（工程力学专业论文）泡沫铝吸能性能研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 泡沫铝是一种在铝或铝合金基体中均匀分布着大量孔洞的新型轻质多功 能材料，具有孔径大、孔隙率高等结构特点。由于具有良好的导热耐热、能 量吸收、吸声隔声和电磁屏蔽等功能特点，泡沫铝材料的应用前景十分广泛。 本文采用熔体发泡法成功制备出孔径大小均匀、孔隙率较高的泡沫铝材 料，分析了发泡温度、发泡齐u ；b n 入量、搅拌参数和保温时间对泡沫铝成品的 影响，确定了适合本实验设备和实验环境的较佳工艺参数。对泡沫铝材料的 准静态、动态压缩性能进行了测试和分析，得到孔径大小和相对密度对泡沫 铝材料动静态压缩性能的影响规律。结果表明，准静态载荷作用下材料的应 力应变曲线上具有较长的平台区，变形过程经历线弹性段、屈服段和密实段； 动态载荷作用下的应力应变曲线与准静态曲线形状相似，但屈服强度明显增 大；泡孔孔径的减小或相对密度的增大可使材料的屈服应力增加。对泡沫铝 材料准静态和动态压缩下的能量吸收特性进行了研究，结果表明材料的理想 吸能效率可以达到0 7 以上，是一种优良的吸能材料；吸能量的大小主要取 决于平台区的高度和长度，细化孔径和增加相对密度均可提高泡沫铝材料的 吸能量。 以汽车保险杠为例，运用a n s y s l s d y n a 软件，建立了泡沫铝填充圆 管轴向碰撞试验的数值模型，对泡沫铝材料缓冲吸能特性的应用进行了一定 研究。结果表明将泡沫铝填充到空心圆管中，相同的压缩位移下，可以吸收 比空心管更多的能量，吸收相同的能量时，填充管的变形程度较空心管小， 说明泡沫铝不但增加了结构的吸能量而且提高了结构的刚度；管壁厚度的增 加和初始碰撞速度的增大均可提高填充结构吸能量。 关键词：泡沫铝；熔体发泡法；吸能特性；数值模拟 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t f o a m e dp u r ea l u m i n u ma n dv a r i o u sf o a m e da l u m i n u ma l l o y sa r ek i n do f n o v e ll i g h t w e i g h t e df u n c t i o n a lm a t e r i a l sc h a r a c t e r i z e db yam a s so fh o l e s d i s p e r s e di nt h ep a r e n tm a t e r i a l ，w i t ht h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fl a r g ea p e r t u r e a n dh i g h p o r o s i t y b e c a u s e o fg o o dh e a tc o n d u c t i n ga n dr e s i s t i n g , e n e r g y a b s o r p t i o n ，s o u n da b s o r p t i o na n di n s u l a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n ds oo n ， t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ff o a m e da l u m i n u mi sv e r yw i d e i nt h i sp a p e r , f o a m e da l u m i n u mw i t hu n i f o r ma p e r t u r ea n dh i g h e rp o r o s i t y w a ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yt h ed i r e c tf o a m i n go ft h em e l t t h ee f f e c t so ft h e f o a m i n gt e m p e r a t u r e ，c o n t e n to ft h ef o a m i n ga g e n ta d d e d ，s t i r r i n gp a r a m e t e r sa n d h o l d i n g t i m eo nt h ef a b r i c a t i o no ff o a m sw e r ea n a l y z e d t h eo p t i m i z e d t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o rt h i se x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e sa n de n v i r o n m e n tw e r e o b t a i n e d t h eq u a s i s t a t i ca n dd y n a m i