金屬多孔材料壓縮行為探討
目前金屬多孔材料的身份和地位已經(jīng)不再是作為簡(jiǎn)單的工能性材料存在，下面是小編搜集整理的一篇探究金屬多孔材料壓縮行為的論文范文，歡迎閱讀查看。
【摘 要】 本文在借鑒并參考國(guó)內(nèi)、外最新研究成果的基礎(chǔ)上著重探討、分析了金屬多孔材料的壓縮性能，以及壓縮性能與金屬多孔材料性質(zhì)之間的關(guān)系，并對(duì)金屬多孔材料壓縮過(guò)程中的能量吸收性質(zhì)做出了論述。
【關(guān)鍵詞】 金屬多孔材料 壓縮行為 能量吸收性質(zhì)
作為一種新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，金屬多孔材料具有一系列其它材料不可比擬的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。金屬多孔材料所具備的滲透性強(qiáng)、過(guò)濾與分離性良好、密度低、能量吸收力強(qiáng)、高溫抵抗力強(qiáng)、抗沖擊能力強(qiáng)、吸聲性能良好、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，使之逐漸成為了目前世界材料研究與創(chuàng)新領(lǐng)域的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。
目前金屬多孔材料的身份和地位已經(jīng)不再是作為簡(jiǎn)單的工能性材料存在，而是成為新型功能材料與新型結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合體。要想對(duì)金屬多孔材料的力學(xué)性能展開(kāi)研究，就不能不提到金屬多孔材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)——壓縮性能。在實(shí)際金屬多孔材料的應(yīng)用與理論研究中，壓縮性能是一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵指標(biāo)，不容忽視。金屬多孔材料基本上包括三大種類——泡沫金屬多孔材料、粉末金屬多孔材料和金屬纖維多孔材料。國(guó)內(nèi)、國(guó)外材料應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饘俣嗫撞牧系膲嚎s性能、壓縮性能與多空金屬材料性質(zhì)之間的關(guān)系、壓縮過(guò)程中金屬多孔材料的能量吸收性質(zhì)的研究主要針對(duì)的也是上述三大金屬多孔材料種類。
1 認(rèn)識(shí)金屬多孔材料的壓縮過(guò)程及壓縮變化
金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力——應(yīng)變曲線包括三個(gè)環(huán)節(jié)：(一)線彈性區(qū)，(二)屈服平臺(tái)區(qū)，(三)致密化區(qū)。金屬多孔材料發(fā)生壓縮變化時(shí)，在其整個(gè)壓縮過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出比一般聚合物多孔材料更為優(yōu)質(zhì)、更為明顯的能量吸收能力和抗擊打能力。在金屬多孔材料中的壓縮過(guò)程中，決定其能量吸收能力和抗擊打能力的分別是屈服平臺(tái)區(qū)的面積和線彈性區(qū)面積。假設(shè)材質(zhì)相同的話，屈服平臺(tái)區(qū)面積越大，金屬多孔材料的的相對(duì)密度也會(huì)加大，而相對(duì)密度的增加又提升了材料的壓縮應(yīng)力，因此，金屬多孔材料的能量吸收能力也會(huì)隨之變大。同時(shí)，線彈性區(qū)面積的增加也會(huì)提升金屬多空材料的相對(duì)密度，進(jìn)而增強(qiáng)材料的抗擊打和抗沖擊能力。
2 分別研究三大金屬多孔材料的壓縮性能
對(duì)金屬多孔材料壓縮性能的研究基本上涉及——泡沫金屬多孔材料、粉末金屬多孔材料和金屬纖維多孔材料這三大種類。下面，我們將分別就每一類金屬多孔材料的壓縮性能展開(kāi)具體論述。
2.1 泡沫金屬多孔材料的壓縮性能研究
