（材料加工工程专业论文）合金化与孔结构及填充物对泡沫铝压缩行为的影响.pdf

合金化与孔结构及填充物对泡沫铝压缩行为的影响 摘 要 由于泡沫铝的力学性能是由其基体的力学性能、泡孔结构和相对密度所共 同决定的，因此，深入研究和了解它的力学行为和性能随这些参数的变化对于 优化泡沫铝的结构、进一步提高其力学性能和吸能性具有非常重要的意义。本 文主要研究了泡沫铝基体的合余化、泡孔结构的变化以及所含填充物对其准静 态和动态下的压缩应力应变行为、力学性能及吸能性的影响。 采用加压渗流法制备了开孔泡沫纯a l 、泡沫a 1 s i l 2 合金、泡沫a 1 s i l 2 m 9 0 4 合金和泡沫a 1 s i 8 c u l 6 m g o 4 合金，研究了s i 、m g 和c u 元素的合金化对泡沫 铝准静态压缩性能和吸能性的影响。实验结果表明，多元合金化显著地提高了 泡沫铝的屈服强度、弹性模量和流动应力，但是，多元合金化使泡沫铝的塑性 下降，其应力一应变行为显示出脆性泡沫的特征，并且在压缩载荷下没有出现类 似于泡沫纯铝的致密化过程，从而使压缩平台段大幅度延长；另外，由于采用 s i 、m g 及c u 元素复合合金化大幅度提高了泡沫铝的屈服强度和流动应力，因 此，使其具有更加优异的吸能性。 通过向开孔泡沫a i s i l 2 合金的泡孔中渗流液态硅橡胶的方法制备了含硅 橡胶填充物的泡沫铝合金，并且对这种含硅橡胶的泡沫铝合金进行了准静态和 动态压缩试验，研究了硅橡胶对泡沫铝合余力学行为的影响。由于硅橡胶体积 的不可压缩性，改变了泡沫铝的微观变形机制和应力一应变响应，与不含硅橡胶 泡沫a 1 s i l 2 合金的三阶段变形特征显著不同，含硅橡胶的泡沫a 1 s i l 2 合金在 准静态压缩下表现出类似致密材料的变形特征，而在动态压缩条件下，含硅橡 胶泡沫a 1 s i l 2 合会的应力一应变行为却具有泡沫材料的变形的特征，具有弹性 段和塑性平台段。含硅橡胶的泡沫铝具有较强的应变率效应，随着应变率的提 高，其屈服强度和流动应力均显著提高、吸能性上升。实验结果还发现：随着 泡沫铝孔径的增大，填充硅橡胶后的屈服强度和流变应力均升高。 本文还用有限元模拟和实验方法相结合，研究了泡沫铝中大、小孔径的泡 j l 按不同比例相混合的结构对力学性能的影响。首先，用有限元法建立不同的 j l 结构模型，模拟孔结构的变化对泡沫铝力学性能的影响，取得相应的参数， 然后，用渗流法制备出泡沫铝进行压缩实验验证。模拟和实验结果均表明，当 泡沫铝的孔结构是由大孔和小孔按一定的尺寸比和体积比组成时，相同的密度 下，泡沫铝的强度和刚度显著提高，小孔与大7 l 的尺寸比和体积比分别在o 4 0 o 4 5 和0 0 7 0 1 2 之问是最优的。 关键词：开孔泡沫铝：基体：力学性能：吸能性；动态压缩 i n f l u e n c eo fa l l o y i n g ，p o r es t r u c t u r ea n df i l l e ro nt h e c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro ft h eo p e n c e l la l u m i n u mf o a m s a b s t r a c t t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fa l u m i n u mf o a m si sd e t e r m i n e db ym e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h em a t r i xm a t e r i a l ，p o r es t r u c t u r ea n dr e l a t i v ed e n s i t y s o ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h ev a r i a t i o no ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dp r o p e r t i e so ft h e a l u m i n u mf o a m sw i t ht h ef a c t o r sa b o v ef o rt h ep u r p o s eo fo p t i m i z i n gt h ep o r e s t r u c t u r e ，f u r t h e ri n c r e a s i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de n e r g ya b s o r b i n g c a p a c i t yo ft h em a t e r i a l s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri s t oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo fa l l o y i n go fm a t r i x ，p o r es t r u c t u r ea n df i l l e r so i lt h ec o m p r e s s i v e b e h a v i o ra n de n e r g ya b s o r b i n gc a p a c i t yo fa l u m i n u mf o a m sw i t hq u a s i 。