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泡沫铝材料动力学特性的实验研究与理论分析 摘要 泡沫金属材料在作为缓冲吸能及防护装置的应用中，构件均需承受 冲击载荷，因此研究泡沫金属材料的动态力学性能，讨论它们的应变率 效应是倍受关注的问题。研究影响泡沫金属材料动力学行为的因素及机 理对泡沫金属的应用有实际意义。本文以实验为主，与理论分析和数值 模拟相结合，系统研究了泡沫铝材料在高应变率下的压缩力学行为及变 形特性。主要内容包括： 1 泡沫铝材料的动态力学性能及能量吸收性能的影响因素 研究了泡沫铝材料的应变率效应与基体材料性质及孔隙结构的关 系。实验发现：基体材料不同的泡沫铝材料对应变率的敏感程度不同， 差异显著。吸能效率的极值对应变率的变化不太敏感，吸能量的应变率 敏感性受基体性质的影响较小。基体韧性较好的泡沫铝合金材料表现 为空间上的均匀变形，反之基体较脆的泡沫铝合金材料则表现为空间上 的不均匀变形。所研究的开孔泡沫铝合金材料都是应变率敏感材料， 且敏感性受泡沫材料密度的影响较小；闭孔泡沫铝材料的应变率敏感性 受泡沫密度的影响，相对密度较低时，应变率敏感性较强。 2 用均匀化理论预测胞孔形状对泡沫材料等效弹性常数的影响 将具有三维孔隙的泡沫材料简化为截面上具有规则孔洞的二维结 构，取具有不同孔洞形状的正方形胞元作为周期性结构的代表胞元，以 均匀化理论为依据，计算出了不同微孔形状及体积分数下材料的等效弹 性常数。数值计算发现：泡沫材料的等效弹性常数不仅取决于微孔数量， 而且受微孔形状的影响，孔洞体积分数越大影响越大；同时基体泊松比 对等效弹性常数的影响也与微孔形状有关。 3 胞孔尺寸对泡沫铝材料动力学性能及变形模式的影响 研究了胞孔尺寸对开孔泡沫铝材料力学性能的影响，同时采用应变 “冻结”法研究了胞孔尺寸对开孔泡沫铝材料压缩过程中胞孔变形的影 响，最后，利用大型l s d 町a 3 d 非线性有限元分析软件，采用立方体 模型，首次模拟分析了胞孔尺寸变化对开孔泡沫铝材料动力学性能的影 响。实验发现：泡沫铝材料的杨氏模量和压缩强度均受胞孔尺寸的影 响，同时应变率敏感性及能量吸收性能也受到影响，但胞孔的变形均匀 性不受影响。密度较低、胞孔尺寸中等的泡沫铝材料具有较强的应变率 敏感性，同时应变速率提高时孔隙大小造成的性能差异更显著。数值 模拟结果与实验结果完全一致，说明该模型用于模拟开孔泡沫铝材料在 冲击载荷下的变形是有效的。 4 热处理对泡沫铝材料动态压缩力学性能及能量吸收性能的影响 不仅对泡沫铝合金材料进行了常规的t 6 处理，还尝试了节能省时的 时效处理，均取得了很好的强化效果。研究了这两种热处理工艺对泡沫 1 1 铝合金材料动态力学性能的影响，并用扫描电镜观察了热处理前后泡沫 孔棱的显微组织，用微观组织转变说明两种工艺处理对泡沫铝合金材料 性能的影响，发现：t 6 强化处理和时效处理均能提高泡沫a 1 一m g - s i 材 料及泡沫a 1 c u m g 材料的压缩强度，而且在动态下作用更明显。t 6 强化 处理的效果一般比时效处理的效果显著。热处理对泡沫a i m g s i 材料及 a 1 一c u m g 材料能量吸能效率极值的影响不明显，但对单位体积吸能量有 显著影响，因此可以通过热处理来提高其能量吸收能力。时效处理能 明显提高泡沫a 1 一m g - s i 及a l - c u - m g 合金材料的压缩强度及能量吸收能 力。这种工艺不需高温固溶，可节约时间和能源，还能避免在水中淬火 时对胞孔结构的破坏，值得推广。相对密度影响泡沫铝合金材料的热 处理性能，相对密度越低，热处理强化作用越明显；热处理改变了泡沫 铝合金材料的应变率敏感性与相对密度的关系。 关键词：泡沫铝，应变率敏感性，能量吸收性能，热处理，孔隙结 构，数值模拟，均匀化理论 i i i e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s o nt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ff o a m e d a l u m l n u ma l l o y s a b s t r a c t m e t a lf o a m su s e da se n e r g ya b s o r p t i o no ri m p a c tp r o t e c t i o nd e v i c e sa r e o f t e ns u b j e c t e dt oi m p a c tl o a d s ，s ou n d e r s t a n d i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t i e sa n d s 仃a i l lr a t es e n s i t i v i t i e so fm e t a lf o a m sa r ea t t r a c t i n gm o r ee y e s i n v e s t i g a t i n g o nw h a ta n dh o wt h e i rd y n a m i cb e h a v i o r sa r ei n f