裴海龍，徐 薇，朱發(fā)燊

（西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司，陜西 西安 710201）

金屬纖維多孔材料是一種復合結構功能材料，其內部結構由金屬纖維交錯搭接相連，形成三維網(wǎng)狀多孔結構，具有高精度、全連通的孔徑，孔隙直徑低至10μm，孔隙率高達98%，比表面積大。金屬多孔材料良好的基礎性能和其具備獨特的功能特性，令其收到了廣泛的關注，并且在多個領域當中，得到了應用和發(fā)展。

1 金屬多孔材料的制備

金屬多孔材料是隨著材料制備和加工技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型輕質多孔金屬材料。目前，金屬多孔材料的制備方法分為傳統(tǒng)制備和增材制造兩大類。傳統(tǒng)的制備工藝主要包括成型和燒結，即從金屬中得到一定長度、直徑和縱橫比的金屬纖維，然后將它們均勻混合分散，然后在真空或常壓保護下燒結。傳統(tǒng)制備方式是通過拉拔法、紡絲法或切削法等方式，制造出金屬材料。將制作好的金屬，按照一定的長徑比等均勻混合，將其置于真空或氣體保護情況下進行燒結。實現(xiàn)多孔材料的制備。增材制造的方式與3D打印的邏輯基本相同，即通過三維沉積的方法，通過噴嘴將熔融的金屬粉末進行噴涂，實現(xiàn)定向沉積，該過程將傳統(tǒng)工藝當中的制備和燒結兩個工藝結合在一起，并且通過預先設計，能夠實現(xiàn)在加工中，對多孔結構進行設計制造[1]。

1.1 傳統(tǒng)制備技術

金屬的制備：金屬的制備是美國Memtec公司率先研發(fā)而成，在20世紀70年代，我國開啟了對金屬材料的研制工作。金屬材料制造有很多種方法，主要使用的工藝有拉拔法、紡絲法、切削法、研磨法和鍍覆金屬燒結法，不同的工藝方法具有不同的特點[2]。與此同時，我國也著手進行金屬材料的研發(fā)。西北有色金屬研究院、常山礦冶研究院等機構代表已成功研制出直徑2μm～40μm的不銹鋼纖維、鐵、鉻、鋁與其他產(chǎn)品。

（1）拉拔法：這種方法是一種較為傳統(tǒng)的機械制造工藝，通過利用金屬自身具有延展性的特點，對金屬進行加工。其最大的特點在于這種方式可以形成良好的表面光滑度，并且在生產(chǎn)制造的過程中，可以控制較高的尺寸精度。但缺點在于生產(chǎn)效率低，并且在進行拉拔的過程中，需要制造專用的模具，這種模具費用高，因此導致了拉拔法的制造成本較高的缺陷。

（2）集束拉拔法：這種方法是拉拔法工藝改良之后提出的一種加工方式，即將多根金屬線同時進行拉拔加工，提高了生產(chǎn)效率的同時，也有有效的降低了生產(chǎn)加工的成本。這種方式的原理是將原料金屬線使用在專用道包套中拉拔，在反復多次的加工中，金屬材料由于其自身的延展性等，會變得越來越纖細，并且表面光滑，在拉拔中附加退火工序，保證材料的質量穩(wěn)定。當達到指定的直徑后，通過包套材料進行包裝，在此之后繼續(xù)拉拔，由于包套材料的存在，避免了在加工中金屬結構徑過細出現(xiàn)斷裂的問題。在加工完成后，通過使用酸溶的方式，去掉包套材料，籍此獲得目標尺寸的技術材料。

（3）紡絲法：相比拉拔法，這種方法的成本更低廉一些。可以實現(xiàn)從液態(tài)金屬直接制造金屬結構的。通過專用的設備，將熔融狀態(tài)下的金屬通過壓力，令其從小孔中流出，令其在保護氣體當中實現(xiàn)凝固。剛剛凝固的金屬結構，由于金屬晶粒間的結合力較弱，因此具有較高的脆性，通過一個較小的剪切力，就能將金屬材料加工成長短一致的短金屬纖維，這種制作方法相對簡單，并且具有加工速度快，污染小，成型的金屬材料無殘余應力的特點。

（4）切削法：這種方法是通過刀具切削的方式，將固態(tài)的金屬材料切削成金屬屑。相比而言，這種加工工藝最為簡單，同時生產(chǎn)周期也最短，成本更低。但是由于加工工藝的局限性，這種加工方式得到的金屬材料大多比較粗糙，并且金屬結構材料的長度較短。

（5）研磨法：研磨法主要是針對高硬度的金屬材料進行加工時采用的工藝。通過將金屬裝在磨床上進行研磨，通過調節(jié)進給量，磨料粒度等數(shù)據(jù)，就能實現(xiàn)對金屬材料不同直徑數(shù)據(jù)的調節(jié)。相對而言，送料量金屬材料越細，磨料粒度越粗，獲得的金屬材料直徑就越粗。

1.2 金屬纖維材料的燒結

金屬材料的燒結，可以通過金屬狀態(tài)將其分為兩種，分別是固相燒結和液相燒結。液相燒結技術是向金屬材料中添加一種或多種低熔點組分，壓坯后進行燒結，此時燒結溫度介于低熔點和高熔點成分的燒結溫度之間，燒結過程中通過產(chǎn)生液相實現(xiàn)材料間的冶金結合。該方法尤其適用于制備高熔點金屬多孔材料，其結合強度更高，結構更穩(wěn)定，但受到材料熔點、表面能和潤濕性的限制。

