泡沫金屬是指含有泡沫氣孔的特種金屬材料。通過其獨特的結構特點，泡沫金屬擁有密度小、隔熱性能好、隔音性能好以及能夠吸收電磁波等一系列良好優點，是隨著人類科技逐步發展起來的一類新型材料常用于航空航天、石油化工等一系列工業開發上。

    無處不在的多孔介質

    多孔介質，由包含相通的、不規則的孔的固體骨架和流體組成的一類復合介質，它構成了地球生物圈的物質基礎。

    人類從很早就開始認識多孔介質內的物理過程。例如，土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和遷移過程；動植物中的生命過程，如植物根、莖、葉中水分和養分的傳遞過程、動物機體內的新陳代謝；與生活密切相關的農副產品、食品、木材和紡織品的干燥；地下巖層中石油、天然氣和地下水的開采；地熱資源的開發及利用土壤巖層的蓄熱蓄冷過程；建筑物的隔熱保溫；現代鑄造技術、燃燒技術、冶煉技術、催化反應技術和紡織、造紙技術的發展等。

    那么，多孔介質的特性有哪些呢？

    研究人員主要關注結構特性、流動特性、傳熱特性與傳質特性四個方面。

    表征多孔介質結構特性的參數主要有四個：一是孔大小，可以小到幾微米，乃至幾納米，例如熱障涂層、催化劑涂層等。也可大到幾米（例如一棟大樓），甚至更大；二是孔隙率，即多孔介質內空隙體積占總體積的比例，其值在0到1之間； 三是孔的形狀，即孔的結構形態。不同種類多孔介質的孔形狀差別較大；四是比表面積，即單位體積內固體骨架與流體接觸面面積的大小，可以較小，亦可以很大，可達到上萬。其值由多孔介質的結構特性決定。

    表征多孔介質流動特性的參數主要是壓降或者滲透系數，即流體（液體、氣體）流過多孔介質的流動阻力損失。

    多孔介質的傳熱特性，一般熱傳導、熱對流及熱輻射均會遇到，有時還涉及相變換熱。

    多孔介質的傳質特性，即物質在不同尺度多孔結構內的遷移特性。

    工業中常見的多孔介質

    工業中的多孔介質按尺寸可分為微納尺度多孔介質與大孔尺度多孔介質，它們特性迥異，適用的研究理論也不同。

    大孔尺度多孔介質基本有四種：不同形狀顆粒的、不同通道形狀蜂窩的、不同編織方式絲網的與不同材料泡沫的。

    上述四種大孔尺度多孔介質的孔大小在毫米量級，其孔形狀、孔隙率、比表面積、流動特性及傳熱傳質特性存在較大差別。

    多種多孔結構特性的比較

    泡沫金屬及其應用

    作為泡沫類的大孔尺寸多孔介質，泡沫金屬是一種的新型金屬材料，它具有優于其它三種多孔結構的特性，已被廣泛地應用于航天、航空、運輸、環保、能源、生物等各種高科技領域及一般工業領域。

    泡沫鐵鉻鋁

    泡沫鋁

    泡沫金屬的結構可以看成由無數開孔單元胞以無規則方式構成的金屬支架。每個單元胞（Cell）中間是空心的，外形近似球形，然后邊界上開了十四個小孔，很像十四扇窗戶（Window）。

    泡沫金屬單元胞

    金屬支柱的截面形狀，隨泡沫金屬孔隙率的不同而異：孔隙率小于0.9時，金屬支柱截面為圓形；孔隙率大于0.95時，金屬支柱截面變成凹三角形。

    金屬支柱橫截面

    作為結構材料， 它具有質輕、高比強度和高比表面積等特點， 在航空、航天領域應用中表現出極大的優越性。例如， 泡沫鋁已用于飛機機翼復合材料的芯片， 并成為加熱器、熱交換器和電池極板的優良材料。