l u e n c e di s o fp r a c t i c a l m e a n i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fm e t a lf o a m s i nt h i sp a p e rt h em e c h a n i c a l b e h a v i o ra n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so fa l u m i n u ma l l o yf o a m su n d e rh i g h s t r a i nr a t ec o m p r e s s i o na r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y w i t hs h p bd e v i c e ， c o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o d t h e r e s e a r c h e sa r eo u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 f a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t i e s a n d e n e r g ya b s o r p t i o n c a p a c i t i e so fm e t a lf o a m s t h ee f f e c t so fb a s em a t e r i a l sp r o p e r 哆a n dc e l ls t r u c t u r e ( m a i n l yt h e c e l ls i z e 、a r es t u d i e d f o l l o w i n gr e s u l t s a r ef o u n di n e x p e r i m e n t s ：( 1 ) d i f f e r e n tm e t a lf o a m se x h i b i td i f f e r e n ts e n s i t i v i t y t os a m es t r a i nr a t e i n c r e a s ee v e nw h e nt h e yh a v es a m ec e l l s t r u c t u r ea n dc e l ls i z e t h e m a x i m u mo fe n e r g ya b s o r p t i o ne f f i c i e n c yo fa l u m i n u ma l l o yf o a m si sn o t s e n s i t i v et os t r a i nr a t ec h a n g e a l t h o u g ht h ee n e r g ya b s o r b e db yu n i tv o l u m e f o 锄i ss e n s i t i v et os t r a i nr a t ec h a n g e ，i th a sw e a kr e l a t i o nw i t ht h em a t e r i a l b vw h i c ht l ef o a mi sm a d ef r o m ( 2 ) f o a m sm a d eo fd u c t i l em a t e r i a ld e f o r m h o m o g e n e o u s l y i n s p a c e ，a n dt h o s e m a d eo fb r i d l em a t e r i a ld e f o r m h e t e r o g e n e o u s l y ( 3 ) a l lt h ef o a m ss t u d i e di nt h i sp a p e ra r es e n s i t i v et ol a r g e s c a l es t r a i nr a t ec h a n g e ，a n dt h er e l a t i v ed e n s i t yo ff o a m sj u s ta f f e c t st h e s e n s i t i v i t yo fc l o s e d - c e l lo n e s ，i e t h el o w e rt h er e l a t i v ed e n s i t yi s ，t h em o r e t h e s t r e n g t hi si m p r o v e dw h e ns t r a i n r a t e c h a n g e sf r o mt h e o r d e r o f 1 0 0 1 0 4 s 。1t ot h eo r d e ro f1 0 0 1 0 3 s 。