在泡沫金屬多孔材料的壓縮性能研究中，研究成果最豐富的是對(duì)泡沫鋁壓縮性能的研究。從上文中我們已經(jīng)得知，金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線包括三個(gè)環(huán)節(jié)：線彈性區(qū)、屈服平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)，并且金屬多孔材料的能量吸收能力和抗擊打能力均與材料表現(xiàn)出來(lái)的相對(duì)密度有關(guān)。在對(duì)以泡沫鋁為代表的.泡沫金屬多孔材料進(jìn)行壓縮性能研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)不管是在靜止壓縮狀態(tài)下，還是在運(yùn)動(dòng)壓縮狀態(tài)下，事先經(jīng)過(guò)熔浸工藝處理的泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度和彈性模量在受材料相對(duì)密度制約的同時(shí)，還明顯的受到單元胞尺寸大小的影響。除此之外，還發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，那就是泡沫的應(yīng)變能力很強(qiáng)，對(duì)應(yīng)變速率表現(xiàn)出比其他材料更為強(qiáng)烈的警惕性和敏感性。
作為一種新型的，集功能性與結(jié)構(gòu)性于一體的金屬多孔材料，復(fù)合泡沫材料與泡沫金屬多孔材料的壓縮性能和力學(xué)性能變化態(tài)勢(shì)是完全一致的。以SiCp/AlSi9Mg復(fù)合泡沫材料為案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的話，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的應(yīng)變速率出現(xiàn)遞增變化時(shí)，SiCp/AlSi9Mg復(fù)合泡沫材料的屈服強(qiáng)度也表現(xiàn)出遞增變化的趨勢(shì)。也就是說(shuō)，在SiCp/AlSi9Mg復(fù)合泡沫材料的壓縮過(guò)程中，應(yīng)變速率越大，屈服度越強(qiáng)。
計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和計(jì)算機(jī)模型技術(shù)，可以對(duì)金屬多孔材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案制定提供技術(shù)指導(dǎo)。我們要想充分客觀的了解金屬多孔材料孔外壁的泡沫拓?fù)鋵W(xué)和粘彈性質(zhì)以及泡沫鋁縱向和橫向的塑性破壞應(yīng)力，就必須要借助于泡沫的粘彈性動(dòng)態(tài)模型的建立和研究。通過(guò)建立泡沫的粘彈性動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)一步建立起泡沫壓縮應(yīng)變模型，有助于我們?cè)跀[脫泡沫孔直徑、外觀外貌等因素制約的前提下，客觀探討常規(guī)滲透性與許用應(yīng)變之間的聯(lián)系。
Zn—22Al多孔材料是采用熔體發(fā)泡工藝制備的，其中對(duì)Zn和22Al的壓縮性能能夠產(chǎn)生重大作用的是氧化鋁短纖維。Zn—22Al多孔材料延展性能較之其它材料更為優(yōu)越，其多孔材料的相對(duì)密度大小在很大程度上決定了其壓縮屈服強(qiáng)度的大小。上文中我們提到所有金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線包括三個(gè)環(huán)節(jié)：(一)線彈性區(qū)、(二)屈服平臺(tái)區(qū)、(三)致密化區(qū)，Zn——22Al多孔材料同樣也是如此。所制備多孔材料的塑性破壞應(yīng)力與相對(duì)密度之間呈正比例相關(guān)關(guān)系，即相對(duì)密度變大，所制備多孔材料的塑性破壞應(yīng)力也隨之變大。
