（材料加工工程专业论文）开孔泡沫铝孔结构及力学性能研究.pdf

开孑l 泡沫铝子l 结构及力学性能研究 摘要 本文通过文献检索，简述了泡沫铝的主要制备方法、性能特点及应用领域， 简要介绍了渗流法制备的泡沫铝的特点、在泡沫铝力学行为研究上所取得的成 果，以及目前所存在的主要问题。在此基础上，本文主要研究了渗流法制备开 孔泡沫铝中孔结构及参数的控制工艺，并着重对所制备的各种参数泡沫铝的压 缩力学行为、冲击波衰减特性进行了研究。 首先，采用渗流法制备了单一孔径、混合孔径及球形孔的开孔泡沫铝合金。 研究了孔径尺寸及其混合方式、泡孔形状对泡沫铝相对密度的影响。结果表明， 随着孔径的增大，泡沫铝相对密度增大：不同孔径相混合的孔结构可有效的降 低泡沫铝的相对密度：与不规则孔结构泡沫铝相比，球形孔结构泡沫铝的相对 密度更低。 其次，采用z l l 0 4 合金制备了不同孔径和相对密度的开孔泡沫铝合金，并 对其进行了准静态和动态压缩实验。研究了泡沫铝在不同应变率下的应力一应变 响应特征、参数的变化对泡沫铝压缩力学性能及吸能性的影响。准静态实验的 结果表明，孔径的变化对泡沫铝压缩力学性能的影响不显著，而随着相对密度 的增大，泡沫铝压缩力学性能升高，相同应变量下吸能量上升：动态压缩实验 结果表明，开孔泡沫铝硅合金具有明显的应变率效应，即随着应变率的提高， 其屈服强度和流动应力均升高，因此，同样应变下所吸收的能量增加。另外， 对制备过程中泡沫铝合金基体组织和性能的变化进行了研究，结果表明用渗流 法制各的泡沫铝合金的基体显微组织粗大，力学性能低于相同材质的铝合金。 然后，本文还研究了填充硅橡胶对泡沫铝力学行为的影响。采用向开孔泡 沫铝中填入硅橡胶的方法制备出了含硅橡胶泡沫铝，并对其进行了不同应变率 条件下的压缩实验。结果表明与单纯泡沫铝相比，含硅橡胶泡沫铝的压缩应变 量显著增加，因此其吸能量上升，且在0 0 5 0 5 5 的应变范围内，其理想吸能 效率均能保持在0 ，6 0 7 ，因而显示了优异的吸能特性。此外，动态压缩实验 还表明含硅橡胶泡沫铝具有非常明显的应变率效应。 最后在一级轻气炮装置上对平均相对密度为0 3 3 、孔径为0 7 5 r a m 的泡沫 铝进行了冲击波压缩实验，研究了泡沫铝对冲击波的衰减效应，并得到了这种 参数泡沫铝的t t u g o n i o t 参数。结果表明开孑l 泡沫铝具有非常优异的冲击波衰减 性能。 全文最后对开孑l 泡沫铝孔结构及力学行为的研究工作进行了总结，并对进 一步开展对开孔泡沫铝的研究工作进行了展望。 关键词：泡沫铝合金；孔结构；力学性能；应变率效应：冲击波衰减特性 s t u d y o bp o r es t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lb e h a v i o r so fp o r o u sa 。l u m i n u m a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ep r o c e s s i n gm e t h o d s ，p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n s o f a l u m i n i u mf o a m sa r eb r i e f l yr e v i e w e db a s e do nl i t e r a t n r er e t r i e v a l t h es t r u c t u r e f e a t u r e s ，a c h i e v e m e n t so nt h ei n v e s t i g a t i o no n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，a sw e l la s t h e e x i s t i n gp r o b l e m s o ft h e p o r o u s a l u m i n i n mt h a t p r o c e s s e db y i n f i l t r a t i o n m e t h o da r ei n t r o d u c e d ，t h ea c h i e v e m e n t so nt h e s t u d y o fa l u m i n i u mf o a m s m e c h a n i c a lb e h a v i o r sa r er e c o m m e n d e d ，a n ds o m eq u e s t i o n sa r eb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h e s e ，t h ep r e s e n tp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ei n f i l t r a t i o np r o c e s st oc o n t r o l t h e p o r e s t r u c t