1 2 t h ep r e d i c t i o no fc e l ls h a p ee f f e c to nt h ee q u i v a l e n te l a s t i cc o n s t a n t so f f o a mm a t e r i a l sb a s e do nh o m o g e n i z a t i o nt h e o r y ah o m o g e n i z a t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( h o m of e m ) i sa p p l i e dt o t h ec a l c u l a t i o no ft h ee q u i v a l e n te l a s t i cc o n s t a n t so ft h i nr e g u l a r3 - d p e r i o d i cs t r u c t u r ew i t hs q u a r ea sb a s e - c e l li n c l u d i n gd i f f e r e n ts h a p e so f h o l e ( c i r c u l a ra n dh e x a g o n a ls e c t i o ni n - p l a n e ) f o rt h ef i r s tt i m e t h e n u m e r i c a lr e s u l t so b t a i n e ds h o w st h a tb o t ht h ec e l lv o l u m ef r a c t i o na n d c e l ls h a p ei n f l u e n c et h ee q u i v a l e n te l a s t i cc o n s t a n t so ff o a mm a t e r i a l s p o i s s o n sr a t i ouh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h ee q u i v a l e n te l a s t i c c o n s t a n t so ff o a mm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e 3 c e l ls i z ee f f e c t so nt h ed y n a m i cp r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o nm o d eo f o p e n - c e l la l u m i n u ma l l o yf o a m s b e s i d e st h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a lb yw h i c ht h ef o a mi sm a d ef r o ma n d i t sr e l a t i v ed e n s i t y , c e l ls t r u c t u r ei so n ei m p o r t a n tf a c t o rd e t e r m i n i n gt h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro faf o a m t h e r ea r el i m i tr e p o r t so nt h ec e l ls i z ee f f e c t s o nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff o a mm a t e r i a l s e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a l m o d e l i n gu s i n gl s - d y n ac o m m e r c i a ls o f tw a r eh a v eb e e nm a d eo nt h i s p r o b l e m i ti sf o u n dt h a tt h ey o u n g sm o d u l ia n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h so f t h ea l u m i n u mf o a mu s e di nt h i ss t u d ya r en o to n l yd e p e n d e n to nt h er e l a t i v e d e n s i t yb u ta l s od e p e n d e n t o nt h ec e l ls i z eo ft h ef o a mu n d e rb o t h v q u a s i s t a t i cl o a d i n ga n dd y n a m i cl o a d i n g c e l ls i z ed i f f e r e n c e a