金属泡沫材料的性能

金属泡沫材料的性能金属泡沫材料的性能 第21卷第2期1998 6月武汉冶金科技大学学报Vol 21 No 2June1998J our nalof Wuhan Yejin Universityof Science and T echno logy金属泡沫材 的性能 徐 光 霍格尔 米克 武汉冶金科技大学 德国不莱梅大学 摘要 较详细地介绍了新兴材料 金属泡沫材料的性能 期望能对我国研究 开发 应用金属泡沫材料 工作起到推动作用 关键词 金属泡沫材料 性能 铝 泡沫铝 TG14人们很早就使用了泡沫材 如木头 砖头等 而对于金属泡沫材 却比较陌生 尽管在60 代就有人提出了泡沫金属的概念 但对其研究远远 够 直到90 代左右 随着人们对新型 轻型建筑材 的需求 断增加 以及 一些特殊应用场合对材 的要求 美国 德国 澳大利亚等国家才逐 渐开始对这一新型金属材 进 研究 研究工作主要集中在金属泡沫材 的生产方法及其性能上 相对而言 对金属泡沫材 性能的研究比较成熟 但对其生产方法的研 究和其用途的开发 目前仍在继续探索之中 1 金属泡沫材 简介所谓金属泡沫材 又称泡沫金属 即为内部含有许 许多多球形或多面体形状气孔的金属材 气孔率一般应高于50 实际上 气孔率可达到60 90 对于铝及铝合金 其密度可达到 0 4 1 0 g cm3 实心铝的密度为2 7g cm3 金属泡沫材 的性能受下列三组参数的影响 母体金属 又称基体金 属 的性能 气孔的相对密度 气孔的形态和分布 金属泡沫材 的气孔结构分为闭孔和开孔两种形式 闭孔结构是其内部气孔相互独立 由母体金属分离 每个气孔都是封 闭的 开孔结构为内部气孔相互连接在一起 单个气孔 是封闭的 在许多泡沫金属中 内部同时存在闭式气孔和开式气孔 金属泡沫材 最明显的特点是重 轻 密度低 本文以铝合金为例 介绍金属泡沫材 的性能及其与实心金属材 的差 异 见表1 2 金属泡沫材 的性能2 1 刚性结构部件的刚性决定了受载时在弹性范围内的形状和尺寸的稳 定性 刚性取决于结构部件的形状和弹性模 E 为了在尽可能小的质 下得到比较大的单位抗弯刚度 结构材 的 1997 12 02 徐光 男 1961 生 副教授 武汉 武汉冶金科技大学冶金学院 430081 E 2之比值应尽可能大 其中 为材 密度 表2为泡沫铝和其他常用结构材 的E 比值比较 由表2可见 泡沫铝具有比较高的E 比值 表1 泡沫铝和实心铝的性能比较合 金发泡剂泡沫金属热处 状态密度 g cm 3平均气孔直径 mm抗压强度 MPa30 变形时的能 吸收 M J m 3弹性模 GPa导电率 m 1 mm 2电阻率 cm热导率 W m 1K 1热膨胀系数 K 1Al99 5T iH2无0 4430 722 42 1481223 10 622Al Cu4TiH2时效硬化0 73215 273 529 24 10 6Al99 5 实心 2 7 67342 923523 6 10 6 根据实验结果可知 铝泡沫材 的弹性模 E与其密度 密切相关 它们 之间的关系为指数为1 6的指数关系 见图1 在双对数坐标中为一直 线 对于密度在1 0g cm3以下的泡沫铝 其合金成分对弹性模 没有 明显的影响 在泡沫铝外层复合一层铝板 可提高其刚性 复合板 与其他材 相比 泡沫铝具有以下优点 通过改变密度 可调节弹性 模 从而得到所需要的弹性模 具有相当高的单位抗弯刚度 见表2 是一种各向同性的金属材 重 轻 密度 在 300 1000 g cm之间 因此可以在水中漂浮 一种材 综合了 干特性 较高的单位刚度 较低的传热性质 较高的吸声能 32表2 泡沫铝和常用结构材 的E 比值材 泡沫铝环氧钢铝玻璃混凝土密度 弹性模 E kg m 3GPa500130078002700250025005521069705010 5GPa kg 2 m62 00 30 41 01 10 8 2E 图1 泡沫铝的弹性模 与密度的关系较高的冲击能 吸收能 和较好的机械 噪声消声能 2 2 抗压强度可通过压 试验来确定泡沫铝的抗压强度 