作為一種輕質(zhì)、強度高、導電性好的材料，泡沫銅被廣泛應用于各種領域，例如電子技術、航空航天、能源儲存等。它的獨特性能使得人們對它的關注和研究不斷增加。為了更好地利用這些材料，深入了解其制造工藝、結(jié)構和性能之間的關系至關重要，美能光子灣3D共聚焦顯微鏡作為一種先進的微觀結(jié)構分析工具，為研究泡沫銅的微觀形貌和性能提供了強有力的手段。

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

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

由于銅具有高導熱性、耐腐蝕性且無毒，銅多孔材料可用于醫(yī)藥、化工和冶金工業(yè)領域的散熱和過濾。為了更好地利用這些材料，需要進一步研究銅泡沫的制造、結(jié)構和性能。

#Photonxbay.01

實驗步驟

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；碳酸鹽粉則為圓潤的顆粒狀，范圍在50-1000μm，顆粒度需要根據(jù)最終的泡沫的預期孔徑來選擇。將銅粉和碳酸鹽粉混合，混合物中銅的體積分數(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，以防止銅過度氧化?；旌衔镌?00-450MPa的液壓機中進行壓制。壓制后的坯體在850℃下燒結(jié)3-5小時，冷卻至室溫，然后放入熱水浴中3-5小時以溶解碳酸鹽。整個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孔隙率的影響。對于給定體積分數(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(中)一個泡孔及其壁(右)銅顆粒之間的結(jié)合

#Photonxbay.03

泡沫銅的機械性能和物理性質(zhì)

下圖展示了孔隙率為60%、70%、80%的泡沫銅的壓縮應力-應變曲線。在初始應變區(qū)域大致從0到10，應力隨應變顯著增加，表明泡沫銅對彈性及塑性變形具有較強的抗性。在高應變區(qū)域，大致在10以上，應力隨應變增加的速度減緩，表明塑性變形占主導地位。在該區(qū)域的任何固定應變下，泡沫的強度均隨孔隙率的增加而降低。

泡沫銅的壓縮應力-應變曲線

下圖顯示了泡沫銅的電導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%，電導率緩慢下降。在中間階段，孔隙率從58%增加到65%，電導率迅速下降。在最后階段，孔隙率從65%增加到75%，電導率緩慢下降。

電導率隨孔隙率的變化

#Photonxbay.04

泡沫銅表面形貌觀察

通過平面測量和面積測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各種精密器件及材料表面，可應對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構設計

• 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)構和功能應用方面展現(xiàn)出巨大潛力，其制備工藝、孔隙率、機械性能和物理性質(zhì)等研究成果為后續(xù)的應用拓展奠定了堅實基礎。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡在觀察泡沫銅表面形貌、獲取關鍵參數(shù)過程中發(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，隨著研究的不斷深入以及先進設備的持續(xù)助力，泡沫銅有望在更多領域?qū)崿F(xiàn)突破，為科技進步和社會發(fā)展貢獻更多力量。