金属多孔材料压缩行为

【摘 要】本文在借鉴并参考国内、外最新研究成果的基础上着重探讨、分析了金属多孔材料的压缩性能,以及压缩性能与金属多孔材料性质之间的关系,并对金属多孔材料压缩过程中的能量吸收性质做出了论述.

【关 键 词】金属多孔材料压缩行为能量吸收性质

作为一种新型功能材料和结构材料,金属多孔材料具有一系列其它材料不可比拟的特点和优点.金属多孔材料所具备的渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强、高温抵抗力强、抗冲击能力强、吸声性能良好、比表面积大等优点,使之逐渐成为了目前世界材料研究与创新领域的焦点和热点.

目前金属多孔材料的身份和地位已经不再是作为简单的工能性材料存在,而是成为新型功能材料与新型结构材料的结合体.要想对金属多孔材料的力学性能展开研究,就不能不提到金属多孔材料力学性能的基础——压缩性能.在实际金属多孔材料的应用与理论研究中,压缩性能是一个不可或缺的关键指标,不容忽视.金属多孔材料基本上包括三大种类——泡沫金属多孔材料、粉末金属多孔材料和金属纤维多孔材料.国内、国外材料应用领域对金属多孔材料的压缩性能、压缩性能与多空金属材料性质之间的关系、压缩过程中金属多孔材料的能量吸收性质的研究主要针对的也是上述三大金属多孔材料种类.

1认识金属多孔材料的压缩过程及压缩变化

金属多孔材料的压缩应力——应变曲线包括三个环节：（一）线弹性区,（二）屈服平台区,（三）致密化区.金属多孔材料发生压缩变化时,在其整个压缩过程中会表现出比一般聚合物多孔材料更为优质、更为明显的能量吸收能力和抗击打能力.在金属多孔材料中的压缩过程中,决定其能量吸收能力和抗击打能力的分别是屈服平台区的面积和线弹性区面积.假设材质相同的话,屈服平台区面积越大,金属多孔材料的的相对密度也会加大,而相对密度的增加又提升了材料的压缩应力,因此,金属多孔材料的能量吸收能力也会随之变大.同时,线弹性区面积的增加也会提升金属多空材料的相对密度,进而增强材料的抗击打和抗冲击能力.

2分别研究三大金属多孔材料的压缩性能

对金属多孔材料压缩性能的研究基本上涉及——泡沫金属多孔材料、粉末金属多孔材料和金属纤维多孔材料这三大种类.下面,我们将分别就每一类金属多孔材料的压缩性能展开具体论述.

2.1泡沫金属多孔材料的压缩性能研究

在泡沫金属多孔材料的压缩性能研究中,研究成果最丰富的是对泡沫铝压缩性能的研究.从上文中我们已经得知,金属多孔材料的压缩应力—应变曲线包括三个环节：线弹性区、屈服平台区和致密化区,并且金属多孔材料的能量吸收能力和抗击打能力均与材料表现出来的相对密度有关.在对以泡沫铝为代表的泡沫金属多孔材料进行压缩性能研究时,发现不管是在静止压缩状态下,还是在运动压缩状态下,事先经过熔浸工艺处理的泡沫铝的压缩强度和弹性模量在受材料相对密度制约的同时,还明显的受到单元胞尺寸大小的影响.除此之外,还发现一个关键点,那就是泡沫的应变能力很强,对应变速率表现出比其他材料更为强烈的警惕性和敏感性.

作为一种新型的,集功能性与结构性于一体的金属多孔材料,复合泡沫材料与泡沫金属多孔材料的压缩性能和力学性能变化态势是完全一致的.以SiCp/AlSi9Mg复合泡沫材料为案例进行实验分析的话,我们发现当材料的应变速率出现递增变化时,SiCp/AlSi9Mg复合泡沫材料的屈服强度也表现出递增变化的趋势.也就是说,在SiCp/AlSi9Mg复合泡沫材料的压缩过程中,应变速率越大,屈服度越强.

计算机应用技术和计算机模型技术,可以对金属多孔材料的结构设计和试验方案制定提供技术指导.我们要想充分客观的了解金属多孔材料孔外壁的泡沫拓扑学和粘弹性质以及泡沫铝纵向和横向的塑性破坏应力,就必须要借助于泡沫的粘弹性动态模型的建立和研究.通过建立泡沫的粘弹性动态模型,进一步建立起泡沫压缩应变模型,有助于我们在摆脱泡沫孔直径、外观外貌等因素制约的前提下,客观探讨常规渗透性与许用应变之间的联系.

Zn—22Al多孔材料是采用熔体发泡工艺制备的,其中对Zn和22Al的压缩性能能够产生重大作用的是氧化铝短纤维.Zn—22Al多孔材料延展性能较之其它材料更为优越,其多孔材料的相对密度大小在很大程度上决定了其压缩屈服强度的大小.上文中我们提到所有金属多孔材料的压缩应力—应变曲线包括三个环节：（一）线弹性区、（二）屈服平台区、（三）致密化区,Zn——22Al多孔材料同样也是如此.所制备多孔材料的塑性破坏应力与相对密度之间呈正比例相关关系,即相对密度变大,所制备多孔材料的塑性破坏应力也随之变大.