金屬多孔材料雖然具有滲透性強(qiáng)、過(guò)濾與分離性良好、密度低、能量吸收力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并借助這些優(yōu)點(diǎn)成功吸引了目前世界材料研究與創(chuàng)新領(lǐng)域的青睞和關(guān)注。但是，也并非因此就可以說(shuō)金屬多孔材料是完美無(wú)瑕的。金屬多孔材料在實(shí)際應(yīng)用中存在小孔外壁龜裂、破碎、小孔外形外貌不均勻、小孔排列位置不規(guī)整等一系列結(jié)構(gòu)和外形上的缺陷。在一定環(huán)境下，這些結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)嚴(yán)重制約金屬多孔材料壓縮性能的正常發(fā)揮。鑒于此，金屬多孔材料壓縮性能提升的一個(gè)關(guān)鍵途徑就是創(chuàng)新材料制備技術(shù)，減少材料的結(jié)構(gòu)和外形缺陷。在高應(yīng)變速率下，泡沫鋁合金的壓縮行為更為激烈。由此我們可知，憑借強(qiáng)烈的應(yīng)變速率感知力，在運(yùn)動(dòng)應(yīng)變壓縮過(guò)程中，平臺(tái)區(qū)應(yīng)力產(chǎn)生了應(yīng)變硬化。
泡沫Al—Mg合金是通過(guò)累積疊軋焊工藝制成的。在泡沫Al—Mg合金的壓縮行為變化過(guò)程中我們得出的一個(gè)重要結(jié)論是：金屬多孔材料的壓縮性能會(huì)很大程度上受到不同加載軸的影響和制約。各向異性的破壞行由外形特征各不相同的各向異性單元胞導(dǎo)致。與其它加載方向上的屈服應(yīng)力相比，由于泡沫Al—Mg合金是通過(guò)累積疊軋焊工藝制成的，所以其法線方向上的屈服應(yīng)力要明顯小得多。很大程度上能夠影響甚至某些情況下決定閉孔泡沫鋁壓縮性能的是金屬多孔材料的密度和測(cè)試溫度，在破壞行為和破壞機(jī)制中起關(guān)鍵作用的是作用在單元胞上的屈服載荷。 在泡沫鋁動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中，能夠?qū)ζ鋲嚎s性能產(chǎn)生影響的因素主要有三種：第一、塑性破壞，第二、平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力，第三、進(jìn)入致密化區(qū)的應(yīng)變。同時(shí)，這三大因素也是金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線和動(dòng)態(tài)脈沖力的最重要指標(biāo)，相關(guān)單元模型的受力方向和加載速率則在相當(dāng)大的程度上決定了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。即便是處在運(yùn)動(dòng)的沖擊、阻抗?fàn)顟B(tài)下，處在Z軸上的密度梯度試樣照樣能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的、塑性指數(shù)較高的破壞載荷。除此之外，借助壓縮性能試驗(yàn)和泡沫鋁的模量數(shù)據(jù)分析、對(duì)比，我們?cè)趯?duì)閉孔泡沫鋁的模量進(jìn)行描述時(shí)，可以利用幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。在泡沫鋁單軸壓縮的壓縮行為過(guò)程中，壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線的工程應(yīng)變指數(shù)可達(dá)到0.9。作為密度的函數(shù)，屈服應(yīng)力的大小則在很大程度要受泡沫鋁材料相對(duì)密度的影響和控制。采用熔體發(fā)泡工藝制備的純泡沫鋁與采用累積疊軋焊工藝制備的泡沫Al—Mg合金相比，在理論模型的建立和壓縮試驗(yàn)結(jié)果的匹配上表現(xiàn)出更優(yōu)質(zhì)的吻合性。
泡沫鋁平臺(tái)區(qū)應(yīng)力與材料的相對(duì)密度以及抗擊打能力和能量吸收能力呈正比例關(guān)系。既泡沫鋁的相對(duì)密度變大，平臺(tái)區(qū)應(yīng)力也變大;平臺(tái)區(qū)應(yīng)力變大，則泡沫鋁的抗擊打能力和能量吸收能力都會(huì)逐漸變大。
2.2 粉末金屬多孔材料的壓縮性能研究
