泡沫铝是具有广泛应用前景的结构——功能一体化的新型复合材料，不仅具有实体金属强度高、导热性好的优异性能，而且有拥有因其内部分布的气孔结构而具备的阻尼、隔声、隔热等特性，其优异的性能引起了国内外众多科技研究者的关注。在泡沫铝的制备方法中，因为熔体发泡法的制备工艺简单，且制备成本比较低，较有希望实现大规模工业化生产。泡沫铝已经在航空航天、汽车及军工等方面有了一定的应用。
1.泡沫铝的性能
泡沫铝因为泡孔结构的差异，使其性能也存在着许多的区别，因此可以在不同的方面得到应用。与传统金属相比较，泡沫金属拥有许多优异的性能，如：
1.1低密度
因为泡沫铝内部存在着大量的泡孔结构，所以与相同体积的实体材料相比，其密度很小。国内外所制备的泡沫铝的密度范围大约为0.2-1.2g/cm³,与连续相铝相比，泡沫铝的密度约为实体铝的1/2-1/10。目前所制备的泡沫铝的孔隙率范围约为40%-98%,孔径大小从几个微米到几十个毫米不等，一般随着泡沫铝的泡孔尺寸的增大，泡沫铝的密度会变小。
1.2能量吸收性能
泡沫铝是由铝基体和大量气泡组成，其内部气泡的存在使其具备较好的能量吸收特性。当泡沫铝受到外部冲击时，因为其结构的不均匀性，会使应变滞后于应力，受到冲击时其应力-应变曲线中出现了许多的平台区，所以泡沫铝在很大范围内应力不会发生变化，而是将外部的冲击能量转化成了泡沫铝发生变形时所做的功，这使其具有良好的能量吸收特性和较高的能量吸收率。利用泡沫铝的能量吸收性能可用作汽车刹车器、夹紧装置，及航空、航天设备中的保护封套和缓冲器等。
1.3吸声隔音性能
当声波射向泡沫铝时，泡孔内部的介质(如空气)会在声波作用下发生震动，由于气孔壁的存在会与震动的介质相互摩擦，产生摩擦热，进而会消耗一部分能量。泡沫金属内部的孔结构对声波的吸收能力有很大的影响，并且由于泡沫铝的泡孔结构的不规则性，所以对声波的吸收能力也存在着差异，一般改善泡沫铝孔径的大小及泡孔形状可以改善泡沫铝的吸声隔音性能。孔径的大小影响着声波的吸收能力，孔的尺寸越小，吸收能力越强。利用泡沫铝的这种特性可应用于内燃机的排气消音器和高速公路的隔音板等。
1.4热学性能
因为泡沫铝的孔洞内有许多空气介质，所以其拥有良好的隔热特性。一般情况下泡沫铝的孔隙率越高，其导热性能越差。孔隙率为80-90%的闭孔泡沫铝的隔热性能与大理石接近，因此可用作绝热材料。此外泡沫铝也拥有很好的耐热性，即使温度超过其熔点也不发生溶解。铝的熔点约为660℃,然而对于泡沫铝而言温度达到1400℃时也没有产生溶解，因此泡沫铝可被当作隔热和耐热材料。一般开孔泡沫铝拥有较大的比表面积，当流体经过其内部的泡孔时会产生复杂的流动，所以开孔泡沫铝具有很好的散热能力。
1.5通透性能
泡沫铝因具有良好的通透性，所以可用作过滤材料。一般通透性能随着气泡半径的变大而增强，但是其通透性能的好坏也受到表面粗糙度的影响，且对于闭孔泡沫铝而言，其内部的气孔量对通透性能的影响很大，所以开孔泡沫金属的通透性能很好。因为泡沫铝的通透性能较好，所以其可作为过滤器和除尘器进行应用。
2.泡沫铝的制备方法——熔体发泡法
熔体发泡法是最常使用制备泡沫铝的工艺方法。其制备过程是首先向铝熔体中加入增粘剂，利用机械搅拌使增粘剂在铝液中均匀分布，之后，将发泡剂加入到增粘后的铝熔体中，对其进行高速搅拌，使其均匀分散在铝熔体中，发泡剂遇到高温的铝熔体会发生分解生成氢气，氢气经过溶解、形核和长大之后，会使铝基体内部含有大量的气泡，此时对其进行冷却便可得到泡沫铝材料，如图1.1所示。
图1.1熔体发泡法工艺示意图
Fig.1.1 Schematic illustration of melt foaming process