l s oh a sa s o u n di n f l u e n c eo nt h es t r a i nr a t es e n s i t i v i t yo ft h ef o a m s c u b i cc e l lm o d e l i sv a l i dt om o d e lt h ed e f o r m a t i o no fo p e n c e l lf o a m su n d e ri m p a c tl o a d i n g 4 t h ee f f e c t so f h e a tt r e a t m e n to nt h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e sa n de n e r g y a b s o r p t i o nc h a r a c t e r so f a l u m i n u ma l l o yf o a m s t w ok i n d so fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sh a v eb e e na p p l i e dt oa l u m i n u m a l l o yf o a m s ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r e so fc e l l w a l l sa r eo b s e r v e db ys e m b e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) b o t h a g e - h a r d e n e da n dt 6 - s t r e n g t h e n e da 1 - m g s i a n da 1 - c u m ga l l o yf o a m s e x h i b i t e di m p r o v e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hu n d e rb o t hq u a s i s t o i cc o m p r e s s i o n a n dh i i g hs t r a i nr a t ec o m p r e s s i o n ，t h ee n e r g ya b s o r b e da r ei m p r o v e d ，a n d f o a m si nb o t hc o n d i t i o n sa r ea l s os t r a i nr a t es e n s i t i v e ( 2 ) i t se s p e c i a l l y w o r t h yt on o t et h a ta g e - h a r d e n e dt r e a t m e n tc a na l s oi m p r o v et h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho fa 1 一m g s ia n da 1 一c u - m ga l l o yf o a m sw i t h o u ts o l u t i o nt r e a t ，n o t o n l yr e d u c i n gt h ec o s to fh e a tt r e a t m e n tb u ta l s oa v o i d i n gd a m a g et h ec e l l s t r u c t u r eo ff o a m sd u r i n gq u e n c h i n gi nw a t e r ( 3 ) a f t e rh e a tt r e a t m e n tt h e s t r a i nr a t es e n s i t i v i t yo fa 1 m g - s ia n da 1 - c u - m ga l l o yf o a m sb e c o m e d e p e n d e n to nt h er e l a t i v ed e n s i t yo ff o a m s k e yw o r d s ：a l u m i n u mf o a m ，s t r a i nr a t es e n s i t i v i t y , e n e r g ya b s o r p t i o n c a p a c i t y , h e a tt r e a t m e n t ，c e l l ( o rp o r e ) s i z e ，n u m e r i c a l m o d e l i n g ， h o m o g e n i z a t i o nt h e o r y v i 太原理工大学博士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 泡沫金属材料是一种结构一功能一体化的材料，具有低密度、高孔隙率、闭孔或 开7 l 的结构特征。