金属多孔材料虽然具有渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强等优点,并借助这些优点成功吸引了目前世界材料研究与创新领域的青睐和关注.但是,也并非因此就可以说金属多孔材料是完美无瑕的.金属多孔材料在实际应用中存在小孔外壁龟裂、破碎、小孔外形外貌不均匀、小孔排列位置不规整等一系列结构和外形上的缺陷.在一定环境下,这些结构上的缺陷会严重制约金属多孔材料压缩性能的正常发挥.鉴于此,金属多孔材料压缩性能提升的一个关键途径就是创新材料制备技术,减少材料的结构和外形缺陷.在高应变速率下,泡沫铝合金的压缩行为更为激烈.由此我们可知,凭借强烈的应变速率感知力,在运动应变压缩过程中,平台区应力产生了应变硬化.

泡沫Al—Mg合金是通过累积叠轧焊工艺制成的.在泡沫Al—Mg合金的压缩行为变化过程中我们得出的一个重要结论是：金属多孔材料的压缩性能会很大程度上受到不同加载轴的影响和制约.各向异性的破坏行由外形特征各不相同的各向异性单元胞导致.与其它加载方向上的屈服应力相比,由于泡沫Al—Mg合金是通过累积叠轧焊工艺制成的,所以其法线方向上的屈服应力要明显小得多.很大程度上能够影响甚至某些情况下决定闭孔泡沫铝压缩性能的是金属多孔材料的密度和测试温度,在破坏行为和破坏机制中起关键作用的是作用在单元胞上的屈服载荷.在泡沫铝动态压缩过程中,能够对其压缩性能产生影响的因素主要有三种：第一、塑性破坏,第二、平台区的应力,第三、进入致密化区的应变.同时,这三大因素也是金属多孔材料的压缩应力—应变曲线和动态脉冲力的最重要指标,相关单元模型的受力方向和加载速率则在相当大的程度上决定了动态响应.即便是处在运动的冲击、阻抗状态下,处在Z轴上的密度梯度试样照样能够产生强烈的、塑性指数较高的破坏载荷.除此之外,借助压缩性能试验和泡沫铝的模量数据分析、对比,我们在对闭孔泡沫铝的模量进行描述时,可以利用几个经验公式.在泡沫铝单轴压缩的压缩行为过程中,压缩应力—应变曲线的工程应变指数可达到0.9.作为密度的函数,屈服应力的大小则在很大程度要受泡沫铝材料相对密度的影响和控制.采用熔体发泡工艺制备的纯泡沫铝与采用累积叠轧焊工艺制备的泡沫Al—Mg合金相比,在理论模型的建立和压缩试验结果的匹配上表现出更优质的吻合性.

泡沫铝平台区应力与材料的相对密度以及抗击打能力和能量吸收能力呈正比例关系.既泡沫铝的相对密度变大,平台区应力也变大；平台区应力变大,则泡沫铝的抗击打能力和能量吸收能力都会逐渐变大.

2.2粉末金属多孔材料的压缩性能研究

不管是泡沫金属多孔材料,还是粉末金属多孔材料还是下文中将要提到的的金属纤维多孔材料,它们在压缩行为实验中都表现出相同的压缩模型.与存在小孔外壁龟裂、破碎、小孔外形外貌不均匀、小孔排列位置不规整等一系列结构、外形上的缺陷的泡沫金属多孔材料和杂乱无章的金属多孔材料相比,采用高温烧结工艺制备而成的粉末金属多孔材料,再加入造孔剂后制出的材料孔型孔貌均可受到控制.

利用粉末冶金技术,填料则选取碳酸钠颗粒,制备孔隙度在0.778-0.82之间的多孔钯,把应变速率控制在0.001-0.1范围内,发现多孔钯的压缩应力—应变曲线& #30340;弹性区面积相对较小.然后进入面积狭长、外形倾斜的平台屈服区,在18兆帕斯卡及18兆帕以下时,多孔钯进入致密化区.多孔钯平均致密化应变约0.5,对应变速率和相对密度,屈服强度则表现出强烈的敏感性.

由于孔隙度为0.2-0.5的烧结多孔铜的压缩性能主要受到孔的数量和孔的形状、形态的影响,所以低孔隙度试样中的压缩性能与高孔隙度试样中的压缩性能差异性很大.烧结多孔铜的磨损率很大程度上取决于孔隙度、试验应力和滑动速度等因素,而其中对烧结多孔铜的磨损率影响最为突出的则是孔隙度和试验应力.