在众多的氢化物中，氢化钛因其分解温度范围与铝的熔点相接近而成为了应用最多的氢化物泡发剂。
在工业生产中，因为成本和资源等条件的限制，TiH2作为发泡剂的应用更为普遍，因此国内外发泡剂的研究主要集中在TiH2方面。利用氢化钛所制备的泡沫铝平均孔径约为1.0-8.0mm，作为发泡剂时所制备泡沫铝的孔隙率范围也很宽，所以利用氢化钛生产的成品的应用范围更加广泛，尤其适合于制备大孔径、高孔隙率的泡沫铝制品，氢化钛分解后生成的颗粒钛在空气中能够稳定存在，且在铝液中易于形成金属间化合物TiAl3，由于上述优点使氢化钛成为制备泡沫铝应用最多的发泡剂。
2.1 TiH2的性质
TiH2是一种金属型氢化物，它的主要物理性质如表2.1所示。TiH2为灰色粉末，其摩尔质量为49.9g/mol，密度为3.9g/cm³，可溶于水。本文采用的TiH2粉末的粒度约为50μm。
图2.2氢化钛在953K时等温分解的关系曲线
Fig.2.2 Isothermal decomposition curve for titanium hydride at 953 K
从图2.2可知，氢化钛在953K时等温分解产气大致可以分为三个阶段：快速产气阶段(I)、减缓产气阶段(II)和慢速产气阶段(III)。在阶段(I)，氢化钛遇热快速分解，释放大量氢气，该阶段持续时间约为125s；在阶段(II),氢化钛的分解速率减缓，该阶段持续时间约为125s；在阶段(II)，由于发泡剂已经大量分解，产气速率进一步减小，随着时间延长氢化钛分解产生气体的增量随时间变化越来越小。
图2.3是TiH₂随炉升温分解曲线图，TiH₂发泡剂200℃左右开始缓慢分解，420℃后开始剧烈分解，释放出大量的H₂。
图2.3氢化钛在随炉升温分解的关系曲线
Fig.2.3 Titanium hydride in the furnace heating decomposition curve
经过测量原始状态TiH₂热分解曲线的试验可知，未处理的TiH₂在实验温度下分解较为剧烈，较短时间内会释放出大量的气体，这将导致加入到铝熔体中的TiH₂分散及形成气泡的时间非常短，因此很难控制实验过程中气泡的分布及生长，也会使制备过程中的实验条件变的更加苛刻。并且因为TiH₂过早分解，会导致在对TiH₂进行分散搅拌过程中分解产生的气体卷入到空气中，降低了TiH₂的利用率。由上述分析可知对TiH₂进行一定的预先处理可以更加有效的控制发泡过程，提高发泡剂TiH₂的利用率。
2.2不同处理条件下氢化钛的升温分解特性
利用自制装置对不同氧化处理温度后的TiH₂以30℃/min的升温速度从室温连续升温至800℃,得到了TiH₂的连续分解曲线，图2.4为其测试结果。反映了TiH₂随温度变化的连续分解特性。
根据不同氧化处理温度下TiH₂连续分解曲线，得到以下两方面的结果：
(1)与未经氧化处理的TiH₂开始分解温度相比，经过氧化处理的TiH₂开始分解温度明显提高，提高约100℃左右，而且随氧化温度的升高，开始分解温度也随之升高。
(2)将TiH₂连续加热到800℃,TiH₂总的分解量约在2%-3%之间，未经氧化处理的TiH₂总分解量约为2.8%,经过氧化处理的TiH₂在2.2%-2.5%之间，未经氧化处理的TiH₂总的分解量多于经过处理的，且处理温度越高，总的分解量越低。
图2.4不同温度处理后的氢化钛升温分解曲线图
Fig.2.4 Heat decomposition curve for titanium hydride at different temperatures treatment
