梁繼超,張光成,宋少威,周 蕓,左孝青

（昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,昆明 650093）

科技的進(jìn)步與發(fā)展使人們的生活更加便捷，同時(shí)對(duì)材料特別是超輕材料及多功能材料提出了更高的要求，泡沫金屬是順應(yīng)這一要求迅速發(fā)展的新型材料。泡沫鋼作為近年來(lái)開發(fā)的新型多孔材料，與傳統(tǒng)的實(shí)體鋼材相比，泡沫鋼具有高比表面積、輕質(zhì)、吸能減震、多孔過(guò)濾、電磁屏蔽等優(yōu)勢(shì)，另外，相對(duì)于泡沫鋁等低熔點(diǎn)多孔金屬來(lái)說(shuō)，泡沫鋼具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗沖擊性、較強(qiáng)的耐高溫性、較低的導(dǎo)熱性、較好的生物相容性、易焊接、可以與鋼結(jié)構(gòu)共容等優(yōu)勢(shì)[1-3]。因此，泡沫鋼作為一種新型結(jié)構(gòu)-功能材料，可用作輕型結(jié)構(gòu)材料、吸能減震材料、吸聲材料、散熱隔熱材料、過(guò)濾材料、催化載體材料、電磁屏蔽材料、生物醫(yī)用材料等，在航空航天、汽車船舶、土木工程、散熱隔熱、催化過(guò)濾、電磁屏蔽、生物醫(yī)療等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，如航空航天用超輕質(zhì)構(gòu)件與散熱面板、新型坦克防爆裝甲及防彈衣、汽車的緩沖裝置、催化載體、房屋隔熱材料、道路吸聲降噪材料、軍工電磁屏蔽材料、人造骨骼材料等[4-6]。

相比于低熔點(diǎn)的泡沫鋁，熔點(diǎn)高的泡沫鋼制備難度和成本高，制約了泡沫鋼的研究與開發(fā)應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，泡沫鋼的制備技術(shù)也得到不斷發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)泡沫鋼的制備工藝主要包含聚合物浸漬技術(shù)、空心球法、共晶定向凝固、增材制造法、粉末冶金等方法[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)泡沫鋼的制備工藝、力學(xué)性能、物理性能及生物性能等方面進(jìn)行了一些研究。Jain和Mondal等[5,7-10]使用粉末冶金法、聚合物浸漬技術(shù)等工藝制備了不同孔隙率和不同結(jié)構(gòu)的泡沫鋼，并對(duì)泡沫鋼的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、電磁屏蔽性能等進(jìn)行了研究；Mutlu和Oktay等[11-14]對(duì)17-4PH 泡沫鋼的力學(xué)性能和生物相容性進(jìn)行了研究，推動(dòng)了泡沫鋼應(yīng)用于人體骨骼等醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展；Capek等[15]采用SLM 技術(shù)制備出高性能泡沫鋼并研究了其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能；周蕓團(tuán)隊(duì)[4,6,16-19]致力于粉末冶金技術(shù)制備300 系列和400 系列泡沫鋼及泡沫鋼填充管的工藝優(yōu)化、微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的研究；劉培生團(tuán)隊(duì)[20]對(duì)泡沫鋼制備工藝及其吸聲特性進(jìn)行了探索；陳長(zhǎng)軍團(tuán)隊(duì)[21-22]對(duì)增材制造技術(shù)制備的泡沫鋼的微觀組織、力學(xué)性能和生物相容性等方面進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)多年的探索和創(chuàng)新，在泡沫鋼制備技術(shù)方面已經(jīng)取得顯著進(jìn)步，隨著泡沫鋼工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的深入研究，將推動(dòng)泡沫鋼結(jié)構(gòu)及性能的進(jìn)一步優(yōu)化，未來(lái)泡沫鋼及其構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值將會(huì)逐步顯現(xiàn)。

本文闡述泡沫鋼的主要制備方法及特點(diǎn)，綜述泡沫鋼的性能及相關(guān)的應(yīng)用情況，為泡沫鋼的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1 泡沫鋼的制備

