[发明专利]使用碳酸盐生产泡沫铝的方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请是于2005年4月29日提交的美国专利申请11/119,002的部分连续并且要求其权益，这里通过引用将其全部内容并入本文。

发明领域

本申请大体涉及可发泡金属，且更具体涉及用于形成金属泡沫产品的方法，其中反应颗粒在金属熔体中分解以产生泡沫稳定副产物和适于使金属泡沫化的气体。

发明背景

低密度多孔产品提供了独特的机械和物理性能。在聚合物类型的基体中产生的泡沫产品的高比强度、结构刚性和绝缘性能是众所周知的。这样的封闭孔胞(cell)聚合物泡沫被广泛用于宽广范围的应用中，包括建筑、包装和运输。

尽管聚合物型泡沫已经获得广泛的市场成功，但泡沫金属产品仅具有有限的应用。对于许多轻重量的应用，封闭孔胞的金属泡沫提供了聚合物泡沫的许多吸引人的属性。此外，与聚合物相比，金属固有较高的体积模量提供了较高的比刚度。这种较高的体积模量使得金属泡沫成为一种用于叠层板中的芯部材料的吸引人的候选材料，在该叠层板的芯部材料中刚度和抗弯性是重要的性能量度。此外，由泡沫金属生产的板材耐火并耐烟，并且非常适合于建筑应用。铝泡沫芯部夹层复合产品提供了另外的环境益处：可重复利用；这曾经是限制金属包覆聚合物泡沫应用的问题。

尽管在科学和专利文献中已经描述了生产泡沫金属的方法，但这些材料存在诸如高成本、大的孔胞尺寸、孔胞尺寸可变和结构完整性不足的问题。许多这些问题与熔融金属的流变性有关。在基本上所有的生产金属泡沫的铸造冶金方法中，在金属熔体中都需要一些稳定作用。泡沫是亚稳定的，因此不但易于孔胞合并而且易于孔胞壁脱液(drainage)。

通常，为了实现生产金属泡沫所需的稳定作用，向熔体中引入例如陶瓷颗粒的微粒。这些微粒可通过增加熔体的有效粘度和/或降低液体的有效表面张力，有效地改变熔体的性质。与所需的泡沫孔胞壁厚度相比，这些微粒必须小。通常使用内部或外部方法，向熔体中引入小的微粒，其中每一种方法都具有限制它们效用的缺点。

在内部颗粒形成中，通过涡流机械搅拌器和/或穿过熔体的气体鼓泡(直接气体注入)，将气体搅拌到熔融金属中。气体与熔体反应形成包括氧化物、尖晶石和/或其它独特颗粒的小颗粒。控制形成的颗粒的尺寸、几何形状和体积分数来产生稳定、可发泡的基体是特别困难的。

形成的颗粒的尺寸受注入或携带的气泡尺寸影响。在液体金属中产生小气泡是出名的困难。此外，熔体温度、在熔融温度下的时间、气体组成、搅拌速率和熔体组成均影响颗粒的比率、量和性质以及它们的分布。此外，在铝熔体中，通常需要添加高活性的碱金属以促进这些氧化反应。

在提供泡沫金属中，直接气体注入和/或搅拌的一个缺点是产生稳定的可发泡基体所需的时间。即使对于少量熔融金属通常也需要大约20分钟至几小时的时间范围，而较大量的熔融金属通常需要更长时间以获得产生稳定金属泡沫所需的流变学性能。

外部颗粒添加作为一种使发泡金属稳定的方法，也存在许多限制其效用的缺点。在外部颗粒添加中，将小的惰性颗粒直接加入并混合到熔体中。外部颗粒添加的一个缺点是外部添加的微粒必须被润湿从而它们可以在熔体中保持悬浮。

为了润湿外部添加的颗粒，现有方法是利用特殊的熔体合金化和/或颗粒涂层；熔化合金浓度和/或微粒添加的顺序；对颗粒品质/表面组成的严格要求；和复杂的设备以便通过在真空或惰性环境中施加高剪切力来控制和促进微粒与熔融金属之间的润湿过程。这些技术难题转化成特殊的(exotic)处理设备以及对所用外来颗粒的尺寸和纯度的限制。这些障碍已经阻碍了通过外部稳定的熔体制备的金属泡沫的经济生产。

Ridgeway Jr.的美国专利3,297,431(“Ridgeway Jr.”)要求使用稳定剂粉末来在冷却时维持和保持铝泡沫的孔胞结构。如RidgewayJr.专利中描述的，这些稳定颗粒是细分的惰性粉末，被熔融金属润湿并且在熔融金属中是稳定的。在Jin等人的美国专利5,112,697(“Jin等人”)中也描述了稳定剂颗粒的使用，其中Jin等人规定了对这些“细分的稳定剂颗粒”的尺寸和体积分数的精确限制。此外，(分别属于Crowley等人和Bryant等人的)美国专利申请公布2004/0163492A1和2004/0079198A1公开了在使铝发泡中，在这些粘度控制剂上使用表面涂层。所有这些公开文献均具有它们自身的缺点。

由于上述的阻碍和缺点，需要提供具有更大商业吸引力的金属泡沫生产方法。

发明概述