随着压 增加 其变形过程可分为三个阶段 压 很小时 材 处于线弹性变形阶段 到了一定的压 后 气孔壁一起 受压或者部分气孔破裂 在相当长的变形过程中 应 基本上保持为常 数 称为应 平台 继续给材 加压 气孔壁大范围受压 随着变形增 加 应 急剧增加 可以将塑性变形开始时的应 定义为泡沫材 的抗压应 由实验结果可知 密度 增加 抗压强度急剧增加 见图2 合金成分 和热处 状态可以影响金属泡沫材 的变形 为 适当的热处 可以提高 金属泡沫材 的抗压强度 见图3 155 图2 同密度的AlSi12泡沫材 的 图3 合金成分和热处 状态对泡沫铝压应 应变曲线抗压强度的影响2 3 碰撞能 吸收多孔结构或者峰窝状结构可用作能 吸收材 单位质 小 能 吸收能 大的材 就具有较大的作用 自然泡沫材 单位质 小 但其强度低 能 吸收能 差 金属泡沫材 尤其是泡沫铝就具有很高的能 吸收能 由实验结果可知 经过很小的弹性变形后 当材 密度较小时 在很大 的变形范围内 应 基本上保持为一常数 这一区域称为 变形 应 平台区域 这一平台愈长 在较小的应 下 材 就能吸收 多的冲击能 随着密 度增加 变形应 也随之增加 这一平台也随之变短 见图4 能 吸收 能 与密度 密切相关 密度小时 在较大的变形下应 仍较小 但当密度大时 较图4 同密度的AlMgSi合金 变形曲线 阴影部分表示变形所需能 W2 W3 W1 图5 同密度的铝泡沫材 的能 吸收能 图6 密度为0 44g cm3的泡沫铝的与压应 的关系应 应变图156小的变形 就会造成很大的应 使能 吸收能 变差 但冲击能 吸收能 与密度并 是简单的线性关系 从图5可以看出 当AlSi12泡沫材 的密度为870kg m时 其冲击能 吸 收能 最大 图6为密度为0 44g cm3的AlSi12泡沫材 的能 吸收效率 如果将 想的能 吸收定义为100 则由图6可看出 这种泡沫材 变形 到约57 时 能 吸收效率都在85 左右 说明泡沫铝是一种 想的能 吸收材 与其他冲击能 吸收材 相比 泡沫铝具有以下优点 在较小的压 下 即可吸收许多冲击能 根据预先给定的最大允许压 可以通过改变 密度 来选择材 的能 吸收能 总的冲击能 会转变成塑性变形能 能 吸收能 与冲击方向无关 因为泡沫铝是一种各向同性材 2 4 声音吸收泡沫材 尤其是气孔相互连接在一起的开孔结构泡沫材 可以将声音吸收在其气孔中 声波经 规则的气孔表面反射 声能部分 地转变为热能 使声音反射强度变低 研究结果表明 当频率较低时 在比较宽的频率范围内 泡沫铝都具 有较高的声音吸收度 气孔愈细小 气孔相互连接在一起的程度愈高 声音吸收能 也愈大 采用两个 同气孔尺寸的泡沫铝板 可加宽材 的最大吸声频率范围 见图7 与其他阻尼材 如玻璃 矿物纤维和聚合泡沫材 等相比 泡沫铝具 有以下优点 具有良好的声音吸收能 同时具有两种功能 声音吸 收和保护板 可燃 腐蚀 在高温下保持形状稳定 3 图7 泡沫铝声音吸收度与声音频率的关系 图8 泡沫铝的导电性能与密度的关系2 5 导电性金属泡沫材 横断面上只有一小部分为金属 气孔壁 其导电 性由母体金属决定 横断面上大部分为充满了气体的气孔 此外 气孔壁上有一层氧化表面 它像气体一样 能导电 横断面上金属和气孔两者的比值由泡沫材 的密度确定 因此 当金属成分相同时 气孔结构的材 的导电性比实心材 小得多 实验结果表明 金属泡沫材 的导电性随密度增加而增加 见图8 密度和导电性之间的关系为指数为1 5的指数关系 2 6 电磁屏蔽性能电磁波会干扰电气设备的正常工作 可采用屏蔽设备来防止电磁波的干扰 这时就需要157一种材 同时具有良好的导电性能和较小的电磁渗透 能 以 将电磁能转变成热能 用屏蔽系数来定义电磁波的反射能 屏蔽系数取决于电磁波的频率和屏蔽材 的电磁性能 研究结果表明 泡沫铝具有良好的电磁屏蔽性能 见图9 泡沫铝的 电磁屏蔽性能与频率有关 与其他电磁屏蔽材 相比 泡沫铝具有以下优点 超轻质 密度在 30 0 1000 kg m之间 可以成型为复杂的形状 3图9 同材 