目前國(guó)內(nèi)外泡沫鋼的制備方法主要有聚合物浸漬法、激光選區(qū)熔化法、熔體金屬發(fā)泡法、空心球燒結(jié)法、滲流鑄造法、電沉積法、金屬-氣體共晶定向凝固法、粉末冶金法等[9,23]。

1.1 聚合物浸漬法

聚合物浸漬法是選擇聚合物作為載體，將鋼粉漿料與其混合，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)除去聚合物獲得開孔泡沫鋼。本方法主要用于制備具有三維開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫鋼材料。通過(guò)改變聚合物種類形狀，調(diào)整孔形及孔隙率，制備的泡沫鋼的孔隙率可達(dá)90%。Wang等[24]用PU 泡沫載體制備孔隙率為81.4%的316L 泡沫鋼。聚合物浸漬技術(shù)制成的開孔泡沫鋼具有高孔隙率、開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可用作熱交換器、催化劑載體、過(guò)濾器。另外，該技術(shù)制備的泡沫鋼具有良好的電磁屏蔽效果，因此可以用作電磁屏蔽材料[8,24-25]。

1.2 選區(qū)激光熔化法

選區(qū)激光熔化（SLM）法是以球形鋼粉作為原料，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成泡沫鋼模型程序設(shè)計(jì)，在不銹鋼基板上預(yù)鋪一定厚度鋼粉，激光束按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行選擇性掃描，層層累加制備出所需幾何形狀的泡沫鋼。具體工作原理示意圖如圖1所示。Caiazzo等[26]使用SLM 制備了有效平均孔隙率為70.1%～72.5%的泡沫鋼。李洋等[21]采用SLM 制備出孔隙率為10.67%～30.26%、孔徑尺寸在10～300 μm 間的316L 泡沫鋼。SLM 作為增材制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，其一體化制造和可生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在制備泡沫鋼領(lǐng)域有顯著優(yōu)勢(shì)，目前SLM 制備的泡沫鋼具有很好的力學(xué)性能和應(yīng)用潛力，通常用在航空航天，汽車和醫(yī)療領(lǐng)域，但SLM 制備成本較高，應(yīng)用較少[15,21,26]。

圖1 SLM 法制備泡沫鋼的過(guò)程Fig.1 Manufacturing process of steel foam by SLM

1.3 熔體金屬發(fā)泡法

熔體發(fā)泡法是在金屬熔體中添加發(fā)泡劑，發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體使金屬熔體膨脹，然后快速冷卻得到泡沫鋼。常用的發(fā)泡劑有金屬氮化物（氮化鉻、氮化錳等）、金屬碳酸鹽（碳酸鎂 、碳酸鋇 、碳酸鍶等）。張冬平等[27]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明金屬氮化物作為發(fā)泡劑的效果要好于金屬碳酸鹽，而金屬氮化物中氮化鉻的發(fā)泡效果要強(qiáng)于氮化錳。該方法對(duì)于高熔點(diǎn)的鋼鐵材料，發(fā)泡過(guò)程中孔尺寸和分布都很難控制，所以理想熔體黏度、與鋼熔點(diǎn)溫度相匹配的發(fā)泡劑、添加劑均勻分散程度等成為該技術(shù)制備泡沫鋼的關(guān)鍵[27-29]。

1.4 空心球法

空心球法是將鋼制空心球排列，通過(guò)燒結(jié)/黏結(jié)/焊接的方式而形成多孔結(jié)構(gòu)[30]?？招那蚍ㄖ苽渑菽摰倪^(guò)程示意圖如圖2所示[31]?？招那驘Y(jié)法是目前制備均勻孔結(jié)構(gòu)泡沫鋼的有效方法，球形生坯經(jīng)過(guò)預(yù)壓縮和燒結(jié)生產(chǎn)出的泡沫鋼，可以避免弱界面產(chǎn)生，提高材料的強(qiáng)度。Fiedler等[32]使用空心球燒結(jié)法制備出孔隙率為86.7%的泡沫鋼，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析分別證明了此方法制備的泡沫鋼在壓縮載荷下表現(xiàn)出優(yōu)異的變形能力，通過(guò)增加燒結(jié)球的壁厚，可以進(jìn)一步提高泡沫鋼的壓縮強(qiáng)度，但需要注意的是，空心球法由于工藝流程長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，研究及應(yīng)用較少[23,32]。