cc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so ff o a m e d a l u m i n u mw e r et e s t e d t h ee f f e c t so ft h ea v e r a g ed i a m e t e ro fp o r e sa n dt h e r e l a t i v ed e n s i t yo nt h eq u a s i s t a t i ca n dd y n a m i cc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e sw e r e o b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so ff o a m e da l u m i n u m u n d e rt h eq u a s i s t a t i cl o a d i n gh a sal o n gc o l l a p s ep l a t e a ur e g i o n ，t h ec o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o nc o u r s ei n v o l v e st h r e es t a g e s ：t h el i n e a r l ye l a s t i cd e f o r m a t i o nr e g i o n ， t h ec o l l a p s ep l a t e a ur e g i o na n dt h ed e n s i f i c a t i o nr e g i o n ；t h es t r e s s s t r a i nc u r v e so f f o a m e da l u m i n u mu n d e rd y n a m i cl o a d i n ga r es i m i l a rt ot h a to ff o a m e da l u m i n u m u n d e rq u a s i s t a t i cl o a d i n g ，b u tt h ey i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e ss e n s i t i v e l y ；t h ey i e l d s t r e n g t hi n c r e a s e s w i t ht h ed e c r e a s eo fp o r ed i a m e t e ro rt h ei n c r e a s eo ft h e r e l a t i v ed e n s i t y t h e e n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t y o ff o a m e da l u m i n u mu n d e r q u a s i - s t a t i ca n dd y n a m i cl o a d i n gw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ei d e a l e n e r g ya b s o r p t i o ne f f i c i e n c yo ff o a m e da l u m i n u m sc o u l dr e a c ho v e r0 7 ，t h e ya l e 哈尔滨下程大学硕十学位论文 e x c e l l e n te n e r g ya b s o r b i n gm a t e r i a l ；t h ee n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t ym a i n l yl i e so n t h eh e i g h ta n dl e n g t ho ft h ec o l l a p s ep l a t e a ur e g i o n ，t h i n n i n gp o r ed i a m e t e ra n d i n c r e a s i n gt h e r e l a t i v e d e n s i t yo ff o a m e da l u m i n u mc a ni m p r o v et h ee n e r g y a b s o r p t i o na b i l i t y b yu s i n ga n s y s l s - d y n as o f t w a r e ，t a k i n gb u m p e rf o re x a m p l e ，a n u m e r i c a lm o d e lo ff o a m e d a l u m i n u m - f i l l e dc i r c u l a rt u b eu n d e ra x i a li m p a c tw a s e s t a b l i s h e dt o i n v