多孔铝的制备与表征：采用多种造孔剂

《Advances in Materials Science and Engineering》：Fabrication and Characterization of Porous Aluminum Manufactured via Multiple Pore Former

　　

该研究通过粉末冶金(PM)路线，以氯化钠(NaCl)与玉米粉(corn flour)作为双发泡剂(dual-foaming agents)制备多孔铝(porous aluminum)。NaCl作为主要空间保持剂(space holder)，经盐浸出(salt-leaching)工艺形成大孔(macropores)；玉米粉作为可生物降解次级剂，生成微孔(micropores)。研究人员系统考察了NaCl与玉米粉含量对多孔铝孔隙率、显微结构与力学性能的影响。结果表明，NaCl由10%增至40%时总孔隙率由4.23%升至19.19%，添加3 wt.%玉米粉后孔隙率进一步升至31.45%。X射线衍射(XRD)确认面心立方(FCC)铝相保留，无次生化合物，说明两剂仅为物理造孔剂(physical porogens)。抗压强度随孔体积增加由60.37 MPa降至4.45 MPa。多孔铝呈现泡沫状压缩应力–应变行为，低孔隙率时具明显平台区(plateau region)。能量吸收能力为0.71 MJ/m3至18.55 MJ/m3，能量吸收效率为36.84%至42.17%，相对密度(relative density)主导变形与耗能机制。

论文《Advances in Materials Science and Engineering》所刊研究表明，航空航天、汽车、国防及生物医学工程等领域对轻量、多功能与可持续材料需求上升，金属泡沫尤其多孔铝具备低密度、高能量吸收、耐腐蚀与可回收优势。传统熔体发泡、气体注入或钛氢化物工艺存在成本高、有毒副产物、孔结构可控性差等问题。粉末冶金(PM, powder metallurgy)因近净成形、材料利用率高、可在低于熔点与惰性氛围下烧结而受关注。NaCl作为空间保持剂具有高点801°C、化学惰性、完全水溶优点；但单造孔剂可能孔隙发育不全，且盐浸出耗时、残留氯离子致局部腐蚀、铝烧结与盐稳定间热窗口窄。玉米粉以淀粉为主，250°C–350°C分解放CO₂与H₂O成微孔，此前未见用于铝泡沫。研究人员因此提出NaCl+玉米粉双造孔体系，用PM路线制多孔铝，调孔隙率、孔连通性与力学响应。

关键技术方法上，样本为市售铝粉、食品级NaCl与玉米粉混料，无外部样本队列。研究人员将铝粉、NaCl（10–40 wt.%）及固定3 wt.%玉米粉干混，14 mm钢模以约190 MPa压实成绿坯(green compact)，570°C空气马弗炉烧结4 h，水后浸24 h溶NaCl完成盐浸出，室气干燥。表征用几何密度法算孔隙率，ImageJ做表面/内部孔隙与Feret直径分析，X射线衍射(XRD, Cu-Kα)判相，万能试验机按ASTM E9做准静态压缩并算能量吸收(W)与能量吸收效率。

3.1 盐浸出行为与孔显微结构：研究人员由质量损失曲线与光学显微知，NaCl越高失重越大，24 h内前12 h为主；加玉米粉因分解生微通道使失重更高、盐移除更快；40 wt.% NaCl样平均大孔当量圆径约0.255 mm，XRD无NaCl峰，说明空间剂有效移除，但闭孔中痕量NaCl不能完全排除。

3.2 孔隙率分析：由密度法得10% NaCl为4.23%，加玉米粉为7.45%；40% NaCl为19.19%，加玉米粉为31.45%。中等压制与细铝粉、常压烧结使总孔隙低于部分文献的40–60%，但双剂增孔趋势明确。

3.3 表面孔隙分析：ImageJ显示10% NaCl表面孔8.29%，40% NaCl+3%玉米粉为27.24%；玉米粉组红区更密且均匀，图像法仅看表面孔故低于密度法。

3.4 内部孔隙分析：纵剖ImageJ得10% NaCl内部3.27%、加玉米粉9.05%，40% NaCl为23.81%、加玉米粉30.41%；孔数由334增至1475，平均Feret直径0.206–0.321 mm，NaCl控大孔尺寸、玉米粉增微孔数与连通性，使表/内孔差缩小。

3.5 XRD分析：纯铝、40% NaCl、40% NaCl+3%玉米粉均在38.4°、44.7°、65.1°、78.2°出FCC铝的(111)(200)(220)(311)峰，无Al₂O₃或Al₄C₃晶相；无定形碳或薄氧化膜未被XRD排除。

3.6 应力–应变行为：低孔10% NaCl峰应力~60 MPa且有平台；40% NaCl为25–30 MPa、平台变窄；加玉米粉峰应力更低、提前密实(densification)。密度归一化曲线仍显相对密度降则承载降，符合细胞金属三阶段：弹性、平台塌孔、密实。

3.7 抗压强度变化：相对密度降则强度降，10% NaCl为60.37 MPa，40% NaCl+3%玉米粉为4.45 MPa；玉米粉弱化了颗粒间结合。Gibson–Ashby模型 σ∝ρⁿ（n=1.5–2）可解释该幂律衰减。

3.8 能量吸收(energy absorption)与能量吸收效率(energy absorption efficiency)：10% NaCl吸能18.55 MJ/m³、效率42.17%；加玉米粉骤降至7.72与31.05%。20% NaCl加玉米粉吸能略降但效率升为计算假象；30% NaCl加玉米粉吸能8.01→6.09 MJ/m³；40% NaCl加玉米粉吸能7.62→0.71 MJ/m³，薄韧带早裂。效率变动受峰值应力影响，不代表真性能提升。

讨论部分总结：研究人员指出双造孔剂拓宽孔径分布、提升连通性，孔隙率与相对密度主导强度与吸能；中等NaCl（10–20%）可得高吸能与抗冲击材料。本工作绝对孔隙低于高膨胀泡沫，但适需强度/重量平衡场景。局限为NaCl与玉米粉未筛分、2D图像难量化微孔、XRD不检非晶残碳；未来可用微计算机断层(micro-CT)、SEM-EDS、拉曼与真空烧结优化。

结论部分翻译：本研究成功展示以PM路线用NaCl与玉米粉双发泡剂制备与表征多孔铝。NaCl为主空间保持剂经盐浸出生大孔，玉米粉为可降解次发泡剂贡献微孔并改善孔连通性。关键结论：一、NaCl+玉米粉双发泡使孔隙率可控达31.45%且铝相稳定；二、抗压强度随孔隙率由60.37 MPa系统降至4.45 MPa，符合金属泡沫力学；三、泡沫状变形使能量吸收为0.71–18.55 MJ/m³、效率36.84%–42.17%，主要由相对密度控制；四、该PM双造孔策略经济、可放大、环境友好，可拓至其他金属体系。该路线为吸能件、阻尼件、轻量填充、热管理与透金属应用提供可能。