泡沫金属的制备,力学性能及其应用

1、姓名： 学号：,泡沫金属的制备，力学性能及其应用,一、背景 二、泡沫金属的制备 三、泡沫金属的力学性能 四、泡沫金属的应用 五、泡沫金属“三明治”夹芯板的制备 六、总结 七、参考文献,目录,一、背景,轻质多孔材料,目前已有的泡沫金属制备方法一共有九种，分为四大类： （1）气相发泡 （2）水溶液电沉积 （3）液态处理 （4）固态处理。 其中的一些方法可以用于生产开孔泡沫，另一些则用于生产闭孔泡沫。,二、泡沫金属的制备,1.熔体中注入气体（闭孔） 将空气（或其他气体）注入AL和SiC混合熔体中，由此形成的气泡向熔体表面漂浮、排液，然后开始凝固。通过控制气体注入速度和温度，可以制备出不同密度的泡沫金

2、属。适当的温度变化可以实现密度梯度泡沫金属的制备。,二、泡沫金属的制备,2.熔体中发泡剂分解发泡（闭孔） 首先在铝熔体中加入金属钙，使熔体黏度增加；接着搅拌熔体并加入TiH2颗粒，发泡剂迅速分解成为氢气和钛。发泡完成后在氢气逃逸之前冷却凝固即可得到固态泡沫铝。 此方法为间歇式生产工艺，成本较高；目前只有铝合金可以通过此方式进行发泡。,二、泡沫金属的制备,3.半固体中发泡剂分解发泡（闭孔） 首先将发泡剂颗粒与铝合金粉末混合在一起，并进行冷压实。接着将压实的块坯切片，放入密封的模具中，并加热到略高于合金固相线的温度。这样可以得到与模具形状相同的泡沫体。,二、泡沫金属的制备,4.熔模铸造（开孔） 首

3、先选择合乎要求的开孔聚合物泡沫体作为模具，埋入型砂，烘干硬化后去除聚合物泡沫体就可以得到反演泡沫结构的铸模。接下来将熔体充入铸模，凝固后即可得到开孔泡沫体。,二、泡沫金属的制备,5.金属沉积（开孔） 使用开孔聚合物泡沫作为型板，将金属沉积（化学气相沉积、蒸发沉积或电沉积）到型板上，再去除型板后即可得到泡沫金属。此方法仅适用于镍、钛等纯金属的沉积。,二、泡沫金属的制备,6.捕获气体并使其膨胀（闭孔） 将金属粉末制备成含有均匀高压惰性气体孔隙的致密材料，再通过加热使其内部孔隙压力增大而发生膨胀。这种方法已经可以用来制备金属泡沫“三明治”夹芯板。,二、泡沫金属的制备,7. 中空金属球结构（开孔+闭孔

4、） 制备出尺寸合乎要求的中空金属球颗粒并进行烧结等工艺进行密实处理。,二、泡沫金属的制备,8.两种材料共密实或共铸造而其中一种材料可滤除（开孔） 将各自体积分数均不低于25%的两种粉末混合、密实，形成两相各自连续且相互联结的双联结构。混合体压实后，在合适的溶剂中滤出其中另一种粉末。,二、泡沫金属的制备,9.气体-固体共晶凝固（闭孔） 先将合金熔化，加压使氢气在其中溶解饱和，然后定向凝固，并逐渐降低压力。在凝固过程中，固态金属和氢气通过气相共晶反应同时析出，形成包含氢气孔隙的多孔材料。,二、泡沫金属的制备,二、泡沫金属的制备,不同制备方法所得泡沫金属的空穴尺寸范围和相对密度,三、泡沫金属的力学性

5、能,1.压缩性能 泡沫金属开始被压缩过程中，首先进行的是一段近似弹性加载，该段近似直线段的斜率比真实的弹性模量小，这是由于某些孔穴受到压缩后很快发生了屈服。 初始加载之后便是平台应力区。这一过程中泡沫金属持续发生压缩变形吸能而导致应力不变，平台应力区与横坐标包围的面积就是吸收的能量。开孔泡沫金属的平台应力段比闭孔泡沫金属更加平坦。 平台应力段过后是密实应变点，该点之后，泡沫金属完全被压缩而应力突然上升，失去吸能作用。,三、泡沫金属的力学性能,2.拉伸性能 泡沫金属的拉伸应力-应变性能不同于压缩性能。如下图所示为一个泡沫制品的示例，泡沫金属的整体屈服之前，其应力应变曲线斜率低于弹性模量，意味着很

6、小的应变情形之下仍然有显著的微塑性出现。超过屈服点之后，泡沫金属发生硬化，直至极限拉伸强度产生破坏为止。,三、泡沫金属的力学性能,3.阻尼能力 泡沫金属的阻尼能力一般为制备其所用金属材质的5-10倍。虽然其耗散系数仍远远低于聚合物泡沫材料，但这种金属泡沫化后带来的阻尼能力的提高还是可以很好地加以利用的。 4.疲劳损坏 在泡沫金属的结构应用中，结构的强度会随时间和交变次数的增加而衰减。这种强度的衰减主要是由于泡沫金属的内部裂纹的萌生和发展。在闭孔泡沫金属内，当孔缘沿着某一方向弯曲变形时，孔胞面将会经受表层压力作用。在泡沫结构的交变变形中，存在一定的塑性变形累积，从而使结构强度逐渐衰减。,三、泡沫