圖2 空心球法制備泡沫鋼的過(guò)程[31]Fig.2 Manufacturing process of steel foam by hollow sphere method[31]

1.5 滲流鑄造法

滲流鑄造法是將耐高溫且可除去的無(wú)機(jī)/有機(jī)顆?；虻兔芏阮w粒堆積在鑄模中，預(yù)熱后澆入熔融的鋼液，待鋼液滲入預(yù)制體的縫隙間凝固后，形成金屬-顆粒復(fù)合體，然后通過(guò)合適溶劑或熱處理的方法將顆粒去除，獲得泡沫鋼。沈陽(yáng)鑄造研究所[33]開展了預(yù)制體材料的選擇以及脫溶技術(shù)的探索工作，采用三維網(wǎng)狀陶瓷預(yù)制體制備泡沫鋼，用化學(xué)法將陶瓷預(yù)制體去除。這種方法通過(guò)改變顆粒的大小來(lái)控制泡沫鋼的孔徑大小，但由于鋼熔點(diǎn)高，對(duì)預(yù)制體的綜合性能要求較高，加大了制備泡沫鋼的難度[33-34]。

1.6 電沉積法

電沉積法是利用電化學(xué)的方法將金屬鐵離子置換出來(lái)沉積在易分解的有機(jī)泡沫基體上，經(jīng)過(guò)燒結(jié)或化學(xué)方法去除有機(jī)基體，最后獲得泡沫鋼[29]。陳紅輝等[35]使用聚氨酯海綿基體鍍覆一層金屬薄膜，然后鍍鐵，高溫?zé)Y(jié)，制備出高結(jié)合力、高熔點(diǎn)、高抗壓強(qiáng)度的泡沫鋼。孫路陽(yáng)等[36]以導(dǎo)電聚氨酯泡沫為基體，采用電沉積/還原處理方法制備了開孔率>95%，孔隙率>97%的泡沫鐵基材料。電沉積法制備泡沫鋼可以有效地確保產(chǎn)品的孔隙率和通孔率，常用來(lái)制備高孔隙率、孔分布均勻的金屬多孔薄膜材料，但這種制備方法主要問(wèn)題是工藝復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求較高、沉積速度慢和成本高等。

1.7 金屬-氣體共晶定向凝固法

金屬-氣體共晶定向凝固法又稱藕狀法，是一種將金屬-氣體(一般為H2)共晶體系放在高壓密閉爐體中進(jìn)行定向凝固，讓溶解氣體析出形成氣泡，并隨固相一起協(xié)同生長(zhǎng)，從而獲得氣孔沿凝固方向規(guī)則分布的藕狀多孔金屬的新工藝[31,37-38]。這種工藝可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙率、孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及力學(xué)性能的有效調(diào)控。Ide等[39]采用連續(xù)區(qū)域熔化技術(shù)在高壓氫/氦氣下制備了具有單向排列圓柱孔的藕型多孔304L 不銹鋼。由于其規(guī)則氣孔定向排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除了具有傳統(tǒng)多孔金屬的性能特點(diǎn)外，還具有獨(dú)特的力學(xué)和熱學(xué)性能，如平行于孔方向的拉伸、壓縮的疲勞強(qiáng)度高于垂直于孔方向；平行于孔方向的熱、電導(dǎo)率高于垂直于孔方向的熱、電導(dǎo)率[40-42]。但該方法制備的泡沫鋼的孔隙分布均勻性較難控制。