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它 具备能量吸收性好，导热率低( 闭孑l 体) 、换热散热能力高( 通孔体) 、吸声性好( 通 孔体) 、渗透性好( 通孔体) 、电磁波吸收性好( 通7 l 体) 、阻焰、耐热耐火、减振、气 敏等多种物理性能，受到人们的广泛关注，特别是到了上世纪九十年代后，由于制备 工艺的进步，泡沫金属材料的质量得到进一步提高，同时新材料的应用环境也发生了 很大变化。目前，泡沫金属材料被广泛应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、 冶金、机械、医药、环保、建筑等行业的分离、过滤、催化、电化学过程、消音、吸 震、屏蔽、热交换等工艺过程中，用于制作过滤器、催化剂载体、多孔电极、能量吸 收装置、消音器、减震缓冲器、电磁屏蔽器件、电磁兼容器件、换热和阻燃器等【l “。 1 2 泡沫金属材料的制备工艺及发展 泡沫金属材料的制备工艺从泡沫塑料的制备得到启发，并由于其独特的金属性能 而得到更大的发展。关于泡沫金属材料的制备g j d a v i e s 、l j g i b s o n 口j 、j o h n b a n h a r t 4 曾做过较为全面的总结，国内学者发表的这方面的综述性文章也有不少3 1 。 可以从泡沫孔的结构( 开孔、闭孔) 、金属的状态( 液态、粉末、气态或离子态) 和孔 结构形成机制出发，对泡沫金属材料的制备方法进行分类。 1 2 1根据泡沫孔的结构分裂1 0 ，l 闭孔泡沫材料可通过发泡工艺获得，其生产方法主要有：熔体发泡法、直接喷吹 气体发泡法、金属粉末与发泡剂混合体致密化发泡法等。开孔泡沫材料可以通过渗流 铸造法、熔模铸造法、沉积法、粉末松装烧结法、添加造孔剂等工艺获得，其主要途 太原理工大学博士研究生学位论文 径是首先获得多孔预制件，预制件可为盐( n a c l ) 的烧结体，或为泡沫塑料、或为激光 快速成型体等，利用多孔预制件进行渗流、沉积、烧结等工艺，可获得开孔泡沫金属 材料。开孔泡沫的特点在于结构可控，但与发泡闭孔泡沫材料相比，其工艺过程相对 复杂，增加了预制件成型工序和相关设备，且预制块( 如n a c l 等) 对型模和环境的不 良作用很大，故生产的规模化前景不如发泡法。但开孔泡沫金属材料附加值高，在功 能应用上比闭孔泡沫有优势。 1 2 2 根据金属的状态分类 泡沫金属材料的制备可从固态、液态、气态、离子态出发而获得，图l 一1 给出了从 四种形态出发制备泡沫金属材料的方法。从固态出发的方法有：粉末或纤维的烧结、 气体存留、粉浆成型、空心球烧结、反应烧结、激光快速成型等；从液态出发的方法 有直接喷吹气体、发泡剂发泡、共晶定向凝固、粉末致密化发泡、泡沫塑料的熔模铸 造、空心球浇铸、喷射成型等：从气态出发的有气相沉积：另外还有电沉积等方法可以 生产泡沫金属材料。 图i - i 从各种形态制备泡沫金属材料的方法概述h f i g 1 一lo v e r v i e w o f t h e v a r i o u s f a m i l i e s o f p r o d u c t i o n m e t h o d s f o r c e l l u l a r m e m u i c m a t e r i a l s 4 1 在众多制备方法中，具有工业化前景的方法主要是铸造法和粉末冶金法，尤以铸 造法中的熔体发泡法和喷吹气体发泡法最可能实现规模化生产。铸造法生产泡沫金属 材料，最大的优势在于低成本，但存在孔结构( 即发泡剂或喷吹的气体在熔融金属中的 均匀发泡和分散) 控制困难的弱点，使其应用推广受到一定限制。目前泡沫金属材料 2 太原理工大学博士研究生学位论文 以泡沫铝和铝合金材料为主，其它泡沫金属材料有泡沫镁、铜、钛、铅、锌、镍和钢 等，但所占比例较小。 1 2 3 制备泡沫金属材料的几种铸造法 1 ) 熔体发泡法该方法的工艺过程如图1 2 所示：向熔融金属中加入增粘剂，使其粘 度提高，然后加入发泡剂，发泡剂高温分解产生气体，气体膨胀使金属发泡，确保气 泡相对稳定、不逸出，然后冷却下来或浇注发泡冷却，得到泡沫金属。 图1 - 2 熔体发泡法制备泡沫金属材料的工艺过程 f i g 1 - 2 d i r e c t f o a m i n g o f m e l t s w i t hb l o w i n ga g e n t s 该方法工艺难度较大，产品的气泡均匀性及大小不易控制。解决的方法有：( 1 ) 高 速搅拌，使发泡剂充分分布在金属液中；( 2 ) 增加熔体粘度，阻止气泡的上浮，进而促 进发泡剂在熔体中的均匀分布。增加粘度的方法有非金属粒子分散法、加入合金元素 法和熔液氧化法。熔液氧化法是向熔融金属液中吹入空气、氧气或水蒸气并搅拌，使 其在短时间内生成氧化物，此方法效率高，得到的粘度也大。目前最常用的方法是向 熔液中加入合金元素，搅拌使熔体中生成大量细微的氧化物固相质点，从而增加熔体 粘度，此方法比熔液氧化法简单。 熔体发泡法对发泡剂的一般要求是：发泡剂与熔液混合均匀前应尽可能少地分 解，在停止混合至开始凝固前的一定时间间隔内要充分分解并有足够的发气量。目前， 国内外一般采用金属氢化物如t i h 2 、z r h 2 等作为发泡剂。 