s t a t i ca n d d y n a m i cc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t s t h eo p e nc e l lf o a m e dc o m m e r c i a l p u r ea 1 ，a l s i l 2 ，a i s i l 2 m 9 0 4 a n d a i s i 8 c u l 6 m 9 0 4a l l o yw e r ep r e p a r e db yt h ei n f i l t r a t i n gp r o c e s sr e s p e c t i v e l y t h e i n f l u e n c eo fa l l o y i n ge l e m e n t ss u c ha ss i ，m ga n dc uont h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e s a n de n e r g ya b s o r b i n gc a p a c i t yo ft h ea l u m i n u mf o a m sw a ss t u d i e db yt h e a u a s i s t a t i cc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e y i e l ds t r e n g t h e l a s t i cm o d u l u sa n df l o ws t r e s so ft h ea l u m i n u mf c a m sa r ei n c r e a s e d g r e a t l yt h r o u g hm u l t i p l ya l l o y i n go ft h em a t r i x h o w e v e r ，t h ep l a s t i c i t y o ft h e a l u m i n u mf o a m si sd e c r e a s e db ym u l t i p l ya l l o y i n g ，a n dt h es t r a i n - s t r e s sb e h a v i o ro f t h em u l t i p l ya l l o y e da l u m i n u mf o a mi sc h a r a c t e r i z e db yt h ef e a t u r eo fab r i t t l e f o a mi nt h ec o m p r e s s i o n w i t h o u td e n s i f i c a t i o n ，t h em u l t i p l ya l l o y e da l u m i n u m f o a me x h i b i t sap r o l o n g e dp l a t e a ur e g i o ni ni t ss t r a i n 。s t r e s sr e s p o n s et o t h e c o m p r e s s i o n i na d d i t i o n t h ey i e l ds t r e n g t ha n df l o ws t r e s so ft h ea l u m i n u mf o a m a r ei n c r e a s e db ya d d i t i o n o ft h ea l l o y i n ge l e m e n t ss u c ha ss i ，m ga n dc u ，m o r e e x c e l l e n ta b s o r b i n gc a p a c i t ya r eo b t a i n e di nt h ea l u m i n u ma l l o yf o a m s ，a sar e s u l t ak i n d o fa i s i12f o a m sw i t hs i l i c a t er u b b e rf i l l e rw a sf a b r i c a t e dt h r o u g h i n f i l t r a t i n gt h el i q u i ds i l i c a t er u b b e ri n t ot h eo p e n c e l la l u m i n u mf o a m a n dt h e q u a s i s t a t i ca sw e l la sd y n a m i cc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h