1.8 粉末冶金-造孔劑法

粉末冶金-造孔劑法是指鋼粉和造孔劑經(jīng)過(guò)混料→壓坯→除造孔劑→燒結(jié)過(guò)程，獲得泡沫鋼的方法。粉末冶金-造孔劑法制備泡沫鋼的過(guò)程如圖3所示[4]。粉末冶金-造孔劑法是制備泡沫鋼最常使用的方法，也是制備高孔隙率泡沫鋼的主要方法。按照去除造孔劑的方法不同，可將造孔劑分為兩類：一類是低溫蒸發(fā)型，如鎂、碳酸氫銨[5]、蔗糖、淀粉和尿素等材料[9]；另一類是水浸出型，如尿素、氯化鈣[16]、氯化鈉和溴化鉀等材料。Sazegaran[43]使用尿素作造孔劑并用水洗去除造孔劑的方法制備出開孔泡沫鋼，并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究了施加壓力、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)泡沫鋼孔型、孔隙率、孔壁微觀結(jié)構(gòu)以及壓縮性能的影響。Guo等[16]使用氯化鈣作為造孔劑制備出孔隙率在65%～85%的316L 泡沫鋼。需要注意的是，在選擇造孔劑、去除造孔劑方法以及燒結(jié)溫度不同時(shí)，制備的泡沫鋼相關(guān)力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)較大差別[10,43-44]。

圖3 粉末冶金法制備泡沫鋼的過(guò)程示意圖[4]Fig.3 Manufacturing process of steel foam by powder metallurgy method[4]

上述8 種方法為泡沫鋼的主要制備方法，采用不同方法制備的泡沫鋼具有相應(yīng)孔形特征，從而表現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)。表1 總結(jié)比較了泡沫鋼的各種主要制備方法、孔結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用。

表1 泡沫鋼制備方法及特點(diǎn)Table 1 Manufacturing methods and characteristics of steel foam

2 泡沫鋼的性能及應(yīng)用

泡沫鋼是一種結(jié)構(gòu)與功能一體化多孔材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、輕質(zhì)、吸聲減震、多孔過(guò)濾、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在力學(xué)性能、熱學(xué)性能、聲學(xué)性能、電磁屏蔽性能、過(guò)濾催化性能、生物性能等方面表現(xiàn)出如下一些優(yōu)異的特性[4]。

2.1 力學(xué)性能與應(yīng)用

目前泡沫鋼的力學(xué)性能的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能、能量吸收性能和彎曲性能方面[47-48]。

2.1.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能

泡沫金屬準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能可以通過(guò)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)分析，泡沫金屬壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常具有三個(gè)典型的階段，即彈性階段、應(yīng)力平臺(tái)階段和致密化階段，壓縮屈服強(qiáng)度表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線上開始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力大小。表2 為不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的壓縮屈服強(qiáng)度。由表2 可以看出，在孔隙率相同時(shí)，泡沫鋼的壓縮屈服強(qiáng)度約是泡沫鋁的3～10 倍，由此可以得出，泡沫鋼的抗壓強(qiáng)度更高。另外，不同種類的泡沫鋼的壓縮屈服強(qiáng)度也存在差異，因此鋼基體組織也是影響泡沫鋼壓縮性能的因素之一。表3 為不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的彈性模量。由表3 可以看出，在孔隙率相同時(shí)，泡沫鋼的彈性模量要明顯高于泡沫鋁的彈性模量，說(shuō)明泡沫鋼具有更高的抵抗形變能力和剛度。

表2 不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的壓縮屈服強(qiáng)度Table 2 Compressive yield strength of steel foam and aluminum foam with different porosities

表3 不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的彈性模量Table 3 Elastic modulus of steel foam and aluminum foam with different porosities

2.1.2 能量吸收性能

能量吸收性能由泡沫鋼壓縮時(shí)的能量吸收值決定。能量吸收值表示單位體積的樣品被壓縮到致密化應(yīng)變量時(shí)所吸收的能量值，計(jì)算式為：

式中：E 為單位體積泡沫鋼的能量吸收值；εd為致密化應(yīng)變；σ為應(yīng)力。

單位體積吸收的能量可以用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的積分面積來(lái)表示[51]。能量吸能性能的好壞主要取決于適當(dāng)?shù)钠脚_(tái)區(qū)域?qū)挾纫约跋鄬?duì)較高的平臺(tái)應(yīng)力。表4 為部分泡沫鋼和泡沫鋁的能量吸收值比較。對(duì)比表4中不同孔隙率的泡沫鋼與泡沫鋁的能量吸收值，可以明顯看出，在孔隙率相近時(shí)（泡沫鋼為69%～71%，泡沫鋁為70%），泡沫鋼單位體積的能量吸收值比泡沫鋁的高4 倍以上。相比于泡沫鋁，泡沫鋼在吸能特性方面表現(xiàn)出更突出的優(yōu)勢(shì)，此外，泡沫鋼比泡沫鋁更容易焊接，是制作吸能構(gòu)件的一種理想材料[4,52]。