7、金属的力学性能,5.比刚度和比强度 金属泡沫具有较高的比刚度和比强度，还可以根据材料的不同使用要求定制不同的泡沫金属。 例如，若轴向刚度和轴向强度是所需性能，那么衡量指标首先是E/，其次是/；但如果要求考虑的是弯曲刚度和弯曲强度，那么合适的衡量指标是E1/2/和e2/3/（梁）或者E1/3/和e1/2/（夹芯板）。,作为一种新型材料，泡沫金属尚未得到充分的表征，其制备过程也没有得到很好的控制，所以性能还具有一定的不稳定性。但是随着制备工艺的不断发展，泡沫金属在轻质刚性结构方面具有很广阔的前景。,四、泡沫金属的应用,四、泡沫金属的应用,泡沫金属在未来发展中的潜在用途举例,四、泡沫金属的应用,开孔

8、泡沫金属与闭孔泡沫金属有着不同的应用领域,五、泡沫金属“三明治”夹芯板的制备,泡沫金属“三明治”夹芯板就是由金属面板与闭孔泡沫芯材构成的所谓三明治结构。该结构在充分发挥泡沫金属材料特性的同时解决了其强度低的问题，目前在汽车、航天等领域有着广泛的应用。 在制备过程中，常用的泡沫金属是泡沫铝，泡沫镁等，而面板可分为金属面板、塑料面板和木制面板。其中金属面板主要是镀锌钢板、冷轧钢板、不锈钢板、铝板。,五、泡沫金属“三明治”夹芯板的制备,1.粘结法 目前常见的泡沫金属“三明治”夹芯板制备方法是使用胶将符合使用要求的各种面板和泡沫金属粘结而成。连接过程中夹芯板不承受外加热循环，但连接前需进行表面处理。粘

9、结的效果与胶粘剂、表面处理工艺有着密切的关系。 常用的胶粘剂有无溶剂聚氨酯单组份胶粘剂和双组分胶粘剂、酮醛双组分胶粘剂等。 粘结法是目前人们较为关注，具有发展前景的连接方法，接缝处耐腐蚀，抗疲劳，韧性高，可以粘结不同类型的金属，接缝表面光滑。但是接缝处也存在强度低、寿命短、质量难以保证的问题。,五、泡沫金属“三明治”夹芯板的制备,2.焊接法 目前主要使用的焊接方法有：钎焊法、缝焊法、激光焊接法等。焊接法可以使焊接件之间实现不可拆卸的冶金结合，但是仍然有一些缺点。例如，钎焊法造成了面板的凹凸不平；缝焊接头的密封性和耐蚀性要求使其对缺陷的敏感性增大，故结合性有所降低等。,五、泡沫金属“三明治”夹芯

10、板的制备,3.界面瞬间液相扩散轧制连接法 界面瞬间液相扩散轧制连接法是利用过渡液相(Transient Liquid PhaseTLP)连接方法的原理使板材与芯材形成良好的大面积冶金结合的方法。由于这种连接方法能够在一定温度、低压力、小变形条件下实现界面良好的冶金结台，故受到普遍关注 以上三种方法均是属于先制备芯材后连接芯材与面板的方法。接下来介绍两种泡沫金属“三明治”夹芯板直接成型的方法。,五、泡沫金属“三明治”夹芯板的制备,4. 模具压制成型法 此种方法首先将面板与混合铝粉一起置入模具中进行冷压，再在450摄氏度下进行一小时左右的保温，最后进行热压，可以得到可发泡的预制体。将预制体置于发泡

11、模具中进行加热即可得到泡沫铝“三明治”夹芯板。 这种方法限制了夹芯板成品的大小，而且生产流程繁琐。,五、泡沫金属“三明治”夹芯板的制备,5.粉末复合轧制法 通过面板与发泡粉末的复合轧制得到可发泡的夹芯预制体，随后将预制体放入电阻炉中加热至适当的温度，使夹芯板的芯材呈现熔融状态，其中的发泡剂则可以发生分解使芯材获得良好的泡沫结构。此种方法工艺简单，易于连续性生产，结合界面达到了冶金结合。,六、总结,本文首先介绍了轻质多孔材料的发展现状，接着重点介绍了泡沫金属的研究现状。其中包括泡沫金属的不同制备工艺及力学性能。泡沫金属的应用形式多种多样，本文从中选择了泡沫金属“三明治”夹芯板，介绍了的目前较为成

12、熟的制备工艺方法。,七、参考文献,1 倪长也,金峰,卢天健. 超轻多孔材料能量吸收性能研究C/中国力学学会, 2010: 46-47. 2 郑华勇,吴林志,马力,等. Kagome点阵夹芯板的抗冲击性能研究J. 工程力学, 2007(8): 94-100. 3 兰凤崇,赖番结,陈吉清,等. 泡沫铝复合板材料高刚度车身结构的基础研究C/中国汽车工程学会: 北京理工大学出版社（Beijing Institute of Technology Press）, 2013: 74-75. 4 明如海. 闭孔泡沫铝夹芯板抗冲击性能研究D: 哈尔滨工程大学, 2009. 5 C.y. ni Y.C.-Li-F.X.-Xin-F.-Jin-T.J.-Lu. Ballistic resistance of hybrid-cored sandwich plates Numerical and experimental assessmentJ. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2013, 46: 69-79. 6 危民喜,张军民. 复合夹芯板的制造简介J. 粘接, 2