超輕多孔金屬材料之特性與應用

刊登日期:2016/2/5
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近年來,隨著多樣化需求之材料製備以及機械加工技術迅速發展,出現了超輕多孔金屬這一類的新穎多功能材料,它的出現對於材料的選擇及其性能研究提出了新的課題。多孔金屬內部含有大量數10μm到數mm的氣孔,具有輕量、高比強度、減震、吸音、吸能性的特點,可應用於汽機車、航太、船舶、建築、土木、機械、電機、環保、生醫、生物製藥、運動器材、軍工等領域,在廣泛的工業領域中蘊含各種應用的可能性。本文介紹有關多孔金屬材料的結構分類與特性、應用現況及預測未來可能之前瞻應用產品。

多孔金屬結構種類
一般多孔結構體的孔洞是可將三次元空間填滿的多面體,大致可區分為2種。一是構成多孔結構的固體集中於孔洞稜角部時(孔洞與孔洞邊界面為開放時),稱為通孔型(Open Cell)(圖一(b));相對於此,孔洞邊界也有存在固體時(孔洞與孔洞之間彼此為分離時),則稱為閉孔型(Closed Cell)(圖一(c)),通孔和閉孔型結構體皆屬無序微結構材料,不同形態的微觀結構對材料的機械及物理特性有顯著影響。


圖一、多孔金屬結構分類(a)蜂巢型;(b)通孔型;(c)閉孔型

多孔金屬之多功能複合特性
3. 高比強度、高比剛度
在航太工業已得到廣泛應用的蜂窩鋁夾層合板(閉孔)有很好的機械性能,但其價格昂貴,。而製造成本相對低得多的網格材料的比剛度幾乎可與蜂窩材料相媲美,而其比強度甚至更高。同時,由於點陣材料多是開孔結構,它們還具有蜂窩材料所欠缺的多種其它功能,如強迫對流散熱、降噪等。(網格材料是一種新型、超輕、有序的微結構材料,在同等重量下,網格材料比無序微結構金屬泡沫具有更好的機械性能)。
6. 多功能集成
除了上述優點外, 多孔金屬的另一特點在於其擁有大量的內部空間,較易實現多功能集成。如果將多孔材料製成層合結構,則可作為航太和飛行器中非常重要的高效輕質隔熱和散熱結構材料。經過微結構優化設計的多孔材料與外表面吸波材料相結合,可以更好地在飛機和艦船上實現隱形和降噪;如果在多孔材料的某些部位有選擇性地引入感測元件和促動元件,則可以實現機敏結構的各種功能,應用於飛行器形貌的主動控制、展開式空間望遠鏡及衛星反射等。

多孔金屬應用趨勢

1. 開孔結構(貫穿氣孔)
開孔型多孔金屬的主要用途是讓氣體或液體通過貫穿金屬內部的氣孔,進而發揮各式各樣的功能。其中之一便是熱交換功能,利用金屬本來就具有的良好導熱性,以及貫穿氣孔使比表面積擴大的特性。在此用途中,配合氣孔率的大小和氣孔尺寸的大小可製造出各種不同的熱交換零件,可運用至大型燃燒設備的熱交換裝置或電子零件的熱交換零件,範圍非常廣泛。
2. 閉孔結構(獨立氣孔)
閉孔型多孔金屬的主要用途是利用分散在金屬內部的獨立氣孔發揮複合材料的功能。最大的用途之一便是利用氣孔的分散分布達到重量大幅減輕的特性來製作輕量化材料,隨著其使用目的不同,也可運用至結構材料上,今後最值得期待的用途便是……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖二、多孔金屬主要製造法可製作的孔隙尺寸、孔隙類型、相對密度
 
作者:劉文海 /金屬工業研究發展中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」350期,更多資料請見下方附檔。


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