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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-03-02 23:04
泡沫鈦具有較小的密度、優(yōu)異的力學(xué)性能以及獨特的功能特性，廣泛應(yīng)用在航空航天、國防、海洋工程、汽車、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。本文介紹了泡沫鈦的主要制備方法，包括燒結(jié)法、添加造孔劑法、浸漬法、凝膠澆鑄法、3D打印法,對泡沫鈦的壓縮性能、吸能性能、生物相容性、電磁屏蔽性能、吸聲性能、微動磨損性能等進(jìn)行了討論,并闡述了泡沫鈦在生物醫(yī)用、電池電極、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
1 制備方法
1.1 燒結(jié)法
泡沫鈦燒結(jié)法分為粉末直接燒結(jié)法、空心球燒結(jié)法和添加造孔劑法。
粉末直接燒結(jié)法是制備泡沫鈦的一種最簡單的方法，該方法通過對松散的鈦粉進(jìn)行直接燒結(jié)，或者進(jìn)行壓制燒結(jié)，使粉末顆粒相互黏結(jié)，自然形成一定的孔隙率，從而得到多孔材料。粉末直接燒結(jié)法因其簡單的成型過程以及對環(huán)境污染程度小而廣泛用于工業(yè)化生產(chǎn)中。具有定向孔隙的泡沫鈦的燒結(jié)過程如圖1所示。
圖1 具有定向孔隙泡沫鈦的燒結(jié)過程
采用粉末直接燒結(jié)法生產(chǎn)的泡沫鈦尺寸精度較低，無法控制其孔隙率及孔徑，因此需要通過添加疏松劑來控制其孔隙率。
ZHANG等通過逐層粉末燒結(jié)方法制備得到具有層狀孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫鈦合金，該泡沫鈦合金具有較高的阻尼能力，且其抗壓強度和彈性模量具有各向異性。
圖2 采用氧化鋁空心球燒結(jié)制備TC4泡沫鈦的截面結(jié)構(gòu)
空心球燒結(jié)法的工藝有多種，空心球燒結(jié)法通過選擇合適孔徑及數(shù)量的空心球來對其孔徑、孔隙率、相對密度進(jìn)行控制，從而控制其力學(xué)性能。
楊倩倩等分別使用氧化鋁空心球和氧化鋯空心球，通過空心球燒結(jié)法制備了TC4泡沫鈦，其中，氧化鋁空心球/TC4泡沫鈦的截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，泡沫鈦中氧化鋁空心球形態(tài)完整，與鈦合金間界面清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯的過渡層。
圖3 添加造孔劑法制備泡沫鈦的工藝流程
添加造孔劑法制備泡沫鈦的工藝過程如圖3所示。
XIAO等研究發(fā)現(xiàn)，將粒徑為0.4~2.5mm的尿素顆粒作為造孔劑時，用汽油醚潤濕尿素后，添加到粒徑小于45μm的鈦粉中，在166MPa壓力下壓制成形，經(jīng)170℃預(yù)熱后，在1400℃下燒結(jié)固化，制備得到的泡沫鈦的孔隙率可達(dá)到70%。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制針狀尿素造孔劑體積分?jǐn)?shù)在60%~80%時，可制備得到孔隙率在50.2%~71.4%的泡沫鈦，孔隙率與造孔劑含量的關(guān)系取決于宏觀大孔在燒結(jié)過程的體積減小量以及骨架上微觀小孔的體積。