es i l i c a t er 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 e a l s i l 2f o a m d u et ot h ei n c o m p r e s s i b i l i t yo ft h ef i l l e d s i l i c a t er u b b e r ，t h e d e f o r m i n gm e c h a n i s m so fm i c r o s t r u c t u r ea n ds t r e s s - s t r a i nr e s p o n s e o ft h e a l u m i n u mf o a ma r ea l t e r e d u n l i k et h ea 1 s i l 2f o a mw i t h o u tf i l l e re x h i b i t i n gt h r e e r e g i o n si nc o m p r e s s i o n t h ea 1 s i l 2f o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e rb e h a v e sl i k ea d e n s em a t t e ri nt h es t a t i cc o m p r e s s i o n h o w e v e r t h ea 1 s i12f o a mw i t hs i l i c a t e r u b b e rf i l l e re x h i b i t st h es t r e s s s t r a i n r e s p o n s e o faf o a m e dm a t e r i a l d u r i n g d y n a m i cc o m p r e s s i o n ，f o ral i n e a re l a s t i cr e g i o na n dap l a t e a ur e g i o na r eo b s e r v e d i ni t ss t r a i n - s t r e s sc u r v e f u r t h e r m o r e t h ea i s i1 2f o a mw i t hs i l i c a t er u b b e rf i l l e r h a sam o r ed i s t i n c ts t r a i nr a t es e n s i t i v i t yc o m p a r e dw i t ht h ef o a mw i t h o u tf i l l e r t h ey i e l ds t r e n g t h ，f l o ws t r e s sa sw e l la se n e r g ya b s o r b i n gc a p a c i t yo ft h ea 1 s i12 f o a mw i t hs i l i c a t er u b b e rf i l l e ri n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gi ns t r a i nr a t e i ti sa l s o i n d i c a t e dt h a tw i t hi n c r e a s e o ft h ec e l ls i z e ，m o r ei n c r e a s ei nt h ed y n a m i cy i e l d s t r e n g t ha n dt h ef l o w s t r e s st a k ep l a c ei nt h ea i s i12f o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t e r u b b e r t h ee f f e c t so fm i x i n gab i gc e l ls i z ew i t has m a l lc e l ls i z ei nd i f f e r e n ts i z ea n d v o l u m e p r o p o r t i o n onm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eo p e n c e l la l u m i n u mw e r e i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n du s i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n f i r s t l y ， t h em o d e l so ft h ea l u m i n u mf o a m sw i t hd i f f e r e n tp o r es t r u c t u r ew e r ee s