e s t i g a t e t h e a p p l i c a t i o n o ff o a m e da l u m i n u m s b u f f e ra n d a b s o r b i n ge n e r g yc h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l t ss h o wt h a t ，a f t e rf i l l i n gc i r c u l a rt u b e w i t hf o a m e da l u m i n u m ，t h i sc o m b i n a t o r i a ls t r u c t u r ec a na b s o r bm o r ee n e r g yt h a n h o l l o wp i p eu n d e rt h es a m ec o m p r e s s i o n a ld i s p l a c e m e n t ，i t sd e f o r m a t i o nd e g r e e i sl e s st h a nh o l l o wp i p ew h e na b s o r b i n gt h es a m ee n e r g y , t h i si l l u s t r a t ef o a m e d a l u m i n u mc a l ln o to n l yi m p r o v et h ee n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t yo ft h ec o m b i n a t o r i a l s t r u c t u r eb u ta l s or a i s ei t ss t i f f n e s s ；i n c r e a s i n gt h ew a l lt h i c k n e s so f t h et u b eo r a u g m e n tt h ei n i t i a l v e l o c i t yc a ne n h a n c et h ee n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t yo f 。t h e c o m b i n a t o r i a ls t r u c t a r e k e y w o r d ：f o a m e da l u m i n u m ；m e l tf o a m i n g ；e n e r g ya b s o r p t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：勿跌 日期：2 年r 月乒日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文叼在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：客吴 日期：? 洲年f 月，仁日 导师c 彳坪 2 唧年r 月班曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学的不断发展、社会的日益进步，对于新型材料的探索与研究受 到了越来越多的关注，成为材料科学领域未来发展的必然趋势。众所周知， 多孔结构常用于隔声、绝缘、包装和过滤等方面，但很少有人相信它们也是 非常有用的结构材料。大量的科学研究都试图将承载构件中的孔洞数减到最 少，因为它们往往是裂纹形成和扩展的核心，对材料的理化性能及力学性能 产生不利的影响，工程师们也在努力消除铸件、粉末冶金件、焊接件或涂层 中的气孔，并认为无孔洞的构件才是最理想的。基于这种观点，人们普遍认 为承载构件中不能有气孔，更不用说有大的孔洞了。但是，由多孔结构材料 构成的大量自然多孔物质却在自然界中存在了数千年，如蜂窝、海绵、软木、 珊瑚等。这个事实告诉我们当材料中孔洞的数量增加到一定程度后，材料可 以在较轻重量下有效地发挥其力学性能和结构功能，同时会因孔洞的存在而 产生一些奇异的功能。由此，人造材料形成了一个新的门类，即多孔材料。 多孔材料从结构上可分为通孔和闭孔两种( 图1 1 ) ，前者是连续畅通的三维 多孔结构，后者是由一个个独立的封闭的金属泡组成。由于结构不同，因此 性能上有很大的差异。 ( a ) ：闭孔( b ) ：通孔 图1 1 不同孔结构泡沫铝示意图 近几十年来，人们根据实际需要设计和制各了各种多孔材料，如泡沫塑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 料、泡沫陶瓷、泡沫玻璃以及泡沫金属等。多孔金属又称泡沫金属1 1 3 i ，是指 在金属基体中有无数个气孔，具有细胞状结构的金属材料。目前研究开发最 多的是泡沫铝、泡沫镍、泡沫镁，而主要以泡沫铝为代表。多孔金属的结构 特点主要表现在孔径较大，一般为0 1 1 0 m m ；具有较高的孔隙率，一般在 4 0 - 9 0 之间：材料密度小，且随孔隙率的增大而降低，通常密度仅为同体 积金属的0 1 加6 倍；此外，由于孔隙率高，多孔金属还具有较高的比表面 积，一般为1 0 0 0 4 3 0 0 m 2 m 3 。