不管是泡沫金屬多孔材料，還是粉末金屬多孔材料還是下文中將要提到的的金屬纖維多孔材料，它們?cè)趬嚎s行為實(shí)驗(yàn)中都表現(xiàn)出相同的壓縮模型。與存在小孔外壁龜裂、破碎、小孔外形外貌不均勻、小孔排列位置不規(guī)整等一系列結(jié)構(gòu)、外形上的缺陷的泡沫金屬多孔材料和雜亂無(wú)章的金屬多孔材料相比，采用高溫?zé)Y(jié)工藝制備而成的粉末金屬多孔材料，再加入造孔劑后制出的材料孔型孔貌均可受到控制。
利用粉末冶金技術(shù)，填料則選取碳酸鈉顆粒，制備孔隙度在0.778 -0.82之間的多孔鈀，把應(yīng)變速率控制在0.001-0.1范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)多孔鈀的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線的彈性區(qū)面積相對(duì)較小。然后進(jìn)入面積狹長(zhǎng)、外形傾斜的平臺(tái)屈服區(qū)，在18兆帕斯卡及18兆帕以下時(shí)，多孔鈀進(jìn)入致密化區(qū)。多孔鈀平均致密化應(yīng)變約0.5，對(duì)應(yīng)變速率和相對(duì)密度，屈服強(qiáng)度則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的敏感性。
由于孔隙度為0.2-0.5的燒結(jié)多孔銅的壓縮性能主要受到孔的數(shù)量和孔的形狀、形態(tài)的影響，所以低孔隙度試樣中的壓縮性能與高孔隙度試樣中的壓縮性能差異性很大。燒結(jié)多孔銅的磨損率很大程度上取決于孔隙度、試驗(yàn)應(yīng)力和滑動(dòng)速度等因素，而其中對(duì)燒結(jié)多孔銅的磨損率影響最為突出的則是孔隙度和試驗(yàn)應(yīng)力。
采用粒度在45微米以下的銅粉末和聚甲基丙烯酸甲酯作為造孔劑，制備形狀、尺寸、數(shù)量、大小都可以人為控制的低孔隙度燒結(jié)多孔銅。制成的的多孔銅的孔隙度范圍為在0.05～0.5范圍內(nèi)移動(dòng)，孔徑則在200微米～500微米范圍之間，粒度在45微米以下的粉末，制備多孔銅的孔結(jié)構(gòu)多為開(kāi)孔;粒度在15微米之下的粉末，制備的多孔銅的孔結(jié)構(gòu)除了大多是是開(kāi)孔外，還存在極少數(shù)量的閉孔。綜上可知，制備多孔材料時(shí)更為適宜的材料是粒度在45微米之下的銅粉末。粒度在45微米之下的銅粉末制成的多孔材料表現(xiàn)出如下的力學(xué)性能：孔隙度逐漸增加，多孔材料的相對(duì)彈性模量呈現(xiàn)出降低變化的態(tài)勢(shì);屈服強(qiáng)度與孔隙度呈線性相關(guān)關(guān)系。
相對(duì)密度約大約為0.3的鈦鋯合金多孔材料是采用粉末冶金方法制備而成。鈦鋯合金多孔材料中的交錯(cuò)多孔結(jié)構(gòu)與自然骨非常相似，除此之外，小孔結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)性能也都與自然骨表現(xiàn)出明顯的接近性。鈦鋯合金多孔材料的小孔直徑在200—500之間，其壓縮平臺(tái)應(yīng)力為78.4帕，其彈性模量為15.3吉帕。
2.3 金屬纖維多孔材料的壓縮性能研究
金屬纖維多孔材料的壓縮行為和上文中提到的泡沫金屬多孔材料的壓縮行為之間存在很多共性。與孔壁不規(guī)整、不均勻的泡沫金屬多孔材料不同的是，金屬纖維多孔材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，可以憑借金屬纖維絲徑將材料孔壁的直徑控制成為相等的數(shù)值。所以，金屬纖維多孔材料的壓縮性能、能量吸收能力都比孔壁不均勻的泡沫金屬多孔材料更為強(qiáng)大。
多孔鋼絲網(wǎng)在壓縮行為的變化過(guò)程中，也具有一定程度的彈塑性。當(dāng)多孔鋼絲網(wǎng)的在0.3390時(shí)，其屈服強(qiáng)度為46.9帕，其彈性模量為1.42吉帕;當(dāng)多孔鋼絲網(wǎng)的增加為0.5627時(shí)，其屈服強(qiáng)度降低為14.8帕，其彈性模量降低為0.42吉帕�？梢�(jiàn)，孔隙度與多孔鋼絲網(wǎng)屈服強(qiáng)度和彈性模量之間的變化趨勢(shì)呈反比例相關(guān)關(guān)系，即屈服強(qiáng)度和彈性模量會(huì)隨著材料空隙度的變大而降低。
