真空热加工制备高孔率泡沫钛的电磁屏蔽性能
利用真空热加工技术制备了具有不同结构的高孔率泡沫钛，研究了它们在无线电波频率范围的电磁屏蔽效能。这些泡沫钛样品的孔隙尺寸在毫米级，孔率都在85%以上。工作结果表明，这些泡沫钛具有明显的电磁屏蔽效能，低频段的屏蔽效果良好。在整个测试频率范围内，屏蔽效果大致随频率的增大而降低，超过某一频率值后，屏蔽效能曲线出现一个具有起伏性的平台。该平台区跨幅较大，包含数个吉赫兹的范围。分析还表明，本泡沫钛样品在低频区的电磁屏蔽机制主要是反射损耗，在频率较高的区间主要是吸收损耗。因此，上述平台出现在整个屏蔽效能曲线的低值区。
现代通信、自动控制和计算机技术等领域广泛使用日益复杂的大规模集成电路，大量单元安装在较小的机腔内，因而相互之间产生电磁干扰以及设备对环境发生电磁辐射的可能性大为增加。电磁辐射不但会影响人们的身体健康，并对周围的电子仪器设备造成干扰，此外还会因此泄露信息。电磁辐射的防护措施可分为屏蔽、隔离和吸收等方式，但通常以屏蔽方式为主。
泡沫金属不但以其体密度低和比强度高而广泛作为轻质结构体，而且以其优异的物理性能而应用于消音降噪、吸能减震、隔热阻火、热交换等场合。作为近些年来兴起的一种新型电磁屏蔽材料，泡沫金属的屏蔽效能高于传统的网材，且质量轻、耐候性强、易于安装，能满足精密仪器和设备的屏蔽要求。多孔结构可以在相关方面有效地处理电磁波。尽管泡沫金属因其重量轻和适度的力学性能而被广泛应用于航空航天和汽车工业，但很少有对其电磁屏蔽方面的工作。虽然电导率小于致密金属，但泡沫金属的电磁屏蔽效能派上实际用场是完全有可能的，而且这一用途可以在同一件产品上附加到多孔材料减震、缓冲、降噪等其他方面的应用上。
在泡沫金属的众多研究方面，工作主要集中于泡沫铝。泡沫钛比泡沫铝具备更好的耐高温性、耐腐蚀性和隔热性，适于温度和环境等要求更高的场合。由于实际可行的制备工艺的限制，已研制的泡沫钛孔率一般都不高，大多在70% 以下。少数情况下能够很高，但也在80%以下。泡沫金属的性能研究以力学性能为最。
对泡沫钛的研究远少于泡沫铝，而且工作主要限于钛合金多孔植入材料。相比之下，泡沫金属的电磁屏蔽性能研究更少，而关于泡沫钛在该方面的工作更是暂未发现其报道。考虑到在满足力学性能要求的基础上具有更低的体密度和更高的孔率是泡沫金属发展的方向，本文研究不同孔隙结构的高孔率泡沫钛的电磁屏蔽效果。
1、泡沫钛的制备
通过真空热加工技术，分别采用粉体熔化发泡法和挂浆烧结法，以钛镍合金粉末或钛粉和镍粉的混合粉末为主原料制备不同结构的泡沫钛。为了得到孔率较高的球孔泡沫钛，本文对有关工艺方法进行了改进。首先选取粒度均为- 300 目的脱氢钛粉和电解镍粉，配料比例75：25 ～85：15 (质量比) ，球磨混料2 h，将金属粉末混合均匀。然后通过挂浆烧结法制备网孔泡沫钛，通过改进的粉体熔化发泡法制备球孔泡沫钛。在制备球孔泡沫钛过程中，将干燥的预制型( 连同模具) 在8 × 10-3 Pa 的真空环境中快速加热到1000 ～1200℃保温一定时间后，再按照一定的工艺制度在真空条件下冷却，得到高度多孔的泡沫钛制品。图1(a) 为本文制得的球孔泡沫钛制品(总孔率约90%) 示例，由于制品孔率很高，其中尺度在毫米级的宏观球形孔隙被相互打通；图1(b) 是对应多孔体的孔壁结构示例，显示固相结合良好，其中尺度在微米级的不规则细孔进一步提高了球形宏观孔隙之间的连通性。在制备网孔泡沫钛过程中，将干燥的浸浆坯体放入真空炉中，室温抽真空到5 × 10-2 Pa 的水平，然后以较慢的加热速度将炉温提高到800 ～1000℃，保温2 h 以上，完成后关机炉冷。图2(a) 为本文制得的网孔泡沫钛制品( 总孔率约88%) 示例。从图2(a) 可以看出，所得泡沫制品的主孔隙尺寸约为1 ～2 mm，这些主孔相互连通形成孔棱骨架的三维网络结构，总体结构主要取决于原聚合物基体的孔隙结构；图2(b) 显示，在这种泡沫体的孔棱上还存在着许多尺寸更小的微孔，它们是通过预制体中孔棱部分的有机质在烧结过程中的热分解所产生的，而金属粉末颗粒之间的烧结情况良好。
图1 所制球孔泡沫钛的形貌示例
图2 所制网孔泡沫钛的形貌示例
对所得泡沫钛制品的X 射线衍射(XRD) 分析测试结果表明，制品由两个物相组成，其中金属钛相为主体，此外还生成了NiTi 新相，而原料中的金属镍都与金属钛发生了反应，不再显示衍射峰。
2、实验方法
本泡沫钛试样的电磁屏蔽效能测试采用北京鼎容实创科技有限公司生产制造的同轴法兰装置DRS01平面材料屏蔽效能测试仪，整体装置见图3。
图3 DR-S01 型平面材料屏蔽效能测试仪
其主要构成为系统软件、程控计算机、频谱仪、同轴衰减器、屏蔽效能测试器等。该装置设计按照ASTM4935-2010《平面材料电磁屏蔽效能标准测试方法》的国际标准规定，适用于平板型电磁屏蔽材料的平面波屏蔽效能测量，同轴法兰部件经高精密加工而成，有效测试频率范围宽泛。在本工作测试中，发射频率为0. 3 ～3000 MHz，对应波长为0.1 ～1000 m，覆盖无线电波的波谱( 含长波、中波、短波) ，并含有部分微波波段。
根据实验设备的要求，制备出直径约为100 mm的不同孔隙结构的泡沫钛圆板试样，孔隙形貌参见图1 和图2。球孔样品的孔隙参数列于表1，网孔样品的孔隙参数列于表2。
表1 球孔泡沫钛试样的孔隙参数
表2 网孔泡沫钛试样的孔隙参数
3、结论
(1) 高孔率的球孔泡沫钛和网孔泡沫钛都具有明显的电磁屏蔽效能，靠近低频端区域的屏蔽效果良好。同一孔隙参量的样品的厚度增加，可以显著地提高其电磁屏蔽效能。
(2) 在测试范围内，本泡沫钛的屏蔽效果随频率的增大而降低，当超过某一频率值后，屏蔽效能曲线出现一个较长的平台区。尽管孔隙结构和孔隙尺寸不同，但这些泡沫钛样品的屏蔽效能曲线都大约在1000 ～ 3000 MHz 的电磁波频率范围内呈现出这样的平台。
(3) 本泡沫钛样品在低频区域以反射损耗机制为主，在频率较高的区间则是以吸收损耗机制为主。因此，上述屏蔽效能曲线的平台区出现在整个屏蔽效能曲线的低值区。
