泡沫铜：独特性能、制备工艺与性能研究中的微观洞察

作为一种轻质、强度高、导电性好的材料，泡沫铜被广泛应用于各种领域，例如电子技术、航空航天、能源储存等。它的独特性能使得人们对它的关注和研究不断增加。为了更好地利用这些材料，深入了解其制造工艺、结构和性能之间的关系至关重要，美能光子湾3D共聚焦显微镜作为一种先进的微观结构分析工具，为研究泡沫铜的微观形貌和性能提供了强有力的手段。

 

 

泡沫和其他具有蜂窝结构的高孔隙率材料因其众多有趣的物理和机械性能组合而为人所知，例如高强度与极低的比重量相结合，或者高气体渗透性与高热导率相结合。正因如此，自然界经常使用蜂窝材料来实现结构或功能目的。闭孔泡沫的机械性能会随着密度的变化而呈现出独特的特性。开孔泡沫允许流体在孔隙结构中传输，可用于散热和热回收，或作为催化剂载体，或用于过滤。

 

对于结构应用，如能量吸收，最重要的考虑因素是孔隙率、比强度、压缩延展性和成本。因此，市场上绝大多数金属泡沫都是通过液态或半液态发泡技术制造的闭孔泡沫。对于功能性应用，如吸声、隔热、散热和催化剂载体，孔隙需要是开放且细小的。金属基体可以是铜、铁、钛或镍基的。

 

由于铜具有高导热性、耐腐蚀性且无毒，铜多孔材料可用于医药、化工和冶金工业领域的散热和过滤。为了更好地利用这些材料，需要进一步研究铜泡沫的制造、结构和性能。

 

 

#Photonxbay.01

实验步骤

在用于制造泡沫铜的高温合成工艺中，铜粉和碳酸盐粉是主要的原材料。铜粉的颗粒度在30-70μm之间，呈球形颗粒；碳酸盐粉则为圆润的颗粒状，范围在50-1000μm，颗粒度需要根据最终的泡沫的预期孔径来选择。将铜粉和碳酸盐粉混合，混合物中铜的体积分数为0.15至0.5(不包括混合物中的孔隙)。以乙醇作为粘结剂，在混合过程中加入少量(约占混合物总体积的0.5-1%)的乙醇。将粉末混合物倒入低碳钢模具中，并在两端用一层铁粉密封，以防止铜过度氧化。混合物在300-450MPa的液压机中进行压制。压制后的坯体在850℃下烧结3-5小时，冷却至室温，然后放入热水浴中3-5小时以溶解碳酸盐。整个工艺流程如下图所示。

 

 

 

#Photonxbay.02

泡沫铜的孔隙率

(左)孔隙率为75%的泡沫铜；(右)粉末粒度和压力对孔隙率的影响

 

 

上图分别展示了孔隙率为75%的泡沫铜样品，和粉末粒度和压制压力对孔隙率的影响。对于给定体积分数的金属粉末，样品的孔隙率随压制压力的增大和颗粒尺寸的减小而降低。这表明小颗粒易于结合，且在烧结过程中高压有助于金属颗粒的结合。

 

(左)泡沫铜的典型结构(中)一个泡孔及其壁(右)铜颗粒之间的结合

 

 

#Photonxbay.03

泡沫铜的机械性能和物理性质

下图展示了孔隙率为60%、70%、80%的泡沫铜的压缩应力-应变曲线。在初始应变区域大致从0到10，应力随应变显著增加，表明泡沫铜对弹性及塑性变形具有较强的抗性。在高应变区域，大致在10以上，应力随应变增加的速度减缓，表明塑性变形占主导地位。在该区域的任何固定应变下，泡沫的强度均随孔隙率的增加而降低。

泡沫铜的压缩应力-应变曲线

 

 

下图显示了泡沫铜的电导率随孔隙率的增加而降低。在初始阶段，孔隙率从50%增加到58%，电导率缓慢下降。在中间阶段，孔隙率从58%增加到65%，电导率迅速下降。在最后阶段，孔隙率从65%增加到75%，电导率缓慢下降。

 

 

电导率随孔隙率的变化

 

 

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泡沫铜表面形貌观察

通过平面测量和面积测量可以轻松求得孔径和孔隙率等参数。

 

 

#ME-PT3000

美能光子湾3D共聚焦显微镜

 

 

美能光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察

 

• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

 

• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

 

• 提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

综上所述，泡沫铜在结构和功能应用方面展现出巨大潜力，其制备工艺、孔隙率、机械性能和物理性质等研究成果为后续的应用拓展奠定了坚实基础。美能光子湾3D共聚焦显微镜在观察泡沫铜表面形貌、获取关键参数过程中发挥了重要作用，助力科研人员更深入地理解泡沫铜的微观世界。未来，随着研究的不断深入以及先进设备的持续助力，泡沫铜有望在更多领域实现突破，为科技进步和社会发展贡献更多力量。