王耀奇等研究發(fā)現(xiàn)，用不同粒徑的尿素作為造孔劑制備得到泡沫鈦的孔隙率與造孔劑體積分?jǐn)?shù)的差值隨造孔劑粒徑、體積分?jǐn)?shù)的增加以及燒結(jié)溫度的升高、燒結(jié)時間的延長呈增大趨勢，同時泡沫鈦孔壁的致密程度與燒結(jié)溫度呈正相關(guān)，而抗壓強度隨造孔劑粒徑的增大呈先升高再降低的趨勢。
氯化物也可作為造孔劑來制備泡沫鈦。SHBEH等以球形和立方體2種形狀的氯化鉀顆粒作為造孔劑來制備泡沫鈦，發(fā)現(xiàn)用球形氯化鉀顆粒制備的混合物料流動性更好，這有利于造孔劑更均勻地分散在鈦基體中，從而制備出微孔分布更均勻的泡沫鈦。
SALVO等以體積分?jǐn)?shù)20%和30%氯化鈉為造孔劑制備孔隙率為30%的泡沫Ti-30Nb-13Ta-2Mn材料，該材料具有良好的力學(xué)性能。通過添加合適的造孔劑，調(diào)控造孔劑的含量及尺寸并搭配相應(yīng)的生產(chǎn)工藝可有效控制泡沫鈦中孔隙大小及孔隙率。
燒結(jié)法具有低成本、低污染等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于泡沫鈦的生產(chǎn)制造中，但是該方法不適用于制造形狀復(fù)雜、尺寸大、精度高的產(chǎn)品。
1.2 浸漬法
浸漬法是將聚氨酯泡沫載體放入含有金屬粉末的漿料中反復(fù)浸泡，在載體表面覆蓋一定厚度的金屬漿料，然后通過燒結(jié)金屬涂層并分解掉聚氨酯泡沫，從而制備出高孔隙率泡沫金屬的工藝。MANONUKUL等研究表明，隨著采用浸漬法制備的泡沫鈦中單位體積孔隙數(shù)量的增加，表觀密度增加，即孔徑減小，孔隙率降低，承載能力增加。
1.3 凝膠澆鑄法
凝膠澆鑄法是20世紀(jì)80年代由美國橡樹嶺國家實驗室發(fā)明的一種陶瓷近凈尺寸成型工藝。BIASETTO等在生物聚合物(如卵清蛋白)發(fā)現(xiàn)劑中進(jìn)行凝膠澆鑄，制備的Ti6Al4V泡沫鈦孔隙率在71%~91%。LUX等以卵黃膠為發(fā)泡劑，采用凝膠澆鑄法制備Ti6Al4V泡沫鈦，其孔隙率和孔徑可通過卵黃膠發(fā)泡過程中的攪拌器轉(zhuǎn)速來控制。
1.4 3D打印法
3D打印技術(shù)可以在計算機模型中設(shè)計孔隙率以及孔結(jié)構(gòu)，因此可制造出孔隙率高、形狀復(fù)雜的泡沫材料。SHISHKOVSKY等首次采用選擇性激光燒結(jié)工藝制備泡沫鈦，并研究了泡沫鈦支架的生物相容性和力學(xué)性能。MATSUSHITA等利用3D打印技術(shù)制備了泡沫鈦頸椎前路椎間盤。利用泡沫鈦制備的骨植入物對于生物體的適應(yīng)性較好，可促進(jìn)新骨的生長。
2 主要性能
2.1 壓縮與吸能性能
泡沫鈦的多孔結(jié)構(gòu)特征使其具備良好的壓縮性能。隨著相對密度的增大，泡沫鈦的室溫壓縮平臺應(yīng)力增大。
MANONUKUL等研究表明，采用浸漬法制備的泡沫鈦在平行和垂直于泡沫鈦成形方向上的壓縮響應(yīng)是各向同性的。泡沫材料的吸能性能取決于室溫壓縮平臺應(yīng)力的大小和平臺應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)變范圍，泡沫材料的吸能性能一般用單位體積吸收能量來表征，可通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線下方區(qū)域進(jìn)行積分得到。
XIE等研究表明：壓縮至50%應(yīng)變時，孔隙率為71%~88%泡沫鈦的單位體積吸收能量為11.2~55.6MJ·m-3。在相同平臺應(yīng)變下，單位體積吸收能量隨著泡沫鈦孔隙率的減小(相對密度的增大)而增加；泡沫鈦的最大吸能效率為0.27，理想吸能率約為0.78，表明孔隙率為71%~88%泡沫鈦適于吸能方面的應(yīng)用。