表4 不同孔隙率的泡沫鋼和泡沫鋁的能量吸收值Table 4 Energy absorption value of steel foam and aluminum foam with different porosities

2.1.3 彎曲性能

碰撞實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)用于承載的結(jié)構(gòu)件實(shí)際承受的不止軸向載荷，還受彎曲載荷作用，對(duì)泡沫鋼板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試其抗彎曲性能。在三點(diǎn)彎曲測(cè)試下，樣品最大抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式如（2）所示[6,53-54]。

式中：σbb為抗彎強(qiáng)度；P 為極限彎曲載荷；L 為跨距；b 為泡沫鋼樣品寬度；h為泡沫鋼樣品厚度；L/bh2為被測(cè)樣品的尺寸因子。

表5 為泡沫鋼和泡沫鋁彎曲性能比較。對(duì)比表5中孫亞?wèn)|等[6]制備的不同孔隙率（45 mm×24 mm ×10 mm）的泡沫鋼板和查海波等[55]制備的不同孔隙率（60 mm×10 mm ×10 mm）的泡沫鋁板的彎曲性能，可以看出：相比于泡沫鋁，在厚度和孔隙率相接近的條件下，泡沫鋼所能承受的極限彎曲載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泡沫鋁，表現(xiàn)出更高的抗彎強(qiáng)度。

表5 泡沫鋼和泡沫鋁的彎曲性能比較Table 5 Comparison of bending properties of steel foam and aluminum foam

與泡沫鋁相比，泡沫鋼應(yīng)用還在初始階段，但泡沫鋼具有更好的力學(xué)性能，在輕型結(jié)構(gòu)件和吸能構(gòu)件方面有很大的應(yīng)用開發(fā)空間。在軌道運(yùn)輸方面，已經(jīng)用于升降機(jī)、傳送器安全墊[56]。在汽車制造方面，可用泡沫鋼做成的夾層板制作汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李倉(cāng)蓋板、防撞梁和滑動(dòng)式活動(dòng)車廂，提高汽車在受撞擊時(shí)的安全性[57]。在建筑方面，泡沫鋼夾心板已被用于停車庫(kù)板材，并且由于泡沫鋼的輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特性，常被用于室外裝飾幕墻、室內(nèi)裝飾墻面、天花板、移動(dòng)隔斷、滑動(dòng)門、地板、活動(dòng)房、裝飾件等[58-59]。在航天領(lǐng)域，可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇及其各類零件，可大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能；泡沫鋼良好的吸能性能，可用于飛機(jī)的防震座椅和飛機(jī)起落架以及航天器回收艙的艙底，減緩著陸時(shí)的沖擊。

2.2 物理性能及應(yīng)用

2.2.1 熱學(xué)性能及應(yīng)用

泡沫鋼既可以作散熱材料也可以作隔熱材料，這主要取決于泡沫鋼的結(jié)構(gòu)是開孔還是閉孔。開孔泡沫鋼具有較大的比表面積及復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，與流體的接觸面大，提高了傳熱效率，因此其具有好的散熱性能。自然對(duì)流時(shí)，一定范圍內(nèi)增大孔徑、孔隙率可以增加對(duì)流熱能力；強(qiáng)對(duì)流時(shí)可以顯著提高換熱能力[57]。航空航天領(lǐng)域所應(yīng)用的熱交換器通常要求小尺寸、輕質(zhì)，所以開孔泡沫鋼可以用來(lái)制作熱交換器及散熱器，也可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，加快散熱，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間。