2 ) 渗流铸造法将液态金属渗入可去除的填料颗粒中的渗流铸造法是目前国内外制 备泡沫金属材料的重要方法。该方法的工艺过程( 图1 3 ) 是：将填料颗粒( 通常为n a c i 和k c l 颗粒) 预压成型后烧结为多孔的预制快( 预制快的制作直接影响最终产品的质 3 太原理工大学博士研究生学位论文 量) ，预热至一定温度，把熔融金属在( 高、负) 压力的作用下渗入预制块粒子的缝隙 中，形成金属和填料颗粒的复合体，将复合体机加工制成所需形状，最后除去填料颗粒 ( 如n a c l 可用水溶液去除) ，得到通孔的泡沫金属材料。填料颗粒可否被除去是制得通 孔的关键，要顺利除去填料颗粒，必须使其处于连续的状态。用这种方法制备的泡沫 金属材料的孔隙率在5 0 7 0 以上，孔结构与所用填料颗粒的形状、大小及烧结条 件有关。国内采用这种方法制备开孔泡沫金属材料特别是开孔泡沫铝材料的较多1 4 2 2 1 。 图1 3 渗流铸造法制备泡沫金属材料的工艺过程示意图 f i g 1 3p r o d u c t i o no f c e l l u l a rm e t a l l i cm a t e r i a l su s i n gi n f i l t r a t i n gm e t h o d 3 ) 熔模铸造法用泡沫塑料作起点。如果塑料泡沫是闭孔的，必须通过处理将其变 为开孔。然后把得到的开孔泡沫塑料用具有足够高耐热材料的浆体，如莫来石、酚醛 树脂和碳酸钙的混合物或石膏粉充满。凝固后通过加热处理将泡沫塑料去除，并把熔 融金属注入所得到的开孔中，这些开孔复制了原来泡沫塑料的结构。去除铸型材料后 ( 如用加压水) ，就得到了精确复制原泡沫塑料的金属结构。这种方法的困难有：细丝 般缝隙的完全充满、定向凝固的控制以及在不破坏微细结构的条件下去除铸型材料。 此方法制得的泡沫金属材料对母体材料具有继承性，孔隙三维贯通、结构均匀， 并不受材质、形状和大小的限制，能制造各种用途的开孔泡沫金属材料，缺点是金属 骨架强度低，工艺较复杂。用此法已制备出低熔点的泡沫金属材料如泡沫铜、铝、铅、 锡等1 2 , 3 0 3 1 。 本文中实验所用材料就是利用铸造法制备的，其中开孔( 通孔) 泡沫铝合金材料 的制备采用的是渗流法，而闭孔泡沫铝合金材料的制备采用的是熔体发泡法。 可以预见，随着科技的发展，新的制备工艺和新的工艺组合将不断涌现。目前在 改善生产工艺方面的研究集中在改进工艺控制以生产出更高质量的材料并获得这些材 4 太原理工大学博士研究生学位论文 料性能的较好的重复性和可预测性。“更好的质量”指的是泡沫材料的好的形貌和结 构均匀性。对于结构应用，必须避免孔壁的弯曲和折断、“死”夹杂物、孔壁的断裂或 缺失或其它缺陷，而孔径分布似乎不太重要。对于功能材料，孔的均性或内孔通道 尺寸或许是重要的。 1 3 泡沫金属材料的应用 泡沫金属材料正在找到日益广泛的应用范围“6 】。能否找到一种合适的泡沫金属材 料来解决给定的问题取决于很多条件，这些条件包括： ( 1 ) 形态：所需的孔隙类型( 开孔还是闭孔) ，所需的孔隙数量，所希望达到的孔 隙尺度，要求的泡沫材料的总内表面积： ( 2 ) 冶金：所要求的金属或合金或微结构状态： ( 3 ) 加工：使泡沫材料具有一定形状的可能性，或生产( 制造) 泡沫材料和常规板 料或截面轮廓的复合材料； ( 4 ) 经济：成本问题，大量生产的适应性。 这些条件中第一条尤其关键。图1 4 表示不同应用场合下要求的孔隙类型。通常需 区分某种应用是“功能性”的还是“结构性”的，然而有时两者间的区分是比较模糊 的。 图1 5 中总结了泡沫金属材料在工业部门中的三类主要应用，大多数是泡沫铝材 料的应用。图中内圆表示必须区分三种应用场合，外方框说明在给定场合中决定其优 势的泡沫性能。理想的应用是用作轻质板、撞击情形下吸能以及吸声、吸热功能的部 件( 图中三个圆的相交部分) 。当然这种多功能的应用是难以找到的。人们通常会满足 于找到一个双重功能的应用，例如，结构轻质板同时用作吸声器。 1 3 1 轻型结构 轻质在汽车、宇航、造船及建筑业中都非常重要。轻型结构取决于泡沫金属材料 的两个性能：不可逆的准静态变形范围及高比刚度( 刚度质量) 。但是，考虑具有最 优刚度的最小重量结构比简单比较泡沫材料和密实板材要复杂得多。实际上，以泡沫 材料为基的结构必须与具有优化的质量分布的常规结构材料竞争，即泡沫铝材料必须 5 太原理工大学博士研究生学位论文 刘 窭 j 副 糕 旺 塌 掣 龊 儡 开孔 半开孔闭孔 孔隙类型 图1 - 4 泡沫金属材料的应用分类( 根据所需的开孔度和应用是更偏向功能性还是结构性1 【4 】 f i g i - 4 a p p l i c a t i o n o f m e t a l f o a m s g r o u p e da c c o r d i n g t o t h e d e g r e e o f o p e n n e s s n e e d e da n d w h e t h e r t h ea p p l i c a t i o ni sm o r ef u n c t i o n a lo rs t r u c t u r a l l 4 1 厂回 l 导热性和吸音性l 1一 图1 - 5 泡沫金属材料的主要结构性应用 f i g 1 - 5 m a i na p p l i c a t i o nf i e l d so f s t r u c t u r a lm e t a lf o a m s 与铝挤压件相比较，泡沫铝层合板必须与铝蜂窝或华夫增强板比较。