2.3 TiH2分解特性对发泡搅拌时间的影响分析
根据图2.5所测得的TiH2等温热分解曲线，可以分析出TiH2在铝熔体中发泡阶段的分解特点。根据TiH2等温分解特性可知，经过氧化处理后，TiH2在第一阶段几乎未发生分解，如果将TiH2的搅拌分散时间控制在这个阶段，那么搅拌则只会起到分散发泡剂的作用，并不能搅碎TiH2分解产生的气泡。如果将搅拌发泡时间控制在第二阶段，即TiH2快速分解阶段，那么搅拌不仅起了分散发泡剂的作用，并且还起到了细化气泡的作用，因此搅拌发泡时间的选择应该在第二阶段。但是如果选择在第二阶段的早期，搅拌就不能有效的将气泡进行搅碎，且在保温阶段TiH2会发生剧烈的分解，影响最终的发泡效果；若选在第二阶段的较后分解阶段，此时TiH2的分解将马上进入到第三阶段，即减速分解阶段，尽管获得了较长的发泡搅拌时间，但是当搅拌结束后，会导致泡沫的生长时间不够，生长不够充分，并且会因为过长的发泡搅拌，造成本来分散均匀的气泡合并，出现大孔，使得发泡效果变差。由以上的分析可知搅拌发泡时间应该选在TiH2快速分解的中期阶段，这样有利于获得发泡效果良好的泡沫铝。
图2.5未处理TiH₂与300℃热处理TiH₂的泡沫铝的照片
Fig.2.5 Photographs of foam Al using TiHz as received and pre-heated at 300℃
图2.5(a)图为未处理的发泡剂制备的泡沫铝试样；图2.10(b)图为经过300℃氧化处理的泡沫铝试样。从照片中可以明显的看出，图(b)比图(a)的泡沫铝的孔径尺寸更小且孔洞结构更加均匀。
泡沫铝具有的性能基本都与其内部存在的气泡结构有关系，气泡的结构直接决定了泡沫铝性能的优劣。若要得到理想性能的泡沫铝材料，就要很好的理解和控制泡孔结构的演化。因为熔融铝的高温、不可见性，所以直接利用实验研究其发泡过程是非常困难。但是通过发泡过程动力学及热力学研究，可以明晰发泡过程的规律，掌握发泡过程的关键影响因素和工艺参数，进而实现孔结构的有效控制。
3.泡沫铝的应用
由于泡沫铝材料诸多优异的性能特性，使其具备了很高的应用价值，并且已经在很多方面得到了应用。
3.1汽车工业
汽车的发展方向为质轻、环保、节能和安全。使用泡沫铝作为盖板、卡车盖和滑动车顶等既可以降低重量又可以提高其刚度，德国卡曼汽车公司与夫雷霍弗研究所都是用“三明治”夹层结构泡沫铝制造轿车顶盖板，其刚度比原来的钢质构件提高了约7倍左右，而其重量却比钢件减轻了25%左右。此外，泡沫铝因为拥有优异的能量吸收特性而在很大程度上提高了汽车的安全性。
3.2航天航空工业
因为泡沫铝同时兼有结构和功能材料的多种优异性能而成为当今航天航空领域所追求的理想材料。利用泡沫铝降低航天器的重量是当今学者们研究的主要课题之一。主要应用于支撑高精度的一般光学系统、用于光学系统大型支架、取代蜂窝铝以承受多向应力、用作航天器承力筒和空间热交换器等等。
3.3建筑工业
泡沫铝在建筑行业也得到了许多方面的应用。比如使用泡沫铝生产电梯可以在很大程度上减轻其重量，从而可以降低能量消耗，延长电梯的使用寿命，同时提高了电梯的安全系数。
3.4过滤器
泡沫铝用作过滤器时可以过滤液体、气体或其他的固体颗粒。比如利用泡沫铝的过滤特性净化熔融聚合物，或是用于除掉介质中的杂质。一般用于过滤的材料需要具备良好的过滤性能，耐蚀性和良好的力学性能，开孔泡沫铝正是制备过滤器的理想材料。
另外，泡沫铝作为结构材料时，在造船业、铁路行业、机械制造业、体育器材、生物医学中都有着广泛的应用前景。泡沫铝作为功能材料，还可以制成生物医学移植材料，热交换器，催化剂载体等多种产品，其前景非常广阔。
