泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。通过其独特的结构特点，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点，是随着人类科技逐步发展起来的一类新型材料常用于航空航天、石油化工等一系列工业开发上。

    无处不在的多孔介质

    多孔介质，由包含相通的、不规则的孔的固体骨架和流体组成的一类复合介质，它构成了地球生物圈的物质基础。

    人类从很早就开始认识多孔介质内的物理过程。例如，土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程；动植物中的生命过程，如植物根、茎、叶中水分和养分的传递过程、动物机体内的新陈代谢；与生活密切相关的农副产品、食品、木材和纺织品的干燥；地下岩层中石油、天然气和地下水的开采；地热资源的开发及利用土壤岩层的蓄热蓄冷过程；建筑物的隔热保温；现代铸造技术、燃烧技术、冶炼技术、催化反应技术和纺织、造纸技术的发展等。

    那么，多孔介质的特性有哪些呢？

    研究人员主要关注结构特性、流动特性、传热特性与传质特性四个方面。

    表征多孔介质结构特性的参数主要有四个：一是孔大小，可以小到几微米，乃至几纳米，例如热障涂层、催化剂涂层等。也可大到几米（例如一栋大楼），甚至更大；二是孔隙率，即多孔介质内空隙体积占总体积的比例，其值在0到1之间； 三是孔的形状，即孔的结构形态。不同种类多孔介质的孔形状差别较大；四是比表面积，即单位体积内固体骨架与流体接触面面积的大小，可以较小，亦可以很大，可达到上万。其值由多孔介质的结构特性决定。

    表征多孔介质流动特性的参数主要是压降或者渗透系数，即流体（液体、气体）流过多孔介质的流动阻力损失。

    多孔介质的传热特性，一般热传导、热对流及热辐射均会遇到，有时还涉及相变换热。

    多孔介质的传质特性，即物质在不同尺度多孔结构内的迁移特性。

    工业中常见的多孔介质

    工业中的多孔介质按尺寸可分为微纳尺度多孔介质与大孔尺度多孔介质，它们特性迥异，适用的研究理论也不同。

    大孔尺度多孔介质基本有四种：不同形状颗粒的、不同通道形状蜂窝的、不同编织方式丝网的与不同材料泡沫的。

    上述四种大孔尺度多孔介质的孔大小在毫米量级，其孔形状、孔隙率、比表面积、流动特性及传热传质特性存在较大差别。

    多种多孔结构特性的比较

    泡沫金属及其应用

    作为泡沫类的大孔尺寸多孔介质，泡沫金属是一种的新型金属材料，它具有优于其它三种多孔结构的特性，已被广泛地应用于航天、航空、运输、环保、能源、生物等各种高科技领域及一般工业领域。

    泡沫铁铬铝

    泡沫铝

    泡沫金属的结构可以看成由无数开孔单元胞以无规则方式构成的金属支架。每个单元胞（Cell）中间是空心的，外形近似球形，然后边界上开了十四个小孔，很像十四扇窗户（Window）。

    泡沫金属单元胞

    金属支柱的截面形状，随泡沫金属孔隙率的不同而异：孔隙率小于0.9时，金属支柱截面为圆形；孔隙率大于0.95时，金属支柱截面变成凹三角形。

    金属支柱横截面

    作为结构材料， 它具有质轻、高比强度和高比表面积等特点， 在航空、航天领域应用中表现出极大的优越性。例如， 泡沫铝已用于飞机机翼复合材料的芯片， 并成为加热器、热交换器和电池极板的优良材料。

    泡沫镍也已应用于墙体或地板的加热瓦；另外，用作碱性电池及燃料电池的极板材料，可极大地提高电池容量。

    作为功能材料，它具有良好的吸声、隔声、散热、隔燃、减振、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能。例如，已将泡沫金属应用于汽车工业的内燃机气缸、高速列车发电室、无线电录音以及高速公路降噪等方面， 取得了良好的效果。

    作为隔热、阻燃材料，泡沫金属可用于火焰阻焰器，让燃烧的气体自由通过但却能阻止火焰的蔓延。

    作为缓冲、减振和吸收冲击能材料，泡沫铝合金可以应用在一些机械的紧固件、航天飞机的保护外壳、碰撞记录仪及其起落架和汽车的缓冲件等方面。

    泡沫金属的制备方法

    泡沫金属的制备方法，大体可分为铸造法和非铸造法。

    铸造法有熔体发泡剂发泡法、气体注入发泡法及渗流法等。熔体发泡剂发泡法的制备原理是：将能够产生气体的物质（发泡剂）加入熔融金属， 使之受热分解而产生气体， 并使产生的气体均匀地分布在金属液体中，冷却之后即可获得泡沫金属固体。

    熔体发泡法

    铸造法原理基本相同，仅是加入气体的方式有些差别。例如，气体注入法将气体直接注入熔融金属。

    气体注入法

    非铸造法有粉末冶金法、烧结溶解法及金属沉积法等。粉末冶金法的制备原理是：将金属粉末与发泡剂粉末混合均匀，经过冷压或热压后使其成为半成品，然后将此半成品加热到接近或高于混合物熔点的温度。加热过程中， 发泡剂受热分解，释放出大量气体，使致密的压实材料膨胀，从而形成多孔的泡沫金属材料。

    粉末冶金法

    非铸造法原理基本相同，与铸造法不同的是：铸造法先把金属加热到熔融，再注入气体；而非铸造法，先把金属与产气物质混合后，再加热到熔融。

    泡沫金属的热传输特性及研究

    泡沫金属具有优异的热传输特性。

    导热特性较好。铜的导热系数387W/（m?K）左右，铝导热系数218W/（m?K）左右，因此泡沫金属的导热能力强；

    对流传热特性较强。其无规则的骨架结构，使热流体、冷流体的掺混作用剧烈；

    流体横掠泡沫金属

    高温时，泡沫金属内辐射传热亦较强。其高的孔隙率，使红外辐射透过率大大增强；

    强化池沸腾传热效果较好。在大气压下，对于泡沫铜，以丙酮作为工质时，热流密度可达到100W/cm? 以上。

    泡沫金属内流动沸腾传热特性亦较好，泡沫管内沸腾传热可达到光滑管的三倍之多。

    鉴于泡沫金属优异的特性，其工业应用潜力巨大，然而目前对其内热传输特性的认识还不够全面。

    中国科学院工程热物理研究所在多孔介质传热传质方面主要进行了两方面的应用基础研究：

    一是泡沫金属内热传输特性的研究，主要用于热交换，如蓄热器（回热器、振荡流回热器）、储热、强化换热等。依托多项国家自然科学基金，目前已对泡沫金属内导热特性、气固传热特性及辐射传热特性进行了较系统的模拟研究；

    二是耦合化学反应的热质传递机理的研究，实现各种催化反应（催化燃烧、碳氢化合物重整、催化裂解、碳氢化合物加氢及碳氢化合物部分氧化等）的反应器设计，主要用于能源的热化学利用。目前针对低温热能品位提升高效化学热泵内涉及的相关科学问题进行了研究，未来将进一步向其它能源热化学应用领域扩展。

    催化反应器涉及的五个尺度

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