在保溫隔熱方面，閉孔泡沫鋼相比對(duì)應(yīng)的塊狀鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低，所以泡沫鋼具有良好的隔熱能力[60]。Rabiei等[61]采用粉末冶金技術(shù)（空心鋼球與316L 鋼粉燒結(jié)）制備出15.9 mm 厚、孔隙率約為66.2%的泡沫鋼板，進(jìn)行模擬池火測(cè)試，如圖4所示，所得結(jié)果滿足模擬池火測(cè)試的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。因此，泡沫鋼可以應(yīng)用于攜帶危險(xiǎn)材料罐車的罐體材料，并以其優(yōu)異的隔熱性能、耐火性能、輕量化以及能量吸收能力取代傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)。

2.2.2 聲學(xué)、電磁性能及其應(yīng)用

開孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋼，當(dāng)聲波接觸材料表面時(shí)，由于聲波也是一種振動(dòng)，可以在材料內(nèi)部發(fā)生散射、干涉和漫反射，將聲音吸收在氣孔中，使內(nèi)部骨架振動(dòng)，聲能部分轉(zhuǎn)化為熱能并通過(guò)熱傳遞消耗掉，起到了吸聲的作用，因此，泡沫鋼具有良好的吸聲能力。泡沫鋼的吸聲性能主要取決于孔隙率和孔形態(tài)，孔隙率越高，孔越細(xì)小，吸聲性能越好[60]。Xu等[62]利用聚合物浸漬技術(shù)制備了平均孔徑為1.8 mm，孔隙率為93.7%的304L 泡沫鋼，探究了不同厚度泡沫鋼樣品（厚度分別為9 mm、18 mm、27 mm）的吸聲性能。圖5 為開孔泡沫鋼結(jié)構(gòu)和吸聲性能。如圖5所示，在中低頻范圍（250～3150 Hz）的吸聲效果較差，在高頻和超高頻范圍（4000～6300 Hz）的吸聲效果相當(dāng)好，且三種厚度的樣品均在4000 Hz 處顯示出第一共振頻率，它們的最大吸聲系數(shù)大致相同，約為 0.7。泡沫鋼在中高頻段表現(xiàn)出良好的吸聲性能，可用于制備空壓機(jī)的消音裝備、汽車消音排氣管、公路與軌道的隔音墻或隔音帶[20,63]。

圖5 開孔泡沫鋼的結(jié)構(gòu)和吸聲性能[62] （a） 聚合物浸漬技術(shù)制備的泡沫鋼樣品結(jié)構(gòu)；（b） 三種厚度開孔泡沫鋼樣品的吸聲系數(shù)曲線Fig.5 Structure and sound absorption properties of open cell steel foam[62] （a） stainless steel foam sample prepared by the impregnation process；（b） sound absorption coefficient curves for the open-cell steel foam samples in three kinds of thickness

開孔泡沫鋼因基體骨架完全相通而有良好的導(dǎo)電性，并且比表面積大，具有良好的吸收和反射電磁波的能力，泡沫鋼內(nèi)部電磁波傳輸過(guò)程如圖6所示[64-66]。泡沫鋼的電磁屏蔽效能主要受孔隙特征（孔型和孔隙率）、電磁波頻率的影響。Jain等[8]采用聚合物浸漬技術(shù)制備了孔隙率為83%的泡沫鋼，使用波導(dǎo)法在X 波段頻率區(qū)（8.2～12.4 GHz）中測(cè)得泡沫鋼的屏蔽效能達(dá)到45 dB，滿足工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，因此泡沫鋼可以作為電磁屏蔽材料使用。并且，優(yōu)良的電磁屏蔽性能和吸聲性能也可使其作為飛機(jī)夾層結(jié)構(gòu)填充材料，降低外界對(duì)飛機(jī)內(nèi)部的干擾。

圖6 泡沫鋼內(nèi)部電磁波傳輸過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic wave transmission process in steel foam

2.2.3 流通滲透、催化性能及應(yīng)用

泡沫鋼具有良好的流通滲透性能，其流通滲透性能受孔徑、孔隙率的影響。泡沫鋼的流通性及滲透性隨孔徑、孔隙率的增大而增大，利用開孔泡沫鋼的透過(guò)性能，根據(jù)過(guò)濾精度要求設(shè)計(jì)制作成各類過(guò)濾器，用于過(guò)濾液體、空氣或其他氣流中的固體顆粒等物質(zhì)[57]。