多孔金属材料的性能主要表现在热传导性、耐 热性、吸能性、吸声性、隔声性以及电磁屏蔽性等方面。 1 2 泡沫铝材料的制备方法 金属泡沫可通过液态或半液态金属中气泡的形核与长大而获得。泡沫铝 的制备方法有多种 4 - 9 1 ，主要有熔体发泡法、粉末冶金法、f o r m g r i p 法、 渗流铸造法、熔模铸造法、烧结溶解法、电沉积法等。 ( 1 ) 熔体发泡法( m e l t f o a m i n g ) 熔体发泡法( 如图1 2 所示) 是将币h 2 加入熔融铝液中，t i l t 2 受热分解 产生气体，在铝液中形成气泡，冷却含有气泡的铝液并防止气泡逸出，即可 获得闭孔泡沫铝。日本s h i n k o w i r e 公司从1 9 8 6 年开始利用熔体发泡法制各 泡沫铝，并注册了商标( a l p o r a s ) 【埘。其工艺要点为：向熔融铝液中加 入15 的金属c a 粉作为增粘剂，抑制气泡的聚集和长大。其它常用的增粘 剂有s i c ，s i 3 n 4 ，a 1 2 哂等。 c - p t ， a i 曾审圆 6 9 0 t m c h q 审：口 审品审9 6 8 0 t f o m m g c 。d 1 “gf 。黜。d b l 。吐s h “n g 图1 2 熔体发泡法制备泡沫铝工艺示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 熔体发泡法的优点是工艺简单，生产成本较低，可以制各大尺寸的泡沫 铝；缺点是难于控制气泡尺寸、泡沫铝孔结构均匀性不理想、c a 的加入造成 基体污染以及面h 2 的价格较高。实现孔径的准确控制和开发价格低廉的发泡 剂是熔体发泡法的两个发展方向。 ( 2 ) 粉末冶金法( p o w d e rf o a m i n g ) 粉末冶金法的工艺( 如图1 3 所示) 如下 1 1 - 1 2 i ：首先，将铝粉与t i h 2 粉 末混合均匀，在适当压力下将其压成致密度 9 7 的预制品，压制方法有轴 向压缩、热挤压和轧制；然后，将预制品进行机械加工，得到半成品，再将 半成品放入所需零件形状的钢模内，加热到6 9 0 8 0 0 c ，使t i h 2 分解释放 h z ，迫使半成品膨胀；最后，经风冷或水冷，得到闭孔泡沫铝。此方法又称 为粉末加压熔化法或粉末冶金发泡法。利用此方法制各的泡沫材料产品有 a l u u g l i t 和f o a m i n a l 。 盘画豳 a l 混合 压制烧结压制 崖豳 半皎品发泡 图1 3 粉末冶金法制各泡沫铝工艺示意图 粉末冶金法的优点是孔结构均匀、可以制各复杂构件、能够方便地调节 合金成分、可以制成三明治结构。缺点是结构的再现性投差、工艺参数区间 较窄、生产成本高、制得泡沫铝的尺寸有限( 厚度不超过2 0 c m ) 。提高发泡 过程的稳定性和制各大尺寸泡沫铝试件是粉末冶金法的重要发展方向。 ( 3 ) f o r m g r i p 法 f o r m g r i p 工艺( 如图1 4 所示) 如下【“j ：首先，将面h 2 进行氧化处理 ( 4 0 0 下2 4h + 5 0 0 下1h ) ，使其开始分解温度提高到5 7 0 左右；然 后，将预氧化的1 5 w t t i h 2 通过机械搅拌( 1 2 0 0r p m m i n ) 分散到6 2 0 的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a i s i s i c 熔体中，随后将熔体注入石墨模具中，得到孔隙率1 4 2 3 的泡 沫铝半成品：最后，将半成品再次加热熔化，保温、冷却后得到闭孔泡沫铝。 利用f o r m g r i p 发制各的泡沫铝，孔径为1 1 2 4 f i l m ，孔隙率为5 8 8 9 。 i - - 6 r - i 鼬瑙 l r 1 j h y 酗d e d l 印ca 血gb 4 啦 c o o l i n g p f o d u c t 图1 4f o r m g r i p 法制各泡沫铝工艺示意图 f o r m g r i p 法可以通过调节发泡剂的预氧化处理工艺、二次加热条件和 熔体粘度等参数，控制发泡过程。f o r m g r i p 法综合了熔体法和粉末法的优 点，能制各大尺寸的结构复杂的泡沫铝构件。缺点是制各出的泡沫铝因含有 大量s i c 而韧性变差。改善泡沫铝的韧性是f o r m g r i p 法需要解决的问题。 ( 4 ) 渗流铸造法( i n f i l t r a t i o nc a s t m g ) 渗流铸造工艺( 如图15 所示) 如下1 1 4 - 1 s ：首先，将铝液浇入装有粒状填 料的铸型中，在一定压力下是铝液渗入填料颗粒中。然后，将凝固冷却的铸 型加工成要求的形状和尺寸。最后，清理出填辩颗粒，获得开孔泡沫铝。填 料颗粒应具有如下特性：在预热和浇铸过程中不软化变形，不熔化，在造型 和渗流过程中不破碎粉化：粒子易溶解或可用其它方法去除；颗粒不与铝液 发生化学反应，常用填料为n a c i 。 渗流铸造法的优点是所得泡沫铝孔结构均匀，孔径可控、原料成本低， 对环境无害、可以制各复杂形状的构件；缺点是过程复杂、劳动强度较高。