u r ea n d p a r a m e t e r s o fp o r o u sa l u m i n i u m ，a n dt h e c o m p r e s s i v e m e c h a n i c a lb e h a v i o ra n ds h o c kw a v ea t t e n u a t i o np r o p e r t yo ft h ep r e p a r e dp o r o u s a l u m i n i u ma l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y ，t h ep o r o u sa l u m i n i u ma l l o y sw i t ht h em o r p h o l o g yo fh o m o g e n o u sp o r e s i z e ，d u a l s i z ec e l lm i x ，a n dt h em o r p h o l o g yo fs p h e r i c a lp o r ew e r ep r e p a r e db y i n f i l t r a t i o n p r o c e s s t h e i n f l u e n c e so ft h e p o r e s i z ea n dd u a l s i z em i xo nt h e r e l a t i v ed e n s i t yo fp o r o u sa l u m i n i u ma l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h er e l a t i v ed e n s i t yo f p o r o u sa l u m i n i u ma l l o yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h e p o r es i z e ，a n dt h er e l a t i v ed e n s i t yo fp o r o u sa l u m i n i u mc a nb er e d u c e de f f i c i e n t l y w h e ns m a l lc e l la r em i x e di n t of o a m sw i t hl a r g ec e l l s c o m p a r e dw i t hi r r e g u l a r p o r es h a p ep o r o u sa l u m i n i u m ，t h e r e l a t i v e d e n s i t y o fp o r o u sa l u m i n i u mw i t h s p h e r i c a lp o r ei sl o w e r s e c o n d l y ，t h ep o r o u sa l u m i n i u ma l l o y sw i t hd i f f e r e n tp o r es i z e a n dr e l a t i v e d e n s i t y w e r em a d eo fz l10 4 a l l o y ，a n dc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t s h a v e b e e n c o n d u c t e do nt h em a t e r i a l su n d e r q u a s i s t a t i c a n d d y n a m i cl o a d i n g t h e s t r e s s - s t r a i n r e s p o n s e ，t h e i n f l u e n c eo fv a r i a t i o ni nt h e p a r a m e t e r s o nt h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t yo f p o r o u sa l u m i n i u ma l l o y w e r ei n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n ts t r a i nr a t e t h eq u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so fp o r o u sa l u m i n i u ma l l o ya r en o ta f f e c t e d s i g n i f i c a n t l yb yt h ev a r i a t i o ni ni t sp o r es i z e w h i l ew i t ht h ei n c r e a s ei nt h er e l a t i v