t a b l i s h e db y t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a t i o ni np o r es t r u c t u r eo nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l u m i n u mf o a m sw a ss i m u l a t e da n dc o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h e n ，t h ea l u m i n u mf o a m sw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp o r e p a r a m e t e r s w e r e p r e p a r e db y t h ei n f i l t r a t i o n p r o c e s s a n d t h e q u a s i s t a t i c c o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do nt h em a t e r i a l si no r d e rt oc h e c kt h e fe as i m u l a t i v er e s u l t s t h ee x p e r i m e n t a la n dt h ef e as i m u l a t i v er e s u l t sb o t h i n d i c a t et h a tt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h eo p e n c e l la l u m i n u mf o a m sa r e i n c r e a s e do b v i o u s l yb yt h ep o r es t r u c t u r ec o n s i s t i n go ft h eb i gc e l la n dt h es m a l l c e l li nt h ep r o p e rs i z ea n dv o l u m er a t i o t h eo p t i m a ls i z ea n dv o l u m er a t i ob e t w e e n t h es m a l lc e l la n dt h eb i gc e l li sa b o u t0 4 0 o 4 5a n do 0 7 0 1 2 r e s p e c t i v e l y k a yw o r d s ：o p e n - c e l la l u m i n u m ；m a t r i x ；m e c h a n i c a l ；e n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t y d y n a m i cc o m p r e s s i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 弛狒兹谢 挪 独创性声明 本人声明所世交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究i i 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，也不包含为获得金照些厶堂或其他教育机构 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谊 意。 学位论文作者签字嘲弘咧签字日期：以年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 佥胆些盘堂有关保留、使_ ；| j 学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被育阅或借 阅。本人授权 佥世上些厶堂可以将学何论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检祟，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t l i j 本授权”) 学位论文者签名 祗轧f 墨哇 刷磁辄徘 ，f i 叼 签字日期：舞z 爿 曰 签字日期：a 哌厂年月r 日 学位论文作者毕业后去向 l ，作单能： 通讯地址： i 也话 邮编 致谢 本文是在导师程和法教授的悉心指导下完成的。三年来，导师的精心指导、 帮助和鼓励使我克服了论文工作中所遇到的各种困难，并顺利地完成了硕士论 文。衷心地感谢导师在科研和学习上给予我无微不至的关怀，导师渊博的学术 知识、严谨的科研态度和对事业勤奋追求的精神均使我受益非浅i 并成为我今 后在学习和生活中的榜样。 衷心地感谢实验室的熊振茵老师和何元祥老师的帮助，感谢张章、戴 光星和吕艳风硕士以及席贽博士、李小蕴硕士等同学在学习和实验上所给予 关心和帮助。 