作為一種輕質(zhì)、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好的材料，泡沫銅被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如電子技術(shù)、航空航天、能源儲(chǔ)存等。它的獨(dú)特性能使得人們對(duì)它的關(guān)注和研究不斷增加。為了更好地利用這些材料，深入了解其制造工藝、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系至關(guān)重要，美能光子灣3D共聚焦顯微鏡作為一種先進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)分析工具，為研究泡沫銅的微觀形貌和性能提供了強(qiáng)有力的手段。

泡沫和其他具有蜂窩結(jié)構(gòu)的高孔隙率材料因其眾多有趣的物理和機(jī)械性能組合而為人所知，例如高強(qiáng)度與極低的比重量相結(jié)合，或者高氣體滲透性與高熱導(dǎo)率相結(jié)合。正因如此，自然界經(jīng)常使用蜂窩材料來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或功能目的。閉孔泡沫的機(jī)械性能會(huì)隨著密度的變化而呈現(xiàn)出獨(dú)特的特性。開(kāi)孔泡沫允許流體在孔隙結(jié)構(gòu)中傳輸，可用于散熱和熱回收，或作為催化劑載體，或用于過(guò)濾。

對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如能量吸收，最重要的考慮因素是孔隙率、比強(qiáng)度、壓縮延展性和成本。因此，市場(chǎng)上絕大多數(shù)金屬泡沫都是通過(guò)液態(tài)或半液態(tài)發(fā)泡技術(shù)制造的閉孔泡沫。對(duì)于功能性應(yīng)用，如吸聲、隔熱、散熱和催化劑載體，孔隙需要是開(kāi)放且細(xì)小的。金屬基體可以是銅、鐵、鈦或鎳基的。

由于銅具有高導(dǎo)熱性、耐腐蝕性且無(wú)毒，銅多孔材料可用于醫(yī)藥、化工和冶金工業(yè)領(lǐng)域的散熱和過(guò)濾。為了更好地利用這些材料，需要進(jìn)一步研究銅泡沫的制造、結(jié)構(gòu)和性能。

#Photonxbay.01

實(shí)驗(yàn)步驟

在用于制造泡沫銅的高溫合成工藝中，銅粉和碳酸鹽粉是主要的原材料。銅粉的顆粒度在30-70μm之間，呈球形顆粒；碳酸鹽粉則為圓潤(rùn)的顆粒狀，范圍在50-1000μm，顆粒度需要根據(jù)最終的泡沫的預(yù)期孔徑來(lái)選擇。將銅粉和碳酸鹽粉混合，混合物中銅的體積分?jǐn)?shù)為0.15至0.5(不包括混合物中的孔隙)。以乙醇作為粘結(jié)劑，在混合過(guò)程中加入少量(約占混合物總體積的0.5-1%)的乙醇。將粉末混合物倒入低碳鋼模具中，并在兩端用一層鐵粉密封，以防止銅過(guò)度氧化。混合物在300-450MPa的液壓機(jī)中進(jìn)行壓制。壓制后的坯體在850℃下燒結(jié)3-5小時(shí)，冷卻至室溫，然后放入熱水浴中3-5小時(shí)以溶解碳酸鹽。整個(gè)工藝流程如下圖所示。

#Photonxbay.02

泡沫銅的孔隙率

(左)孔隙率為75%的泡沫銅；(右)粉末粒度和壓力對(duì)孔隙率的影響

上圖分別展示了孔隙率為75%的泡沫銅樣品，和粉末粒度和壓制壓力對(duì)孔隙率的影響。對(duì)于給定體積分?jǐn)?shù)的金屬粉末，樣品的孔隙率隨壓制壓力的增大和顆粒尺寸的減小而降低。這表明小顆粒易于結(jié)合，且在燒結(jié)過(guò)程中高壓有助于金屬顆粒的結(jié)合。

(左)泡沫銅的典型結(jié)構(gòu)(中)一個(gè)泡孔及其壁(右)銅顆粒之間的結(jié)合

#Photonxbay.03

泡沫銅的機(jī)械性能和物理性質(zhì)

下圖展示了孔隙率為60%、70%、80%的泡沫銅的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在初始應(yīng)變區(qū)域大致從0到10，應(yīng)力隨應(yīng)變顯著增加，表明泡沫銅對(duì)彈性及塑性變形具有較強(qiáng)的抗性。在高應(yīng)變區(qū)域，大致在10以上，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾拥乃俣葴p緩，表明塑性變形占主導(dǎo)地位。在該區(qū)域的任何固定應(yīng)變下，泡沫的強(qiáng)度均隨孔隙率的增加而降低。

泡沫銅的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

下圖顯示了泡沫銅的電導(dǎo)率隨孔隙率的增加而降低。在初始階段，孔隙率從50%增加到58%，電導(dǎo)率緩慢下降。在中間階段，孔隙率從58%增加到65%，電導(dǎo)率迅速下降。在最后階段，孔隙率從65%增加到75%，電導(dǎo)率緩慢下降。

電導(dǎo)率隨孔隙率的變化

#Photonxbay.04

泡沫銅表面形貌觀察

通過(guò)平面測(cè)量和面積測(cè)量可以輕松求得孔徑和孔隙率等參數(shù)。

#ME-PT3000

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

• 提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

綜上所述，泡沫銅在結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大潛力，其制備工藝、孔隙率、機(jī)械性能和物理性質(zhì)等研究成果為后續(xù)的應(yīng)用拓展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡在觀察泡沫銅表面形貌、獲取關(guān)鍵參數(shù)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，助力科研人員更深入地理解泡沫銅的微觀世界。未來(lái)，隨著研究的不斷深入以及先進(jìn)設(shè)備的持續(xù)助力，泡沫銅有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量。