泡沫鋼利用其良好的力學(xué)性能和耐高溫以及內(nèi)部表面粗糙的特性，也常作為載體材料用于催化領(lǐng)域?？紫堵矢叩拈_孔泡沫鋼可以作為載體，內(nèi)部涂覆一層氧化物進(jìn)行改性后作為催化材料，可用在汽車三元催化器中[67-69]。

針對(duì)泡沫鋼在導(dǎo)熱、吸音、滲透率等方面開展了一些研究工作，研究表明泡沫鋼的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率直接影響其導(dǎo)熱、吸音、滲透率等性能，所獲得的性能參數(shù)如表6所示[70-72]。

表6 泡沫鋼物理性能參數(shù)[1]Table 6 Physical property parameters of steel foam[1]

2.3 生物性能及應(yīng)用

泡沫鋼常用于人體骨骼的制備，因?yàn)榕菽摰膹椥阅Ａ颗c骨骼的相近，有研究表明，泡沫鋼可以應(yīng)用于生物移植，可避免使用其他彈性模量較大的材料引起的骨骼排斥反應(yīng)，并且泡沫鋼粗糙的表面也有利于骨骼與其結(jié)合。Mutlu等[11]利用粉末冶金技術(shù)制備了孔隙率為40%～82%、平均孔徑為600 μm的17-4PH 泡沫鋼，實(shí)驗(yàn)證明了泡沫鋼的孔隙形態(tài)、孔徑大小和力學(xué)性能與松質(zhì)骨接近，并通過(guò)XTT和MTT 實(shí)驗(yàn)對(duì)泡沫鋼的細(xì)胞毒性進(jìn)行體外評(píng)價(jià)，顯示出足夠的生物相容性。因?yàn)榕菽撃芨玫嘏c人體骨骼融合，在生物植入物中優(yōu)先選用開孔泡沫鋼，并且通過(guò)改變孔隙率使泡沫鋼靈活應(yīng)用在不同骨骼中[11,13,73-74]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)今汽車工業(yè)、航空航天、船舶工業(yè)、工程建筑等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)高性能輕量化的材料提出迫切需求，為泡沫鋼的發(fā)展提供了有利機(jī)會(huì)。目前泡沫鋼的制備在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)成熟，正在逐步走向商業(yè)化的過(guò)程中?，F(xiàn)有的工藝技術(shù)已經(jīng)可以制備具有各種開孔和閉孔特征、相對(duì)密度為0.1～0.9的泡沫鋼，有些方法已展現(xiàn)出工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的前景。

相比于泡沫鋁，泡沫鋼在高溫輕型吸能構(gòu)件方面顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。另外將泡沫鋼的低導(dǎo)熱性、磁屏蔽性和吸能性相結(jié)合，可以開發(fā)出集結(jié)構(gòu)功能一體的新型材料。

雖然泡沫鋼相比于目前廣泛應(yīng)用的泡沫鋁具有很多獨(dú)特的性能，但目前泡沫鋼在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用還很少，分析其原因，主要存在以下問(wèn)題：

（1）在制備工藝方面，盡管近年來(lái)對(duì)泡沫鋼開展了大量研究，但目前沒(méi)有形成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，導(dǎo)致泡沫鋼制品及構(gòu)件制作成本高，性價(jià)比不高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。未來(lái)需要進(jìn)一步優(yōu)化泡沫鋼的制備工藝流程，降低制備成本、提高產(chǎn)品合格率和可重復(fù)性。

（2）在結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系方面，缺乏深入的理論研究，未建立起分析研究泡沫鋼工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理論模型，尚不能從理論上對(duì)泡沫鋼制品和構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，未來(lái)要進(jìn)一步深入研究泡沫鋼工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法建立理論分析模型。在理論指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)制造針對(duì)不同需求的泡沫鋼制品和構(gòu)件，逐步推廣應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中。