2.2 生物相容性
理想的植骨材料應(yīng)當(dāng)具備骨生成性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性。泡沫鈦的孔隙結(jié)構(gòu)以及彈性模量等都與人體骨骼相似，與人體組織具有良好的結(jié)合性，人體肌肉能夠向孔隙內(nèi)生長，人體組織液也能夠流入其中。并且，當(dāng)泡沫鈦經(jīng)過NaOH、CaCl2、H2SO4/HCl化學(xué)浸泡和熱處理等特殊的處理后，能夠被新生長的骨組織深度穿透(骨傳導(dǎo))。
TAKEMOTO等通過燒結(jié)方法制備了孔隙率50%、平均孔徑為300μm的泡沫鈦，經(jīng)過化學(xué)和熱處理后，用泡沫鈦制備的狗骨組織在3個月后已經(jīng)生長至泡沫鈦氣孔的中央部分；對于處理過的泡沫鈦，骨植入物與狗骨組織的接觸面積占骨植入物面積的35%，而對于未處理的泡沫鈦，骨植入物與狗骨組織的接觸面積僅占11%。泡沫鈦可通過定制多孔結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)良的滲透性、良好的吸收性能，以允許體液運輸，從而促進(jìn)骨生長、細(xì)胞遷移和附著,并提高新的骨組織的生長能力和血管化，因此泡沫鈦常用作骨植入物的支架。
2.3 電磁屏蔽性能
泡沫鈦具有明顯的電磁屏蔽效果，且在低頻下的屏蔽性能更優(yōu)。多孔泡沫金屬可以通過反射、散射和吸收來衰減入射的微波，從而衰減電磁能量。泡沫鈦的電磁屏蔽效能隨著電磁波頻率的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。
2.4 吸聲性能
泡沫金屬的吸聲機理主要涉及材料本身的阻尼衰減、孔壁與孔內(nèi)流體之間摩擦產(chǎn)生的黏性耗散，以及聲波反射引起的干擾消聲。大多數(shù)金屬的固有阻尼能力較差，因此泡沫金屬主要是通過摩擦、黏性效應(yīng)和反射機制來衰減聲波。
LIU等研究發(fā)現(xiàn)：在200~6300Hz聲波頻率范圍內(nèi)，當(dāng)頻率低于4250Hz時，具有較大孔徑泡沫鈦的吸聲性能較優(yōu)，而當(dāng)頻率大于4250Hz時，孔徑較小泡沫鈦的吸聲性能較優(yōu)；較高的聲波頻率可能導(dǎo)致較多孔隙內(nèi)產(chǎn)生空氣振動，空氣和孔壁之間的摩擦造成二者間的黏性力較大，此時聲能主要通過黏性耗散機制衰減，因此當(dāng)聲頻高于一定值時，具有較小孔隙率和孔徑的泡沫鈦具有更好的吸聲性能。
2.5 微動磨損性能
泡沫鈦具有高強度、高質(zhì)量比和優(yōu)良的減震能力，能夠最大限度地減小植入物與宿主骨界面的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，是一種具有較大前途的生物植入物應(yīng)用材料，但在微動磨損的影響下，作為植入物經(jīng)歷長期應(yīng)用后可能會導(dǎo)致失效。
CHOI等研究表明，適當(dāng)添加較硬的鎢合金能夠改善泡沫鈦的耐磨性能，這主要歸因于鎢的固溶強化作用。
MAJUMDAR等研究表明，泡沫純鈦較差的耐磨性與其中存在的孔隙有關(guān)，磨粒磨損是其磨損的主要方式；微動磨損中存在的微疲勞過程進(jìn)一步降低了泡沫鈦的耐磨性，從而引起泡沫鈦表面裂紋的產(chǎn)生以及表面層的破壞。在泡沫鈦中添加空心微珠能夠顯著降低其摩擦因數(shù)，使得鈦基體中存在封閉孔隙，從而降低了微動磨損失效的可能性。
3 應(yīng)用前景
3.1 生物醫(yī)學(xué)