已表明这类结构 可表现得与泡沫材料一样好，或比泡沫材料还好。但以泡沫为基的结构具有以下优势： ( 1 ) 在给定复杂几何形状下，泡沫材料更易于制造( 从而价格会更低) ； ( 2 ) 泡沫材料为基的结构更结实，承受破坏的能力更强，且其失效行为的灾难性 更小； ( 3 ) 泡沫金属材料可表现出有益的附加性能，比如耐热性和吸声性。 6 太原理工大学博士研究生学位论文 1 3 2 撞击( c r a s h ) 能量吸收”1 在能量吸收应用中，利用的是材料的塑性不可逆变形。对能量吸收器的一般要求： ( 1 ) 能量吸收特性尽可能理想。一般要求矩形的应力一应变行为( 刚性理想塑性) ，即 只有在达到最大承受应力后才屈服，并且在这个平台应力下逐步变形；( 2 ) 高单位体 积、单位长度或单位质量吸收能力；( 3 ) 能量吸收的各向同性，即至少在较宽的冲击 范围内有良好的吸收特性。 泡沫金属材料由于它们在几乎恒定的应力水平下变形具有较大的应变范围，因而 是极好的能量吸收器。泡沫金属材料的工作性能优于泡沫塑料，因为它们具有高得多 的强度。使泡沫金属材料更具吸引力的是它们在动态撞击情况下的低回弹性，在某个 研究中己确定其回弹低于3 ，相比之下泡沫聚胺脂为1 5 。因此，对于泡沫金属， 能量吸收是一个重要的应用领域。 1 3 3 噪音控制 在汽车工业，吸声和隔声是一个很重要的课题，必须保护乘客免受来自外部的噪 音或阻止噪音机器( 构件的不希望的振动( 机器、车辆等) 会引起破坏和导致声波的 发射) 发出的声音自由传播到环境中。因为泡沫金属材料的杨氏模量比相应的一般块 体材料的低，与常规结构材料相比，泡沫金属材料的振动频率将移至较低频率。泡沫 金属材料的损失因子也比一般金属的高至少1 0 倍，因此振动被更有效地减弱即转 化为热。因此，尽管泡沫金属材料的损失因子仍大大低于大多数的泡沫塑料，泡沫金 属材料还是为避免噪音问题提供了可能。声波碰到泡沫材料后，部分被反射，部分进 入结构中。进入的一部分在余波被传递的同时被吸收。也会产生共振。当泡沫材料的 表面不完全闭合时，反射波被破坏性界面衰减。进入结构的声音在泡沫材料内衰减， 特别是在胞孔通过小通道相互连接的泡沫材料中。声波压缩空气每秒通过这些通道多 次。当气流通过通道，空气与胞壁间的摩擦及湍流耗散能量。所有机理都起作用时， 对于特定频率( 通常为1k h z 5k h z ) 泡沫金属材料可达9 9 的吸收水平。吸声元件 须能耐热和自我支撑，这也正是泡沫金属材料优于泡沫塑料之处。 另外，可利用泡沫金属材料作机器结构中的阻尼减震构件【4 3 】，还可在生物医学中 用作具有定承载要求的假体或牙齿植入体。作为功能材料，泡沫金属材料可用于过 滤和分离、热交换器和冷却机、催化剂载体h 4 】、液体的储存和运输、液体流动控制、 7 太原理工大学博士研究生学位论文 喷雾器、蓄电池电极、灭火器等，还可用于水净化、声音控制、装饰及艺术等方面。 1 4 泡沫金属材料的力学性能研究现状及存在的问题 泡沫金属材料在加工过程中和在作为功能材料时都经常会受到一定的载荷作用， 而在主要作为结构材料的场合，更会处处受到各种形式的载荷作用。所以，对泡沫金 属材料进行力学性能的研究是非常重要和很有必要的。因此，人们在对泡沫金属材料 进行广泛的功能性研究的同时，也关注并越来越重视其力学行为的研究，这方面已进 行了大量的工作阱7 3 1 ，特别是关于泡沫金属材料在准静态加载条件下的力学行为，而 力学行为的研究自然离不开力学试验。 1 4 1 泡沫金属材料的力学试验【2 叫 泡沫金属材料的力学试验是任何结构应用的前提。对于特殊应用的评估或更一般 地建立泡沫材料或含这种材料的构件的计算机辅助模拟所需的数据库也需要力学数 据。这些表征方法原则上同用于其它非多孔材料的一样。但是，有时考虑到泡沫材料 的特殊性质，需要对试验过程进行一些改进。如对一种给定合金的泡沫金属材料进行 测试，具有相同总体泡沫密度的大量试件得到的力学性能会表现出比通常测试常规材 料发现的大得多的分散性。造成这种情况的原因是“隐参数”，如质量分布、不均匀的 微结构等，这些“隐参数”使具有相同总体密度的不同试样相互区别开来。因此，为 了得到有意义的结果，使隐参数最终达到平均，而且，因为在泡沫材料中宏观不均匀 性的长度尺度有时在毫米范围，力学试验中试件尺寸可能必须要比现有标准大。 各种不同的力学试验可以根据下列属性列出： 施加的应力的类型：单轴、双轴、多轴、静水。目前，单轴试验在泡沫金属材料 力学性能的大多数实验中已成标准，双轴试验也有个别报道，多轴及静水试验也在研 究中。 加载方法：压缩、拉伸、剪切、弯曲、扭转。压缩试验是使用最频繁的，因为可用 简单的立方形试件来做试验，而且不需要夹持试件。测试外表封闭的泡沫材料时，必 须考虑到封闭外皮对试验结果的影响。 载荷的时间相关性：恒时的、缓慢提高( 准静态叠= 0 0 0 1 s “) 的、动态的、周期性 8 太原理工大学博士研究生学位论文 的。文献中找到的多数工作是在准静态条件下进行的。