就是靜態(tài)吹氣法；如果保持吹氣的同時(shí)，對(duì)收集的氣泡連續(xù)導(dǎo)出、冷卻，就是動(dòng)態(tài)連續(xù)吹氣法。

沒錯(cuò)，吹氣法生產(chǎn)泡沫鋁，就是這么簡(jiǎn)單（千萬不要問任何技術(shù)細(xì)節(jié)，那會(huì)讓泡沫鋁攻城獅很頭疼很傷心）。

3.2?工藝特點(diǎn)與優(yōu)劣勢(shì)

吹氣法的優(yōu)勢(shì)如下：

1.?迄今為止唯一能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的工藝；

2.?力學(xué)性能好、功能性能好；

3.?一致性高、可控性強(qiáng)；

4.?制造成本低：材料利用率高、能耗低；

5.?生產(chǎn)線占地小，產(chǎn)能大（相對(duì)熔體發(fā)泡法）。

劣勢(shì)或難點(diǎn)則在于：

1.?裝備設(shè)計(jì)制造門檻高，設(shè)備復(fù)雜、控制難；

2.?高溫連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)核心部件的加工精度、可靠性等要求極高；

3.?工藝控制困難、工藝參數(shù)匹配要求高。

3.3?行業(yè)現(xiàn)狀

加拿大Cymat在吹氣法領(lǐng)域耕耘最久，并形成了一系列產(chǎn)品，定位較高。

近期，安徽省某企業(yè)經(jīng)過多年研究，初步實(shí)現(xiàn)了吹氣法的規(guī)模量產(chǎn)，在國內(nèi)尚屬首次，值得關(guān)注。

4.??并未大規(guī)模量產(chǎn)的工藝

后面講解的幾種工藝，盡管原理、特性不同，但具備一個(gè)共同的重要特點(diǎn)：成本高（gui）。因此很難大規(guī)模推廣，只應(yīng)用在一些特定領(lǐng)域。

并且，由于成本、規(guī)模的原因，這幾種工藝在全世界范圍內(nèi)都是高校、研究所在小批量產(chǎn)，或者是大企業(yè)下屬的研發(fā)機(jī)構(gòu)給主體做配套，如航天。

4.1?消失模鑄造法

消失模鑄造，簡(jiǎn)單來說就是用泡沫塑料或其他高分子材料做一個(gè)要做的產(chǎn)品模型，然后把模型埋入耐高溫的材料，比如型砂、石膏等，把金屬液注入，金屬液把模型燒掉并充滿模型所占的空間，最后成型為泡沫鋁。

這個(gè)工藝做出來的泡沫鋁可以是這樣的：

為什么說“可以是這樣”呢，因?yàn)椴灰欢ǘ歼@樣。你需要他是什么樣，就做一個(gè)模型，最終就能做出來想要的泡沫鋁（工藝允許范圍內(nèi)）。

優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)可控（但這個(gè)工藝做不出來閉孔結(jié)構(gòu)，原因大家可以思考下），缺點(diǎn)就是貴。

北美ERG航空公司用這種工藝生產(chǎn)的特種泡沫鋁材料應(yīng)用于波音、NASA等，國內(nèi)中科院固體所等科研單位對(duì)此也有深入研究。

4.2?粉末冶金法

粉末冶金法是由德國Fraunhofer材料研究所發(fā)明的一種生產(chǎn)方法，可以制備出結(jié)構(gòu)均勻的泡沫材料。

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粉末冶金法還可以制造多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合零件：

再來就是缺點(diǎn)了：設(shè)備要求高、工藝苛刻、制造成本高、產(chǎn)品規(guī)格受限、產(chǎn)能低。

網(wǎng)絡(luò)上廣泛流傳奧迪A8使用Fraunhofer粉末冶金法生產(chǎn)的泡沫鋁復(fù)合零件，但也只有A8這個(gè)檔次才用得起了。

4.3?電沉積

主要以高分子泡沫材料為基底，對(duì)表面進(jìn)行導(dǎo)電處理之后，電沉積鋁金屬，之后去除泡沫、燒結(jié)，獲得開孔泡沫鋁。

這種工藝也可以用來做泡沫銅、泡沫鎳等：

由于性能均勻可控，在催化劑載體、高性能換熱等領(lǐng)域有一定應(yīng)用。為什么不廣泛應(yīng)用呢？當(dāng)然還是價(jià)格了，上面那薄薄的一小片，每平米要將近兩千塊?？雌饋硪膊凰愫苜F是吧，但是按體積算的話，這個(gè)價(jià)格大約比熔體發(fā)泡法貴了30倍。

也因此，這種工藝很多院所都有研究，但未見量產(chǎn)。

5.??結(jié)語

新材料、新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從科學(xué)原理、工藝原型、實(shí)驗(yàn)室原型、工廠試驗(yàn)機(jī)、小規(guī)格量產(chǎn)設(shè)備、定型設(shè)備，每一步都涉及到無數(shù)的問題，包含但不限于：工藝構(gòu)型、設(shè)備設(shè)計(jì)與制造、工藝研究、電氣控制、核心零部件加工等，在產(chǎn)業(yè)不成熟，甚至沒有可供參考的模型的時(shí)候，向前走舉步維艱。

還好，全世界范圍內(nèi)的泡沫鋁企業(yè)都遇到了類似的問題，因此直到如今，世界范圍內(nèi)并未出現(xiàn)“泡沫鋁巨頭”。即使是在泡沫鋁領(lǐng)域耕耘多年的加拿大Cymat，其規(guī)模也并不很大，而且產(chǎn)品限制頗多，后來者依然有很多機(jī)會(huì)。

從另外一個(gè)角度，維護(hù)關(guān)鍵材料的自主可控，對(duì)我們國家的軍工、航天、核電等產(chǎn)業(yè)意義重大。中美貿(mào)易戰(zhàn)以來的國際關(guān)系收緊，也蔓延到了泡沫鋁領(lǐng)域。2018年時(shí)，ERG官網(wǎng)尚且能夠查詢到16MPa級(jí)泡沫鋁材料的壓縮曲線，而2020年之后，官網(wǎng)上只顯示3MPa級(jí)材料的壓縮曲線，更高規(guī)格的報(bào)告全部撤下（一般民用最高用到3~5MPa，更高的強(qiáng)度都是軍工、核電在用）。中科院固體所也表示，即使是以科學(xué)試驗(yàn)的名義采購小樣品，也被ERG拒絕。

前路荊棘滿地但也有繁花似錦，唯有自強(qiáng)不息、砥礪拼搏，希望在不遠(yuǎn)的未來，泡沫鋁可以像光伏等產(chǎn)業(yè)一樣，“國際巨頭”在中國。

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