同时，感谢中国科技大学力学和机械系的i t i 杰博士在泡沫铝动态压缩实验 上的大力支持，感谢该系的t - - 恒博士和李剑荣老师在泡沫铝静态压缩实验上 的帮助，以及李剑荣老师在有限元模拟方面做出了大量的工作。 我还衷心地感谢梁俊、梁杰、梁琴和梁发贵等人，在最困难的时候他们给 予我在经济上和生活上的无私帮助，使我终于完成了学业。 感谢妻子梁翠在我求学期间一直对我的支持和鼓励。同时，我还要深深地 感谢我的父母和家人，他们一如既往的支持和鼓励我。 最后，感谢所有给予我帮助的老师和同学们。 胡孔刚 2 0 0 5 年5 月1 0 同 第一章绪论 1 1 引言 泡沫材料是自然界中常见的材料之一，它是一种由固体骨架或胞壁与孔洞 所组成。泡沫材料独特的多孔结构不仅赋予其独特的力学性能和承载能力，而 且还使其具有许多特殊的功能。实际上，人类早在几千年前就己认识并使用了 自然界中很多的泡沫材料，如木材、木炭、陶器等。 随着现代社会科学技术的高速发展，人们已不能满足于利用自然界中的各 类多孔材料，而根据需要设计和制造出各种各样的泡沫材料。为人们所熟悉的 是广泛使用的高分子聚合物泡沫材料，它们可用于很多场合，从可处理的咖啡 杯到飞机座舱的冲击挚。大规模生产的人造泡沫材料，主要用来吸收在包装和 防碰中的冲击能量，以及用作夹层镶板芯材的轻质结构材料。现有的技术不但 可以制造泡沫聚合物，而且还可制造泡沫陶瓷、泡沫玻璃和泡沫金属 2 - 6 1 。而在 泡沫会属中，最具有代表性的是泡沫铝材料，这种新型的泡沫金属材料在工业、 民用、军事、航空航天等领域里具有广泛的应用前景 7 - i o 。 泡沫金属最初出现在2 0 世纪4 0 年代，b e n j a m i ns o s n i c k c 于1 9 4 8 年利用汞在熔 融铝中气化而得到多孔铝，e l l i o t l ”j 于1 9 5 5 年发展了这一技术，即向会属液 中加发泡剂，利用发泡剂受热分解放出的气体使金属发泡成功地制备出泡沫铝。 a 1l e n 州于1 9 5 9 年发明了粉末压实发泡法生产泡沫铝，并不断完善了这一基本 的生产技术。泡沫金属首次制备的成功和特殊性能的发现引起了人们对泡沫金 属材料的极大热情，此后的二、三十年间泡沫金属的制备工艺及技术不断地得 到发展和改进。1 9 5 7 年，j j o r k so e n i l4 】宣布：“泡沫金属有着具大的市场潜力， 在未来的二十年罩泡沫金属很可占金属市场的1 0 ”。但是，他又蜕：“要实现 大规模生产还有许多工作要做，比如如何解决密度和尺寸的控制问题。”由于发 泡工艺与泡孔的尺寸很难控制，泡沫金属一直未得到发展，直至8 0 年代中期以 后，发达国家的科研机构及院校对泡沫铝材料的迅速发展超了重要的推动作用， 并取得了批重要成果。美国、同本、英国、加拿大等国相继研制出多种生产 泡沫铝的方法取得了多项技术专利，已可将泡沫铝制成管材带材等复合材料， 从而加速了泡沫铝材料的应用步伐。而我国对泡沫铝的研究自二十世纪八十年 中后期才起步，国内的些科研院所及院校如东南大学、中科院沈阳金属研究 所、固体物理 i 开究所、中国科技大学和合肥工业大学等单位也相继开展了从泡 沫铝的制各工艺到性能研究的工作，在泡沫铝制各工艺方面取得了突破性进展， 各种规格尺寸开孔及闭孔泡沫铝制品已投入工业化生产。与此同时对泡沫铝 的各种性能的理论研究工作，如阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及力学性 能的研究方面均取得了批重要的成果，这些研究工作对于我国泡沫金属的工 业化生产、理沦研究与应用起了非常重要的推动作用。 1 2 泡沫金属的结构和表征 从结构上讲，泡沫金属材料是一种形成孔穴( c e l l ) 的棱边和壁面的固体 杆或固体板所构成的相互连接的网络体其三种典型结构如图1 1 所示。其中 最简单的结构是二维孔结构，其孔结构是一簇截面为任意多边形的相互平行排 列的管所构成，截面形状如图1 1 ( a ) 所示，因其形状像蜂巢，所以这种多孔 材料又被称为蜂窝材料。三维多孔材料是空间上由连通的或不连通的孔构成， 如果组成泡沫体的固体仅仅只是孔穴的棱边，因此，孑l 穴通过开口的壁面相连， ( b )( c ) 幽1 1 二种典掣多孔材料的结构： ( a ) 一维蜂窝结构：( b ) 三维开 l 结构： ( c ) 三维闭孔结构 则称该泡沫体是“丌孔的”( o p e n c e l l e d ) ，如图1 1 ( b ) 所示；如果那些多面 体的壁面也是固体的，以至于每个孔穴都与其相邻的孔穴相互封闭隔离，则该 物体是“闭孔的”( c l o s e d c e l le d ) ，如图1 1 ( c ) 所示。在许多泡沫金属中， 内部同时存在一部分开孔结构和一部分闭孔结构。 多孔金属具有一些其基体或母金属所不具备的特殊性能和功能，主要原因 就是其所特有的t l i p 结构，决定多孔材料性能主要有以下几个结构参数： 1 相对密度或孔隙率 多孔金属材料区别于其它材料的最重要特性就是其相对密度或孔隙率，相 对密度是指多孔材料的密度p + 除以构成孔壁的固体的密度p + ，而孔隙率是指 多孔材料中所有孔的体积与总体积之比。多孔材料的密度p + 通常可采用称重和 测量体积的方法获得，一般泡沫金属的相对密度在0 3 0 4 5 之间。