泡沫钛具有较小的密度、优异的力学性能以及独特的功能特性，广泛应用在航空航天、国防、海洋工程、汽车、生物医学等领域。本文介绍了泡沫钛的主要制备方法，包括烧结法、添加造孔剂法、浸渍法、凝胶浇铸法、3D打印法,对泡沫钛的压缩性能、吸能性能、生物相容性、电磁屏蔽性能、吸声性能、微动磨损性能等进行了讨论,并阐述了泡沫钛在生物医用、电池电极、航空航天等领域的应用前景。

1 制备方法

1.1 烧结法

     泡沫钛烧结法分为粉末直接烧结法、空心球烧结法和添加造孔剂法。

     粉末直接烧结法是制备泡沫钛的一种最简单的方法，该方法通过对松散的钛粉进行直接烧结，或者进行压制烧结，使粉末颗粒相互黏结，自然形成一定的孔隙率，从而得到多孔材料。粉末直接烧结法因其简单的成型过程以及对环境污染程度小而广泛用于工业化生产中。具有定向孔隙的泡沫钛的烧结过程如图1所示。

图1 具有定向孔隙泡沫钛的烧结过程

     采用粉末直接烧结法生产的泡沫钛尺寸精度较低，无法控制其孔隙率及孔径，因此需要通过添加疏松剂来控制其孔隙率。

      ZHANG等通过逐层粉末烧结方法制备得到具有层状孔隙结构的泡沫钛合金，该泡沫钛合金具有较高的阻尼能力，且其抗压强度和弹性模量具有各向异性。

图2 采用氧化铝空心球烧结制备TC4泡沫钛的截面结构

     空心球烧结法的工艺有多种，空心球烧结法通过选择合适孔径及数量的空心球来对其孔径、孔隙率、相对密度进行控制，从而控制其力学性能。

     杨倩倩等分别使用氧化铝空心球和氧化锆空心球，通过空心球烧结法制备了TC4泡沫钛，其中，氧化铝空心球/TC4泡沫钛的截面结构如图2所示，泡沫钛中氧化铝空心球形态完整，与钛合金间界面清晰，未发现明显的过渡层。

图3 添加造孔剂法制备泡沫钛的工艺流程

     添加造孔剂法制备泡沫钛的工艺过程如图3所示。

     XIAO等研究发现，将粒径为0.4~2.5mm的尿素颗粒作为造孔剂时，用汽油醚润湿尿素后，添加到粒径小于45μm的钛粉中，在166MPa压力下压制成形，经170℃预热后，在1400℃下烧结固化，制备得到的泡沫钛的孔隙率可达到70%。研究发现，当控制针状尿素造孔剂体积分数在60%~80%时，可制备得到孔隙率在50.2%~71.4%的泡沫钛，孔隙率与造孔剂含量的关系取决于宏观大孔在烧结过程的体积减小量以及骨架上微观小孔的体积。

     王耀奇等研究发现，用不同粒径的尿素作为造孔剂制备得到泡沫钛的孔隙率与造孔剂体积分数的差值随造孔剂粒径、体积分数的增加以及烧结温度的升高、烧结时间的延长呈增大趋势，同时泡沫钛孔壁的致密程度与烧结温度呈正相关，而抗压强度随造孔剂粒径的增大呈先升高再降低的趋势。

     氯化物也可作为造孔剂来制备泡沫钛。SHBEH等以球形和立方体2种形状的氯化钾颗粒作为造孔剂来制备泡沫钛，发现用球形氯化钾颗粒制备的混合物料流动性更好，这有利于造孔剂更均匀地分散在钛基体中，从而制备出微孔分布更均匀的泡沫钛。

     SALVO等以体积分数20%和30%氯化钠为造孔剂制备孔隙率为30%的泡沫Ti-30Nb-13Ta-2Mn材料，该材料具有良好的力学性能。通过添加合适的造孔剂，调控造孔剂的含量及尺寸并搭配相应的生产工艺可有效控制泡沫钛中孔隙大小及孔隙率。

     烧结法具有低成本、低污染等优点，广泛应用于泡沫钛的生产制造中，但是该方法不适用于制造形状复杂、尺寸大、精度高的产品。

1.2 浸渍法

     浸渍法是将聚氨酯泡沫载体放入含有金属粉末的浆料中反复浸泡，在载体表面覆盖一定厚度的金属浆料，然后通过烧结金属涂层并分解掉聚氨酯泡沫，从而制备出高孔隙率泡沫金属的工艺。MANONUKUL等研究表明，随着采用浸渍法制备的泡沫钛中单位体积孔隙数量的增加，表观密度增加，即孔径减小，孔隙率降低，承载能力增加。