液相燒結技術是通過在金屬中添加其他成分，通過將金屬與多種低熔點材料進行混合后進行壓坯。在燒結的過程中，采用介于兩者熔點之間的溫度進行加工，即高于低熔點材料進并且同時低于金屬熔點的溫度。在燒結過程中，低熔點的材料會變?yōu)橐后w流出，通過這種方式實現(xiàn)金屬材料之間的冶金結合。這種方式具有一定的局限性，適用于高熔點的金屬多孔材料制備工藝使用。液相燒結技術獲得的金屬多孔材料，在燒結后，其強度更高，并且結構更穩(wěn)定。但是由于受到材料熔點的限制，因此難以受到廣泛的使用[3]。

1.3 新型增材制造技術

近料的力學性能降低。該技術的優(yōu)點在于可以對金屬直徑以及孔結構進行控制，通過調整計算機輔助加工設備的參數(shù)，能實現(xiàn)調整孔間隙取向等參數(shù)，實現(xiàn)定向加工。并且這種加工方式的生產(chǎn)成本較低，加工效率高[4]。流速過快會導致金屬結構過度沉積，孔隙率降低；流速過慢則會使直徑減小，影響多孔結構的力學性能。該技術可以制造出直徑、厚度、孔結構和取向不同的多孔材料，且生產(chǎn)成本低、效率高，表面精度高，不需要支撐材料，但其定向沉積過程易導致金屬多孔材料具有各向異性，如圖1所示。

圖1 金屬多孔材料3D 沉積法裝置

2 金屬多孔材料的研究現(xiàn)狀

2.1 過濾分離領域

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對于環(huán)境污染問題越來越重視。生產(chǎn)發(fā)展的過程中，不能以破壞環(huán)境為代價。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，要對工業(yè)廢氣等進行處理。但在此的過程中，過濾材料是首要的問題。過濾材料的成果，對于尾氣中固體顆粒和懸浮物的處理具有直接的影響，過濾材料的發(fā)展，對環(huán)境保護的落實具有直接的影響。金屬多孔材料由于其自身的材料空間結構特性，其孔隙率可以可達90%以上，并且實現(xiàn)孔徑貫通。除此之外，在相關研究匯總，對高速氣流狀態(tài)下，這種金屬材料的過濾效果進行了研究。其結果表明，高速氣流中的氣溶膠粒子，也會被吸附到金屬材料上，針對不同的氣溶膠粒子所展現(xiàn)的吸附效率不同，對于粒徑大于1μm酸性氣溶膠粒子的吸附性極好，可以達到接近100%的吸附效果。在金屬多孔材料過濾分離的功能研究中，干燥粉塵顆粒的過濾特性與直徑和孔徑之間的關系也得到了研究。直徑的增加會直接增大沉積面積，提高過濾效率?？讖降臏p小能有效提高材料的過濾效率。在結構方面的影響外，不同材料在特殊環(huán)境中的過濾效率也得到了研究，在316L不銹鋼材料在高溫除塵中的應用研究中，通過具體的實驗，對其服役時間以及絲徑的關系進行了研究，證實了5μm絲徑的金屬材料的使用壽命最長，并且對其粉塵過濾效率進行了研究。

2.2 吸聲降噪領域

環(huán)境領域當中，噪聲污染也是不可忽視的問題。金屬多孔材料由于其多孔的結構特性，使其具有優(yōu)良的吸聲效果。其低密度、高強度并且耐高溫性能，令其可以適應多種極端的工作環(huán)境，在如今的使用中，演播廳、游泳館以及、機場道路中，采用的吸聲板部分就是采用鋁纖維制造的。制造研究中，不同的燒結方式，會對金屬纖維多孔材料的結構產(chǎn)生直接的影響，相關研究中，針對不銹鋼材料的燒結實驗中，證明了厚度為1~30μm的不銹鋼材料，采用松裝燒結法制備，能夠讓監(jiān)護纖維材料的孔結構呈現(xiàn)梯度分布，令其得到最佳孔隙率，其吸聲性能得以達到最佳的效果。在常規(guī)情況下，想要提高吸聲的效果，大多是通過采用提高材料厚度的方式，這是十分有效的方式之一。但在具體實踐中，時常會受到成本和安裝空間的限制，導致無法加厚材料[5]。

2.3 生物醫(yī)學領域

為了使受損或受損的人體硬組織恢復原有功能，需要用骨植入物的支撐材料更換受損或受損部位，恢復原有組織。生物相容性較好的骨植入物傳統(tǒng)金屬材料為鈦及鈦合金，但致密鈦及鈦合金的強度和模量與真實骨骼不對應，載荷無法從植入物轉移到骨組織。防止應力，導致植入物周圍的骨吸收，最終導致植入物松動或破裂。生物用多孔鈦通過控制孔隙率，可以根據(jù)人體骨骼組織調節(jié)自身的強度和彈性模量。與纖維制成的多孔鈦相比，粉末制成的多孔鈦是由粉末本身的孔隙缺陷造成的。

3 結束語

金屬多孔材料不僅具有金屬的導電、導熱、耐腐蝕、強度高等優(yōu)點，而且多孔材料還具有孔隙率高（＞70%）、孔徑和孔隙自由度大等優(yōu)點。其設計是功能組合，具有雙重結構和結構特性的新型輕質材料。此前的研究方向主要集中在金屬材料的生產(chǎn)、多孔金屬的燒結及其在過濾分離、吸聲降噪等領域的應用。令其在過濾分離，吸聲降噪等領域中得到更好的應用效果。金屬多孔材料是一種改變金屬結構的加工工藝，能實現(xiàn)對原有材料性能的提升，在未來的發(fā)展研究中，如何在能保證材料的特殊孔結構的基礎上，建立優(yōu)化模型，進一步提升材料性能是值得關注的研究方向。