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单- c eh d “7 m n d 图1 5 淳流铸造法制各泡沫铝工艺示意图 ( 5 ) 烧结溶解法( s i n t e r i n g d i s s o l u t i o n ) 烧结溶解工艺( 如图1 6 所示) 如下【1 6 - 1 7 1 ：首先，将铝粉与盐粉按预定体 积比均匀混合，盐粉的粒径范围为1 0 0 3 0 0 0 坍，铝粉的粒径一般应小于 盐粉粒径，一般在2 0 0 口m 一下。然后，将混合好的粉末压制成压坯，在压 制过程中，盐粉基本保持原貌，铝粉发生塑性变形，填充盐粒之间的大部分 空隙，形成连续的网状基体，所施加的压力应小于2 0 0 m p a 。最后，将压坯 在6 4 0 6 8 0 进行烧结，是网状铝基结合成坚固的一体，随后冷却。最后， 将烧结后的坯样置于热水中，将压坯内盐粒溶解掉即可得到结构均匀的开孔 泡沫铝件。 烧结溶解法的优点是可以方便的控制孔洞尺寸和形状及孔隙率、孔洞的 均匀性很高、生产设备简单、具有较好的质量价格综合指数。缺点是只能生 产孔隙率5 0 8 5 的中密度泡沫铝、工艺周期较长、成品内残留的n a c i 会 造成基体局部腐蚀。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 罾曲 a 1f o a md i m l u t i m a m t e r i a i g 图1 6 烧结溶解法制各泡沫铝工艺示意图 ( 6 ) 熔模铸造法( i n v e s t m e n tc a s t i n g ) 熔模铸造法工艺如下1 1 8 1 ：首先，将流态耐火材料渗入泡沫海绵中。然后， 风干、硬化、焙烧是泡沫海绵分解，形成三维网状骨架的预制型。随后，将 铝液浇入此顸制型内，凝固后除去耐火材料，即可获得具有三维网状结构的 泡沫铝。泡沫海绵要求通气性好、孔径大、不易变形。对填充海绵的耐火材 料有如下要求：在常温下能溶于水并有良好的流动性；具有较高的耐火度并 能承受住所浇注金属液的高温；具有一定的高温强度；经高温烘烤后仍能用 水冲刷清除，或用其它方法清除。常用的耐火材料是石膏。利用熔模铸造法 生产的泡沫铝对母体材料具有继承性，空隙三维贯通、结构均匀。该方法的 缺点是工艺复杂，成本较高。 ( 7 ) 电沉积法( e l e c t r o d e p o s i t i o n ) 电沉积法是利用泡沫塑料作基底，经导电化处理为阴极，工业纯铝为阳 极，在烷基铝液中电镀制成泡沫铝1 1 9 1 。镀液的工艺如下：a i ( c 2 h 5 b2 2 8 9 ， n a f4 2 9 ，c 挪s c h 33 1 3 9 ，工作温度8 0 9 5 c ，采用脉冲直流电源，输出电 流波形为方波，输出峰值电流1 0 a ，通断比1 ：6 ，脉冲频率1 5 h z 。通过浸 涂导电胶、磁控溅射锡膜或化学镀膜等方法可使泡沫塑料导电。使用此法制 酒圈【_ | ：瀵鐾 一骥 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 成的泡沫铝孔径细小、空隙均匀，孔径0 5 9 - 0 8 4 m m ，孔隙率8 9 9 2 ； 缺点是生产周期长，污染大。 表1 1 泡沫铝制备方法的比较 制备工艺不仅直接影响到泡沫铝的结构和性能，而且与实际应用密切相 关。目前，现有方法所生产的泡沫铝因工艺复杂而价格昂贵，或者因孔形、 孔径、孔隙等要素不易控制而组织不均匀，应用范围有限。因此，新方法新 工艺的研发仍是目前重要的着力点之一。 1 3 泡沫铝材料的结构和性能特点 一般金属都具有密实的多晶体结构，其中的孔隙，如缩孔、疏松、气孔 等，是作为一种缺陷来对待的。当缺陷多时，就会影响材料的性能，甚至成 为废品。而泡沫金属恰恰是利用了这种缺陷，当金属材料的这种缺陷数量达 到一定程度( 即孔隙率为4 0 - 9 8 ，孔径为0 5 - - - 6 m m 或更大) 后，可在牺 牲其强度等力学性能的同时，获得其它如热、声、能量吸收、轻质等优越性 能而成为一种新型结构功能材料 7 0 - 3 1 1 。 1 3 1 结构特点 泡沫铝作为多孔金属，是一种轻质功能材料，具有很高的孔隙率，一般 为4 0 - - - 9 0 。多孔金属材料与具有孔隙率的粉末冶金材料相比，孔径较大， 孔隙率较高。多孔金属材料的孔径一般为0 1 - 1 0 m m 。 7 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 多孔金属材料密度小，且随孔隙率的增大而降低。通常密度仅为同体积 金属的0 1 - - 一0 6 倍。如泡沫铝的密度为0 2 0 5 9 c m 3 ，是实体铝密度的1 1 0 1 5 。由于多孔金属的孔隙率高，因此具有较高的比表面积，一般为1 0 0 0 - 4 0 0 0 m 2 m 3 。 1 3 2 性能特点 ( 1 ) 热传导性能 多孔金属材料的热导率介于普通金属材料与隔热材料之间，并随着孔隙 率的增加而减小。由于闭孔结构的多孔金属材料是由气泡与薄膜构成，所以 具有极低的热导率。泡沫铝具有良好的隔热性能，热导率远远低于大理石 【2 8 w ( m k ) 1 ，也低于石棉板【0 4 7 w ( m i q 】，而且泡沫铝的热导率为未发泡 铝的1 4 0 0 ，与其他金属相比也是极小的。