    泡沫鎳也已應用于墻體或地板的加熱瓦；另外，用作堿性電池及燃料電池的極板材料，可極大地提高電池容量。

    作為功能材料，它具有良好的吸聲、隔聲、散熱、隔燃、減振、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能。例如，已將泡沫金屬應用于汽車工業的內燃機氣缸、高速列車發電室、無線電錄音以及高速公路降噪等方面， 取得了良好的效果。

    作為隔熱、阻燃材料，泡沫金屬可用于火焰阻焰器，讓燃燒的氣體自由通過但卻能阻止火焰的蔓延。

    作為緩沖、減振和吸收沖擊能材料，泡沫鋁合金可以應用在一些機械的緊固件、航天飛機的保護外殼、碰撞記錄儀及其起落架和汽車的緩沖件等方面。

    泡沫金屬的制備方法

    泡沫金屬的制備方法，大體可分為鑄造法和非鑄造法。

    鑄造法有熔體發泡劑發泡法、氣體注入發泡法及滲流法等。熔體發泡劑發泡法的制備原理是：將能夠產生氣體的物質（發泡劑）加入熔融金屬， 使之受熱分解而產生氣體， 并使產生的氣體均勻地分布在金屬液體中，冷卻之后即可獲得泡沫金屬固體。

    熔體發泡法

    鑄造法原理基本相同，僅是加入氣體的方式有些差別。例如，氣體注入法將氣體直接注入熔融金屬。

    氣體注入法

    非鑄造法有粉末冶金法、燒結溶解法及金屬沉積法等。粉末冶金法的制備原理是：將金屬粉末與發泡劑粉末混合均勻，經過冷壓或熱壓后使其成為半成品，然后將此半成品加熱到接近或高于混合物熔點的溫度。加熱過程中， 發泡劑受熱分解，釋放出大量氣體，使致密的壓實材料膨脹，從而形成多孔的泡沫金屬材料。

    粉末冶金法

    非鑄造法原理基本相同，與鑄造法不同的是：鑄造法先把金屬加熱到熔融，再注入氣體；而非鑄造法，先把金屬與產氣物質混合后，再加熱到熔融。

    泡沫金屬的熱傳輸特性及研究

    泡沫金屬具有優異的熱傳輸特性。

    導熱特性較好。銅的導熱系數387W/（m?K）左右，鋁導熱系數218W/（m?K）左右，因此泡沫金屬的導熱能力強；

    對流傳熱特性較強。其無規則的骨架結構，使熱流體、冷流體的摻混作用劇烈；

    流體橫掠泡沫金屬

    高溫時，泡沫金屬內輻射傳熱亦較強。其高的孔隙率，使紅外輻射透過率大大增強；

    強化池沸騰傳熱效果較好。在大氣壓下，對于泡沫銅，以丙酮作為工質時，熱流密度可達到100W/cm? 以上。

    泡沫金屬內流動沸騰傳熱特性亦較好，泡沫管內沸騰傳熱可達到光滑管的三倍之多。

    鑒于泡沫金屬優異的特性，其工業應用潛力巨大，然而目前對其內熱傳輸特性的認識還不夠全面。

    中國科學院工程熱物理研究所在多孔介質傳熱傳質方面主要進行了兩方面的應用基礎研究：

    一是泡沫金屬內熱傳輸特性的研究，主要用于熱交換，如蓄熱器（回熱器、振蕩流回熱器）、儲熱、強化換熱等。依托多項國家自然科學基金，目前已對泡沫金屬內導熱特性、氣固傳熱特性及輻射傳熱特性進行了較系統的模擬研究；

    二是耦合化學反應的熱質傳遞機理的研究，實現各種催化反應（催化燃燒、碳氫化合物重整、催化裂解、碳氫化合物加氫及碳氫化合物部分氧化等）的反應器設計，主要用于能源的熱化學利用。目前針對低溫熱能品位提升高效化學熱泵內涉及的相關科學問題進行了研究，未來將進一步向其它能源熱化學應用領域擴展。

    催化反應器涉及的五個尺度

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責任編輯：王元

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