e d e n s i t y ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d t h ee n e r g ya b s o r p t i o nq u a n t i t yi n c r e a s e t h e d y n a m i cc o m p r e s s i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep o r o u sa 1 - s ia l l o yh a sas i g n i f i c a n t s t r a i n - r a t e e f f e c t ，n a m e l y t h e y i e l d s t r e s sa n dt h ef l o ws t r e s sb o t hr i s ea st h e i n c r e a s eo ft h es t r a i nr a t e a sar e s u l t ，t h ep o r o u sa l u m i n i u ma b s o r b sm o r ee n e r g y d u r i n gc o m p r e s s i o n a d d i t i o n a l l y ，t h e e f f e c to ft h ei n f i l t r a t i o n p r o c e s s o nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep o r o u sa 1 一s i a l l o y m a t r i xw e r e a l s o i n v e s t i g a t e d i t w a sf o u n dt h a tt h em a t r i xm i c r o s t r u c t u r eo ft h e p o r o u s a l u m i n i u ma l l o yi s c o a r s e r ，a n di t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ep o o rc o m p a r e dw i t h t h a to ft h es a n l ed e n s ea l l o y f u r t h e r m o r e ，t h ep r e s e n tp a p e rh a ss t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h ef i l l e ds i l i c a t e r u b b e ro nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h ep o r o u sa l u m i n i u m t h ea l u m i n i u mf o a m c o n t a i n i n g s i l i c a t er u b b e rw a sf a b r i c a t e d b yi n f i l t r a t i n g s i l i c a t er u b b e ri n t o o p e n e e l la l u m i n i u m f o a m a n dt h ec o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n ts t r a i n r a t ew e r ec o n d u c t e d0 1 3 , t h em a t e r i a l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e a l u m i n i u mf o a mc o n t a i n i n gs i l i c a t er u b b e re x h i b i tam u c hl o n g e rp l a t e a u r e g i o n ， a n da b s o r bm o r ec o m p r e s s i v ee n e r g y ，c o m p a r e dw i t ht h ep o r o u sa l u m i n i u m i nt h e s t r a i n r a n g eo fo 0 5 05 t h ei d e a le n e r g ya b s o r p t i o ne f f i c i e n c yo ft h ea l u m i n i u m f o a m c o n t a i n i n g s i l i c a t er u b b e rm a i n t a i n s0 6 o 7 s o i tr e v e a l sa ne x c e l l e n t e n e r g ya b s o r b i n gc