1.3 凝胶浇铸法

     凝胶浇铸法是20世纪80年代由美国橡树岭国家实验室发明的一种陶瓷近净尺寸成型工艺。BIASETTO等在生物聚合物(如卵清蛋白)发现剂中进行凝胶浇铸，制备的Ti6Al4V泡沫钛孔隙率在71%~91%。LUX等以卵黄胶为发泡剂，采用凝胶浇铸法制备Ti6Al4V泡沫钛，其孔隙率和孔径可通过卵黄胶发泡过程中的搅拌器转速来控制。

1.4 3D打印法

     3D打印技术可以在计算机模型中设计孔隙率以及孔结构，因此可制造出孔隙率高、形状复杂的泡沫材料。SHISHKOVSKY等首次采用选择性激光烧结工艺制备泡沫钛，并研究了泡沫钛支架的生物相容性和力学性能。MATSUSHITA等利用3D打印技术制备了泡沫钛颈椎前路椎间盘。利用泡沫钛制备的骨植入物对于生物体的适应性较好，可促进新骨的生长。

2 主要性能

2.1 压缩与吸能性能

     泡沫钛的多孔结构特征使其具备良好的压缩性能。随着相对密度的增大，泡沫钛的室温压缩平台应力增大。

     MANONUKUL等研究表明，采用浸渍法制备的泡沫钛在平行和垂直于泡沫钛成形方向上的压缩响应是各向同性的。泡沫材料的吸能性能取决于室温压缩平台应力的大小和平台应力区域的应变范围，泡沫材料的吸能性能一般用单位体积吸收能量来表征，可通过对应力-应变曲线下方区域进行积分得到。

    XIE等研究表明：压缩至50%应变时，孔隙率为71%~88%泡沫钛的单位体积吸收能量为11.2~55.6MJ·m-3。在相同平台应变下，单位体积吸收能量随着泡沫钛孔隙率的减小(相对密度的增大)而增加；泡沫钛的最大吸能效率为0.27，理想吸能率约为0.78，表明孔隙率为71%~88%泡沫钛适于吸能方面的应用。

2.2 生物相容性

     理想的植骨材料应当具备骨生成性、骨传导性和骨诱导性。泡沫钛的孔隙结构以及弹性模量等都与人体骨骼相似，与人体组织具有良好的结合性，人体肌肉能够向孔隙内生长，人体组织液也能够流入其中。并且，当泡沫钛经过NaOH、CaCl2、H2SO4/HCl化学浸泡和热处理等特殊的处理后，能够被新生长的骨组织深度穿透(骨传导)。

      TAKEMOTO等通过烧结方法制备了孔隙率50%、平均孔径为300μm的泡沫钛，经过化学和热处理后，用泡沫钛制备的狗骨组织在3个月后已经生长至泡沫钛气孔的中央部分；对于处理过的泡沫钛，骨植入物与狗骨组织的接触面积占骨植入物面积的35%，而对于未处理的泡沫钛，骨植入物与狗骨组织的接触面积仅占11%。泡沫钛可通过定制多孔结构而具有优良的渗透性、良好的吸收性能，以允许体液运输，从而促进骨生长、细胞迁移和附着,并提高新的骨组织的生长能力和血管化，因此泡沫钛常用作骨植入物的支架。

2.3 电磁屏蔽性能

     泡沫钛具有明显的电磁屏蔽效果，且在低频下的屏蔽性能更优。多孔泡沫金属可以通过反射、散射和吸收来衰减入射的微波，从而衰减电磁能量。泡沫钛的电磁屏蔽效能随着电磁波频率的增大，呈现先减小后增大的趋势。

2.4 吸声性能

     泡沫金属的吸声机理主要涉及材料本身的阻尼衰减、孔壁与孔内流体之间摩擦产生的黏性耗散，以及声波反射引起的干扰消声。大多数金属的固有阻尼能力较差，因此泡沫金属主要是通过摩擦、黏性效应和反射机制来衰减声波。