采用粒度在45微米以下的铜粉末和聚丙烯酸甲酯作为造孔剂,制备形状、尺寸、数量、大小都可以人为控制的低孔隙度烧结多孔铜.制成的的多孔铜的孔隙度范围为在0.05～0.5范围内移动,孔径则在200微米～500微米范围之间,粒度在45微米以下的粉末,制备多孔铜的孔结构多为开孔；粒度在15微米之下的粉末,制备的多孔铜的孔结构除了大多是是开孔外,还存在极少数量的闭孔.综上可知,制备多孔材料时更为适宜的材料是粒度在45微米之下的铜粉末.粒度在45微米之下的铜粉末制成的多孔材料表现出如下的力学性能：孔隙度逐渐增加,多孔材料的相对弹性模量呈现出降低变化的态势；屈服强度与孔隙度呈线性相关关系.

相对密度约大约为0.3的钛锆合金多孔材料是采用粉末冶金方法制备而成.钛锆合金多孔材料中的交错多孔结构与自然骨非常相似,除此之外,小孔结构和材料的力学性能也都与自然骨表现出明显的接近性.钛锆合金多孔材料的小孔直径在200—500之间,其压缩平台应力为78.4帕,其弹性模量为15.3吉帕.

2.3金属纤维多孔材料的压缩性能研究

金属纤维多孔材料的压缩行为和上文中提到的泡沫金属多孔材料的压缩行为之间存在很多共性.与孔壁不规整、不均匀的泡沫金属多孔材料不同的是,金属纤维多孔材料的内部结构中,可以凭借金属纤维丝径将材料孔壁的直径控制成为相等的数值.所以,金属纤维多孔材料的压缩性能、能量吸收能力都比孔壁不均匀的泡沫金属多孔材料更为强大.

多孔钢丝网在压缩行为的变化过程中,也具有一定程度的弹塑性.当多孔钢丝网的在0.3390时,其屈服强度为46.9帕,其弹性模量为1.42吉帕；当多孔钢丝网的增加为0.5627时,其屈服强度降低为14.8帕,其弹性模量降低为0.42吉帕.可见,孔隙度与多孔钢丝网屈服强度和弹性模量之间的变化趋势呈反比例相关关系,即屈服强度和弹性模量会随着材料空隙度的变大而降低.

3分析影响金属多孔材料压缩性能的主要因素

从计算机模型的建立和实践数据分析可知,对金属多孔材料的压缩性能能够产生作用和影响的包括以下几种：材料的相对密度、单元胞尺寸、孔隙度、应变速率、烧结工艺、材料结构缺陷、温度、孔型貌、制备工艺、热处理工艺等等.受所制备的金属多孔材料材质、性能、本身结构等影响,同样的制约因素并不会对压缩性能产生相同的影响.金属多孔材料的压缩机制与致密金属的压缩机制差异性格外明显,尤其是材质不同、材料制备方法不同,金属多孔材料的性能也不同.

对金属多孔材料压缩性能产生影响的一个非常关键的因素是热处理工艺.锻造铝合金AA606l经过热处理后,与热处理之前相比,其压缩性能和压缩强度能够提高将近80%；采用定向凝固法制备的藕状多孔纯铜的压缩性能存在明显各向异性,与采用其它方法制备的金属多孔材料进行对比,采用定向凝固法制备的金属多孔材料压缩屈服应力更为明显.

纵观国内外材料学研究领域,研究时间最早、理论体系最成熟、研究成果最丰富的当属对泡沫铝静态压缩性能和动态压缩性能研究.尽管泡沫铝在压缩过程中呈现出优越性极强的压缩应力和能量吸收能力,但其屈服应力却不是很高.因此,相对较低的屈服应力成为制约泡沫铝在材料应用领域大展手脚的瓶颈所在.

4金属多孔材料压缩性能研究中存在的不足

由于金属多孔材料所具备的渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强、高温抵抗力强、抗冲击能力强、吸声性能良好、比表面积大等优点,与材料的压缩性能密切相关,且金属多孔材料的身份已向功能材料与结构材料的结合体方向上转变.因此,研究金属多孔材料压缩性能成为研究材料力学性能的基础环节.然而,在研究金属多孔材料压缩过程中还存一些问题需要我们解决.泡沫铝在静态压缩过程中和在动态压缩过程中,压缩应力普遍不高,成为限制泡沫铝在工业领域大展手脚的限制因素,而目前大多数的金属多孔材料都是以泡沫铝为材料制成的,这无疑限制了金属多孔材料的广泛应用.在实际应用时,可采取热处理工艺提高其压缩强度和压缩性能.另外,还存在一个亟待研究、解决的问题就是目前国内外对金属多孔材料压缩性能的研究主要还停留在单轴压缩方面上,缺少对金属多孔材料多轴压缩性能的深入研究,需要我们进一步探索.

5结语

金属材料的实际应用范围在日渐扩大,材料领域对金属材料的功能性要求也越来越高,对金属材料力学性能的研究也越来越广泛.金属多孔材料压缩性能的研究还存在巨大的开发空间,值得我们为之创新、探索.