a p a c i t y i na d d i t i o n ，t h ea l u m i n i u mf o a mc o n t a i n i n gs i l i c a t e r u b b e re x h i b i t sar e m a r k a b l es t r a i nr a t ee f f e c ta si n c r e a s i n gt h es t r a i nr a t e f i n a l l y ，t h e s h o c kw a v e c o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do i l t h e p o r o u sa l u m i n i u m t h es a m p l e s a v e r a g ep o r es i z ea n dr e l a t i v ed e n s i t ya r eo 7 5 r a m a n d0 3 3 r e s p e c t i v e l y t h ea t t e n u a t i o ne f f e c to fp o r o u sa l u m i n i u mt os h o c kw a v e w a si n v e s t i g a t e d t h eh u g o n i o to ft h ep o r o u sa l u m i n i u mw a so b t a i n e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t s o fd i f f e r e n t i m p a c tv e l o c i t i e s a n d i tw a sf o u n dt h a tt h e p o r o u s a l u m i n i u mh a sa ne x c e l l e n ts h o c kw a v ea t t e n u a t i o np r o p e r t y a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h es t u d yo n p o r es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lb e h a v i o r s o ff o a m e da l u m i n i u mw e r es u m m e d u p ，a n d s o m e s u g g e s t i o n s w e r em a d et o f o r e c a s tt h ef u t u r er e s e a r c ho np o r o u sa l u m i n i u m k e yw o r d s ：p o r o u s a l u m i n u m a l l o y ；p o r es t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l b e h a v i o r s s t r a i n 。r a t ee f f e c t ；s h o c kw a v ea t t e n u a t i o n p r o p e r t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒鲤三! 三些态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字；强谚签字日期：婶g 月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 剪向匡l 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权台 鲤王些友堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：沙象彰靳签名：彳绯 签字日期：脚月1 日签字日期文帕7 年二月f 日 学位论文作者毕业后去向 l 作单位： j | 亘讯地址： 电话 邮编 致谢 本文是在导师程和法副教授的悉心指导下完成的。从论文选题、资料收 集、数据整理到论文的撰写，每个环节程和法老师都给予了我无微不至的关 怀和毫无保留的指导，提出了许多宝贵的意见和建议。导师渊博的学术知识、 严谨的科研态度和诲人不倦的治学精神都在潜移默化的感染着我，使我受益 匪浅，终生难忘。值此论文完成之际，请导师接受我最衷心的感谢和最诚挚 的敬意。 同时，我还要衷心感谢实验室的张勤贤老师、熊振茵老师及何元祥老师 的帮助，感谢胡孑l 刚硕士的大力帮助。 感谢中科院固体物理研究所在实验初期试样制备方面给予的大力支持， 感谢中国科技大学的胡时胜老师、李建荣老师、田杰同学、蔡建同学，他们 在实验和数据处理方面给予了我很大的帮助。 感谢席簧博士、吴炜硕士等同学三年来在生活和学习上给予我的大力帮 助。 感谢妻子汪继芳直以来对我的支持和鼓励。 