其原因是空气的导热系数很低【0 时为2 4 4 m w ( m k ) 】，对泡沫铝的低热导率起到了主导作用。 连通孔泡沫金属具有大的表面积，并使散步其中的液体产生复杂的三维 流动，所以具有良好的散热能力。 ( 2 ) 耐热性 多孔金属是一种耐热性很强的材料，即使达到基体金属的熔点也不熔化。 如一般铝合金的熔化温度为5 6 0 7 0 0 ，而将其泡沫材料加热到8 0 0 才开 始软化，但在1 0 0 0 是也不熔化。因此尤为适用在需要耐火的场合。泡沫铝 材料具有良好的耐火性，主要是由于在发泡过程中气泡壁表面生成氧化铝膜 ( 熔点超过1 8 0 0 ) 的缘故。 ( 3 ) 吸能性能 多孔金属材料由金属骨架即孔隙组成，组织极不均匀，应变强烈滞后与 应力，压缩应力应变曲线中形成一个很长的平直线段，因而它是一种具有高 能量吸收特性的轻质、高阻尼材料。阻尼性的大小与气孔率、孔径的大小以 及金属气孔壁的强度有关。 泡沫铝材料的吸能性能随孔隙率增大而减少，变化范围3 0 - - 一8j c m 3 。 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 4 ) 吸声性能 当声波作用到泡沫铝材料表面时，由于泡沫铝材料表面几乎不存在可使 声波反射的平面，使声波散射而起到吸声作用。另外，孔道中的空气在声波 作用下还会发生压缩膨胀形变，在此过程中也有一部分声能变成热能，这种 能量转换是不可逆的，对吸声也起作用；孔隙结构对泡沫金属吸收声波的吸 收能力影响较大，而且不同孔结构的泡沫金属对不同频率的声波吸收能力是 不同的。一般开孔越多，吸声越好。孔径的大小对声波的吸收能力也有影响， 孔径越小，吸收效率越高。改变孔径、孔隙结构和基体材料可改善泡沫金属 对声波的吸收性能。 泡沫铝材料的吸声性能较好，在声波频率为5 h z - - 一1 6 h z 范围内，吸声率 可以达到3 0 6 0 。 ( 5 ) 隔声性能 当声波进入泡沫孔隙后，会引起孔隙中空气的振动，继而引起金属间架 的振动。由于泡沫铝内部的金属间架相互联成网络相互牵连，使振动受到阻 碍而转化为热能。同时，空气振动过程中和孔壁见发生摩擦，也将机械能转 化为热能。这些热量通过网络状的金属问架迅速导出，和周围的空气发生对 流换热而散失，从而使声能衰减，起到隔声的作用。 闭孔泡沫铝材料的隔声能力很强，比塑料泡沫、玻璃纤维、蜂窝铝等材 料的歌声能力高数倍。 ( 6 ) 电磁屏蔽性能 多孔金属材料具有良好的屏蔽电磁波性能，其屏蔽性能远高于导电性涂 料与导磁性材料，特别是对高频电磁波具有更好的屏蔽效果。 目前，随着社会信息化程度的日益发展、提高，各种通讯、电子仪器设 备的应用也日益增多，由此而产生的地磁辐射的危害作用不可小视。这种电 磁波不但对周围的电子设备造成干扰，使它们的工作程序发生紊乱，降低工 作效率，而且，过多的电磁辐射会对人体造成伤害。另一方面，电磁波向外 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 泄露，是计算机安全成为严重社会问题。有关资料声明，在1 千米距离内， 计算机显示终端的电磁波可以被窃听并复原其信息，造成失密。如不能予以 屏蔽，就会造成不可估量的损失。在计算机房中采用泡沫铝作为内衬，可很 好地起到屏蔽作用，有效地防止信息泄露。对于一些电磁辐射强烈的设备用 泡沫铝材料作屏蔽，不仅可以防止对其他电子设备的干扰，还可以降低对人 体的辐射作用。 1 4 泡沫铝材料的应用背景 ( 1 ) 航空航天方面 在航空航天业中，用泡沫铝板或泡沫铝三明治板来代替昂贵的蜂窝状结 构材料可以显著降低成本【3 2 】。同时泡沫铝材料具有各项同性、不燃烧性、保 持结构完整的特点。在制造三明治式材料时，可通过轧制外面的薄板包覆于 中间的泡沫铝上，能免除烦琐的胶接。美国对采用气泡夹带法制备的大块的 泡沫钛三明治板和三明治泡沫铝板用于直升飞机的尾翼，对二者进行比较评 价，三明治式材料相对于通常的平板的蜂窝状结构的材料的一个最重要的优 点就是可以用于制备弯曲的甚至3 d 形状的结构材料。因此，直升飞机的制 造者们正致力于尝试用泡沫铝板来代替目前正在使用的蜂窝状材料。 在太空科技中，由于泡沫铝能够快速吸收碰撞能量，可以用于太空飞船 登陆梯，也可以用于人造卫星中的承重结构，代替在太空的特殊的条件下而 引发问题的材料。在太空环境中，非常活泼的轻质的泡沫金属如锂镁泡沫合 金，就可以得到应用。这样的合金在通常情况下不能被应用，是因为它们太 活泼，而在太空的真空环境下也可以被应用。宇宙飞船返回舱下部采用泡沫 铝材料作为缓冲装置，使落地时的硬着陆变成软着陆，保护设备和宇航员的 安全。 ( 2 ) 舰船应用方面 轻质结构在船舶制造业中同样很重要。现代客船可以完全由铝挤压型材、 铝板及泡沫铝建造。而拥有多孔结构的泡沫铝三明治板将成为最重要的组成 1 0 哈尔滨下程大学硕十学位论文 部分。如起重机平台结构的舱壁，天线平台及烟火制造间。 利用多孔金属的吸声特性，可用于潜艇的静音装置【3 3 1 。现代潜艇发展的 趋势是高速、深潜、低音。潜艇噪声的大小一直是衡量潜艇性能优劣的重要 的指标。当潜艇在水下航行时，如果其发动机的噪声很大，就极容易被敌人 的声纳系统捕获，潜艇的安全就受到严重的威胁。