   LIU等研究发现：在200~6300Hz声波频率范围内，当频率低于4250Hz时，具有较大孔径泡沫钛的吸声性能较优，而当频率大于4250Hz时，孔径较小泡沫钛的吸声性能较优；较高的声波频率可能导致较多孔隙内产生空气振动，空气和孔壁之间的摩擦造成二者间的黏性力较大，此时声能主要通过黏性耗散机制衰减，因此当声频高于一定值时，具有较小孔隙率和孔径的泡沫钛具有更好的吸声性能。

2.5 微动磨损性能

     泡沫钛具有高强度、高质量比和优良的减震能力，能够最大限度地减小植入物与宿主骨界面的应力屏蔽效应，是一种具有较大前途的生物植入物应用材料，但在微动磨损的影响下，作为植入物经历长期应用后可能会导致失效。

     CHOI等研究表明，适当添加较硬的钨合金能够改善泡沫钛的耐磨性能，这主要归因于钨的固溶强化作用。

      MAJUMDAR等研究表明，泡沫纯钛较差的耐磨性与其中存在的孔隙有关，磨粒磨损是其磨损的主要方式；微动磨损中存在的微疲劳过程进一步降低了泡沫钛的耐磨性，从而引起泡沫钛表面裂纹的产生以及表面层的破坏。在泡沫钛中添加空心微珠能够显著降低其摩擦因数，使得钛基体中存在封闭孔隙，从而降低了微动磨损失效的可能性。

3 应用前景

3.1 生物医学

     钛及其合金因其优良的耐腐蚀性能、低密度、优良的生物相容性而受到生物医学领域人员的关注，但致密钛金属的弹性模量较高，会受到人体组织的排斥，导致植入的钛金属失效。泡沫钛的弹性模量较低，且可通过控制孔隙率使其弹性模量与人骨相匹配。此外，泡沫钛经某些化学处理和热处理后，会表现出骨传导性、骨诱导性，与骨骼接触后异位骨的形成。因此，泡沫钛在骨组织工程等生物医学领域起到重要作用。研究表明，在具有诱导生物活性设备中，泡沫钛可以起到稳定固定装置和缩短愈合期的作用，且不再需要自体骨移植。

3.2 电池电极

     多孔材料因孔隙率高、比表面积大、抗压强度高，可作为催化剂、生物材料、过滤装置或气体扩散介质使用。当泡沫钛用作聚合物电解质燃料电池气体扩散层(GDL)阳极时，与传统的含铱或钌的阳极相比，泡沫钛电池中不需用铱或钌等贵金属，可显著降低系统的预期成本。

     PARK等和CHOI等研究发现泡沫钛和TiO2涂层阳极的独特组合具有高度稳定的充放电循环性能，有望用作具有更高安全性和稳定性的锂离子电池的阳极材料。基于泡沫钛的电极设计不仅限于应用在锂离子电池方面，还将作为催化剂或过滤器应用于其他能源和环境领域。文献探讨了泡沫钛在太阳能电池、光催化剂以及复合电极中的潜在应用，泡沫钛和TiO2涂层阳极优异的光电化学性能可以归因于泡沫钛的大比表面积和TiO2颗粒纳米盘的多个活性吸附位，新型3D光电极的应用将为环境修复和太阳能转化提供新的方向。

3.3 航空航天

     随着航空航天技术的发展，航空航天飞行器的服役环境越来越恶劣，其中热防护系统作为保障飞行器安全飞行的重要一环，其性能要求也越来越高。钛合金优异的耐高温性能以及多孔结构的隔热性，为泡沫钛在航空航天领域应用提供了可能。钛合金泡沫复合材料可以应用于耐热要求较高的航天器隔热保护壳，以及航空发动机中的蜂巢式机构等。双层夹心多孔对流冷却结构能有效阻隔热量向内层结构传递，具有良好的绝热性。

4 结束语

     泡沫钛在最近十几年得到迅猛发展，其制备方法越来越多样，如烧结法、添加造孔剂法、凝胶浇铸法、浸渍法、3D打印法等，其性能包括吸能性能、力学性能、生物相容性、渗透性能、电磁屏蔽性能、吸声性能、微动磨损性能等研究越来越深入，在生物医用、电池电极、航空航天等领域的应用也越来越广泛。目前在高孔隙率泡沫钛的制备上还存在较多困难，其制备工艺对其结构及性能的影响研究目前尚存在瓶颈。创新制备方法，优化制备工艺，以更低的成本和更环保的方法制备高孔隙率的泡沫钛是未来泡沫钛的发展方向。