谨以此文献给我的父母、哥嫂和家人，他们的勤劳朴实影响着我，他们 一如既往的支持和鼓励催我奋进。 最后，感谢所有给予我帮助的老师和同学们。 作者：张立勇 2 0 0 4 年5 月l5 日 1 1 多孔材料的发展 第一章绪论 在传统的工程材料中，孔洞通常被认为是一种结构缺陷( 如缩孔、缩松) ， 因为它们往往是裂纹形成和扩展的中心，并对材料的物理、化学性能及力学性 能产生不利影响，严重危害产品的性能及使用寿命。但是，当材料中孔洞的数 量增加到一定程度后( 1 5 ) 1 ，材料会由于孔洞的存在而表现出些特殊的、 不同于致密材料的独特性能，这就是多孔( p o r o u s ) 材料。 自然界中存在着大量的多孔材料，如树木、骨骼、海绵、珊瑚等。这些多 孔材料的独特结构不仅赋予其优异的力学性能，而且使其具有许多特殊的功能。 如树木除了以其较高的力学性能起到支撑的作用外，还可以通过孔隙传输水分 和营养，而且由于其轻质高强的特点被用作建筑材料；骨骼则为动物构建起了 轻巧、结实的骨架。在利用自然界所提供材料的同时，人类向自然学习，根据 自身需要也制各出了许多具有优异性能的多孔材料，最典型的例子是高分子泡 沫材料，它已被广泛地应用于工业、民用、包装、运输、航空及军事等领域。 随着科技的进步，人们已经可以制备出多孔金属材料，其中典型的代表就是泡 沫铝，这是种以a l 或其合金为基体、包含大量孔洞的轻质多孔金属材料。 泡沫铝的起源可以追溯到二十世纪四十年代，s o s n i k 2 于1 9 4 8 年最早提 出了利用汞在熔融铝中气化而制取泡沫铝的设想，e 1 1 i s t 3 发展了这一想法， 并于1 9 5 6 年成功的制各出了泡沫铝。此后的二、三十年间，泡沫铝的研究和开 发在美、德、目等国得到了不断的发展，但是泡沫铝制备工艺、技术和性能研 究等方面得到迅速发展是在八十年代后期，美国、德国、加拿大、目本等国相 继开发出各种大规模生产泡沫铝的工艺技术，从此国际上兴起了金属泡沫材料 研究和开发的热潮。目前，日本、美国、德国、加拿大等发达国家在金属泡沫 材料的研究、生产及应用方面处于世界领先地位，日本已经将泡沫铝用做高速 公路两侧的吸音墙，德国已开展将泡沫铝应用于汽车车身结构的研究。我国对 金属泡沫材料的研究始于8 0 年代后期，东南大学、中科院固体物理研究所、哈 尔滨工业大学、中国科技大学、合肥工业大学等单位都开展了从泡沫铝制各工 艺到相关性能的研究工作，并取得了一系列具有世界先进水平的研究成果。这 些研究也推动了我国在泡沫铝工业化生产和应用上的进步。目前，国内已具备 了大批量工业化生产泡沫铝的条件。总的来说，泡沫铝的研究、开发和应用仍 处于起步阶段，其在各领域内的广泛应用还有待进一步的研究和推动。 1 2 金属泡沫材料的结构特征 金属泡沫材料是由金属固体框架或曲面在空间交错构成的材料。国际纯化 学及应用化学组织按照孔径的大小对多孔材料的分类推荐了专门术语 4 ：微孔 ( 孔径 5 0 m ) 材料。现在 通常所说的泡沫材料，是指孔径在5 0 “m 以上的宏孔泡沫材料。 ( a )( b ) 图1 1 典型开孔结构( a ) 和闭孔结构( b ) 泡沫铝 f i g 1 1t y p i c a lo p e n - c e l l e da n dc l o s e c e l l e df o a ma u m i n i u m 金属泡沫材料按照胞孔结构可分为开孔和闭孔两种。如图1 1 所示，其中 图( a ) 为开孔结构，内部孔洞呈三维连通状态，单个胞孔不封闭；图( b ) 为闭孔 结构，其内部孔洞相互独立，孔洞之间不连通。 此外，泡沫金属材料的胞孔形貌多种多样，可以是球形、椭球形或不规则 多面体形，如粉末冶金法生产的泡沫铝的孑l 结构多为椭球形，而加压渗流法生 产的泡沫铝多为不规则多面体形孔结构。 与传统的粉末冶金多孔材料相比，泡沫铝有如下特征： ( 1 ) 孔径较大，一般为0 1 1 0 0 m m ( 粉末冶金多孔材料的孔径一般丰0 3 m m ) ： ( 2 ) 孔隙率较高，一般为4 0 o 8 5 o ( 与高孔隙率粉末冶金多孔材料相当) ， 或者更高。 影响金属泡沫材料的主要因素有以下几种 5 ，6 ：( 1 ) 基体金属的性能；( 2 ) 孔隙率( 或相对密度p + p ；) ；( 3 ) 孔径；( 4 ) 胞孔的形态及分布。其中，相对密 度是最为重要的参数之一，p + 为泡沫金属材料的表观密度，p ：为基体材料的 密度。 1 3 金属泡沫材料的性能特点 泡沫金属，如泡沫铝是一种集多种功能于一体的新型材料，其独特的多孔 结构决定了它的低密度、高孔隙率和大的比表面积，从而使其具有致密金属材 料所没有的多种优异性能。 1 3 1 力学性能及吸能特性 泡沫铝作为一种轻质结构材料，人们非常关注的是它的比强度和比刚度指 标。b a r n h a r t 7 等人的研究表明，对于板状材料而言，其刚度与e h 。成正比， 其中e 为材料的杨氏模量，h 为板的厚度，相同重量泡沫铝板的比刚度比致密铝 板要高出5 倍。此外，g i b s o n 等 6 的研究表明，泡沫铝强度与基体材料强度 的比值是和相对密度成分数指数关系的。 