据介绍，潜艇每降低噪声 2 0 d b ，被敌人声纳探测到的距离将减少5 0 ，因此各国对舰艇降噪问题十分 重视。 在2 0 世纪9 0 年代中期，美国国防部和海军资助研究泡沫铝材料，主要 用于潜艇和军舰消声。美国最先进的“海狼 级核潜艇的内部采用泡沫铝材 料消声，噪声降低到9 5 d b 。导弹驱逐舰等其他舰船也需要多孔金属材料降噪 和作结构材料。 ( 3 ) 汽车工业 目前，泡沫铝的最大潜在应用市场是汽车i 业1 3 4 - 3 5 1 。涉及三个主要应用 领域：轻质结构、能量吸收和噪声控制。 1 ) 轻质结构 交通运输工具质量的减轻，将大大节省动力能源和减少环境污染。因此， 质量的减轻是汽车工业发展的新趋势。泡沫铝材料的轻质结构由两个性能决 定，一是有一个几乎不可逆的准弹性变形区，二是其刚度质量比高。德国制 造商k a r m a n n 将三维成形的夹层镶板用于刚度和重量问题十分突出的两用车 和赛车，其中两块泡沫铝夹层部件，一件用于前舱壁，一件用于后车壁，从 而替换了冲压钢板制成的传统元件，由此不但重量减少2 5 ，而且刚度增加 7 0 0 。 2 ) 冲击能吸收 对运载工具特别是汽车工业的安全性要求不断提高，导致低密度高吸能 性的材料引起人们的特别兴趣。多孔固体大多都是优良的吸能材料，因为其 变形在宽广的应变范围内处于近乎恒定的应力水平。泡沫铝在该方面的性能 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 超过了聚合物泡沫体等传统的泡沫材料，这是由于其强度要比后者高得多。 同时泡沫铝在动态冲击时的低回弹使其更具有吸引力，其回弹量比聚氨酯泡 沫体要低得多。 在汽车的撞击区域使用由泡沫铝制作的合适元件，可通过控制性程序化 变形耗散最多的能量。在汽车钢制或铝制中空构件中填充泡沫铝，可是这些 部件在载荷作用过程中产生更好的变形行为。 3 ) 噪声控制 泡沫铝可采用不同的方式来降低噪声。因为泡沫铝的杨氏模量低于对应 的块体金属，故其结构的共振频率一般会低于常规结构的频率。另外，泡沫 体的损耗因子( 损失因子) 至少为普通金属体的1 0 倍，所以振动将更有效地 受到抵制，转换成热量。同时将伴随性或短暂性的声波进行衰减，保护乘客 免受来自外部声源的噪声损害，也防止噪声机器的声发射自由地传播到外面 环境中去。 ( 4 ) 铁道业 泡沫铝在铁路设备方面的应用遵循着与汽车工业相同的规则，同样也涉 及轻质结构、能量吸收和噪声控制三个主要应用领域，主要区别在于列车中 的结构要大得多。特别是对于在市区运行并可能与汽车相遇的轻型铁道设置 和电车轨道，能量吸收更为重要，日本的列车己安装2 3 m 3 的块状a l p o r a s 泡沫铝材料来改善这种冲击能量吸收性能。 ( 5 ) 建筑业 泡沫铝作为一种新型建筑及装潢材料，具有质轻、高比刚度、美观、不 燃烧等优点，并兼有吸音、隔热、电磁屏蔽等特性。因此泡沫铝可广泛应用 于商场、宾馆、体育馆等的建筑装潢。另外，在建筑上可做间隔墙、地板、 天花板、吸音板等。用泡沫铝夹芯板材料做活动房，大型厂房等的墙和屋顶， 既性能优良又美观。 泡沫铝材料在建筑上也可制作轻硬、耐火的元件、栏杆及其支撑体。有 1 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 混凝土建造的现代办公大楼，其外面用遮盖混凝土结构的镶板来装饰，以美 化建筑物的外观，这些镶板须轻、硬且防火。这种支撑体可由泡沫铝制作， 以取代目前使用的一些高价蜂窝。 ( 6 ) 机械构造 泡沫铝在机械构造中有一些令人感兴趣的用途。泡沫铝部件替代目前常 规金属材料制成的轴件、滚筒和平台，这样的元件惯性减小而缓冲性增加， 能够用于固定的钻床和磨床以印刷机。泡沫铝充当小型手提电钻或磨削器具 的外罩时，其性能优于传统形外罩，且其固有阻尼提高。泡沫铝外壳还可以 为电机增加电磁屏蔽。磨盘的结构体也可以用泡沫铝制造，磨盘内在阻尼有 助于避免有碍人体健康的振动，部分开口孔隙还可以作为磨出材料的收集器。 另外，还可作为具有很好漂浮性的高强度充填材料，用于测量热介质和 腐蚀性介质充液水平线的漂浮器。在这些场合中不能使用聚合物泡沫材料， 而由薄钛片结构制造的含有磁系统的漂浮器，虽然可读出其位置，但价格十 分昂贵，所以可用泡沫铝部件配以能够罩住磁系统的致密外壳来替代，亦能 承受外部压力，并可产生所需的漂浮性。 ( 7 ) 其他方面 泡沫铝可作为过滤材料应用于高温液体和气体的过滤方面，如工业废水 处理高梯度磁分离器材料；在医疗上，可利用泡沫金属制作人工肾脏的渗透 膜支架，也可以利用具有形状记忆功能的泡沫n i t i 合金制作捕捉血栓的过 滤器等。此外，泡沫铝还可催化剂载体以及铅酸蓄电池中活性物质的载体， 在水的净化处理方面也用一定的应用。 1 5 国内外研究现状和发展趋势 1 5 1 国外泡沫材料的研究进展 多孔泡沫金属的出现始于1 9 4 8 年，s o s n i k ( 美国) 提出了利用汞在熔融 铝中气化而制得泡沫铝合金的想法，使人们对金属的认识发生了重大的转变， 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1i l l 认为金属也可以通过类似面粉发酵一样的方法使之膨胀，从而打破了金属只 有致密结构的传统概念。