孔隙率通常 可以用相对密度来换算，即孔隙率= 卜p + p 。 2 孔径 孔径是多孔泡沫金属的基本参数之一，一般以孔隙平均直径作为孔径的衡 量指标。多孔泡沫金属的孔径较大，通常在0 5 5 m m 或更大，而一般粉末冶金 多孔余属的直径不大于0 3 r a m 15 1 。 3 孔结构类型 多孔泡沫金属的孑l 结构类型主要有开孔结构和闭孔结构，在有些泡沫金属 中既含有开孔结构又含有闭孔结构。 4 孔的形状及其不均匀性 实际泡沫金属的孔形状大多呈不规则的多面体，此外，孔的大小以及孔的分 布均表现出高度的不均匀性。由于孔的不均匀性分布，使得固体材料沿着泡沫 铝的结点和孔壁呈非均匀分布【i6 ；孔的不均匀性和固体材料的不均匀分布导致 了泡沫内部密度分布的不均匀7 ，局部密度的分布受几何缺陷如裂纹、泡壁上 的孔洞和起皱的泡壁等的影响也很大，所以，在泡沫金属中存在孔的不均匀性 和固体材料分布的不均匀性1 1 8 】。 1 3 泡沫金属的制备方法 制备泡沫金属的方法很多，其中一些方法与制备聚合物泡沫的方法相类似， 如熔体发泡法，而有些方法则是利用金属所特有的性能来制备泡沫金属，如烧 幽1 2 泡沫金属制备方法的分类 结活性和导电性而发展起来的。根据在制备过程中金属所处的状态，可将泡沫 金属的制备方法主要分为4 类 1 9 1 、多达十五种，如图1 2 所示。目前能够用于 工业化生产泡沫金属的工艺主要有熔体发泡法、粉末冶金发泡法和渗流铸 造法等工艺方法。渗流铸造法是目前能大批量制备开孔泡沫铝的主要方法， 它可分为上部加压渗流、低压渗流和高压渗流等多种渗流铸造方法 z o , 2 ”，其原 理是将金属液浇注到由耐高温而又可溶于水的颗粒缝隙之中，或由类似物质制 成的具有连通孔结构的丌孔泡沫预制块之中，待金属液凝固以后将颗粒或预制 块用水溶去，便可获得开孔结构的泡沫金属 2 1 - 2 3 。此方法制各的泡沫铝特点 是具有开孔结构，孔结构可通过食盐颗粒尺寸大小和堆积方式来控制，但是渗 流法制备的泡沫铝的密度相对较高且变化范围小，一般相对密度为o 3 0 4 5 2 0 | 2 3 。而用耐火物质开孔泡沫预制块渗流法可制各密度很低的开孔泡沫 铝，密度可小到0 0 4 9 9 c m 。【“】，这种方法制备泡沫铝的成本较高。 熔体发泡法是制备闭孔泡沫铝的主要方法之一，其原理是：首先将a 1 或 a l 合金熔化，随后加入c a 等增粘剂使熔体增加粘度，以防止气泡从熔体中逸 出，然后加入t i h ：等发泡剂并使其分解产生大量气体，最后经冷却使熔体中的 气体滞留在熔体内部 2 5 - 2 7 1 。此方法制备泡沫铝的主要工艺包括：铝的熔化一铝 液的增粘一发泡剂的混合一保温发泡一发泡剂的冷却，其中增粘、混合、发泡 和冷却四个工艺过程对制备孔径和孔隙率可控孔结构均匀的泡沫铝至关重要。 熔体发泡法设备简单，制备的泡沫金属孔隙率高，而且适于规模生产大规格的 闭孔泡沫铝。 此外，制备泡沫铝的方法还有添加球料法，熔模铸造法，喷溅沉积法，镀 覆金属法，熔融盐电镀铝法等。 1 4 泡沫金属的性能特征及其研究进展 泡沫金属独特的孔隙结构使其具有轻质、高比强、阻尼、吸声、能量吸收、 电磁屏蔽等多种物理性能，是一种很有发展潜力的多孔金属材料，因而成为二 十一世= 纪| j i 沿热点材料之一f 1 , 2 8 1 。泡沫金属主要的性能特征可概括成以下几个 方面： 1 ，4 1 泡沫金属的力学性能和吸能性 大规模生产的人造泡沫材料，主要应用在吸能、缓冲以及轻质结构等方面， 因此对泡沫材料的力学行为需要作深入的了解。泡沫金属的典型压缩应力一应 变口一s 曲线如图1 3 所示，在压缩载荷下，泡沫材料的应力一应变( 一一r ) 响应具有明显的三阶段特征，即：初始的弹性段、中间的塑性平台( p l a t e a u r e g i o n ) 段及最后的应力急剧上升的致密段( d e n s i f ic t i o nr e g io f i ) ，其中，平 台段( p l a t e a ur e g i o n ) 的起始点应力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度，而此强 度远小于其基体的屈服强度。f 是由于泡沫材料的这种独特的压缩变形行为， 当受到外界冲击载荷时很容易发生变形，变形量大而流动应力水平较低，在压 4 缩变形过程能消耗大量的功，并将其转变为结构中泡孔的变形、坍塌、破裂、 胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效地吸收外界的冲击能量，因此， 泡沫金属是一种理想的吸能材料。 图1 3 泡涞金属的典型压缩应力一应变。一s 曲线 从已有的大量实验研究表明在其它参数相伺的情况下，基体材料的性能 直接决定其泡沫在静态压缩下的应力应变行为，如塑性泡沫的变形过程是由弹 性段、塑性平台段和致密段所组成，而脆性泡沫却表现出两个阶段的变形特征， 即变形过程是由弹性段和平台段组成，没有明显的致密化过程。而对于给定的 基体材料面言，对所有力学性能影响最大豹因素是泡沫的相对密度，这已为大 量实验所证实。 在泡沫材料力学性能的理论研究方面，很多研究者通过建立各种理想化的 模型、采用模拟的方法探索了泡沫材料的力学性能与其孔结构之间的关系，并 图1 4 开孔泡沫铝的简单立方模型 得出了系列描述泡沫材料力学性能力学模型。