在落锤试验( 应变率达1 0 0 s 1 ) 、 s h p b ( 平均应变率达i x l 0 。s1 ) 或冲击试验( 应变率高达1 0 。s 。) 条件下可实现高应变率。 基于与准静态试验相同的原因，在压一压模态下易于进行疲劳试验，但通过准备和固 定恰当的试样，也已进行了压一拉、拉一拉和周期弯曲疲劳试验。如果是压缩破坏， 问题就是确认破坏点。可以定义一个临界应变作为破坏准则或应变一周期曲线的拐点。 蠕变试验是在给定的恒载荷下进行的。 其他的力学试验包括缺1 7 1 断裂韧性测量和各种压头形状的压印试验。对于具有泡 沫芯的层合板，有描述面板和芯板间接合的工艺试验，比如滚筒剥离试验( a s t m d 1 7 8 1 ) 。通过记录胞壁破坏时发出的声波可以监测泡沫金属材料中的机械变形过程，这 是一种可以与一般的应变测量相互补充的技术。 1 4 2 泡沫金属材料的压缩性能及吸能性的研究 当泡沫材料承载时，施加于其上的作用力就会做功。在使泡沫体变形至应变s 过 程中的单位体积功，即是压缩应力一应变曲线下一直到应变s 时的面积，因此，泡沫金 属材料吸收的能量可简单地通过其压缩应力一应变曲线平台区下的面积求得，如图1 - 6 所示。对于给定的缓冲吸能装置，存在一个优选的泡沫材料密度。图1 7 说明密度太 低的泡沫材料在足够的能量被耗散之前就以作用力的迅速增大而“翻底”，产生高的峰 应力，而密度太高时，作用力在足够的能量被耗散之前即超过临界值，也即产生了高 的峰应力。“理想”的吸能材料是具有的平台应力恰好低于临界水平，而压缩应力一应 变曲线下直至密实化开始时( 应变幻) 的面积，恰好等于吸能材料每单位体积吸收的 动能。因此，可通过选择合适的金属基体材料及相对密度来制取泡沫金属材料，以使 其达到最佳的能量吸收效果。 研究泡沫金属材料的能量吸收特性，首先得研究其压缩变形行为，且泡沫金属材 料的多数应用都是压缩承载。关于泡沫金属材料在准静态加载条件下的压缩变形行为， 各国学者们进行了广泛的研究，涉及到的材料主要是铝及其合金，也有少量的其它金 属材料，如镁、镍、钛、铜、铁等合金。图1 8 所示为弹塑性泡沫材料的典型的单轴 压缩应力应变曲线，即由弹性变形段、平缓的塑性变形段和压缩密实段三阶段组成。 这三个阶段主要用杨氏模量e 、塑性屈服强度盯二，( 平台应力，有些材料会出现上下 9 太原理工大学博士研究生学位论文 压缩应变s 图1 - 6 泡沫体与制备它的固体的能量吸收能力的比较 2 , 3 1 f i g ，i - 6s t r e s s 。s t r a i nc u r v e sf o ra l le l a s t i cs o l i da n daf o a mm a d ef r o mt h es a m es o l i d ，s h o w i n gt h ee n e r g y p e ru n i tv o l u m ea b s o r b e da tap e a ks n e s s o - p 0 5 l 8 2占3 1 压缩应变 图1 7 吸收同样的能量形，在三种密度的泡沫材料内产生的峰应力比较1 2 , 3 1 f 培l 一7t h ep e a ks t r e s s e sg e n e r a t e di nf o a m so f t h r e ed e n s i t i e si na b s o r b i n gt h es a m ee n e r g y 形a r eg i v e n b y ( o - p ) l ，( a - ，) 2 ，( o - p ) 31 2 , 3 1 1 0 太原理工大学博士研究生学位论文 r 堪 o d l 图卜8 弹塑性泡沫材料的典型压缩压力一应变曲线 f i g 1 8s c h e m a t i cc o m p r e s s i v es t r e s s - s t r a i nc h i v ef o ra ne l a s t i c - p l a s t i cf o a m 屈服点。) 、塑性硬化模量e ：、实化应变等来表征。这些参数主要受组成泡沫骨架 的基体金属材料的性质及孔隙率( 或泡沫相对密度) 的影响。基体金属材料主要是通 过其强度及韧脆性来影响泡沫金属材料的压缩力学性能。由于基体金属材料力学性能 的差异，导致泡沫金属材料骨架部分在压缩过程中的表现不同。如果其骨架为弹塑性 材料，在压缩过程中骨架表现为弹塑性行为，随着外加载荷的增加，当泡沫金属断面 上骨架承载力超过其屈服强度时发生塑性变形。如果其骨架为脆性材料，在压缩过程 中骨架表现为脆性行为，随着外加载荷的增加，当泡沫金属断面上骨架承载力超过其 断裂强度时，发生脆性断裂。而当基体材料相同时，随泡沫金属材料相对密度的提高， 杨氏模量e 增大，塑性屈服强度盯；升高，实化应变f 。降低，g i b s o n 等1 2 ，3 j 给出关系： e e ；= c i ( p , o ，) 2 ，盯：f g 。= c 2 ( p p ，) 恐，白= 1 1 4 ( p 成) ，表示泡沫材料的 压缩力学性能对泡沫材料相对密度的依赖。 从泡沫金属材料的宏观结构来看，由于制备过程中不可避免的因素，胞孔会有不 同程度的不均性，特别是采用铸造法生产的泡沫金属材料。而且从微观结构来