泡沫铝的压缩应力一应变曲线上有一很宽的平台区，在较大的应变范围内保 持应力基本不变。由金属骨架和孔隙所构成的泡沫铝在受到压缩载荷作用时， 可通过胞体的弹、塑性变形或脆性断裂将冲击能转化为应变能，从而吸收大量 的冲击能量，使泡沫铝具有良好的能量吸收性能。当压缩应变为5 0 时，单位 体积泡沫铝的吸能量可达2 m j m m 3 以上，吸能效率达6 0 以上 8 1 0 。 1 3 2 阻尼性能 泡沫铝具有较高的阻尼本领，其内耗值比致密铝高一个量级以上。随孔隙 率升高、i l 径下降，或随测量频率升高、应变振幅增大，内耗增加 1 l ，1 2 。关 于泡沫铝的耗能机制，有如下观点： ( 1 ) c o w i n 1 3 ，1 4 等人根据平面波动方程建立了材料中孑l 洞耗能的数学模 型，在此基础上，刘长松、朱震刚等人 1 i 提出，在交变应力作用下，孔洞造 成应力、应变分布不均，使孔洞发生不均匀的膨胀、压缩或剪切变形，使外加 应变能耗散为热能。 ( 2 ) 何德坪等人 1 2 认为，由于组成泡沫铝的两个相( 基体和孔洞) 的动力 的学模量相差很大，在应力作用下产生很大的应变相位差，因此在界而上产生 摩擦而将机械能转变为热能。 ( 3 ) j j a r z y n s k i 1 5 ，j b a n h a r t 1 6 以及j z h a n g 1 7 等人则认为，材 料中孔洞对阻尼性能的贡献产生于孔洞周围的应力集中和模式转换。当外加应 力作用于泡沫材料时，孔洞边缘的应力状态可能从正应力转换为剪切应力。剪 切应变引起粘滞性流动，这种粘滞性流动通过分子振动或位错运动耗散为热能。 1 3 3 吸声性能 泡沫铝的多孔结构特征使其具有良好的吸声性能。在受到声波作用时，胞 孔中的气体产生周期性的震动而与孔壁摩擦，形成摩擦热；同时，孔洞中的气 体在声波的作用下还会发生压缩膨胀形变，在此过程中有一部分声能转化为热 能，这种能量转换不可逆，对消声起主导作用；另外，孔壁在声波作用下产生 弹性震动，消耗部分声能，也起到了消声的作用。 在一般内燃机等机械能辐射的低频噪声的频率范围内( 5 0 0 h z 以下，即吸声 较为困难的区域) ，泡沫铝的混晌吸声系数最高可达1 o 1 8 ；在较高的频率下， 其垂直入射共振吸声系数也可达到0 9 0 以上；通过改变泡沫铝试样背后空气层 厚度，可以改变吸声峰值所对应的频率：泡沫铝的吸声系数随孔隙率的增加而 升高 1 8 ，1 9 ，2 0 。泡沫铝的水下吸声系数也较高，在1 6 - - 3 2 h z 的频率范围内， 水下吸声系数的峰值可达到0 9 0 以上 2 1 。 1 3 4 电磁波屏蔽性能 泡沫铝具有很高的电磁波屏蔽性能。一般屏蔽材料或结构的屏蔽系数为 3 0 9 0 d b ，而泡沫铝则可达到8 0 1 1 0 d b 2 2 。 由s c h e l k u n i f f 理论 2 3 ，电磁屏蔽材料的屏蔽效果可表示为： s=x+r+b一( 1 1 ) 式中，s 为屏蔽效果( d b ) ：a 为吸收损耗( d b ) ；r 为反射损耗( d b ) ；b 为二次反 射损耗( d b ) 。由于泡沫铝的骨架完全互连，并且有较好的导电性能( 比电阻约为 3 0 5 0 脾c 聊) ，因此具有良好的吸收和反射电磁波的能力( 即式1 1 中的a 、r 两值较大) ；此外，泡沫铝还具有很大的比表面积，当电磁波辐射到材料中时， 将在空洞表面发生多次反射而损耗( 即b 值较大) ，因此泡沫铝具有很高的电磁 屏蔽性能。 1 3 5 热物理性能 闭孔泡沫铝的表观导热系数很低，约为致密铝的1 5 1 1 5 0 2 4 ，因此具 有很好的绝热性能。此外，通孔泡沫铝因有很大的比表面积和弯曲的孔道，因 此当流体通过其孔道时，将产生复杂的三维流动，故有较强的热交换和热分离 功能。 1 3 6 其他性能 与普通的聚合物泡沫材料相比，泡沫铝还具有耐热、耐蚀、不老化、可回 收等性能特点，因此，泡沫铝是一种功能性与结构性并举的新型轻质材料。 1 4 金属泡沫材料的应用领域 泡沫金属，尤其是泡沫铝所具有的许多优异的性能决定了其在民用、工业、 交通、航空、航天及军事国防等领域有着非常广泛的应用前景，其典型的应用 领域有： 1 4 1 轻质结构材料 泡沫铝是作为轻质复合夹层板或夹芯管的较理想的填充材料，图1 2 是用 泡沫铝作填充物的复合板，这种所谓的三明治材料不仅质量轻，而且具有较高 的强度和刚度，泡沫铝填充物有效地改善了板在静态和动态载荷下的变形模式， 使其弯曲强度、抗压强度、刚度及吸能性能大幅度提高。与以往蜂窝夹层材料 相比，泡沫铝夹层材料的性能高、成形性好，没有蜂窝夹层材料各向异性的缺 点，而且生产成本大幅度降低。这种泡沫铝夹层材料在汽车行业己展示了重要 的应用前景，如德国的卡曼汽车公司在敞篷车和赛车上测试了用泡沫铝夹层板 制成的顶盖板和后背板的性能，结果发现，采用泡沫铝夹层板制成的产品的重 图1 2 泡沫铝夹层板 f i g 1 2 s a n d w i c hb o a r do ff o a ma l u m i n i u m 量比原冲压钢板件降低了2 5 7 ，而刚度却高出近7 0 0 ，这对节能和环保有着 重大的意义。据估计 2 5 ，汽车有2 0 的车身结构件可使用泡沫铝夹层或夹芯 材料制造。