e l l i s t 发展了s o s n i k 的想法，并于1 9 5 6 年成功地制 造了泡沫铝。6 0 年代美国乙烷公司( e t h y l 公司) 成立了研制泡沫铝的中心。 在开发应用方面，1 9 6 8 年，美国e r g 公司用一种“d u o c e l 方法制的泡沫 铝材已在美国航天飞机上获得应用。日本九州工业金属研究所1 9 9 1 年开发出 泡沫铝工业化生成的工业路线，目前已能用发泡法和渗流法生产大型和小型 部件，并在日本的高速列车制造中获得应用。德国卡曼汽车公司与夫雷弗研 究所合作用三明治式复合泡沫铝材制造吉雅轻便轿车顶盖板。1 9 9 0 年以来， 美国、日本、德国相继推出了制备高性能泡沫铝的方法并申请了许多专利。 目前国外对泡沫铝的研究较为深入并且已取得较大成功，现已成功地应 用到汽车、建筑、包装、机床等领域并正致力于其他方面的应用研究。世界 上生产技术较为成熟并能批量的泡沫铝材料商品有【3 9 】：加拿大c y m a t 公司 提供的c y m a t 、美国加州e r g 公司提供的d u o c e l ，德国f r a u n h o f e r 研究所提 供的i f a m ，日本s h i n k o - - w i r e 公司提供的a l p o r a s 、英国p o r v a i r 公司提供 的m e t p o r e 、奥地利a l u n l i g h t 国际公司提供的a l u l i g h t 等。这些泡沫铝材料 生产商和高校以及研究所开展了密切的研究合作。哈佛大学、剑桥大学、普 林斯顿大学、麻省理工大学和弗吉尼亚大学等大学制定了有关泡沫铝的多学 科大学研究创新计划。英国剑桥大学材料科学与冶金系复合材料和涂层材料 研究小组主要在泡沫铝材料制备工艺和结构特性进行了较多的研究。受到劳 斯莱斯公司( r o l l sr o y c e ) 和英国航空协会的资助，英国国家物理实验室泡 沫金属研究小组目前主要开展的研究项目有“开孔泡沫金属在功能性应用上 的特性评估”和“闭孔泡沫金属在能量吸收和结构性应用上的特性评估”。目 前这些研究主要集中在【舭1 】： ( 1 ) 解决应用所需的大型件制品的制各，实现孔结构、尺寸及其分布可 控，降低制备成本并开发出孔结构可控、均匀少缺陷的泡沫铝制备技术。 ( 2 ) 研究胞状铝结构与性能的关系，尽可能满足某一性能或多功能兼容 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 性能的要求，为设计者提供设计指南，并选准有前景的应用对象进行应用研 究，逐步推广泡沫铝制品的应用。 1 5 2 国内泡沫材料的研究进展 我国研究较晚，国内自8 0 年代中期开始进行泡沫铝材料的研究。东南大 学、大连理工大学、东北大学、山东工程学院、哈尔滨工业大学、中国科学 院固体物理研究所、中国船舶工业总公司第7 2 5 研究所、太原重型机械学院、 昆明理工大学等研究机构都先后作过许多研究，取得了一系列的研究成果。 但多集中于制备工艺的研究，而对该材料的性能研究很少，应用研究还仅限 于做吸声结构，如高速公路的吸音墙，其他方面的应用几乎未涉及。为此， 如何立足我国实际情况，吸收国外的先进经验，加快、完善泡沫铝材料的制 备方法、性能及该材料的应用研究，充分发掘和应用这种材料具有的特殊性 能，成为具有重要理论和现实意义的课题。 从目前的报道来看，尽管对于泡沫铝材料的研究取得了一系列的研究成 果，但还有很多问题有待进一步研究【4 2 。4 6 】： ( 1 ) 泡沫铝制备方法很多，从目前的制备工艺来看，仍然对工艺过程了 解不全面，导致了泡沫的可控性不高，尚没有一种工艺技术能够达到像聚合 物泡沫生产那样准确控制结构组态的水平。 ( 2 ) 关于泡沫铝结构的表征和测试方法还没有统一的标准。泡沫铝是一 种多空金属材料，既具有金属的性能又具有多孔材料的性能，所以有的研究 者按泡沫塑料的国家标准对其测试，而有的研究者则按金属材料的国家标准 对其进行测试，没有统一的标准。 ( 3 ) 有关泡沫铝性能的研究主要停留在测试阶段，泡沫铝材料的性能与 结构组态的相关性，是泡沫铝材料的性能在实际测试所得的结构再现性差， 结构参数与性能之间的关系难进行表征。围绕泡沫结构的表征和力学性能的 数值模拟方面研究不足，尤其是国内对这方面的研究涉及很少。 ( 4 ) 泡沫铝的实际应用范例相对来说较少，特别是国内对其应用方面的 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 研究还仅限于吸声结构，其他方面的应用几乎没有涉及，而泡沫铝具有许多 优异的性能，还有广阔的应用前景有待开发。 1 6 本文的主要工作 在充分了解先前关于泡沫铝材料所做的研究的基础上，本文针对泡沫铝 材料的能量吸收特性及其应用进行研究，主要工作分为三部分： 1 研究泡沫铝材料的制备工艺，将实验室现有设备进行改造并加以完善， 采用熔体发泡法自行制备泡沫铝材料，分析发泡温度、发泡剂加入量、搅拌 参数和保温时间对泡沫铝样品结构的影响，确定适合本次实验设备及实验环 境的较佳制各工艺参数范围。 2 通过对泡沫铝材料准静态和动态压缩性能的测试，分析材料的力学性 能和能量吸收特性，探讨孔径大小和相对密度对泡沫铝材料静动态条件下的 力学性能