在这方面具有代表性的是 g i b s o n 和a s h b y ，在总结前人的研究成果的基础上，结合自己的研究成果，对 泡沫材料力学性能进行了较为全面、细致的阐述。他们采用图1 ，4 所示的正立 方单胞模型，模拟了各种泡沫材料的变形行为，得出了泡沫材料的力学性能与 基体材料的性能、相对密度和泡孔的结构之间的力学模型。g i b s o n 和a s h b y 根据泡沫材料的基体性质不同将泡沫材料分成三种，即弹性体泡沫、弹塑性泡 沫以及脆性泡沫，这三类泡沫材料由于基体性质不同，因而其变形、破坏的机 制也各不相同。当压缩加载时，应力一应变曲线上的应力平台段与泡沫材料的变 形机制相关：弹性体泡沫材料( 如橡胶) 是通过弹性屈服变形；弹塑性泡沫材 料( 如铝) 是通过塑性铰弯监变形；丽脆性泡沫材料( 如陶瓷) 则是通过脆性 断裂。当然，实际泡沫材料的孑l 穴形状要比图1 4 所示的更为复杂，变形机制 与简化模型是相似的。其他一些研究者则通过建立理论模型研究了孔结构的不 规则性对泡沫材料力学性能的影响规律，如s i m o n e 和g i b s o n 研究了孔壁的弯 曲和起皱以及孔的形状对泡沫铝的弹性模量和屈服强度的影响 2 9 , s o j 。 近年来，人们也开始注意到泡沫金属的孔隙中所含的填充物对其力学行为 和吸能性的影响，如硅橡胶填充物对泡沫铝力学性能的影响。通过对含硅橡胶 的泡沫纯铝进行了准静态和动态压缩行为的研究发现，含硅橡胶泡沫铝具有显 著不同于相同参数泡沫铝的应力一应变响应特征，这种复合材料具有优异的吸能 性，是一种很有发展潜力的冲击吸能材料f 3 1 。 泡沫铝作为一种性能优异的冲击吸能材料，对其在动态下的力学行为的了 解是至关重要的，因此，近几年来很多研究者对泡沫铝的动态压缩力学行为开 展的一系列的研究工作，如在冲击条件下，随着加载或变形速度的提高，泡沫 材料的变形机制和应力一应变响应都将发生变化，强度随之上升，即产生所谓的 应变率效应【3 ”。对于泡沫铝应变率敏感性的认识，目前仍然没有形成一致的观 点。有些学者认为泡沫铝没有应变率敏感惶1 3 3 1 ，但有些学者认为闭孔泡沫铝具 有应变率敏感性，而丌孔泡沫铝没有应变率敏感性 3 4 , 35 ；胡时胜等【】6 】认为泡沫 铝具有应变率敏感性，其主要原因是与微观惯性和变形过程中孔壁的碰撞有关。 1 4 2 吸声性能 泡沫余属的多孔结构使其具有优异的吸声性能，多孔金属与其它材料结合， 能有助于隔音【1 , 16 。一般情况下，通孔泡沫材料的吸声性能比闭孔的好，如开 孔泡沫铝的吸声系数峰值可达0 。9 5 以上1 3 7 1 。泡沫铝在水下的吸声系数峰值可 达到0 9 4 ，可用作吸收水下一定频率范围声波的吸声材料38 1 。 i 4 3 电磁屏蔽性能 泡沫铝具有良好的导电性和特有的孔隙结构，电磁波在其中传播时将在孔 洞的表面发生多次反射而损耗，因此具有良好的吸收和反射电磁波的能力。丌 5 孔泡沫铝在0 0 l5 k h z 1 5 g h z 的频率范围内的电磁屏蔽系数可达7 5 d b 以上 。 1 4 4 阻尼性能 泡沫金属具有良好的阻尼性能，其阻尼性能与孔隙率高低及孔径的大小密 切相关，如泡沫铝的阻尼性能随孔隙率的提高及孔径的减小而上升【40 1 。由于多 孔效应的作用，泡沫铝具有比基体材料本身高得多的阻尼性能”。泡沫金属 与高分子聚合物组成的复合体是一种内耗值更高的阻尼材料，其机械阻尼性能 是该孔隙结构的泡沫金属二倍1 4 2 | 。 1 4 5 热学性能 泡沫材料具有很好的绝热性能，如泡沫铝具有极低的热导率，约为铝的热 导率的l 6 0 ，是一种优秀的绝热保温材料。通孔泡沫铝由于具有非常大的比表 面积，通过其孔隙的流体将产生复杂的三维流动，由此具有优良的散热能力4 3 1 。 1 ，4 6 其它性能 泡沫金属还具有耐高温、阻燃、耐候性、抗腐蚀、电阻大、有过滤能力和 毛细管现象等特点。 1 5 泡沫金属的应用 泡沫金属，特别是泡沫铝及合金，本身具有力学、热学、声学、电磁学等诸多优 异的物理特，因此在航空、航天、运输、军工、化工、生物、环保、能源、机械等领 域，有着广泛的应用前景，其主要的应用领域如下： 1 5 。1 超轻结构材料 泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板。即：其芯层为泡沫 铝或泡沫铝合金，上下层为铝扳或其它金属薄板。汽车的轻质剐性结构采用泡 沫铝材与三明治式复合泡沫铝材制造盖板、卡车盖与滑动顶板等可减轻重量与 提高刚度。如德国卡曼汽车公司用三明治铝材制造的吉雅轻便轿车的顶盖板， 其刚度是原来的钢构件七倍左右，而其重量却比钢构件轻2 5 44 1 。此外，还有 更高的吸收冲击能和声能的效果。据测算，汽车车身构件约有2 0 可用泡沫铝 材制造。一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可减轻2 7 2 k g 左右，既 可以节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系 统，零部件至少可减少1 3 。目前，欧 ! f 1 1 的大众、宝马及菲皿特等汽车公司 都在丌展泡沫铝的应用研究工作。 