3 分析影響金屬多孔材料壓縮性能的主要因素
從計(jì)算機(jī)模型的建立和實(shí)踐數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)金屬多孔材料的壓縮性能能夠產(chǎn)生作用和影響的包括以下幾種：材料的相對(duì)密度、單元胞尺寸、孔隙度、應(yīng)變速率、燒結(jié)工藝、材料結(jié)構(gòu)缺陷、溫度、孔型貌、制備工藝、熱處理工藝等等。受所制備的金屬多孔材料材質(zhì)、性能、本身結(jié)構(gòu)等影響，同樣的制約因素并不會(huì)對(duì)壓縮性能產(chǎn)生相同的影響。金屬多孔材料的壓縮機(jī)制與致密金屬的壓縮機(jī)制差異性格外明顯，尤其是材質(zhì)不同、材料制備方法不同，金屬多孔材料的性能也不同。
對(duì)金屬多孔材料壓縮性能產(chǎn)生影響的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素是熱處理工藝。鍛造鋁合金AA606l經(jīng)過(guò)熱處理后，與熱處理之前相比，其壓縮性能和壓縮強(qiáng)度能夠提高將近80%;采用定向凝固法制備的藕狀多孔純銅的壓縮性能存在明顯各向異性，與采用其它方法制備的金屬多孔材料進(jìn)行對(duì)比，采用定向凝固法制備的金屬多孔材料壓縮屈服應(yīng)力更為明顯。
縱觀國(guó)內(nèi)外材料學(xué)研究領(lǐng)域，研究時(shí)間最早、理論體系最成熟、研究成果最豐富的當(dāng)屬對(duì)泡沫鋁靜態(tài)壓縮性能和動(dòng)態(tài)壓縮性能研究。盡管泡沫鋁在壓縮過(guò)程中呈現(xiàn)出優(yōu)越性極強(qiáng)的壓縮應(yīng)力和能量吸收能力，但其屈服應(yīng)力卻不是很高。因此，相對(duì)較低的屈服應(yīng)力成為制約泡沫鋁在材料應(yīng)用領(lǐng)域大展手腳的瓶頸所在。
4 金屬多孔材料壓縮性能研究中存在的不足
由于金屬多孔材料所具備的滲透性強(qiáng)、過(guò)濾與分離性良好、密度低、能量吸收力強(qiáng)、高溫抵抗力強(qiáng)、抗沖擊能力強(qiáng)、吸聲性能良好、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，與材料的壓縮性能密切相關(guān)，且金屬多孔材料的身份已向功能材料與結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合體方向上轉(zhuǎn)變。因此，研究金屬多孔材料壓縮性能成為研究材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。然而，在研究金屬多孔材料壓縮過(guò)程中還存一些問(wèn)題需要我們解決。泡沫鋁在靜態(tài)壓縮過(guò)程中和在動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中，壓縮應(yīng)力普遍不高，成為限制泡沫鋁在工業(yè)領(lǐng)域大展手腳的限制因素，而目前大多數(shù)的金屬多孔材料都是以泡沫鋁為材料制成的，這無(wú)疑限制了金屬多孔材料的廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可采取熱處理工藝提高其壓縮強(qiáng)度和壓縮性能。另外，還存在一個(gè)亟待研究、解決的問(wèn)題就是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬多孔材料壓縮性能的研究主要還停留在單軸壓縮方面上，缺少對(duì)金屬多孔材料多軸壓縮性能的深入研究，需要我們進(jìn)一步探索。
5 結(jié)語(yǔ)
金屬材料的實(shí)際應(yīng)用范圍在日漸擴(kuò)大，材料領(lǐng)域?qū)饘俨牧系墓δ苄砸笠苍絹?lái)越高，對(duì)金屬材料力學(xué)性能的研究也越來(lái)越廣泛。金屬多孔材料壓縮性能的研究還存在巨大的開(kāi)發(fā)空間，值得我們?yōu)橹畡?chuàng)新、探索。
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