的电磁屏蔽性能与频率的关系 泡沫铝 硅钢 实心铝2 7 传热性能金属泡沫材 横断面上只有一小部分为金属 气孔壁 其余 部分为充满了传热能 小的气体的气孔 因此泡沫材 的传热能 比实 心材 小得多 由研究结果可知 泡沫铝的导热性能约为实心铝的1 10 见图10 泡沫铝的导热性能与母体金属有关 泡沫铝的传热性能随密度增加而 增加 泡沫铝的传热性随温度增加而增加 但变化 大 见图11 图10 泡沫铝的热传导性能与密度的关系 铝 AlSi12 AlM gSi158图11 泡沫铝的热传导性能与温度的关系 AlMgSi Al0 6 500kg m3 AlM gSi0 6 420kg m3 99 6 320kg m3 AlSi12 440kg m3 AlSi12 330kg m32 8 机械噪声消声机械噪声消声是材 通过内部摩擦将机械振动能 转变 成热能的过程 利用材 的这种性能 可减小所 希望的噪声和振动 用损失因子来定义材 的噪声消声能 损失因子 描述材 的振动幅度减小的速度 在一定的谐振频率下测 每一单位时间内的振幅减小 用下式定义损 失因子 0 0366d fn式中 d 单位时间内的振幅减小 f n 谐振频率 图12 同材 的损失因子 图13 泡沫铝的损失因子与密度的关系 f 5 3kHz f 11 5kHz气孔结构使薄壁气孔产生小塑性变形 就可以释放出振动 能 通过气孔壁的裂纹表面摩擦可进一步减小振动 研究结果表明 泡沫铝的损失因子大大高于实心铝的损失因子 泡 沫铝的损失因子基本上与谐振频率无关 见图12 所测试材 AlSiMg AlSi12 在密度为630kg m3时具有最大的损失因子 见图13 1593 结语本文介绍了金属泡沫材 的几种性能 对从事金属泡沫材 研究的 科研人员有一定的参考作用 参 考 文 献1 J Banhart J Baumeister M Weber Metallschaum ein Werkstoff mit Perspektiven Aluminum Heft3 4 1994 209 2132 J Baumeister J Banhart M Weber Hocheffiziente Energieabso rberaus Aluminiumschaum VDI Berichte1235 1995 293 3033 H DHunze J Baumeister J Banhart M Weber Moglichkeitenzur Herstellungvon BauteilenausGeschaumten Metallen Pulver metallurgie inWissenschaft undPraxis Band9 VDI Verlag 1993 S330 3474 J Baumeister J Banhart M Weber Damping Propertiesof AluminiumFoam Mater ialScienceandEngi neering A000 19955 J Baumeister J Banhart M Weber DE4425157A1 19946 J Baumeister DE4018360 19907 J Baumeister H Schrader DE4101630A1 19918 M Rohnisch DE4416371A1 19949 M Linke W Jurgk E Fischer DE4139020C2 199110 H Worz P Hans DE4206303C1 199211 S Kleinheyer G Bilz DE4326982C1 1993The PropertiesofMetalfoamingMaterialXu Guang H olgerMuckeAbstract The propertiesof newly developed material metal foamingmater ialare introducedinthis paper T heautho rshope thatthe workof thepaper