泡沫铝材在航空航天工业也有着相对大的应用潜力。用铝箔制的蜂窝结构 在航空航天器中获得了悠久的广泛的应用，但生产工艺复杂，制造成本高，而 泡沫铝材则是其良好的代用品。 1 5 2 吸能与冲击防护材料 泡沫金属材料，尤其是泡沫铝具有很高的能量吸收能力，可以作为冲击吸 能和撞击防护材料。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。泡沫铝还可用于制作飞船起落架的材料，能够有效地缓冲飞船降落时 的冲击。 1 5 3 阻尼及吸声材料 泡沫金属具有良好的阻尼性能，因此可有效地将系统的振动能转变为热能， 减小震动、降低噪音。同时，通孔的泡沫金属，如泡沫铝还可具有良好的吸收 噪音的功能，当声波压迫空气在泡沫铝中细小的、相互连通的孔洞中流动时， 通过与孔壁的摩擦与产生紊流而消耗能量，因此，泡沫铝可作为噪音环境下的 吸声材料，在同本已将泡沫铝( a l p o r a s ) 用作繁忙高速公路两侧的吸音墙以减 少噪音，并用作铁路遂道中衰减声波。泡沫铝还可以作为室内公共场所，如大 厅内的吸声材料。 1 5 4 功能材料 由于泡沫余属的高孔隙率，可以用作催化剂的载体，增加催化剂与反应气 体或液体的接触面积。泡沫铅可取代常用的铅栅板用作铅酸电池中反应物的载 体，从两使电极的重量大大减轻，泡沫铅还可作为良好的导电网格降低电池内 的电阻。泡沫镍已经用于充n i e d 蓄电池的电极，使电池的重量减小而能量密度 却提高1 4 ”。具有通孔结构的开孔泡沫金属可作为过滤或分离器，用于将分散在 液体中的固体颗粒和纤维过滤或分离，还可将分散在气体中的固体和液体从气 体中分离或过滤( 烟尘) 。如用于清除回收高分子材料熔体中的杂质，过滤啤 酒中的酵母和过滤污油等的过滤器。 此外，泡沫材料还可用作生物医学移植材料、热交换器和冷凝器、液体的 存储和运输、阻火器、液流控制和水净化等等。 1 6 存在的问题和本文的主要工作 泡沫铝作为一种轻质结构材料，如何在保持轻质的基础上进一步提高其力 学性能是一个非常重要的课题，而作为冲击吸能和防护材料，也需要对其力学 行为和吸能性，特别是动态条件下的力学行为与吸能性要有深入的了解。在最 近的十几年罩，国内外许多学者对泡沫铝的力学行为，特别是准静态压缩力学 行为进行了大量的研究，并取得了许多重要成果。然而，他们大量的研究工作 主要集中在几种商业化的泡沫铝上很难系统地研究通过加入不同的合金元素 对泡沫铝的力学行为所产生的影响，以及通过加入合金元素进一步提高泡沫铝 力学性能的途径。 另一方面，在液态法制备泡沫铝的过程中，由于特殊的条件所形成的材料 微观组织及其力学性能也决定着泡沫铝最终的力学性能，而到目前为止，还很 少有人对这方面的问题进行深入的探讨。g i b s o n 和a s h b y 用简单正立方模型模 拟了开孔泡沫铝的力学性能，得出了孔结构是影响泡沫材料力学性能的一个重 要的参数，然而实际泡沫的孔结构与理论模型分析的开孔结构相比有很大的差 异。泡沫金属的孔形状、大小以及孔分布的不均匀性都将会对泡沫铝的力学性 能造成影响，因此，研究孔结构对泡沫铝力学性能的影响有很重要的意义。 泡沫铝具有特殊的多孔结构，从某一程度上也可以将泡沫铝看成是一种含 气相的复合材料。由于在静态压缩下开孔泡沫铝中的气体对力学性能的影响非 常小，因此，通常情况下忽略掉气体对泡沫铝力学性能的影响。当泡沫铝孔洞 的气相被粘性很大的流体所代替，泡沫材料的变形行为和力学性能乃至吸能性 将会产生显著的影响【1j ，到目前为止，孑l 洞中所含介质对泡沫铝力学行为及其 变形机制影响的工作报道很少。 基于以上原因，本文拟开展以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 在纯铝的基础上采用s i 、m g 、c u 等合金元素进行合金化并结合变质 处理的方法，用加压渗流铸造工艺制备出不同性质基体的泡沫铝合金，分析在 渗流过程中泡沫铝的微观组织变化，研究合金化、变质处理和热处理对泡沫铝 力学行为以及吸能特性的影响。 ( 2 ) 在制备的泡沫铝孔隙中填充硅橡胶高分子，研究含高分子材料泡沫铝 的压缩应力一应变行为、变形机制和吸能特性以及动态下的应变率效应。 ( 3 ) 用有限元分析大、小孔径混合对泡沫铝力学性能的影响，通过数值模 拟得出大、小孔径混合的优化参数，最后通过实验加以验证。 第二章 合金化对泡沫铝压缩力学行为的影响 2 1 引言 泡沫金属具有低的密度，同时又有高的比强度和优异的吸能特性，因此可 作为轻质结构材料和冲击缓冲材料而具有重要的应用前景。近十几年来，泡沫 金属的力学行为的研究已成为材料科学领域里的热点课题，在泡沫金属的力学 行为的理论和实验研究方面取得重要进展。国内外许多学者对泡沫材料的力学 性能与其基体材料的性能及孔结构之间的关系进行了大量的研究，并建立了一 些有关泡沫材料的力学性能的模型，其中具有代表性的是g i b s o n 和a s h b y l lj 利用简单立方单胞模型模拟了开孔结构泡沫材料的力学性能，模型表明泡沫材 料的性能主要取决于其胞孔结构、相对密度和基体材料的力学性能一”j 。因 此，当结构参数和相对密度相同时，通过改善基体材料的力学性能，从而可以 相应地提高泡沫金属的力学性能。 铝合金因其具有较