目前，欧洲的大众、宝马及菲亚特等汽车公司都在开展泡沫铝的应 用研究工作。 除了汽车行业，泡沫铝夹层或夹芯超轻结构材料在航空工业也有类似的应 用潜力和使用范围。采用泡沫铝夹层材料替代昂贵的蜂窝夹层材料，可以在获 得更高性能的同时使成本大幅度下降。波音公司试验了用泡沫钛和泡沫铝夹层 材料制成直升飞机的尾架，这种夹层材料还有一个很重要的特点就是可以制成 弯曲甚至三维的形状。正是因此，一些直升飞机制造商正考虑用泡沫铝夹层材 料部分替代蜂窝夹层材料。 在空间技术中，泡沫金属轻质结构具有更加重要的应用价值。因为在航天 技术中，飞船或航天器上的结构件质量的降低比在任何传统工业中都更有意义。 1 4 2 冲击吸能及防护材料 泡沫铝的另一个非常重要的应用是作为冲击吸能及撞击防护材料。泡沫铝 作为冲击吸能材料同样可以广泛应用于许多领域，如在汽车、火车、城市轻轨 列车上，对撞击的安全防护是至关重要的。在汽车及火车的头部安装填充泡沫 铝的保险杠或用泡沫铝制作的吸能装置可以有效地吸收撞击能量，从而提高车 辆的安全性，降低撞击带来的损失。据报道，日本已在城市轻轨列车的头部安装 了一块2 3 m 3 的泡沫铝( a l p o r a s ) 以提高其撞击时的防护能力。泡沫铝还可用于 制作飞船起落架的材料，以有效地缓冲飞船降落时的冲击。 1 4 3 阻尼及吸声材料 泡沫铝具有很好的阻尼、吸声性能，因而可有效的将振动转化为热能，达 到减震、吸声的目的。日本已将泡沫铝用于繁忙高速公路两侧的吸音墙以减少 噪音，并用于( s h e n k & n s e n ) 铁路隧道中衰减声波。 1 4 4 功能材料的应用 开孔泡沫铝或铜，因其高孔隙率，可以作为热交换器材料，通过气体或液 体在其中的流动与泡沫材料发达的孔壁之间进行热交换，如可以用泡沫金属制 成一种紧凑的散热器用于微电子装置上对高密度发热元器件的冷却。 泡沫金属的高孔隙率和大比表面积的特点使其可以作为催化剂的载体，以 增加催化剂与反应气体或液体的接触面积。 泡沫铅可替代铅板用于电池电极，使电池的重量降低而能量密度却提高。 具有开孔结构的泡沫金属可作为过滤或分离器，用于分离在液体中的固体 颗粒和纤维。还可将分散在气体中的固体和液体分离。如用于清除回收高分予 材料熔体中的杂质、过滤啤酒中的酵母和过滤污油的过滤器。 1 5 金属泡沫材料的制备方法 图1 3 泡沫金属的制备方法分类 f i g 1 3o v e r v i e wo ft h ev a r i o u sp r o d u c t i o nm e t h o d sf o rc e l l u l a rm e t a l l i cm a t e r i a l s 金属泡沫材料的制备方法多种多样，按照制备过程中金属材料所处的状态， 可分为4 大类，约1 6 种之多，如图1 3 所示 7 。各种方法生产出的泡沫铝具 有不同的结构及组织、性能特点，且不同的工艺方法各有所长。目前能够用于 大批量、工业化生产泡沫铝的工艺主要有熔体发泡、粉末冶金发泡和渗流铸造 等工艺方法。典型的有德国不来梅市夫雷霍夫实用材料研究所的金属氢化物发 泡法；日本日立造船技术研究所的发泡剂熔体发泡法；斯洛伐克材料与机械研 究所的基马特( c y m a t ) 法；加拿大a l c a n 公司的吹入气体发泡法；国内也有东南 大学开发的熔体发泡法和渗流铸造法、中科院固体物理研究所的加压渗流法等。 1 5 1 加压渗流铸造法 这种方法采用的是空间占据( s p a c eh o l d in g ) 的原理，即用可去除性( 可溶 或可燃) 颗粒占据空间，然后将金属液浇入颗粒的缝隙中；待金属液冷却凝固后， 除去颗粒以释放其所占据的空间，从而在金属中形成孔洞。 考虑到颗粒的耐热性、强度及可去除性等要求，通常采用n a c i 颗粒作为填 料颗粒。具体制备工艺过程 2 6 为，首先将经过预处理和分筛的n a c l 颗粒装入 模具内，并在一定的压力下对颗粒进行紧实，然后将模具与颗粒一同放入炉内 预热，预热温度约为4 0 0 6 0 0 ，保温1 小时。同时将铝在电阻坩埚炉内熔化 并过热至7 0 0 8 0 0 。c ，准备浇注。浇注时取出模具并迅速浇入铝液，然后通过 活塞对铝液加压，铝液在重力和活塞的作用下渗入颗粒的孔隙中，冷却后即可 得到铝与n a c i 颗粒的复合体。将n a c l 颗粒采用水溶法去除后就得到了具有开 孔结构特征的泡沫铝。 与其他工艺方法相比，加压渗流铸造法的制备工艺过程简单易控、生产成 本低，可以实现工业化生产。这种方法制备出的泡沫铝的孑l 隙成三维连通状态， 且可以通过调节颗粒大小来调节孑l 径，但这种泡沫铝的密度偏高，且密度不易 调节。 1 5 2 金属氢化物发泡法 德国夫雷霍夫实用材料研究所( i f a m ) 研究开发的金属氢化物发泡法，即粉 末冶金生产方法可以制备结构相当均匀的泡沫铝材料。这种泡沫铝具有闭孔式 的结构特征、低密度和很好的力学性能。用这种材料制成三明治式的复合材料 有着广泛的应用潜力。 金属氢化物发泡法制各泡沫铝的工艺过程比较复杂，首先将铝或铝合金粉 末与少量的发泡剂混合均匀，如发泡剂为金属氢化物( t i h ：、z r h ：或c a h ：) ，其 加入量通常不超过1 。