鈦及其合金因其優(yōu)良的耐腐蝕性能、低密度、優(yōu)良的生物相容性而受到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域人員的關(guān)注，但致密鈦金屬的彈性模量較高，會受到人體組織的排斥，導(dǎo)致植入的鈦金屬失效。泡沫鈦的彈性模量較低，且可通過控制孔隙率使其彈性模量與人骨相匹配。此外，泡沫鈦經(jīng)某些化學(xué)處理和熱處理后，會表現(xiàn)出骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性，與骨骼接觸后異位骨的形成。因此，泡沫鈦在骨組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域起到重要作用。研究表明，在具有誘導(dǎo)生物活性設(shè)備中，泡沫鈦可以起到穩(wěn)定固定裝置和縮短愈合期的作用，且不再需要自體骨移植。
3.2 電池電極
多孔材料因孔隙率高、比表面積大、抗壓強度高，可作為催化劑、生物材料、過濾裝置或氣體擴散介質(zhì)使用。當(dāng)泡沫鈦用作聚合物電解質(zhì)燃料電池氣體擴散層(GDL)陽極時，與傳統(tǒng)的含銥或釕的陽極相比，泡沫鈦電池中不需用銥或釕等貴金屬，可顯著降低系統(tǒng)的預(yù)期成本。
PARK等和CHOI等研究發(fā)現(xiàn)泡沫鈦和TiO2涂層陽極的獨特組合具有高度穩(wěn)定的充放電循環(huán)性能，有望用作具有更高安全性和穩(wěn)定性的鋰離子電池的陽極材料?；谂菽伒碾姌O設(shè)計不僅限于應(yīng)用在鋰離子電池方面，還將作為催化劑或過濾器應(yīng)用于其他能源和環(huán)境領(lǐng)域。文獻(xiàn)探討了泡沫鈦在太陽能電池、光催化劑以及復(fù)合電極中的潛在應(yīng)用，泡沫鈦和TiO2涂層陽極優(yōu)異的光電化學(xué)性能可以歸因于泡沫鈦的大比表面積和TiO2顆粒納米盤的多個活性吸附位，新型3D光電極的應(yīng)用將為環(huán)境修復(fù)和太陽能轉(zhuǎn)化提供新的方向。
3.3 航空航天
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，航空航天飛行器的服役環(huán)境越來越惡劣，其中熱防護(hù)系統(tǒng)作為保障飛行器安全飛行的重要一環(huán)，其性能要求也越來越高。鈦合金優(yōu)異的耐高溫性能以及多孔結(jié)構(gòu)的隔熱性，為泡沫鈦在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用提供了可能。鈦合金泡沫復(fù)合材料可以應(yīng)用于耐熱要求較高的航天器隔熱保護(hù)殼，以及航空發(fā)動機中的蜂巢式機構(gòu)等。雙層夾心多孔對流冷卻結(jié)構(gòu)能有效阻隔熱量向內(nèi)層結(jié)構(gòu)傳遞，具有良好的絕熱性。
4 結(jié)束語
泡沫鈦在最近十幾年得到迅猛發(fā)展，其制備方法越來越多樣，如燒結(jié)法、添加造孔劑法、凝膠澆鑄法、浸漬法、3D打印法等，其性能包括吸能性能、力學(xué)性能、生物相容性、滲透性能、電磁屏蔽性能、吸聲性能、微動磨損性能等研究越來越深入，在生物醫(yī)用、電池電極、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。目前在高孔隙率泡沫鈦的制備上還存在較多困難，其制備工藝對其結(jié)構(gòu)及性能的影響研究目前尚存在瓶頸。創(chuàng)新制備方法，優(yōu)化制備工藝，以更低的成本和更環(huán)保的方法制備高孔隙率的泡沫鈦是未來泡沫鈦的發(fā)展方向。
來源：機械工程材料
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