将混合均匀的粉末压制成无残余通孔的密实块体。压实 后进一步加工( 轧制、模锻或挤压) 成半成品，然后将可发泡的半成品加热到接 近或高于混合物熔点的温度 2 7 。在加热过程中，发泡剂分解并释放出大量的 气体( h 2 ) ，追使密实块体材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。泡沫铝的孔隙率 可以通过发泡剂的添加量及其它如加热温度、加热速度等工艺参数加以控制。 采用这种工艺方法制各的产品质量高、性能稳定，便于工业化生产，同时 可用此法制作形状复杂的近成品尺寸的工件。但由于前期粉末的制备比较困难， 成本因此而提高，而且粉末与发泡剂难以完全均匀混合，使得工艺过程复杂而 昂贵，从而限制了它的推广应用。 1 5 3 溶模铸造法 这种工艺方法制备泡沫铝的过程 2 8 ，2 9 如图1 4 所示：首先，选用具有一 定孔隙且成三维网状的泡沫海绵材料作为母体材料，然后将可去除的浆状耐火 材料充入泡沫海绵材料中；待浆状耐火材料固化后，经焙烧使泡沫海绵材料气 化分解并使耐火材料硬化，从而形成内有孔隙的预制型。将预制型放入模具并 浇入金属液后，对其施加一定压力或进行真空吸铸，使金属液充填于预制型的 孔隙中。待冷却后清除成型块中的耐火材料，即获得成三维网状通孔的泡沫铝。 溶模铸造法生产的泡沫铝具有很好的三维贯通性，其使用范围大、无腐蚀， 在制造流体透过性产品方面有着良好的应用前景。 卜金属模具2 一金属液 3 - 预制型4 - 均流板 抽气 图t 4 泡沫金属熔模铸造法原理 f i g 1 4 p r i n c i p l eo ni n v e s t m e n tc a s t i n gp r o c e s so f m e t a l l i cf o a m s 1 5 4 空心球铸造法 首先将商业用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料炭化，形成中 空的小球，然后将这些小球加入已熔化的金属中，并强烈搅拌使空心小球在金 属液中均匀分布。待金属液冷却后得到空心球与金属形成的复合材料。 1 5 5 同轴喷嘴法 同轴喷嘴法制备泡沫铝的原理是采用两根同轴圆管，将其嵌套起来，向外 层管通入铝熔体，而向内层管通入惰性气体，将铝熔体“吹成”球形气泡，直 径为1 6 m m ，壁厚为0 5 1 5 m m 。然后将制得球形铝泡置于容器内进行烧结， 通过烧结时的扩散作用，气泡联成一体，成为泡沫材料。 以上是部分常用的泡沫铝制备方法，此外还有熔体直接发泡法、溅射沉积 法、电镀沉积法等。 1 ，6 本文所做工作及实际意义 泡沫铝的种类和制备泡沫铝的工艺方法多种多样，目前用于工业化生产的 工艺方法主要有熔体发泡法、粉末冶金发泡法和渗流铸造法。前两种方法制备 得到的泡沫铝具有低密度、高性能、闭孔结构的特点，但工艺过程复杂且孔洞 尺寸不易控制；渗流铸造法生产的泡沫铝具有开孔的结构特征，孔的结构和尺 寸可以通过调节可去除颗粒的形状和尺寸来进行控制，这种开孔泡沫铝在某些 应用领域的作用是前两种方法生产的闭孔泡沫铝所无法替代的，如作为过滤器、 分离器及热交换器的应用。此外，还可以利用开孔泡沫铝孑l 结构的三维连通特 征，向其孔隙中填入第二相材料，从而得到一种新的复合材料。虽然有许多优 点，但这种开孔泡沫铝的密度相对较高，且密度不易调节。因此，对泡沫铝渗 流制备工艺进行研究来寻求调节和降低产品密度、提高产品性能的途径就有着 重要的意义。 目前，有文献 3 0 介绍了对加工出的泡沫铝进行后处理( 固溶强化) 可以有 效改善泡沫铝的力学性能，且在一些模拟工作中，通常采用基体材料的理论强 度来进行计算。而关于泡沫铝基体材料在制备过程中组织和性能的变化尚未见 报导。因此研究泡沫铝加压渗流制备工艺过程中基体组织、性能的变化有助于 深入了解这种制各方法。 材料的结构性，指材料不仅能够自支撑，而且能够承受一定的外加载荷， 因此，力学性能是结构材料研究和应用的基本参数。泡沫材料具有较高的比强 度和比模量，因而是较为理想的轻质结构材料 3 1 3 4 ，随着人造泡沫材料在 众多领域和各种轻质结构中的广泛应用和迅速发展，力学行为就成为泡沫材料 研究的重要内容之一。目前对泡沫铝力学性能的研究集中于闭孔泡沫铝 3 5 3 7 ，而对开孔泡沫铝力学性能尤其是动态力学性能的研究很少。而现有的研究 结果中也存在许多不一致的地方。因此，对泡沫铝的力学行为进行深入、细致 的研究，为实际应用提供可靠的性能数据是非常必要的。 如果在通孔泡沫铝中填充不可压缩的弹性高分子材料，就得到了一种新的 复合材料。由于受到孔洞内弹性高分子材料的影响，泡沫铝在受到压缩载荷时 的变形机制会发生改变，希望借此改善泡沫铝的力学性能和压缩吸能性。 有关材料在高速加载条件下的响应特性的研究工作，主要集中于混凝土、 泡沫铜、泡沫钛 3 8 ，3 9 等材料，而对泡沫铝在这方面的研究工作，国外公开发 表的文章中进行定量研究的并不多见，国内基本上是空白。而这方面的数值模 拟工作则主要是为了验证所建立本构模型的有效性。因此，定量的分析泡沫材 料的冲击波衰减特性就有着重要的意义。 因此，本文进行了